Teori struktur alam semesta yang paling aneh dan luar biasa

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Sebagai tambahan kepada model kosmologi klasik, relativiti am membolehkan penciptaan dunia khayalan yang sangat, sangat, sangat eksotik.

Terdapat beberapa model kosmologi klasik yang dibina menggunakan relativiti am, ditambah dengan kehomogenan dan isotropi ruang (lihat "PM" No. 6'2012). Alam semesta tertutup Einstein mempunyai kelengkungan positif yang berterusan ruang, yang menjadi statik kerana pengenalan parameter kosmologi yang dipanggil ke dalam persamaan relativiti am, yang bertindak sebagai medan antigravitasi.

Dalam alam semesta memecut de Sitter dengan ruang tidak melengkung, tidak ada perkara biasa, tetapi ia juga dipenuhi dengan medan anti-gravitasi. Terdapat juga alam semesta tertutup dan terbuka Alexander Friedman; dunia sempadan Einstein - de Sitter, yang secara beransur-ansur mengurangkan kadar pengembangan kepada sifar dari semasa ke semasa, dan akhirnya, alam semesta Lemaitre, leluhur kosmologi Big Bang, berkembang daripada keadaan awal superkompak. Kesemua mereka, dan terutamanya model Lemaitre, menjadi pelopor model standard moden alam semesta kita.

Ruang alam semesta dalam model yang berbeza mempunyai kelengkungan yang berbeza, yang boleh menjadi negatif (ruang hiperbolik), sifar (ruang Euclidean rata, sepadan dengan alam semesta kita) atau positif (ruang elips). Dua model pertama adalah alam semesta terbuka, berkembang tanpa henti, yang terakhir ditutup, yang lambat laun akan runtuh. Ilustrasi menunjukkan dari atas ke bawah analog dua dimensi ruang sedemikian.

Walau bagaimanapun, terdapat alam semesta lain, juga dijana oleh yang sangat kreatif, seperti yang kini menjadi kebiasaan untuk mengatakan, penggunaan persamaan relativiti am. Mereka sepadan dengan lebih kurang (atau tidak sepadan sama sekali) dengan hasil pemerhatian astronomi dan astrofizik, tetapi ia selalunya sangat cantik, dan kadangkala paradoks secara elegan. Benar, ahli matematik dan ahli astronomi menciptanya dalam kuantiti sedemikian sehingga kita perlu menghadkan diri kita kepada hanya beberapa contoh dunia khayalan yang paling menarik.

Dari tali kepada pancake

Selepas kemunculan (pada tahun 1917) karya asas Einstein dan de Sitter, ramai saintis mula menggunakan persamaan relativiti am untuk mencipta model kosmologi. Salah seorang yang pertama melakukan ini ialah ahli matematik New York Edward Kasner, yang menerbitkan penyelesaiannya pada tahun 1921.

Alam semestanya sangat luar biasa. Ia tidak hanya kekurangan bahan graviti, tetapi juga medan anti-gravitasi (dengan kata lain, tiada parameter kosmologi Einstein). Nampaknya dalam dunia yang idealnya kosong ini tiada apa yang boleh berlaku sama sekali. Walau bagaimanapun, Kasner mengakui bahawa alam semesta hipotetikalnya berkembang tidak sekata dalam arah yang berbeza. Ia mengembang di sepanjang dua paksi koordinat, tetapi mengecut di sepanjang paksi ketiga.

Oleh itu, ruang ini jelas anisotropik dan menyerupai ellipsoid dalam garis geometri. Oleh kerana ellipsoid seperti itu terbentang dalam dua arah dan mengecut di sepanjang yang ketiga, ia secara beransur-ansur berubah menjadi lempeng rata. Pada masa yang sama, alam semesta Kasner tidak menurunkan berat badan sama sekali, jumlahnya meningkat mengikut kadar umur. Pada saat awal, umur ini bersamaan dengan sifar - dan, oleh itu, isipadunya juga sifar. Walau bagaimanapun, alam semesta Kasner tidak dilahirkan dari satu titik singulariti, seperti dunia Lemaitre, tetapi daripada sesuatu seperti jejari yang sangat nipis - jejari awalnya adalah sama dengan infiniti di sepanjang satu paksi dan sifar di sepanjang dua yang lain.

