La semplice risposta è che no, il Big Bang non è avvenuto in un punto. Invece, è successo ovunque nell'universo allo stesso tempo. Le conseguenze di ciò includono:

• L'universo non ha un centro: il Big Bang non è avvenuto in un punto, quindi non esiste un punto centrale nell'universo da cui si sta espandendo.

• L'universo non si sta espandendo in nulla: poiché l'universo non si sta espandendo come una palla di fuoco, non c'è spazio all'esterno l'universo in cui si sta espandendo.

Nella prossima sezione abbozzerò una descrizione approssimativa di come questo può essere, seguita da una descrizione più dettagliata per lettori determinati.

Una descrizione semplificata del Big Bang

Immagina di misurare il nostro universo attuale disegnando una griglia con una spaziatura di 1 anno luce. Anche se ovviamente non possiamo farlo, puoi facilmente immaginare di mettere la Terra a (0, 0), Alpha Centauri a (4,37, 0) e tracciare tutte le stelle su questa griglia. La cosa fondamentale è che questa griglia è infinita $ ^ 1 $ cioè non c'è punto in cui non puoi estendere ulteriormente la griglia.

Ora il tempo torna indietro a 7 miliardi di anni dopo il big bang, cioè circa a metà strada indietro. La nostra griglia ora ha una spaziatura di mezzo anno luce, ma è ancora infinita - non c'è ancora alcun margine. La spaziatura media tra gli oggetti nell'universo si è ridotta della metà e la densità media è aumentata di un fattore $ 2 ^ 3 $ .

Ora torna indietro a 0,0000000001 secondi dopo il big bang. Non c'è alcun significato speciale per quel numero; è solo pensato per essere estremamente piccolo. La nostra griglia ora ha una spaziatura molto piccola, ma è ancora infinita. Non importa quanto ci avviciniamo al Big Bang, abbiamo ancora una griglia infinita che riempie tutto lo spazio. Potresti aver sentito programmi di scienze pop che descrivono il Big Bang come accadendo ovunque e questo è ciò che significano. L'universo non si è ridotto a un punto del Big Bang, è solo che la spaziatura tra due punti dello spaziotempo selezionati casualmente si è ridotta a zero.

Quindi al Big Bang, abbiamo una strana situazione in cui la spaziatura tra ogni punto dell'universo è zero, ma l'universo è ancora infinito. La dimensione totale dell'universo è quindi $ 0 \ times \ infty $ , che non è definita. Probabilmente pensi che questo non abbia senso e in realtà la maggior parte dei fisici è d'accordo con te. Il Big Bang è una singolarità e la maggior parte di noi non pensa che le singolarità si verifichino effettivamente nell'universo reale. Ci aspettiamo che alcuni effetti della gravità quantistica diventino importanti man mano che ci avviciniamo al Big Bang. Tuttavia, al momento non abbiamo una teoria funzionante della gravità quantistica per spiegare esattamente cosa succede.

$ ^ 1 $ assumiamo che l'universo sia infinito - Maggiori informazioni su questo nella prossima sezione

Solo per lettori determinati

Per scoprire come si è evoluto l'universo in passato e cosa gli succederà in futuro, risolvi le equazioni della relatività generale di Einstein per l'intero universo. La soluzione che otteniamo è un oggetto chiamato tensore metrico che descrive lo spaziotempo per l'universo.

Ma le equazioni di Einstein sono equazioni alle derivate parziali e, di conseguenza, hanno un'intera famiglia di soluzioni. Per ottenere la soluzione corrispondente al nostro universo dobbiamo specificare alcune condizioni iniziali. La domanda è quindi quali condizioni iniziali utilizzare. Ebbene, se guardiamo l'universo intorno a noi notiamo due cose:

1. se facciamo la media su larga scala l'universo sembra lo stesso in tutte le direzioni, cioè è isotropo

2. se facciamo una media su larga scala l'universo è lo stesso ovunque, cioè è omogeneo

Potresti ragionevolmente sottolineare che l'universo non sembra molto omogeneo poiché ha galassie ad alta densità sparse casualmente nello spazio con una densità molto bassa. Tuttavia, se facciamo la media su scale più grandi delle dimensioni dei superammassi di galassie, otteniamo una densità media costante. Inoltre, se guardiamo indietro al tempo in cui è stato emesso il fondo cosmico a microonde (380.000 anni dopo il Big Bang e ben prima che le galassie iniziassero a formarsi) scopriamo che l'universo è omogeneo a circa $ 1 $ parte in $ 10 ^ 5 $ , che è abbastanza omogeneo.

