La visión del universo de Stephen Hawking,
Texto cuneiforme
La Biblia dice: Dios creó el universo.
Los físicos contemporáneos dicen que el universo nació con el Big Bang.
El Vaticano dijo: La teoría del Big Bang es consistente con la Biblia.
Stephen Hawking dijo: El big bang y los agujeros negros son singularidades inevitables en el universo.
Stephen Hawking dijo: Los agujeros negros no son negros. No sólo es visible, sino que es incandescente.
Stephen Hawking dijo: En el marco de la física clásica, los agujeros negros se vuelven cada vez más grandes, pero en el marco de la física cuántica, los agujeros negros se vuelven cada vez más pequeños debido a la radiación.
Stephen Hawking dijo: El ciclo desde el Big Bang hasta el agujero negro es el proceso de creación, destrucción y renacimiento del universo. Entonces la contribución de Dios al universo desaparece.
Stephen Hawking se divorció de su esposa, que lo había cuidado durante más de diez años, y se comprometió profundamente con el catolicismo.
Algunas personas dicen que Stephen Hawking es el mayor genio después de Einstein, mientras que otros dicen que está loco.
¿Quién es Stephen Hawking?
(2)Stephen Hawking
Stephen Hawking es un físico teórico británico. Su cumpleaños es el 8 de enero de 1942, que coincide con el 300 aniversario de Galileo. En 1959, Hawking, de 17 años, comenzó a estudiar en Oxford e hizo su tesis doctoral en Cambridge con su supervisor Denis Siama.
Sin embargo, en esta época a Hawking le diagnosticaron una enfermedad llamada "esclerosis lateral amiotrófica", que aún es incurable o incluso incontrolable. Stephen Hawking terminó permanentemente en silla de ruedas y perdió la capacidad de hablar. Su vida dependía enteramente de su esposa, Jane Wald. Sin embargo, esta persona discapacitada, de quien se dice que sólo tiene tres dedos en su cuerpo, confió en su asombrosa perseverancia para completar una serie de asombrosas teorías sobre el Big Bang y los agujeros negros, hizo grandes contribuciones a la física cuántica y mostró al mundo el Grandeza del universo. Fondo misterioso. Generalmente se le considera el científico más destacado desde Einstein. Del 65438 al 0974, Hawking obtuvo el puesto de "Profesor Lucas de Matemáticas en Cambridge".
En la ceremonia de inauguración, Hawking se tomó muchas molestias para firmar su nombre en la lista, y la firma en la primera página de la lista era Isaac Newton.
La contribución de toda la vida de Hawking a la física demuestra que bajo el marco de la física clásica, el big bang y los agujeros negros son inevitables, y los agujeros negros se harán cada vez más grandes bajo el marco de la física cuántica, los agujeros negros cambian debido a ello; a la radiación. Tiene que hacerse cada vez más pequeño. Las singularidades del Big Bang y de los agujeros negros no sólo se suavizan mediante efectos cuánticos, sino que también son el origen del universo. La contribución de Hawking a la popularización de la ciencia radica en el hecho de que escribió un libro muy popular: "Una breve historia del tiempo". Este libro ha estado en la lista de los más vendidos durante más de 100 semanas consecutivas, ha sido traducido a 33 idiomas. Ha vendido más de 5,5 millones de copias del libro.
Este artículo tomará como línea principal una breve historia del tiempo e introducirá la teoría de Stephen Hawking.
(3) Nuestro Universo
El universo es tan misterioso que cuando todos miran las estrellas, no pueden evitar preguntarse qué se esconde detrás de las estrellas. Nuestros antepasados creían que "el cielo es como el cielo y la tierra es como una balanza de ajedrez", mientras que los antepasados de los antiguos indios creían que la tierra se llevaba a lomos de un elefante.
En el año 340 a.C., el antiguo filósofo griego Aristóteles desarrolló las siguientes opiniones en su libro "Sobre los cielos": En primer lugar, los eclipses solares son causados por la sombra de la Tierra proyectada sobre la Luna.
En segundo lugar, debido a que la sombra de la Tierra que se ve durante un eclipse solar es siempre redonda, se puede inferir que la Tierra debería ser una esfera, no un disco. En tercer lugar, la tierra es el centro del universo. El sol, la luna, los planetas y otras estrellas están unidos a ocho esferas celestes y giran alrededor de la Tierra en órbitas circulares perfectas.
