La visión del universo de Stephen Hawking,

Del Big Bang a los agujeros negros - La visión del universo de Stephen Hawking

(1) Palabras clave

La Biblia dice: Dios creó el universo.

Los físicos contemporáneos dicen: El universo nació del Big Bang.

El Vaticano dice: La teoría del Big Bang es bíblica.

Stephen Hawking dijo: El big bang y los agujeros negros son singularidades inevitables en el universo.

Stephen Hawking dijo: Un agujero negro no es negro, no sólo es visible, sino también 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 recreación del universo. Así desaparece la contribución de Dios al universo.

Stephen Hawking se divorció de su devota esposa católica que lo había cuidado durante más de diez años.

Algunos dicen que Stephen Hawking es el mayor genio después de Einstein, mientras que otros dicen que es un loco.

¿Quién es Stephen Hawking?

(2) Stephen Hawking

Stephen Hawking es un físico teórico británico. Su cumpleaños es el 8 de enero de 1942, coincidiendo con el 300 aniversario de la muerte de Galileo. En 1959, Hawking, de 17 años, comenzó a estudiar en Oxford e hizo su tesis doctoral en Cambridge con su tutor Denis Siama.

Sin embargo, en este momento, a Hawking le diagnosticaron una enfermedad llamada "esclerosis lateral amiotrófica", que aún no puede curarse ni siquiera controlarse. Stephen Hawking terminó en silla de ruedas para siempre y perdió la capacidad de hablar. Dependía completamente de su esposa Jane Wald para recibir cuidados. Pero 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 una enorme contribución a la física cuántica e hizo el gran y Se conoce el misterioso misterio del universo. El trasfondo se revela al mundo. Es ampliamente venerado como el científico más destacado desde Einstein. En 1974, Hawking recibió el puesto de "Profesor Lucasiano de Matemáticas de Cambridge".

En la ceremonia de inauguración, Hawking se esforzó mucho en firmar su nombre en la lista, y la firma en la portada de la lista era Isaac Newton.

La contribución de toda la vida de Hawking a la física demuestra que en el marco de la física clásica, el big bang y los agujeros negros son inevitables, y los agujeros negros serán cada vez más grandes y en el marco de la física cuántica, el agujero negro; se vuelve cada vez más pequeño debido a la radiación. Las singularidades del Big Bang y los agujeros negros no sólo fueron suavizadas por efectos cuánticos, sino que fueron allí donde comenzó el universo. La contribución de Hawking a la popularización de la ciencia radica en la escritura de un libro popular: "Una breve historia del tiempo", que ha estado en la lista de los más vendidos durante más de 100 semanas, se ha traducido a 33 idiomas y se han vendido 500 ejemplares. Más de medio millón de ejemplares.

Este artículo utilizará "Una breve historia del tiempo" como línea principal para presentar la teoría de Stephen Hawking.

(3) Nuestro Universo

El universo es tan misterioso que cuando todos miran las estrellas, no pueden evitar querer saber qué se esconde detrás de ellas. . 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 el cielo": 1. Un eclipse lunar es causado por la sombra de la Tierra proyectada sobre la Luna. lo anterior.

2. Dado que la sombra de la Tierra que se ve durante un eclipse lunar es siempre redonda, se puede inferir que la Tierra debería ser una esfera, no un disco. 3. 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 la teoría de Aristóteles y cree que es consistente con la cosmología bíblica y consistente con la teoría de la creación de Dios. La mayor ventaja de este modelo del universo es que deja espacio para el cielo y el infierno más allá de la esfera estelar más exterior.

En 1514, el sacerdote Nicolás Copérnico 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 sólo pudo difundir su doctrina en secreto. Más tarde, cuando Galileo observó a Júpiter, descubrió que varios planetas de Júpiter giraban alrededor de Júpiter, lo que demostraba que otros planetas no necesariamente giraban alrededor de la Tierra. Luego, Kepler revisó la teoría de Copérnico y reemplazó la órbita circular con una órbita elíptica, haciéndola encajar bien con las observaciones. Su apoyo público finalmente significó el fin de las enseñanzas 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.

Utilizando su teoría, la gente puede incluso calcular con precisión la órbita del planeta.

Pero el problema vuelve a surgir. Según la ley de la gravitación universal, los planetas siempre se atraen entre sí. Parece que no pueden permanecer relativamente estacionarios a gran escala y eventualmente caerán 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 hay infinitos planetas, distribuidos uniformemente en el espacio infinito, esta situación no sucederá, porque entonces la distribución de la gravedad es uniforme y no hay un centro para que se reúnan.