Quindi, come condizioni iniziali, specifichiamo che l'universo è omogeneo e isotropa, e con questi presupposti l'equazione di Einstein ha una soluzione (relativamente!) semplice. In effetti questa soluzione fu trovata subito dopo che Einstein formulò la relatività generale ed è stata scoperta in modo indipendente da molte persone diverse. Di conseguenza la soluzione gloriosa nel nome metrica Friedmann – Lemaître – Robertson – Walker, anche se di solito vedrai questa metrica abbreviata in FLRW o talvolta in FRW (perché Lemaître manca non sono sicuro ).

Ricorda la griglia che ho descritto per misurare l'universo nella prima sezione di questa risposta, e come ho descritto la contrazione della griglia mentre tornavamo indietro nel tempo verso il Big Bang? Ebbene, la metrica FLRW rende questo quantitativo. Se $ (x, y, z) $ è un punto sulla nostra griglia, la distanza corrente fino a quel punto è data dal teorema di Pitagora:

$$ d ^ 2 = x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 $$

Ciò che ci dice la metrica FLRW è che la distanza cambia con il tempo secondo l'equazione:

$$ d ^ 2 (t) = a ^ 2 (t) (x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2) $$

dove $ a (t) $ è una funzione chiamata [fattore di scala]. Otteniamo la funzione per il fattore di scala quando risolviamo le equazioni di Einstein. Purtroppo non ha una semplice forma analitica, ma è stata calcolata nelle risposte alle domande precedenti Qual era la densità dell'universo quando aveva solo le dimensioni del nostro sistema solare? e Come cambia il parametro Hubble con l'età dell'universo?. Il risultato è:

Il valore del fattore di scala è convenzionalmente considerato come unità nell'ora corrente, quindi se torniamo indietro nel tempo e l'universo si restringe, avere $ a (t) < 1 $ e viceversa in futuro con l'espansione dell'universo avremo $ a (t) > 1 $ . Il Big Bang accade perché se torniamo indietro nel tempo a $ t = 0 $ il fattore di scala $ a (0) $ è zero. Questo ci dà il notevole risultato che la distanza da qualsiasi punto dell'universo $ (x, y, z) $ è:

$$ d ^ 2 (t) = 0 (x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2) = 0 $$

quindi la distanza tra ogni punto dell'universo è zero. La densità della materia (la densità della radiazione si comporta in modo diverso, ma ignoriamola) è data da:

$$ \ rho (t) = \ frac {\ rho_0} {a ^ 3 (t)} $$

dove $ \ rho_0 $ è la densità al momento corrente, quindi la densità al tempo zero è infinitamente grande. Al momento $ t = 0 $ la metrica FLRW diventa singolare.

Nessuno che conosca pensa che l'universo sia davvero diventato singolare al Big Scoppio. Questa non è un'opinione moderna: la prima persona che conosco ad aver obiettato pubblicamente è stata Fred Hoyle e ha suggerito la Teoria dello stato stazionario per evitare la singolarità. Oggigiorno si crede comunemente che qualche effetto della gravità quantistica impedirà alla geometria di diventare singolare, anche se dal momento che non abbiamo una teoria funzionante della gravità quantistica nessuno sa come potrebbe funzionare.

Quindi per concludere: il Big Bang è il limite di tempo zero della metrica FLRW ed è un momento in cui la spaziatura tra ogni punto dell'universo diventa zero e la densità va all'infinito. Dovrebbe essere chiaro che non possiamo associare il Big Bang a un singolo punto spaziale perché la distanza tra tutti i punti era zero, quindi il Big Bang è avvenuto in tutti i punti dello spazio. Questo è il motivo per cui si dice comunemente che il Big Bang sia accaduto ovunque.