El cristianismo acepta plenamente las enseñanzas de Aristóteles, lo cual es consistente con la cosmovisión bíblica y la teoría de la creación de Dios. La mayor ventaja de este modelo del universo es que hay espacio para el cielo y el infierno más allá de la esfera estelar más exterior.
En 1514, el pastor mikolaj kopernik propuso la "teoría heliocéntrica", que creía que el sol estaba estacionario en el centro del universo, mientras que la tierra y otros planetas se movían en círculos alrededor del sol. Por temor a la persecución de la Iglesia, Copérnico difundió sus teorías en secreto. Más tarde, cuando Galileo observó Júpiter, descubrió que varios de sus planetas giraban alrededor de Júpiter, lo que demostraba que otros planetas no necesariamente giraban alrededor de la Tierra. Luego, Kepler revisó la teoría de Copérnico, reemplazando las órbitas circulares por otras elípticas, haciéndolas consistentes con las observaciones. Su apoyo público finalmente significó el fin de la teoría de Aristóteles.
En 1687, Isaac Newton publicó los mundialmente famosos "Principia". En el libro se propuso la famosa ley de la gravitación universal. El libro "Principia" resuelve el problema de cómo se mueven los objetos en el espacio y el tiempo.
La gente puede incluso utilizar su teoría para calcular con precisión las órbitas de los planetas.
Pero el problema volvió a ocurrir. Según la ley de la gravedad, los planetas siempre se atraen entre sí. Parece imposible que permanezcan relativamente estacionarios en un área grande y finalmente caigan juntos. Newton también era consciente de esto y explicó que esto efectivamente sucedería si un número finito de planetas estuvieran distribuidos en un área finita.
Pero si hubiera infinitos planetas uniformemente distribuidos en el espacio infinito, esto no sucedería, porque en este momento la distribución de la gravedad sería uniforme y no habría un centro que los reuniera.
De hecho, ésta es una trampa teórica con la que nos encontramos a menudo. De hecho, en un universo infinito, cada estrella puede considerarse como un centro, porque hay infinitas estrellas en todas direcciones. El método correcto debería ser: primero considere la situación en la que el espacio es limitado y las estrellas colapsan juntas. Agrega más estrellas de manera uniforme fuera de esta área. Según las leyes de Newton, estas estrellas añadidas no tienen ningún efecto sobre el área original, por lo que las estrellas seguirán cayendo juntas. Agregamos tantas estrellas como queramos y siempre colapsan hasta formar un punto. En otras palabras, las regiones locales del universo son siempre desiguales y debería haber un colapso local, y esta tendencia se expandirá gradualmente. Este no fue el resultado observado.
Así que tenemos un gran problema: ¡un universo estático infinito no existe!
(4) Paradoja de Orbers
La idea de un universo estático es tan fuerte que los científicos que se dan cuenta de que la teoría de la gravedad hace imposible que el universo sea estático no Propusieron que el universo es inflación, pero en cambio intentaron revisar su teoría. Incluso cuando Einstein publicó su teoría general de la relatividad en 1915, estaba bastante seguro de que el universo era estacionario. Así que tuvo que corregirlo introduciendo en sus ecuaciones la llamada constante cosmológica. Introdujo una "antigravedad" pasiva e inherente al tejido del espacio-tiempo. Afirmó que la tendencia de expansión interna del espacio-tiempo puede simplemente equilibrar la atracción mutua de varios materiales en el universo, produciendo así un universo estático. Esta teoría fue posteriormente llamada por Einstein "el error más imperdonable de la vida".