Kenapa kita google

Edward Kasner ialah seorang pempopular sains yang cemerlang - bukunya Mathematics and the Imagination, yang dikarang bersama James Newman, diterbitkan semula dan dibaca hari ini. Dalam salah satu bab, nombor 10 muncul¹⁰⁰… Anak saudara Kazner yang berusia sembilan tahun mendapat nama untuk nombor ini - googol (Googol), malah nombor 10 yang sangat besar.^Googol- membaptiskan istilah googolplex (Googolplex). Apabila pelajar siswazah Stanford Larry Page dan Sergey Brin cuba mencari nama untuk enjin carian mereka, rakan mereka Sean Anderson mengesyorkan Googolplex yang merangkumi semua.

Walau bagaimanapun, Page menyukai Googol yang lebih sederhana, dan Anderson segera menyemak sama ada ia boleh digunakan sebagai domain Internet. Dengan tergesa-gesa, dia membuat kesilapan menaip dan menghantar permintaan bukan kepada Googol.com, tetapi kepada Google.com. Nama ini ternyata percuma dan Brin sangat menyukainya sehingga dia dan Page segera mendaftarkannya pada 15 September 1997. Jika ia berlaku secara berbeza, kami tidak akan mempunyai Google!

Apakah rahsia evolusi dunia kosong ini? Oleh kerana ruangnya "beralih" dengan cara yang berbeza sepanjang arah yang berbeza, daya pasang surut graviti timbul, yang menentukan dinamiknya. Nampaknya seseorang boleh menyingkirkannya dengan menyamakan kadar pengembangan di sepanjang ketiga-tiga paksi dan dengan itu menghapuskan anisotropi, tetapi matematik tidak membenarkan kebebasan tersebut.

Benar, seseorang boleh menetapkan dua daripada tiga kelajuan sama dengan sifar (dengan kata lain, tetapkan dimensi alam semesta di sepanjang dua paksi koordinat). Dalam kes ini, dunia Kasner akan berkembang hanya dalam satu arah, dan berkadar ketat dengan masa (ini mudah difahami, kerana ini adalah bagaimana volumnya mesti meningkat), tetapi ini sahaja yang boleh kita capai.

Alam semesta Kasner boleh kekal dengan sendirinya hanya di bawah keadaan kekosongan sepenuhnya. Jika anda menambah sedikit jirim padanya, ia akan mula berkembang secara beransur-ansur seperti alam semesta isotropik Einstein-de Sitter. Dengan cara yang sama, apabila parameter Einstein bukan sifar ditambahkan pada persamaannya, ia (dengan atau tanpa jirim) secara asimtotik akan memasuki rejim pengembangan isotropik eksponen dan bertukar menjadi alam semesta de Sitter. Walau bagaimanapun, "penambahan" sedemikian benar-benar hanya mengubah evolusi alam semesta yang sedia ada.

Pada saat kelahirannya, mereka boleh dikatakan tidak memainkan peranan, dan alam semesta berkembang mengikut senario yang sama.

Walaupun dunia Kasner bersifat anisotropik secara dinamik, kelengkungannya pada bila-bila masa adalah sama di sepanjang semua paksi koordinat. Walau bagaimanapun, persamaan relativiti am mengakui kewujudan alam semesta yang bukan sahaja berkembang dengan halaju anisotropik, tetapi juga mempunyai kelengkungan anisotropik.

Model sedemikian telah dibina pada awal 1950-an oleh ahli matematik Amerika Abraham Taub. Ruangnya boleh berkelakuan seperti alam semesta terbuka dalam beberapa arah, dan seperti alam semesta tertutup di arah lain. Selain itu, dari masa ke masa, mereka boleh menukar tanda daripada tambah kepada tolak dan dari tolak kepada tambah. Ruang mereka bukan sahaja berdenyut, tetapi secara literal bertukar ke dalam ke luar. Secara fizikal, proses ini boleh dikaitkan dengan gelombang graviti, yang mengubah bentuk ruang dengan begitu kuat sehingga mereka menukar geometrinya secara tempatan daripada sfera kepada pelana dan sebaliknya. Secara keseluruhannya, dunia yang pelik, walaupun mungkin secara matematik.

Tidak seperti Alam Semesta kita, yang mengembang secara isotropik (iaitu, pada kelajuan yang sama tanpa mengira arah yang dipilih), alam semesta Kasner mengembang secara serentak (di sepanjang dua paksi) dan mengecut (di sepanjang yang ketiga).

Turun naik dunia

Tidak lama selepas penerbitan karya Kazner, artikel oleh Alexander Fridman muncul, yang pertama pada tahun 1922, yang kedua pada tahun 1924. Makalah ini membentangkan penyelesaian yang sangat elegan kepada persamaan relativiti am, yang mempunyai kesan yang sangat membina terhadap perkembangan kosmologi.