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 las direcciones del mismo. El método correcto debería ser: primero considere la situación de espacio limitado, las estrellas colapsarán juntas. Agregue más estrellas de manera uniforme fuera de esta región. Según las leyes de Newton, estas estrellas añadidas no tienen ningún impacto en el área original, por lo que las estrellas seguirán cayendo juntas. Podemos agregar tantas estrellas como queramos y siempre colapsarán 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 es el caso en los resultados observados.

Entonces nos encontramos con un gran problema: ¡el universo estático infinito no existe!

(4) La paradoja de Olbers

El concepto 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 proponen que el El universo es estático. Se infla, pero intenta revisar su teoría. Incluso cuando Einstein publicó su teoría general de la relatividad en 1915, estaba bastante seguro de que el universo era estático. Por eso tuvo que introducir en sus ecuaciones una llamada constante cosmológica a modo de corrección. Introdujo una fuerza "antigravedad", que no tiene origen y es inherente a la estructura del espacio-tiempo. Afirmó que la tendencia de expansión del espacio-tiempo es suficiente para equilibrar la atracción mutua de la materia en el universo, lo que da como resultado un universo estático. Más tarde, Einstein calificó esta teoría como "el error más imperdonable de su vida".

La primera objeción al universo infinitamente estático suele atribuirse al filósofo alemán Heinrich Olbers. En 1823 propuso la famosa "Paradoja de Obers". Señaló que si el universo es infinitamente estático y uniforme, entonces el final de cada línea de visión de un observador debe terminar en una estrella. Entonces no nos resulta difícil imaginar que todo el cielo será tan brillante como el sol, incluso de noche. Algunas personas argumentan que la luz de las estrellas distantes es absorbida y debilitada por el material que atraviesa. De hecho, esta objeción aparentemente razonable es insostenible, porque el material que absorbe la luz eventualmente se calentará hasta que emita una luz tan fuerte como la estrella. Sólo hay una situación en el universo estático infinito que impide que el cielo nocturno sea tan brillante como el diurno, y es: las estrellas no empezaron 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 una estrella brillara 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, en su emblemática obra "Crítica de la razón pura", analizó en profundidad si el universo tiene un comienzo en el tiempo y un límite en el espacio, problema que se plantea. él llama una antinomia pura (es decir, una contradicción).

Argumentó: Si el universo no tiene comienzo, entonces debe haber un tiempo infinito antes de cualquier evento, lo cual es absurdo y si el universo tiene un comienzo, entonces ¿qué tiempo hay antes del comienzo del universo? Kant creía que había argumentos convincentes a favor y en contra. De hecho, su argumento se basa en la suposición implícita de que el tiempo puede retroceder infinitamente independientemente de si el universo ha existido durante un tiempo infinito. Pero la teoría del Big Bang que estamos a punto de discutir nos permitirá 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 los espectros de las estrellas para estudiarlas. Dado que cada elemento tiene su propio espectro de absorción específico, los científicos pueden analizar los elementos de composición y la temperatura de la estrella a partir del espectro de la estrella. Cuando los científicos estudiaron estos espectros, descubrieron un fenómeno peculiar: 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 auto toca la bocina y acelera hacia nosotros, el sonido del silbido es agudo y áspero; cuando el auto se aleja, el tono se vuelve más bajo. el causado por frecuencias más altas y más bajas. El efecto Doppler, que describe la relación entre velocidad y frecuencia, es fácil de entender. La luz es una onda electromagnética, con bajas frecuencias que aparecen en el extremo rojo del espectro y altas frecuencias en el extremo azul. Si el espectro se desplaza hacia el extremo azul, significa que la frecuencia de las ondas de luz que recibimos de la estrella aumenta, lo que significa que la estrella viene hacia nosotros; si el espectro se desplaza hacia el rojo, significa que la estrella está; alejándose de nosotros.

Debe mencionarse aquí una gran figura: Edwin Hubble. En 1924 demostró mediante observaciones que nuestra galaxia no es la única y también calculó las distancias entre galaxias.