Se cree generalmente que el filósofo alemán Olbers atacó por primera vez el universo infinitamente estático. En 1823 propuso la famosa "Paradoja de Orbers". Señaló que si el universo es infinitamente estático y uniforme, entonces cada línea de visión de un observador debe terminar en una estrella. Entonces podemos imaginar fácilmente que incluso de noche todo el cielo será tan brillante como el sol. Algunos argumentan que la luz de la estrella distante es absorbida y debilitada por el material por el que pasa. De hecho, esta objeción aparentemente razonable no se sostiene, porque la materia que absorbe la luz eventualmente se calentará hasta emitir luz con tanta intensidad como una estrella. En un universo infinitamente quieto, sólo hay una cosa que podría impedir que el cielo nocturno sea tan brillante como durante el día, y eso es si las estrellas no comenzaran a brillar infinitamente hace mucho tiempo. En este caso, el material a través del cual pasa la luz aún no se ha calentado o la luz de la estrella distante aún no ha llegado a la Tierra. Entonces nos enfrentamos a otra pregunta: ¿Qué hizo que las estrellas brillaran por primera vez? Ésta es la cuestión que el hombre lleva explorando durante incontables siglos: el origen del universo.
En 1781, el filósofo Immanuel Kant analizó profundamente la cuestión de si el universo tuvo un comienzo en el tiempo y si estaba limitado en el espacio en su icónica obra "Crítica de la razón pura". antinomia (es decir, una contradicción). Sostuvo que si el universo no tiene comienzo, entonces debe haber un tiempo infinito antes de que ocurra cualquier evento, lo cual es absurdo y si el universo tiene un comienzo, entonces ¿qué tiempo hubo antes del comienzo del universo? Kant creía que había argumentos convincentes de ambas partes. De hecho, su argumento se basa en la suposición implícita de que el tiempo puede retroceder indefinidamente independientemente de si el universo existe infinitamente. Pero la teoría del big bang de la que hablaremos próximamente nos hará comprender que el concepto de tiempo anterior al comienzo del universo no tiene sentido.
(5)El universo se está expandiendo.
Los astrónomos del siglo XX utilizaron sus espectros para estudiar las estrellas. Dado que cada elemento tiene sus propias líneas de absorción específicas, los científicos pueden analizar los elementos constituyentes de la estrella y la temperatura a partir de sus espectros. Al estudiar estos espectros, los científicos descubrieron un fenómeno extraño: todas las familias de líneas del espectro estaban desplazadas en la misma cantidad hacia el extremo rojo del espectro. ¿Qué quiere decir esto?
Todos tenemos la siguiente experiencia: cuando un coche silba hacia nosotros, el sonido es fuerte y áspero; a medida que el coche se aleja, el tono se vuelve más bajo. Esto se debe a que la frecuencia del sonido aumenta y. cae. El efecto Doppler, que describe la relación entre velocidad y frecuencia, no es difícil de entender. La luz es una onda electromagnética, con bajas frecuencias en el extremo rojo del espectro y altas frecuencias en el extremo azul. Si el espectro se mueve hacia el extremo azul, significa que la frecuencia de las ondas de luz que recibimos de la estrella se ha vuelto más alta, lo que significa que la estrella viene hacia nosotros; si el espectro está desplazado hacia el rojo, significa que la estrella; está muy lejos de nosotros.
Aquí hay que mencionar a un gran hombre: Edwin Hubble. En 1924 demostró mediante observaciones que nuestra galaxia no es única y también calculó las distancias entre galaxias.
Tras un gran número de observaciones, clasificó y contó los espectros de estas galaxias. La gente esperaba encontrar tantos espectros desplazados hacia el azul como hacia el rojo. Sin embargo, el descubrimiento de Hubble decepcionó a todos: casi todos los espectros de las galaxias están desplazados hacia el rojo, y la cantidad de desplazamiento hacia el rojo es muy proporcional al cuadrado de la distancia. de la galaxia de nosotros. En otras palabras, la velocidad a la que una galaxia se aleja de nosotros es directamente proporcional a su distancia de nosotros. Cuanto más lejos está una galaxia de nosotros, más rápido se aleja de nosotros.
¡La gente se sorprendió al descubrir que el universo se está expandiendo!
La velocidad de las galaxias al alejarse de la Tierra es tan perfecta que la Tierra parece volver a ser el centro del universo. ¿Volvemos a la teoría de Aristóteles? No precisamente. En primer lugar, podemos concluir que la densidad de la materia no tiene nada que ver con la escala de distancias, y la distribución de los cuerpos celestes a gran escala es muy uniforme, lo que las observaciones astronómicas demuestran cada vez más.