Konsep Friedman adalah berdasarkan andaian bahawa, secara purata, jirim diedarkan di angkasa lepas secara simetri yang mungkin, iaitu, homogen dan isotropik sepenuhnya. Ini bermakna bahawa geometri ruang pada setiap saat masa kosmik tunggal adalah sama dalam semua titik dan dalam semua arah (secara tegasnya, masa sedemikian masih perlu ditentukan dengan betul, tetapi dalam kes ini masalah ini boleh diselesaikan). Ia berikutan bahawa kadar pengembangan (atau pengecutan) alam semesta pada bila-bila masa tertentu sekali lagi tidak bergantung kepada arah.

Oleh itu, alam semesta Friedmann sama sekali tidak seperti model Kasner.

Dalam artikel pertama, Friedman membina model alam semesta tertutup dengan kelengkungan positif berterusan ruang. Dunia ini timbul daripada keadaan titik awal dengan ketumpatan jirim yang tidak terhingga, mengembang ke jejari maksimum tertentu (dan, oleh itu, isipadu maksimum), selepas itu ia runtuh semula ke titik tunggal yang sama (dalam bahasa matematik, singulariti).

Walau bagaimanapun, Friedman tidak berhenti di situ. Pada pendapatnya, penyelesaian kosmologi yang ditemui tidak perlu dihadkan oleh selang antara singulariti awal dan akhir; ia boleh diteruskan dalam masa ke hadapan dan ke belakang. Hasilnya ialah sekumpulan alam semesta yang tidak berkesudahan yang digantung pada paksi masa, yang bersempadan antara satu sama lain pada titik singulariti.

Dalam bahasa fizik, ini bermakna bahawa alam semesta tertutup Friedmann boleh berayun tanpa had, mati selepas setiap penguncupan dan dilahirkan semula kepada kehidupan baru dalam pengembangan berikutnya. Ini adalah proses berkala yang ketat, kerana semua ayunan berterusan untuk tempoh masa yang sama. Oleh itu, setiap kitaran kewujudan alam semesta adalah salinan tepat semua kitaran lain.

Beginilah cara Friedman mengulas model ini dalam bukunya "The World as Space and Time": "Selanjutnya, terdapat kes apabila jejari kelengkungan berubah secara berkala: alam semesta menguncup ke satu titik (menjadi tiada), kemudian sekali lagi dari satu titik. membawa jejarinya kepada nilai tertentu, sekali lagi, mengurangkan jejari kelengkungannya, ia bertukar menjadi titik, dsb. Seseorang secara tidak sengaja mengingati legenda mitologi Hindu tentang tempoh kehidupan; Ia juga mungkin untuk bercakap tentang "penciptaan dunia daripada tiada", tetapi semua ini harus dianggap sebagai fakta aneh yang tidak dapat disahkan dengan kukuh oleh bahan eksperimen astronomi yang tidak mencukupi.

Graf potensi alam semesta Mixmaster kelihatan sangat luar biasa - lubang berpotensi mempunyai dinding tinggi, di antaranya terdapat tiga "lembah". Di bawah ialah lengkung ekuipotensi bagi "alam semesta dalam pengadun" sedemikian.

Beberapa tahun selepas penerbitan artikel Friedman, modelnya mendapat kemasyhuran dan pengiktirafan. Einstein mula berminat dengan idea tentang alam semesta yang berayun, dan dia tidak bersendirian. Pada tahun 1932, ia telah diambil alih oleh Richard Tolman, profesor fizik matematik dan kimia fizikal di Caltech. Dia bukan ahli matematik tulen, seperti Friedman, mahupun ahli astronomi dan astrofizik, seperti de Sitter, Lemaitre dan Eddington. Tolman adalah pakar yang diiktiraf dalam fizik statistik dan termodinamik, yang pertama kali digabungkannya dengan kosmologi.

Hasilnya sangat tidak penting. Tolman membuat kesimpulan bahawa jumlah entropi kosmos harus meningkat dari kitaran ke kitaran. Pengumpulan entropi membawa kepada fakta bahawa semakin banyak tenaga alam semesta tertumpu pada sinaran elektromagnet, yang dari kitaran ke kitaran semakin mempengaruhi dinamiknya. Oleh kerana itu, panjang kitaran bertambah, setiap kitaran seterusnya menjadi lebih panjang daripada yang sebelumnya.

Ayunan berterusan, tetapi tidak lagi berkala. Selain itu, dalam setiap kitaran baharu, jejari alam semesta Tolman bertambah. Akibatnya, pada peringkat pengembangan maksimum, ia mempunyai kelengkungan terkecil, dan geometrinya semakin banyak dan semakin lama menghampiri Euclidean.