Tras realizar un gran número de observaciones, clasificó y contó los espectros de estas galaxias. La gente esperaba encontrar tantos espectros desplazados hacia el azul como espectros desplazados hacia el rojo. Sin embargo, el descubrimiento de Hubble sorprendió a todos: casi todos los espectros de galaxias están desplazados hacia el rojo, y la cantidad de desplazamiento hacia el rojo también es muy regular, proporcional al cuadrado de la galaxia. distancia de la galaxia a 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, 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 haberse convertido en el centro del universo. ¿Hemos vuelto a la teoría de Aristóteles? No precisamente. En primer lugar, podemos concluir mediante cálculos que la densidad de la materia no tiene nada que ver con la escala de distancias. La distribución de los cuerpos celestes a gran escala es muy uniforme y las observaciones astronómicas lo demuestran cada vez más. En segundo lugar, a través de la transformación galileana (la transformación del movimiento entre diferentes sistemas de coordenadas), no es difícil concluir que en cualquier punto del universo verás que otras estrellas se están alejando de ese punto, y la velocidad de alejamiento es proporcional al cuadrado de la distancia. Esto es como un globo inflado. Dos puntos cualesquiera de la pelota se alejan entre sí, y cuanto mayor es la distancia entre los dos puntos, más rápido se alejan entre sí, pero ningún punto puede considerarse como centro inflado. , la expansión es realmente muy pareja. Entonces concluimos: "No existe un lugar especial en el universo. Cada observador ve el mismo fenómeno". Esto se llama el "Principio de Copérnico".

(6) Tres modelos de universo

La expansión del universo es uno de los mayores descubrimientos del siglo XX. Este descubrimiento provocó cambios trascendentales en la visión milenaria que la humanidad tenía del universo en menos de medio siglo. Estas nuevas ideas de cambio son casi asombrosas. Utilizando nuestro conocimiento actual para observar la cosmología antes de la expansión del universo, encontraremos que el contraste entre ellas es tan fuerte como la cosmología estática en comparación con la teoría geocéntrica. La gente se sorprende al descubrir que este universo aparentemente familiar todavía no lo es.

¿Cómo se expandirá el universo? ¿Cuál será el resultado de una expansión continua?

En 1922, cuando Einstein todavía intentaba encontrar la constante gravitacional que equilibrara la tendencia de contracción del universo en la teoría general de la relatividad, el ex matemático y físico soviético Fredman propuso dos métodos basados ​​en la teoría general. de la relatividad. Esta es la idea de que el universo se ve igual sin importar dónde miremos o en cualquier dirección del universo. Señala que partiendo únicamente de estas dos ideas, deberíamos esperar que el universo no sea estático. El modelo del universo que construyó basándose en esto coincidía completamente 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 sólo frena la expansión, pero no puede detenerla, y el universo continuará expandiéndose para siempre; la otra solución es que el universo se expanda lo suficientemente lento como para que la gravedad finalmente detenga la expansión. El universo se encogerá y sufrirá una gran contracción bajo la influencia de la gravedad interestelar. También se puede considerar que existe una tercera solución, es decir, que la tasa de expansión del universo sea lo suficientemente rápida como para evitar el colapso. La diferencia entre este y el segundo tipo de solución es que el universo del tercer tipo de solución es plano, mientras que el universo del segundo tipo de solución es curvo como un arco. El tercer tipo de solución es en realidad un caso especial del segundo tipo de solución. Los universos y modelos de estas dos soluciones son infinitos.

En el primer tipo de solución, vemos la singularidad: el universo no es infinito en el espacio y no tiene límites. El autor no se equivoca aquí. Esta situación cósmica se puede entender utilizando nuestra Tierra. La superficie de la tierra no tiene fronteras, pero su volumen es limitado. Sin embargo, la superficie de la tierra es bidimensional, mientras que el universo es tridimensional. La gravedad del primer tipo de modelo cosmológico es tan fuerte que el espacio se dobla sobre sí mismo.

Este es realmente un buen tema para las novelas de ciencia ficción. Una persona regresa al punto de partida después de viajar por el universo. Sin embargo, Hawking nos dijo: "Esto en realidad no tiene mucho sentido, porque el universo se ha colapsado a escala cero antes de que una persona pueda rodearlo. Tienes que viajar más rápido que la onda de luz para volver a tu punto de partida antes de la fin del universo. ——¡Y esto no está permitido! ”

Por el tiempo, este tipo de solución también es limitada, y tiene un principio y un final, como los dos extremos de una cuerda, es decir, tiene límites. Como veremos más adelante, cuando se combina la relatividad general con la mecánica cuántica, podemos conectar los dos extremos de esta cuerda, haciendo que tanto el tiempo como 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 actualmente es inferior al 1% de la masa crítica necesaria para detener la expansión. Incluso teniendo en cuenta la materia oscura entre galaxias que no podemos observar, la masa total no alcanza la densidad necesaria para detener la expansión. . Una décima parte. Estos resultados implican que nuestro universo puede continuar expandiéndose a su ritmo actual casi crítico para siempre.