En segundo lugar, mediante la transformación galileana (transformación de movimiento entre diferentes sistemas de coordenadas), no nos resulta difícil concluir que en cualquier punto del universo, otras estrellas están muy lejos de ese punto y su velocidad de movimiento es proporcional al cuadrado de la distancia. Es como un globo inflado. Dos puntos cualesquiera de la pelota se alejan entre sí. Cuanto mayor es la distancia entre los dos puntos, más rápido se alejan entre sí. Sin embargo, no pueden considerarse como el centro de expansión. muy uniforme. Entonces concluimos que "no hay nada especial en el universo. Cada observador ve el mismo fenómeno". Esto se llama principio de Copérnico.
(6) Tres modelos del universo
La expansión del universo es uno de los mayores descubrimientos del siglo XX. Este descubrimiento, en menos de medio siglo, ha provocado cambios trascendentales en la cosmovisión de la humanidad que ha existido durante miles de años. La novedad de estos cambios es casi impactante. Con nuestro conocimiento actual, si observamos la cosmología antes de la expansión del universo, encontraremos que el contraste entre ellas es tan fuerte como el contraste entre la cosmología estática y la teoría geocéntrica. La gente se sorprendió al descubrir que este universo aparentemente familiar era en realidad desconocido.
¿Cómo se expandirá el universo? ¿Cuál será el resultado de la expansión?
En 1922, cuando Einstein todavía intentaba encontrar una constante gravitacional para equilibrar la tendencia a la contracción del universo en la teoría general de la relatividad, el ex matemático y físico soviético Friedman propuso sobre la base de la teoría general de la relatividad Las dos ideas son que el universo se ve igual sin importar desde dónde se mire, sin importar en qué dirección se mire. Señala que partiendo únicamente de estos dos conceptos, deberíamos esperar que el universo no sea estático. El modelo del universo en el que se basó era completamente coherente con las observaciones posteriores de Hubble.
El modelo de Friedman tiene dos soluciones. Una solución es que cuando el universo se expande lo suficientemente rápido, la gravedad simplemente desacelera la expansión pero no puede detenerla, y el universo continuará expandiéndose para siempre. Otra solución es que el universo se expande lo suficientemente lentamente como para que la gravedad finalmente se detenga. encogerse y comprimirse bajo la influencia de la gravedad interestelar. También es posible pensar en un tercer escenario, en el que el universo se expanda lo suficientemente rápido como para evitar el colapso. La diferencia entre esta y la segunda solución es que el universo de la tercera solución es plano, mientras que el universo de la segunda solución es curvo, como un arco. La tercera solución es en realidad un caso especial de la segunda solución. Los universos y modelos de estas dos soluciones son infinitos.
En la primera solución, vemos la singularidad: el universo no es infinito en el espacio y no tiene límites. Aquí no me equivoqué. La situación en este universo se puede entender en términos de nuestra Tierra. La superficie de la Tierra no tiene fronteras, pero su volumen es limitado. Excepto que la superficie de la Tierra es bidimensional, el universo es tridimensional. Los primeros modelos del universo tenían una gravedad tan fuerte que el espacio se doblaba sobre sí mismo.
Este es realmente un buen tema de ciencia ficción. Una persona regresa al punto de partida después de viajar alrededor del universo durante una semana. Sin embargo, Hawking nos dijo: "Esto en realidad no significa mucho porque antes de que uno pueda hacer un círculo, el universo se ha colapsado a escala cero. Tendrías que viajar más rápido que las ondas de luz para regresar antes del fin del universo. punto de partida - ¡y esto no está permitido!"
Por el tiempo, esta solución también es limitada, tiene un principio y un final, como los dos extremos de una misma cuerda, es decir, tiene un límite. Veremos en el futuro que cuando la gente combine la relatividad general con la mecánica cuántica, podremos conectar los dos extremos de esta cuerda y hacer que el tiempo y el espacio sean finitos e ilimitados.
Entonces, ¿a qué tipo de solución se adapta nuestro universo? Esto está determinado por la densidad de masa promedio del universo que observamos actualmente. La masa total de todas las estrellas que observamos ahora es menos del 1% de la masa crítica necesaria para detener la expansión. Incluso teniendo en cuenta la materia oscura intergaláctica que no podemos observar, la masa total es menos de una décima parte de la densidad necesaria para detener la expansión. Estos resultados significan que nuestro universo puede continuar expandiéndose para siempre a su ritmo actual casi crítico.