Nella discussione sopra ho fatto più volte casualmente riferimento all'universo come infinito , ma quello che intendo veramente è che non può avere un vantaggio. Ricorda che il nostro presupposto è che l'universo sia omogeneo, cioè è lo stesso ovunque. Se questo è vero, l'universo non può avere un bordo perché i punti sul bordo sarebbero diversi dai punti lontani dal bordo. Un universo omogeneo deve essere infinito o deve essere chiuso, ovvero avere la topologia spaziale di una 3 sfere. I recenti risultati di Planck mostrano che la curvatura è pari a zero entro l'errore sperimentale, quindi se l'universo è chiuso la scala deve essere molto più grande dell'universo osservabile.

La mia visione è più semplice e osservativa.

Le osservazioni dicono che lo stato attuale dell'universo osservabile è in espansione: cioè gli ammassi di galassie si stanno allontanando tutti dalla nostra galassia e l'uno dall'altro.

La funzione più semplice per adattarsi a questa osservazione è una funzione che descrive un'esplosione nello spazio quadridimensionale, che è il modo in cui il Big Bang è entrato nel nostro mondo.

Ci sono esperti di detriti esplosivi che possono ricostruire il punto in cui è avvenuta l'esplosione in un'esplosione tridimensionale. In quattro dimensioni la funzione che descrive l'espansione dello spazio porta anche alla conclusione che c'è un inizio dell'universo da cui contiamo il tempo dopo il Big Bang.

Il modello BB è sopravvissuto, modificato per adattarsi all'osservazione dell'omogeneità (fluttuazioni quantistiche prima di 10 ^-32 secondi) e all'osservazione che l'espansione che misuriamo sembra accelerare (il apertura del cono nella foto)

^Fonte

Notare che nella foto i punti zero del "Big Bang" sono "sfocati". Questo perché, prima di 10 ^-32 secondi in cui ci si aspetta che dominino gli effetti della meccanica quantistica, non esiste una teoria definitiva che unisca sia la relatività generale che la meccanica quantistica. Esiste una quantizzazione efficace della gravità ma la teoria non ha messo a punto un modello solido.

Quindi estrapolando con un modello matematico - derivato da equazioni completamente classiche - alla regione in cui l '"origine" dell'universo era dove sappiamo è necessaria una soluzione meccanica quantistica , non è garantito.

Prendi l'esempio del potenziale attorno a una carica puntiforme. Il potenziale elettrodinamico classico è $ \ frac {1} {r} $ , il che significa che a $ r = 0 $ il potenziale è infinito. Sappiamo però che, a distanze inferiori a Fermi, subentrano gli effetti della meccanica quantistica: anche se l'elettrone è una carica puntiforme, non esistono infiniti. Allo stesso modo, ci si aspetta che un modello di gravità quantizzato definitivo unificato con il modello delle altre forze eviterà gli infiniti, giustificando la sfocatura all'origine mostrata nella figura del BB.

In conclusione, nella soluzione della meccanica relativistica classica del Big Bang, c'era una "singolarità del punto iniziale" che, mentre l'universo si espandeva dall'esplosione quadridimensionale, è l'antenato nella linea temporale di ogni punto nel nostro universo attuale. La superficie di un'analogia con il palloncino è utile: i punti della superficie bidimensionale possono essere estrapolati in un "punto" originale quando inizia l'espansione del soffiaggio, ma tutti i punti erano lì all'inizio.

La necessità per una soluzione meccanica quantistica per distanze inferiori a 10 ^ -32 richiesta dall'estrema omogeneità della radiazione di fondo a microonde cosmiche conferma che sono necessari effetti quantistici per l'inizio, il che renderà l'inizio sfocato. I fisici stanno ancora lavorando alla quantizzazione della gravità per estrapolare ciò che "è realmente accaduto" .

Addendum di Gerold Broser

Ci sono altre due illustrazioni:

• Ricerca sulla natura: Box: Timeline of the inflationary Universe , nature.com, 15 aprile 2009

_{(fonte: nature.com)}

• Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC): Inflation , Stanford University, 31 luglio 2012

Modifica poiché una domanda è stata creata un duplicato di quanto sopra:

La singolarità del big bang era un buco nero? [duplicate]

Le singolarità dei buchi neri derivano dalle soluzioni della relatività generale, e in generale descrivono masse molto grandi che distorcono lo spaziotempo e hanno un orizzonte, dopo di che non viene fuori nulla e tutto finisce sulla singolarità, i dettagli a seconda della metrica utilizzata. Vedi sopra nella storia dell'immagine dell'universo che la descrizione nella frase precedente non si adatta all'universo. Galassie e ammassi di galassie si stanno allontanando l'uno dall'altro, il che ha portato al modello del Big Bang, e per di più, l'espansione sta accelerando come si vede nell'immagine.