Richard Tolman, semasa mereka bentuk modelnya, terlepas peluang menarik, yang menarik perhatian John Barrow dan Mariusz Dombrowski pada tahun 1995. Mereka menunjukkan bahawa rejim ayunan alam semesta Tolman tidak dapat dipulihkan apabila parameter kosmologi anti-graviti diperkenalkan.

Dalam kes ini, alam semesta Tolman pada salah satu kitaran tidak lagi menguncup menjadi singulariti, tetapi mengembang dengan pecutan yang semakin meningkat dan bertukar menjadi alam semesta de Sitter, yang dalam situasi yang sama juga dilakukan oleh alam semesta Kasner. Antigraviti, seperti ketekunan, mengatasi segala-galanya!

Pendaraban entiti

"Cabaran semula jadi kosmologi adalah untuk memahami sebaik mungkin asal usul, sejarah dan struktur alam semesta kita sendiri," jelas kepada Mekanik Popular oleh profesor matematik Universiti Cambridge John Barrow. - Pada masa yang sama, relativiti am, walaupun tanpa meminjam daripada cabang fizik lain, memungkinkan untuk mengira bilangan yang hampir tidak terhad bagi pelbagai model kosmologi.

Sudah tentu, pilihan mereka dibuat berdasarkan data astronomi dan astrofizik, dengan bantuan yang mungkin bukan sahaja untuk menguji pelbagai model untuk pematuhan dengan realiti, tetapi juga untuk memutuskan komponen mana yang boleh digabungkan untuk yang paling mencukupi. penerangan tentang dunia kita. Beginilah wujudnya Model Standard Alam Semesta semasa. Jadi walaupun atas sebab ini sahaja, pelbagai model kosmologi yang dibangunkan secara sejarah telah terbukti sangat berguna.

Tetapi bukan itu sahaja. Banyak model telah dicipta sebelum ahli astronomi telah mengumpul kekayaan data yang mereka ada hari ini. Sebagai contoh, tahap sebenar isotropi alam semesta telah ditubuhkan berkat peralatan angkasa lepas hanya sejak beberapa dekad yang lalu.

Jelas sekali bahawa pada masa lalu, pereka ruang angkasa mempunyai lebih sedikit batasan empirikal. Di samping itu, ada kemungkinan bahawa walaupun model eksotik mengikut piawaian hari ini akan berguna pada masa hadapan untuk menerangkan bahagian Alam Semesta yang belum tersedia untuk pemerhatian. Dan akhirnya, penciptaan model kosmologi mungkin hanya mendorong keinginan untuk mencari penyelesaian yang tidak diketahui kepada persamaan relativiti am, dan ini juga merupakan insentif yang kuat. Secara umum, kelimpahan model sedemikian boleh difahami dan dibenarkan.

Kesatuan kosmologi dan fizik zarah asas baru-baru ini dibenarkan dengan cara yang sama. Wakilnya menganggap peringkat terawal kehidupan Alam Semesta sebagai makmal semula jadi, sesuai untuk mengkaji simetri asas dunia kita, yang menentukan undang-undang interaksi asas. Perikatan ini telah pun meletakkan asas bagi peminat keseluruhan model kosmologi yang asasnya baharu dan sangat mendalam. Tidak ada keraguan bahawa pada masa akan datang ia akan membawa hasil yang sama."

Alam Semesta dalam Pengadun

Pada tahun 1967, ahli astrofizik Amerika David Wilkinson dan Bruce Partridge mendapati bahawa sinaran gelombang mikro peninggalan dari mana-mana arah, ditemui tiga tahun lebih awal, tiba di Bumi dengan suhu yang hampir sama. Dengan bantuan radiometer yang sangat sensitif, yang dicipta oleh rakan senegaranya Robert Dicke, mereka menunjukkan bahawa turun naik suhu foton relik tidak melebihi sepersepuluh peratus (menurut data moden, mereka lebih sedikit).

Memandangkan sinaran ini berasal lebih awal daripada 4,00,000 tahun selepas Letupan Besar, keputusan Wilkinson dan Partridge memberi alasan untuk mempercayai bahawa walaupun alam semesta kita tidak hampir ideal isotropik pada saat kelahiran, ia memperoleh harta ini tanpa berlengah-lengah.

Hipotesis ini membentuk masalah besar untuk kosmologi. Dalam model kosmologi pertama, isotropi ruang diletakkan dari awal-awal lagi hanya sebagai andaian matematik. Walau bagaimanapun, pada pertengahan abad yang lalu, diketahui bahawa persamaan relativiti am memungkinkan untuk membina satu set alam semesta bukan isotropik. Dalam konteks keputusan ini, isotropi hampir ideal CMB menuntut penjelasan.