(7) Teoría de la Relatividad
En vista del contenido tratado en los siguientes capítulos, es necesario tomarse un momento para introducir aquí la teoría de la relatividad.
Cabe decir que todos los increíbles cambios posteriores partieron del principio de la velocidad constante de la luz.
Primero, la gente se dio cuenta de que la velocidad de la luz es limitada. En 1676, el astrónomo danés Ole Christiansen Milo descubrió que los satélites de Júpiter no salían de detrás de Júpiter a intervalos iguales. Cuanto más se alejaba Júpiter de la Tierra debido a su revolución, mayor era el intervalo de tiempo. Señaló que debido a que Júpiter está más lejos de nosotros, más tiempo tarda la luz en llegar a la Tierra después de ser emitida desde Júpiter. Esto demuestra que la luz no es infinitamente rápida.
Casi 200 años después, el físico británico James Maxwell propuso las famosas ecuaciones de Maxwell en 1865. Esta ecuación que describe las ondas electromagnéticas se convirtió en la verdadera teoría de la propagación de la luz. La teoría predice que las ondas electromagnéticas deberían moverse a una velocidad fija. Pero la mecánica newtoniana eliminó el concepto de reposo absoluto y la velocidad es relativa. Entonces, ¿qué objeto de referencia elegir para medir la velocidad de la luz? Por lo tanto, se propone que en el vacío hay una sustancia extremadamente elástica: el "éter", a través del cual se propaga la luz. El "experimento Michelson-Morley" de 1887 rompió esta suposición. Los dos hombres midieron con precisión la velocidad de la luz en las direcciones tangencial y vertical de la rotación de la Tierra. Esperaban que la velocidad de la luz medida en la dirección tangencial fuera mayor que la velocidad de la luz medida en la dirección normal, con el resultado de que las dos velocidades de la luz serían exactamente iguales.
Más tarde, un empleado de la Oficina de Patentes suiza llamado Albert Einstein señaló en uno de sus artículos que si uno está dispuesto a abandonar el concepto de tiempo absoluto, entonces todo el concepto de éter es completamente redundante. Es el año 1905 y este artículo es la famosa "Teoría Especial de la Relatividad". Einstein señaló que cuando una fuente emite luz, cualquier observador que se mueva a una velocidad uniforme medirá la misma velocidad de la luz. El principio de la velocidad constante de la luz hace desaparecer el tiempo absoluto del que la gente nunca ha dudado, y luego se concluye que la regla en movimiento se acorta y el reloj en movimiento se vuelve más lento.
De hecho, el principio de la velocidad constante de la luz se puede ver en todas partes de la vida, pero la gente no se ha dado cuenta.
Por ejemplo, si una persona nos lanza una piedra, la piedra saldrá de la mano lo más rápido posible. Si se pueden superponer la velocidad de la luz y la velocidad de la fuente de luz, la velocidad de la luz cuando se dispara la piedra debería ser mayor que antes, por lo que veremos la piedra disparada primero y luego veremos la acción de lanzamiento. Obviamente, esto es inconsistente con nuestra experiencia diaria.
En cuanto a por qué la velocidad de la luz tiene esta característica, Einstein dijo después de pensarlo durante muchos años: "La luz es muy extraña, pero no necesitamos profundizar en ella, porque es una sustancia."
Sin embargo, existen algunas inconsistencias entre la relatividad especial y la teoría de la gravedad. La teoría de la gravedad establece que la atracción entre objetos depende de la masa y la distancia entre ellos, lo que significa que si movemos un objeto, la fuerza gravitacional sobre el otro cambiará inmediatamente, en cuyo caso el efecto gravitacional será una velocidad de transferencia infinita. , en lugar de la menor velocidad de la luz requerida por la relatividad especial.
Después de muchos intentos fallidos, Einstein finalmente propuso la revolucionaria "Teoría General de la Relatividad".