Quindi la matematica del Big Bang non segue il buco nero matematica.

La risposta è che non lo sappiamo. Perché? Perché la teoria della gravità che abbiamo e usiamo, GR, ha una singolarità. Le cose che dovrebbero essere finite in una teoria fisica, come la densità, diventano infinite. E le teorie con una singolarità sono semplicemente sbagliate, hanno bisogno di una modifica, e questa modifica è necessaria non solo alla singolarità stessa, ma già in qualche ambiente di questa singolarità.

Inoltre, sappiamo già per ragioni indipendenti che è necessaria una modifica: perché se si guarda a volte $ 10 ^ {- 44} $ s dopo la singolarità, diventa importante la gravità quantistica, che è una teoria sconosciuta.

E abbiamo anche prove empiriche che il modello più banale basato su teorie consolidate (GR con SM per la materia) fallisce: è il cosiddetto problema dell'orizzonte. Richiede, per la sua soluzione, un'espansione accelerata nell'universo primordiale. Si possono proporre modelli che portano a una tale espansione basata sulla teoria delle particelle, teorie solitamente chiamate "inflazione" (imho molto fuorviante, come spiego qui), ma di solito usano estensioni speculative dell'SM come GUT , supersimmetria, stringhe e così via. Quindi, anche i dettagli di una teoria delle particelle che darebbe inflazione sono sconosciuti.

Quindi, sebbene la teoria del big bang sia ben consolidata, se si pensa che tutto sia stato denso come all'interno del Sole, e direi affidabile se denso come all'interno di una stella di neutroni, non abbiamo molte ragioni per credere che il le teorie rimangono applicabili per densità molto più elevate, e certamente non per la densità che diventa infinita.

Da un punto di vista puramente matematico non si può dire nulla anche sulla singolarità stessa.Se si considera, ad esempio, la metrica nelle coordinate FLRW più comuni $ ds ^ 2 = d \ tau ^ 2-a ^ 2 (\ tau) (dx ^ 2 + dy ^ 2 + dz ^ 2) $, allora illa singolarità sarebbe un $ \ mathbb {R} ^ 3 $ intero.Il limite della distanza tra i punti sarebbe zero (motivo per cui di solito si preferisce l'immagine con una singolarità del punto).D'altra parte, il limite di ciò che un punto che si muove verso la singolarità può influenzare causalmente nel suo futuro rimane (senza inflazione) una piccola regione, che in alcun modo tende a coprire l'intero universo, che corrisponde molto meglio a un $ intero\ mathbb {R} ^ 3 $ singolarità di spazio.

L'esplosione che hai visto è in realtà una rappresentazione quadridimensionale dell'universo.Se rappresentiamo l'universo in 4D, allora il big bang è avvenuto in un punto e si sta espandendo come una sfera vuota.Ma in 3D il big bang sarebbe dovuto accadere in ogni punto dell'universo e si sta espandendo in ogni direzione.Questa interpretazione utilizza il modello dell'universo di Friedman.

Oltre a quanto hanno detto gli altri, lasciatemi spiegare una semplice analogia per l'espansione dell'universo.

Considera un palloncino, la cui superficie è considerata l'universo.Disegniamo dei punti sul palloncino che simboleggiano le galassie.Ora fai esplodere il palloncino.Tutte le galassie inizieranno a separarsi l'una dall'altra.Supponi ora di essere su una delle galassie.Osserverai tutte le galassie che si allontanano da te e verrai portato alla conclusione che tu sei al centro dell'universo.Questo è ciò che ogni galassia osserverebbe.Ecco perché non esiste un centro per l'espansione dell'universo.

Spero che la mia analogia ti sia piaciuta.

[Nota editoriale: questa risposta doveva essere un commento al commento di @ good_ole_ray alla risposta di John Rennie ma il limite di commenti di 600 caratteri ... sai.]