(7) Teoría de la Relatividad

A la vista del contenido que se aborda en los siguientes capítulos, es necesario dedicar un poco de tiempo a introducir la teoría de la relatividad.

Cabe decir que todos los increíbles cambios posteriores partieron del "principio de la velocidad constante de la luz".

En primer lugar, la gente se dio cuenta de que la velocidad de la luz es limitada. En 1676, el astrónomo danés Orr Christiansen Milo descubrió que los satélites de Júpiter no orbitaban detrás de Júpiter a intervalos iguales. Cuanto más lejos orbitaba Júpiter de la Tierra, mayor era el intervalo de tiempo. Señaló que debido a que cuanto más lejos está Júpiter, más tiempo tarda la luz de Júpiter en llegar a la Tierra. Esto demuestra que la luz no es infinitamente rápida.

Casi doscientos 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. Esta teoría predice que las ondas electromagnéticas deberían moverse a una determinada velocidad fija. Pero la mecánica newtoniana se ha deshecho del concepto de reposo absoluto y la velocidad es relativa. Entonces, ¿qué objeto de referencia debería elegirse para medir la velocidad de la luz? Entonces la gente propuso que en el vacío hay una sustancia extremadamente elástica: el "éter", y la luz se propaga a través de él como medio. El "Experimento Michelson-Morley" de 1887 rompió esta hipótesis. Estos dos hombres hicieron mediciones precisas de 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 medida en la dirección normal, y el resultado fue que las dos velocidades de la luz eran exactamente iguales.

Después de esto, un empleado de la Oficina Suiza de Patentes llamado Albert Einstein señaló en uno de sus artículos que si la gente está dispuesta a abandonar el concepto de tiempo absoluto, entonces todo el concepto de éter es completamente superfluo. Era el año 1905 y este artículo era 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 que el tiempo absoluto del que la gente nunca ha dudado quede en nada, y además lleva a la inferencia de 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 nunca se ha dado cuenta.

Por ejemplo, si una persona nos lanza una piedra, la piedra sale de la mano a mayor velocidad. Si se pueden superponer la velocidad de la luz y la velocidad de la fuente de luz, la velocidad de la luz cuando se lanza la piedra debería ser mayor que la velocidad de la luz antes de eso, por lo que veremos la piedra siendo lanzada primero y luego viendo el lanzamiento. acción. 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 estudiarla en detalle, porque es simplemente ese tipo de material." /p>

Sin embargo, existen inconsistencias entre la teoría especial de la relatividad 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. Esto significa que si movemos un objeto, la fuerza gravitacional sobre el otro cambiará inmediatamente. En este caso, el efecto gravitacional será de velocidad infinita. La transmisión, a diferencia de lo que exige la teoría especial de la relatividad, sólo puede ser inferior a la velocidad de la luz.

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”, por ejemplo, nuestra tierra, según la teoría de la relatividad general. , no es En lugar de moverse a lo largo de una órbita elíptica debido a la fuerza de la gravedad, 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 caminamos en un arco sobre la superficie de la esfera terrestre. El plano del arco pasa por el centro de la esfera terrestre. Este arco se llama geodésico. Este es el más cercano trayectoria a una línea recta en la superficie de la Tierra ) Esta trayectoria es la distancia más corta recorrida por la Tierra en el espacio-tiempo desigual. 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.

Esto es como un avión que vuela sobre una zona montañosa. Aunque viaja en línea recta en un espacio tridimensional, su proyección sobre el accidentado terreno bidimensional se mueve a lo largo de una trayectoria curva. Asimismo, la luz debe viajar a lo largo de geodésicas y no puede evitar ser desviada por campos gravitacionales. Comprenderemos esto con mayor profundidad en futuros capítulos sobre el Big Bang y las singularidades de los agujeros negros.

(8) Big Bang

Volvamos al modelo del universo de Friedman. Todas las soluciones de Friedmann tienen la misma característica, es decir, 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 del universo y su curvatura espacio-temporal en ese momento son infinitas. En otras palabras, la teoría general de la relatividad en la que se basa el modelo del universo de Friedmann predice la existencia de una singularidad del Big Bang en el universo, donde todas las leyes científicas fallan porque los números infinitos no pueden procesarse matemáticamente. Si los eventos existieron antes del Big Bang, no tendrían ningún impacto en los eventos posteriores al Big Bang, y no hay previsibilidad científica de los juicios posteriores al Big Bang basados ​​en eventos que ocurrieron antes del Big Bang. Esto significa que el tiempo antes de que el Big Bang formara el universo no tiene sentido, o que los eventos que ocurrieron antes del Big Bang no pudieron haber tenido consecuencias y, por lo tanto, no forman parte de nuestro modelo actual del universo.