La relatividad general señala que la gravedad a diferencia de otras fuerzas “es la distorsión del espacio y del tiempo debido a la existencia de masa material”. no sigue una elipse debido a la gravedad. En lugar de orbitar, se mueve a lo largo de una trayectoria llamada geodésica que es la más cercana a una línea recta en el espacio curvo. Cuando caminamos en línea recta sobre el suelo, en realidad estamos caminando en un arco sobre la superficie de la esfera terrestre, y el plano del arco pasa por el centro de la esfera terrestre. Este arco se llama geodésico. Esta es la trayectoria más cercana a una línea recta en la superficie de la Tierra. Esta trayectoria es la distancia más corta recorrida por la Tierra en un espacio y tiempo desiguales. Debido a la curvatura del espacio-tiempo causada por la masa del Sol, aunque la Tierra se mueve en línea recta en el espacio de cuatro dimensiones, parece que viajamos a lo largo de una elipse en el espacio de tres dimensiones.
Es como un avión volando sobre una zona montañosa. Aunque viaja en línea recta en el espacio tridimensional, su proyección sobre el suelo bidimensional irregular sigue una trayectoria curva. Asimismo, la luz debe seguir las geodésicas, no puede evitar ser desviada por los campos gravitacionales. Comprenderemos esto más profundamente en capítulos posteriores sobre las singularidades del Big Bang y los agujeros negros.
(8) El Big Bang
Volvamos al modelo de universo de Lidman. Todas las soluciones de Lidman tienen una característica común: hace unos 15 a 20 mil millones de años, todas las galaxias del universo se reunieron en un punto, lo que se conoce como el "Big Bang". La densidad y la curvatura espacio-temporal del universo en este momento son infinitas. En otras palabras, la teoría de la relatividad general en la que se basa el modelo del universo de Lidman predice la existencia de una singularidad del Big Bang en el universo, donde todas las leyes científicas fallan, porque es imposible tratar matemáticamente con números infinitos. Si hubo eventos antes del Big Bang, no tendrían ningún impacto en los eventos posteriores al Big Bang, y no hay previsión científica para juzgar la situación después del Big Bang basándose en los eventos anteriores al Big Bang. En otras palabras, el tiempo antes de que el Big Bang formara el universo no tiene sentido, o los acontecimientos anteriores al Big Bang no podrían haber tenido consecuencias, por lo que no forman parte de nuestro modelo actual del universo.
Esta conclusión fue difícil de aceptar para la mayoría de las personas al principio. Tanto el universo como el tiempo tienen un comienzo, inevitablemente teñido de intervención divina. Así como Newton atribuyó a Dios el "primer impulso" que originalmente puso en movimiento las estrellas, el catolicismo aprovechó la oportunidad para declarar bíblica la teoría del "Big Bang".
Para evitar la creación del universo, muchas personas siguen intentando encontrar teorías para estabilizar el universo, pero casi cada nueva explicación tiene problemas fatales. ¡Cada vez hay más pruebas de que se debe abandonar la "teoría del estado estacionario"!
Si la materia en el universo primitivo estaba muy cerca una de otra, entonces el universo primitivo debería haber sido extremadamente caliente. En 1965, los físicos estadounidenses Robert Dick y James P. Pals propusieron que todavía deberíamos poder ver el calor blanco del universo primitivo. Eso fue hace 20 mil millones de años. La radiación caliente del universo ha estado viajando durante mucho tiempo y acaba de llegar a la Tierra. Sin embargo, debido a la expansión del universo, estas ondas de luz se desplazan hacia el rojo y sólo pueden observarse como radiación de microondas. Al mismo tiempo, Arnold Panchia y Robert Wilson de Bell Telephone Laboratories en Nueva Jersey, EE.UU., estaban llevando a cabo un experimento de medición precisa de microondas. El ruido que recibieron fue mucho más fuerte de lo esperado. Tuvieron cuidado de eliminar posibles interferencias, incluidos los excrementos de pájaros en la antena. Predicen que habrá más interferencia cuando el detector esté inclinado hacia el cielo, porque la luz pasa a través de una atmósfera más espesa, y el ruido debería ser más fuerte que cuando el detector apunta verticalmente hacia el cielo.
Sin embargo, descubrimos que el ruido adicional era el mismo sin importar en qué dirección mirara el detector. Esto indica que el ruido proviene del exterior de la atmósfera. Los dos científicos probaron inadvertidamente la hipótesis de Lidman de que el universo es isotrópico e inusualmente uniforme a gran escala, y les esperan más sorpresas.