Penjelasan ini hanya muncul pada awal 1980-an dan benar-benar tidak dijangka. Ia dibina di atas konsep teori asas baru mengenai pengembangan superfast (seperti yang biasa mereka katakan, inflasi) Alam Semesta pada saat-saat pertama kewujudannya (lihat "PM" No. 7'2012). Pada separuh kedua tahun 1960-an, sains tidak begitu matang untuk idea revolusioner tersebut. Tetapi, seperti yang anda ketahui, jika tiada kertas bercop, mereka menulis dalam satu kertas biasa.

Ahli kosmologi Amerika yang terkenal Charles Misner, sejurus selepas penerbitan artikel oleh Wilkinson dan Partridge, cuba menerangkan isotropi sinaran gelombang mikro menggunakan cara yang agak tradisional. Menurut hipotesisnya, ketidakhomogenan Alam Semesta awal secara beransur-ansur hilang disebabkan oleh "geseran" bersama bahagian-bahagiannya, yang disebabkan oleh pertukaran neutrino dan fluks cahaya (dalam penerbitan pertamanya, Mizner memanggil kesan kelikatan neutrino yang sepatutnya ini).

Menurutnya, kelikatan sebegitu dapat dengan cepat melancarkan huru-hara awal dan menjadikan Alam Semesta hampir homogen dan isotropik dengan sempurna.

Program penyelidikan Misner kelihatan cantik, tetapi tidak membawa hasil praktikal. Sebab utama kegagalannya sekali lagi didedahkan melalui analisis gelombang mikro. Sebarang proses yang melibatkan geseran menjana haba, ini adalah akibat asas daripada undang-undang termodinamik. Jika ketidakhomogenan utama Alam Semesta telah terlicin disebabkan oleh neutrino atau beberapa kelikatan lain, ketumpatan tenaga CMB akan berbeza dengan ketara daripada nilai yang diperhatikan.

Seperti yang ditunjukkan oleh ahli astrofizik Amerika Richard Matzner dan rakan sekerja Inggerisnya John Barrow yang telah disebutkan pada akhir 1970-an, proses likat boleh menghapuskan hanya ketidakhomogenan kosmologi terkecil. Untuk "melicinkan" Alam Semesta yang lengkap, mekanisme lain diperlukan, dan ia ditemui dalam kerangka teori inflasi.

Namun begitu, Mizner menerima banyak keputusan yang menarik. Khususnya, pada tahun 1969 dia menerbitkan model kosmologi baharu, yang namanya dipinjam … daripada perkakas dapur, pengadun rumah yang dibuat oleh Sunbeam Products! Mixmaster Universe sentiasa berdegup dalam sawan terkuat, yang, menurut Mizner, membuat cahaya beredar di sepanjang laluan tertutup, mencampur dan menghomogenkan kandungannya.

Walau bagaimanapun, analisis kemudian model ini menunjukkan bahawa, walaupun foton dalam dunia Mizner melakukan perjalanan yang jauh, kesan pencampurannya adalah sangat tidak penting.

Walau bagaimanapun, Mixmaster Universe sangat menarik. Seperti alam semesta tertutup Friedman, ia timbul daripada volum sifar, mengembang ke maksimum tertentu dan mengecut semula di bawah pengaruh gravitinya sendiri. Tetapi evolusi ini tidak lancar, seperti Friedman, tetapi benar-benar huru-hara dan oleh itu tidak dapat diramalkan secara terperinci.

Pada masa muda, alam semesta ini berayun secara intensif, berkembang dalam dua arah dan menguncup dalam satu pertiga - seperti Kasner. Walau bagaimanapun, orientasi pengembangan dan pengecutan tidak tetap - ia menukar tempat secara rawak. Selain itu, kekerapan ayunan bergantung pada masa dan cenderung kepada infiniti apabila menghampiri detik awal. Alam semesta sedemikian mengalami ubah bentuk huru-hara, seperti jeli yang menggeletar di atas piring. Ubah bentuk ini sekali lagi boleh ditafsirkan sebagai manifestasi gelombang graviti yang bergerak dalam arah yang berbeza, jauh lebih ganas daripada model Kasner.

Alam Semesta Mixmaster turun dalam sejarah kosmologi sebagai alam semesta khayalan yang paling kompleks yang dicipta berdasarkan relativiti am "tulen". Sejak awal 1980-an, konsep yang paling menarik seperti ini mula menggunakan idea dan alat matematik teori medan kuantum dan teori zarah asas, dan kemudian, tanpa banyak berlengah, teori superstring.