Le " galassie sembrano allontanarsi da un centro comune "

"centro comune" è più appropriato di quanto si possa pensare a prima vista.

Certo, non è quel tipo di centro che il 99% delle persone capisce come tale: un singolo punto circondato da altri punti con i punti più esterni a una distanza idealmente uguale dal centro, cioè cose note come sfera, palla, globo, globo o ciotola, vuoto o meno non importa.

Il centro di cui sto parlando qui è così "comune", nel significato di "comune", perché tutti i punti esistenti nel nostro universo sono questo centro.

È più facile capire se si immagina l'universo giovane, piuttosto minuscolo all'inizio. Quindi sembrava più un punto così come lo conosciamo dalla nostra vita quotidiana.

Ma si è evoluto, si è espanso e si è espanso in modo tale che tra due punti qualsiasi (o unità di spazio) è sorto un altro punto (o unità di spazio). Tale "spingere" i primi due punti (o unità di spazio) l'uno dall'altro.

E questo accade da 13,7 miliardi di anni, in qualsiasi punto dell'universo, quindi i punti che erano uno una volta sono molti adesso. O in altre parole: uno qualsiasi dei punti è ora molto, molto lontano da ciascuno degli altri punti che erano nella stessa posizione una volta. Ma sono ancora il centro perché una volta lo erano. Questa, la loro, proprietà non è cambiata perché non si sono mossi a causa di un movimento corretto ma perché è sorto nuovo spazio tra di loro.

E perché questo? Perché il Big Bang non è stata un'esplosione nel senso comune. Dal momento che non c'era spazio in cui qualcosa potesse essere esploso. Lo spazio e il tempo, del resto, hanno iniziato a esistere solo con il Big Bang.

Succede anche lentamente su piccola scala. L'ultimo valore del parametro Hubble è $ 71 _ {- 3.0} ^ {+ 2.4} \ frac {km} {Mpc \ cdot s} $ span> che è piuttosto piccolo su scala ridotta (se si considera un AU [~ 150 m km] piccolo, ma rispetto alle dimensioni astronomiche è comunque minuscolo):

$$ 1 \ space Mpc = 3.09 \ cdot 10 ^ {22} \ space m $$ $$ 1 \ space AU = 1.5 \ cdot 10 ^ {11} \ space m $$

Quindi l'aumento (teorico) della distanza media tra il sole e la terra dovuto all'espansione dell'universo può essere calcolato in

$$ v _ {\ Delta {AU}} = 3.44 \ cdot 10 ^ {- 7} \ space \ frac {m} {s} = 10.86 \ space \ frac { m} {yr}. $$

Ma dal momento che ciò è accaduto per così tanto tempo, la prima scala ridotta è diventata su larga scala ovunque ma in prossimità della nostra galassia (o, per essere precisi: in prossimità di qualsiasi punto di osservazione [soggettivo] nell'universo). E tieni presente che questo si applica solo allo spazio stesso. Ciò non significa che la terra si allontani effettivamente dal sole, o che ti allontani costantemente dai tuoi cari e viceversa. Ricorda, c'è la gravità, la più debole delle quattro interazioni fondamentali in base ai suoi fattori

$$ m_1 \ cdot m_2 \ cdot \ frac {1} {r ^ 2} $$

ma il più implacabile quando si tratta di masse.

" le galassie sembrano allontanarsi da un centro comune " inoltre non è vero per tutte le galassie osservate da qualsiasi punto di osservazione. Le linee spettrali della galassia di Andromeda, ad esempio, sono spostate al blu. Ciò significa che è abbastanza vicino a noi che il suo movimento corretto verso di noi è maggiore della deriva da noi causata dall'espansione dell'universo:

Andromeda ( $ 300 ± 4 \ frac {km} {s} $ )
← ----------------------------
⊙
␣ --- →
Velocità di espansione a 2,5 m ly, la distanza di Andromeda (~ $ 54,42 \ frac {km} {s} $ )

Legenda: - ≙ $ 10 \ frac {km} {s} $

[Nota editoriale finale: beh, questo era poco più di 600 caratteri.]

P.S .: @good_ole_ray spero che tu abbia l'opportunità di leggerlo prima che sia contrassegnato come non appropriato, o anche peggio, perché non risponde alla domanda originale.