Se enteraron del trabajo de Dick y Pi Pars sobre la radiación cósmica temprana e inmediatamente se dieron cuenta de que la habían encontrado: ¡radiación cósmica de fondo de 2,7 K (temperatura absoluta)!
Los dos también ganaron el Premio Nobel en 1978.
También en 1965, el posterior colaborador de Stephen Hawking, el físico británico Roger Penrose, demostró que, basándose en la relatividad general, la superficie y el volumen de una estrella que colapsa debido a su propia gravedad eventualmente se reducirá a cero, y en este momento la densidad de la materia y la curvatura del espacio-tiempo son infinitas. Esta es otra singularidad de la que hablaremos más adelante: el agujero negro.
Los resultados de Penrose sólo involucraron estrellas, no la singularidad del Big Bang. Hawking, que estaba estudiando para su doctorado, leyó el teorema de Penrose: "Cuando cualquier objeto colapsa bajo la influencia de la gravedad, eventualmente formará una singularidad". Rápidamente se dio cuenta de que si la flecha del tiempo del teorema se invertía, debería dibujar lo siguiente. Conclusión: "Cualquier modelo de expansión de Liederman al estilo de Freund debe partir de una singularidad". En 1970, Hawking y Penrose finalmente demostraron que si la relatividad general es correcta, ¡entonces debe haber habido una singularidad del Big Bang en nuestro universo en expansión!
Su trabajo encontró una oposición considerable. A los científicos no les gusta la conclusión de una singularidad y el comienzo del tiempo cósmico. Sin embargo, después de todo, las emociones no pueden trascender los teoremas matemáticos. A medida que se acumularon datos experimentales y observacionales, se hizo cada vez más claro que el universo debe haber tenido un comienzo en el tiempo.
La investigación de Hawking y Penrose muestra que la relatividad general es sólo una teoría parcial incompleta que no puede decirnos cómo comenzó el universo ni cómo era antes de que comenzara. El teorema de la singularidad sugiere además que hubo un momento en el universo primitivo en el que la escala del universo era tan pequeña que hubo que considerar otra gran teoría parcial, la mecánica cuántica, que describe efectos a pequeña escala. Como dijo el propio Hawking: "Casi todo el mundo cree ahora que el universo comenzó con la singularidad del Big Bang, pero cambié de opinión y traté de convencer a otros científicos de que no había ninguna singularidad al comienzo del universo, siempre y cuando tomemos ¡Si tenemos en cuenta los efectos cuánticos, la singularidad desaparecerá!”
(9) Agujero negro
Antes de usar la mecánica cuántica para considerar la singularidad del big bang, primero veamos otro debajo el marco de la relatividad general: la singularidad: el agujero negro.
Todos conocemos la velocidad de escape. Cuanto mayor es el campo gravitacional generado por una estrella (en relación con su masa y densidad), mayor es la velocidad terminal necesaria para escapar de su superficie. Si este campo gravitacional es tan grande que un objeto que se mueve a la velocidad de la luz no puede escapar de su confinamiento, entonces no podremos observar la estrella y sólo podremos sentir su efecto gravitacional. . Esta fue la definición original de agujero negro hace 200 años.
De hecho, la luz no puede considerarse igual que los objetos comunes, porque los objetos comunes disminuyen gradualmente su velocidad al ser arrojados al suelo, y finalmente vuelven a caer al suelo, mientras que la luz avanza a una velocidad constante. Por tanto, hay que reinterpretar el fenómeno del agujero negro desde la perspectiva de la relatividad general, es decir:
Debido a la distorsión del espacio-tiempo provocada por el fuerte campo gravitacional, la luz se desvía fuertemente y regresa a la superficie. de la estrella, incapaz de escapar de su superficie.
Un agujero negro es una región del espacio-tiempo, y su capa más externa es la distancia más lejana que la luz puede alcanzar desde el agujero negro. Este límite se llama "horizonte de sucesos". Es como una película unidireccional que sólo permite que la materia atraviese el horizonte de sucesos y caiga en el agujero negro, ¡pero no sale nada!