Esta conclusión fue inicialmente difícil de aceptar para la mayoría de la gente. Tanto el universo como el tiempo tienen un punto de partida, que inevitablemente huele a intervención divina. Así como Newton atribuyó a Dios el "primer impulso" que inicialmente puso a las estrellas en movimiento, el catolicismo aprovechó la oportunidad para declarar bíblica la teoría del "Big Bang".

Para evitar la cuestión de la creación del universo, mucha gente sigue intentando encontrar una teoría de un universo estable, pero casi cada nueva explicación tiene problemas fatales. ¡Cada vez hay más pruebas que demuestran 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 inusualmente caliente.

En 1965, los físicos estadounidenses Robert Dick y James People propusieron que aún deberíamos poder ver el calor blanco del universo primitivo, que era la radiación caliente del universo hace 20 mil millones de años después de un largo viaje, que ahora acaba de alcanzar. la Tierra, pero debido a la expansión del universo, estas ondas de luz están tan desplazadas hacia el rojo que sólo podemos observarlas como radiación de microondas. Al mismo tiempo, Arnold Penchia y Robert Wilson de los Laboratorios Bell Telephone de 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. Se eliminaron cuidadosamente posibles interferencias, incluidos los excrementos de pájaros en la antena. Esperaban que cuando el detector apunta inclinado hacia el cielo, el ruido será más fuerte que cuando el detector apunta verticalmente hacia el cielo porque la luz pasa a través de una atmósfera más espesa y estará sujeta a más interferencias.

Sin embargo, los experimentos encontraron 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 demostraron inadvertidamente la hipótesis de Friedman de que el universo es isotrópico e inusualmente uniforme a grandes escalas, y les esperaban sorpresas aún mayores. Se enteraron del trabajo de Dick y Peppals sobre la radiación del universo primitivo e inmediatamente supieron que la habían encontrado: ¡la radiación cósmica de fondo a 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 de una estrella que colapsa debido a su propia gravedad y el volumen eventualmente se reduce a cero. En este momento, la densidad de la materia y la curvatura del espacio y el tiempo son infinitas. Esta es otra singularidad de la que hablaremos más adelante: el agujero negro.

Los resultados de Penrose sólo se relacionaban con las estrellas, pero no con la cuestión de la singularidad del Big Bang. Hawking, que estaba estudiando para su doctorado, leyó el teorema de Penrose sobre "cualquier objeto sujeto a un colapso gravitacional debe eventualmente formar una singularidad", y rápidamente se dio cuenta de que si se invirtiera la flecha del tiempo del teorema, se debería sacar la siguiente conclusión: " Cualquier modelo de inflación tipo Friedmann debe partir de una singularidad." En 1970, Hawking y Penrose colaboraron en un artículo que finalmente demostró que si la relatividad general es correcta, ¡debe haber habido una singularidad del Big Bang en el pasado de nuestro universo en expansión!

Su trabajo encontró una oposición considerable. A los científicos no les gusta la conclusión de la singularidad y el comienzo del universo y el tiempo. Sin embargo, después de todo, las emociones no pueden prevalecer sobre los teoremas matemáticos. A medida que se acumulan datos experimentales y observacionales, resulta cada vez más claro que el universo debe tener 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 y cómo era antes de que comenzara. Lo que el Teorema de la Singularidad muestra además es que hubo un momento en el universo primitivo en el que la escala del universo era tan pequeña que había que considerar otra gran teoría parcial: una que describe los efectos a pequeña escala. Como dijo el propio Hawking: "Casi todo el mundo cree ahora que el universo comenzó con una singularidad del Big Bang, pero cambié de opinión y traté de convencer a otros científicos de que, de hecho, no hubo ninguna singularidad al comienzo del universo; basta con considerar los efectos cuánticos. ¡Las singularidades desaparecerán! ”

(9) Agujeros negros

Antes de usar la mecánica cuántica para considerar la singularidad del Big Bang, veamos primero otra dentro del marco de la relatividad general: agujero negro.

