Какова была плотность Вселенной, когда она была размером всего с нашу Солнечную систему?

На ваш вопрос нельзя ответить, потому что уточнение, когда речь шла только о размере нашей Солнечной системы , бессмысленно. Размер Вселенной — довольно расплывчатое понятие. Вселенная вполне может быть бесконечной (вряд ли мы когда-нибудь узнаем наверняка), и в этом случае она всегда была бесконечной и не имеет размера. Вы могли бы спросить о размере наблюдаемой Вселенной , т. е. той части, которую мы можем видеть, но даже это сложно. Мы можем видеть около 13 миллиардов световых лет, но то, что мы видим на расстоянии 13 миллиардов световых лет, мы видим такими, какими они были 13 миллиардов лет назад. Текущее расстояние до этих битов составляет около 46 миллиардов световых лет. Так размер (радиус) наблюдаемой Вселенной составляет 13 миллиардов световых лет или 46 миллиардов световых лет?

Но я думаю, что мы можем рассмотреть дух вашего вопроса, если не точный текст. Существует четко определенная мера размера, которая работает даже для бесконечной Вселенной, называемая масштабным коэффициентом . Если вы возьмете две точки во Вселенной, то расстояние между этими точками изменится со временем в соответствии с уравнением:

где$a(t)$называется масштабным коэффициентом и$d_0$является константой. принято определять$a(t)$быть$1$в настоящее время, в этом случае$d_0$это текущее расстояние. Тогда средняя плотность Вселенной определяется как:

где$\rho_0$- текущая средняя плотность. Мы можем использовать это уравнение, чтобы выяснить, в какое время плотность Вселенной была равна плотности нейтронной звезды.

Масштабный коэффициент рассчитывается путем решения уравнения Эйнштейна для однородной изотропной Вселенной, и результатом является метрика FLRW . Как и следовало ожидать от всего, что связано с общей теорией относительности, здесь нет простого ответа. Как объясняет здесь Pulsar, масштабный коэффициент определяется следующим образом:

Вы должны рассчитать$a(t)$путем численного интегрирования этого выражения, но это не так сложно, как кажется, и я сделал это в Excel (см. ссылку здесь) , чтобы получить:

В этом есть несколько интересных особенностей. Примерно до 6 млрд лет после Большого взрыва расширение замедлялось, как и следовало ожидать, потому что его замедляет взаимная гравитация всей материи. Однако совсем недавно темная энергия вызывала ускорение расширения, и вы можете видеть, как линия начинает изгибаться вверх. Эта кривизна станет более выраженной в ближайшие несколько десятков миллиардов лет.

Впрочем, вернемся к вашему вопросу. Текущий радиус наблюдаемой Вселенной составляет около 46 миллиардов световых лет, а радиус орбиты Нептуна составляет около$4.5 \times 10^{12}$м, поэтому их соотношение составляет около$9.7 \times 10^{13}$. Текущая плотность (включая темную материю и темную энергию) составляет около 5 атомов водорода на кубический метр, поэтому плотность, когда наблюдаемая Вселенная была размером с орбиту Нептуна, была около$5 \times 10^{42}$атомов водорода на кубический метр. Речь идет о$7.5 \times 10^{15}$кг/м$^3$. Плотность нейтронной звезды составляет около$5 \times 10^{17}$кг/м$^3$так что на самом деле плотность Вселенной в то время была не так уж и далека от плотности нейтронных звезд.

Мы можем использовать наш расчет$a(t)$вычислить, в какое время Вселенная имела такую ​​плотность, и оказалось, что она составляет около$10^{-25}$секунды. Однако я был бы осторожен с этим числом, потому что расчетное время находится в диапазоне, в котором происходило нарушение электрослабой симметрии , и это может включать новые факторы, влияющие на коэффициент масштабирования.

Я думаю, что ответ Джона Ренни намного лучше, чем все, что я могу сделать, но я все равно дам вам ответ «вселенная для чайников».

Масса наблюдаемой Вселенной: 10^53 кг.

Плотность наблюдаемой Вселенной: 9,9×10−30 г (эквивалентно 6 протонам на кубический метр пространства — не очень плотная).

Источник (Вики): http://en.wikipedia.org/wiki/Observable_universe

Плотность нейтронной звезды: от 3,7×1017 до 5,9×1017 кг/м3.

Источник (Вики): http://en.wikipedia.org/wiki/Neutron_star

Итак, 10^53 кг / 5,9x10^17 кг/м3 = 1,7x10^35 кубических метров, или около 550 миллиардов метров на стороне (квадрате) или около 680 миллиардов метров в диаметре. Это 340 миллионов километров в радиусе — немного дальше орбиты Марса, меньше половины орбиты Юпитера.

Это меньше, чем я думал, но вот ваш ответ, во всяком случае, для наблюдаемой Вселенной. Ответ — нет — не тогда, когда наблюдаемая Вселенная была размером с Солнечную систему.

Знаете, была ли очень молодая/ранняя Вселенная плотнее Нейтронной звезды, когда наблюдаемая Вселенная была еще меньше? - вероятно, поскольку они говорят, что (наблюдаемая) Вселенная раньше была размером с бейсбольный мяч, но это произошло в начале фазы расширения, и расширение двигалось быстрее, чем гравитация (которая может притягивать предметы только со скоростью света) - так что большая масса при такой плотности не была проблемой, как это было бы в обычной физике (она образовала бы черную дыру).

Многое из этого, вероятно, произошло до того, как сформировалось поле Хиггса, поэтому, возможно, не было массы, когда Вселенная была такой «плотной» — или, возможно, лучше сказать горячей.

(Приветствуются исправления моей версии вселенной для чайников)

Если вы ее не читали, мне понравилась статья Вики о хронологии Вселенной, в которой мало говорится о размере, но в остальном она связана: http://en.wikipedia.org/wiki/Chronology_of_the_universe .

Одна из самых неприятных аномалий, которыми омрачен Большой взрыв, заключается в том, что невозможно физически описать процесс Большого взрыва в бесконечной Вселенной. Причина этой невозможности заключается в том, что одинаково невозможно говорить о концепции параллелизма повсюду в такой вселенной. Да, в такой вселенной даже понятие «везде» не имеет никакого иного значения, кроме метафизического. И даже если предположить, что Вселенная конечна, но очень велика, мы должны иметь дело с проблемой, заключающейся в том, что повсюду вокруг нас, сразу за горизонтом событий, кажется, что все еще в полном разгаре непрерывный Большой взрыв, который, безусловно, оказали такое влияние на горизонт событий, что он сместился и переместился на миллиарды световых лет дальше в космосе.

Бо Видарссон Содерквист