Entonces, ¿cómo se forman los agujeros negros? Hablemos primero del ciclo de vida de las estrellas. El material de las nebulosas del universo primitivo (gas extremadamente fino, principalmente hidrógeno) se contrajo formando estrellas debido a su propia gravedad. A medida que los átomos del gas chocan entre sí con mayor frecuencia y rapidez durante el proceso de contracción, la temperatura del gas aumenta y, finalmente, la estrella brilla. Cuando la temperatura es tan alta que los átomos de hidrógeno se fusionan en helio sin salir después de la colisión, se llama "fusión termonuclear". La enorme energía liberada por la fusión aumenta aún más la presión del gas de la estrella, alcanzando un nivel suficiente para equilibrar la gravedad dentro de la estrella, por lo que la contracción de la estrella se detiene y arde de manera constante durante mucho tiempo. Cuando el hidrógeno de la estrella se agota, comienza a enfriarse debido al debilitamiento de las reacciones nucleares. La presión del gas de la estrella no es suficiente para resistir su propia gravedad, lo que hace que la estrella vuelva a encogerse. El helio en las estrellas se fusiona para formar elementos más pesados como el carbono o el oxígeno. Pero el proceso no liberó mucha energía y la estrella continuó encogiéndose.
El premio Nobel y científico indio-estadounidense Chandrasekhar señaló en 1928 que debido al principio de exclusión de Pauli (no hay dos partículas con el mismo estado de movimiento en la misma órbita), cuando la estrella se encoge aún más , las partículas materiales se acercan mucho y deben respetar estrictamente el principio de exclusión. Por lo tanto, la tendencia a la divergencia entre las partículas equilibra la gravedad de la propia estrella, de modo que la estrella ya no se encoge. Si la repulsión provocada por este principio de exclusión se generara entre electrones, la estrella colapsaría y se convertiría en una estrella fría con un radio de varios miles de kilómetros y una densidad de varios cientos de toneladas por pulgada cúbica: una "enana blanca". Los científicos han observado una gran cantidad de enanas blancas. Otra forma de colapso es una "estrella de neutrones": los electrones de arriba ya han sido atraídos hacia los protones por la gravedad, por lo que esta estrella está compuesta enteramente de neutrones. Depende de la fuerza repulsiva generada por el principio de exclusión de neutrones para resistir su propia gravedad. mantener su "forma". Tienen un radio de sólo unos 16 kilómetros y una densidad de varios cientos de millones de toneladas por pulgada cúbica. Las estrellas de neutrones también han sido confirmadas mediante observaciones.
Al mismo tiempo, Chandrasekhar calculó que cuando la masa de una estrella excede 1,5 veces la del Sol, ni siquiera el principio de exclusión puede evitar que la estrella continúe colapsando, y la estrella se encogerá sin cesar hasta su ¡El volumen es cero! En este momento, la densidad de la materia y la curvatura del espacio-tiempo serán infinitas. Todas las leyes científicas fallan aquí. Esta es la "singularidad del agujero negro" que mencionamos anteriormente.
De hecho, un escenario es que cuando las estrellas que exceden el límite de Chandrasekhar se quedan sin combustible, pueden expulsar enormes cantidades de material en una explosión gigante llamada supernova, reduciéndose así por debajo de la masa final. evitando el colapso. Pero esto no siempre puede suceder. Aun así, ¿qué sucede si una enana blanca o una estrella de neutrones añade materia extra?
Los científicos quedaron impactados. No podían creer esta teoría y se mostraron hostiles a ella. Todos escribieron artículos que demuestran que el tamaño de las estrellas no se reducirá a cero, incluido Einstein.
Sin embargo, las investigaciones de Stephen Hawking y Roger Penrose en 1965 y 1970 señalaron que si la relatividad general es correcta, entonces debe haber una densidad infinita y la singularidad de la curvatura del espacio-tiempo en los agujeros negros. Al igual que el Big Bang, esta singularidad es el fin de todos los acontecimientos y la previsibilidad de las leyes científicas cesará.
Utilizamos la relatividad general para describir y comprender los agujeros negros. Cuando una estrella colapsa, las ondas de luz emitidas por la estrella se desplazan fuertemente hacia el rojo. Cuando una estrella se reduce a un radio crítico, su campo gravitacional es tan fuerte que las ondas de luz se dispersan en intervalos de tiempo infinitamente largos. Los observadores fuera del agujero negro verán que la luz de la estrella se vuelve más roja y más tenue, hasta que la estrella ya no sea visible.
¡Esto es un verdadero "agujero" negro!