Todos conocemos la velocidad de escape. Cuanto mayor sea el campo gravitacional generado por una estrella (relacionado con la masa y densidad de la estrella), mayor será la velocidad máxima 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 separarse de él y escapar, entonces no podremos observar la estrella y solo podremos sentir su efecto gravitacional. . Esta fue la definición original de agujero negro hace 200 años.

De hecho, la luz no puede considerarse de la misma manera que los objetos ordinarios, porque los objetos ordinarios disminuyen gradualmente su velocidad durante el proceso de ser lanzados hacia arriba, y finalmente caen de nuevo al suelo, mientras que la luz avanza a una velocidad constante. tasa. . Por lo tanto, el fenómeno del agujero negro debe ser reexplicado desde la perspectiva de la relatividad general, es decir:

Debido a la distorsión espacio-temporal causada por el fuerte campo gravitacional, la luz se desvía fuertemente y regresa al superficie de la estrella, y no puede escapar de la estrella. Su superficie escapa.

Un agujero negro es una región de espacio-tiempo, y su periferia 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 membrana unidireccional que sólo permite que la materia atraviese el horizonte de sucesos y caiga en el agujero negro, ¡pero ninguna materia puede salir de él!

Entonces, ¿cómo se forman los agujeros negros? Empecemos con el ciclo de vida de una estrella. El material de la nebulosa del universo primitivo, un gas extremadamente fino compuesto principalmente de 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 ya no se separan después de la colisión sino que se fusionan formando helio, esto se llama "fusión termonuclear". La enorme energía liberada por la fusión aumenta aún más la presión del gas de la estrella a 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 la estrella agota el hidrógeno, comienza a enfriarse debido al debilitamiento de las reacciones nucleares. La presión del gas estelar no es suficiente para resistir su propia gravedad, lo que hace que la estrella comience a encogerse nuevamente. El helio en las estrellas se fusiona para formar elementos más pesados ​​como el carbono o el oxígeno. Pero este proceso no liberó mucha energía y la estrella continuó encogiéndose.

El premio Nobel, el científico indio-estadounidense Chandrasekhar señaló en 1928 que debido al "Principio de Exclusión de Pauli" (no existen dos partículas en la misma órbita con exactamente el mismo estado de movimiento), cuando la 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 estrella misma, de modo que la estrella ya no se encoge. Si la fuerza repulsiva causada por este principio de exclusión se genera entre los electrones, entonces la estrella colapsará y se convertirá 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 que contiene ya han sido atraídos por la gravedad hacia los protones, por lo que este tipo de estrella está compuesta enteramente de neutrones y depende de la fuerza repulsiva causada por el principio de exclusión de neutrones para resistirse a sí misma. Gravedad para mantener la "forma del cuerpo". Tienen un radio de sólo unos 16 kilómetros y una densidad de varios cientos de millones de toneladas por pulgada cúbica. Las observaciones también han confirmado las estrellas de neutrones.

Chandrasekhar también calculó que cuando la masa de una estrella es mayor que una vez y media la masa del sol, ni siquiera el principio de exclusión puede evitar que la estrella siga colapsando, y la estrella se encogerá sin cesar. hasta que su volumen sea cero! En este momento, la densidad de la materia y la curvatura del espacio y el tiempo serán infinitas. Todas las leyes científicas quedarían aquí invalidadas. Esta es la "singularidad del agujero negro" que mencionamos anteriormente.

De hecho, existe una situación en la que las estrellas que superan el límite de Chandrasekhar pueden ser expulsadas en una gran explosión llamada "supernova" cuando agotan su combustible. Una gran cantidad de materia desciende por debajo de la masa final. para evitar el colapso. Pero eso no siempre sucede, e incluso si así fuera, ¿qué pasaría si se añadiera materia extra a una enana blanca o a una estrella de neutrones?

Los científicos quedaron estupefactos, incapaces de creer en la teoría y hostiles a ella. Escribieron uno tras otro artículos tratando de demostrar que el volumen 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 una curvatura espacio-temporal en la singularidad de los agujeros negros. Esta singularidad es similar al Big Bang. Es el fin de todos los acontecimientos y la previsibilidad de las leyes científicas cesará.

Utilicemos 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 su radio crítico, el campo gravitacional que emite es tan fuerte que las ondas de luz se distribuyen en intervalos de tiempo infinitos. Los observadores fuera del agujero negro verán que la luz emitida por la estrella se vuelve más roja y más débil, y eventualmente la estrella dejará de ser visible. ¡Esto es un verdadero "agujero" negro!