Teoritë më të çuditshme dhe më të pazakonta të strukturës së universit

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-16 16:16

Përveç modeleve klasike kozmologjike, relativiteti i përgjithshëm lejon krijimin e botëve imagjinare shumë, shumë, shumë ekzotike.

Ka disa modele klasike kozmologjike të ndërtuara duke përdorur relativitetin e përgjithshëm, të plotësuar nga homogjeniteti dhe izotropia e hapësirës (shih "PM" nr. 6'2012). Universi i mbyllur i Ajnshtajnit ka një lakim të vazhdueshëm pozitiv të hapësirës, i cili bëhet statik për shkak të futjes së të ashtuquajturit parametri kozmologjik në ekuacionet e relativitetit të përgjithshëm, i cili vepron si një fushë antigravitacionale.

Në universin përshpejtues të de Sitter-it me hapësirë jo të lakuar, nuk ka materie të zakonshme, por është gjithashtu e mbushur me një fushë anti-gravituese. Ka edhe universet e mbyllura dhe të hapura të Alexander Friedman; bota kufitare e Ajnshtajnit - de Sitter, e cila gradualisht zvogëlon shkallën e zgjerimit në zero me kalimin e kohës, dhe së fundi, universi Lemaitre, paraardhësi i kozmologjisë së Big Bengut, duke u rritur nga një gjendje fillestare superkompakt. Të gjithë ata, dhe veçanërisht modeli Lemaitre, u bënë pararendësit e modelit standard modern të universit tonë.

Hapësira e universit në modele të ndryshme ka lakime të ndryshme, të cilat mund të jenë negative (hapësirë hiperbolike), zero (hapësirë e sheshtë Euklidiane, që korrespondon me universin tonë) ose pozitive (hapësirë eliptike). Dy modelet e para janë universe të hapura, që zgjerohen pafundësisht, i fundit mbyllet, i cili herët a vonë do të shembet. Ilustrimi tregon nga lart-poshtë analoge dydimensionale të një hapësire të tillë.

Megjithatë, ka universe të tjera, të krijuara gjithashtu nga një përdorim shumë krijues, siç është zakon të thuhet tani, i ekuacioneve të relativitetit të përgjithshëm. Ato korrespondojnë shumë më pak (ose nuk korrespondojnë fare) me rezultatet e vëzhgimeve astronomike dhe astrofizike, por shpesh janë shumë të bukura, dhe ndonjëherë në mënyrë elegante paradoksale. Vërtetë, matematikanët dhe astronomët i shpikën ato në sasi të tilla që do të na duhet të kufizohemi vetëm në disa nga shembujt më interesantë të botëve imagjinare.

Nga vargu në petull

Pas shfaqjes (në 1917) të punës themelore të Ajnshtajnit dhe de Sitter, shumë shkencëtarë filluan të përdorin ekuacionet e relativitetit të përgjithshëm për të krijuar modele kozmologjike. Një nga të parët që e bëri këtë ishte matematikani i Nju Jorkut Edward Kasner, i cili publikoi zgjidhjen e tij në 1921.

Universi i tij është shumë i pazakontë. Atij i mungon jo vetëm lënda gravituese, por edhe një fushë anti-gravituese (me fjalë të tjera, nuk ka asnjë parametr kozmologjik të Ajnshtajnit). Duket se në këtë botë idealisht të zbrazët asgjë nuk mund të ndodhë fare. Megjithatë, Kasner pranoi se universi i tij hipotetik evoluoi në mënyrë të pabarabartë në drejtime të ndryshme. Zgjerohet përgjatë dy boshteve koordinative, por tkurret përgjatë boshtit të tretë.

Prandaj, kjo hapësirë është padyshim anizotropike dhe ngjan me një elipsoid në skicat gjeometrike. Meqenëse një elipsoid i tillë shtrihet në dy drejtime dhe kontraktohet përgjatë të tretës, ai gradualisht shndërrohet në një petull të sheshtë. Në të njëjtën kohë, universi Kasner nuk humbet fare peshë, vëllimi i tij rritet në proporcion me moshën. Në momentin fillestar, kjo moshë është e barabartë me zero - dhe, për rrjedhojë, vëllimi është gjithashtu zero. Sidoqoftë, universet Kasner nuk lindin nga një singularitet i pikës, si bota e Lemaitre, por nga diçka si një fole pafundësisht e hollë - rrezja e saj fillestare është e barabartë me pafundësinë përgjatë një boshti dhe zero përgjatë dy të tjerëve.

Pse ne google

Eduard Kasner ishte një popullarizues i shkëlqyer i shkencës - libri i tij Matematika dhe Imagjinata, bashkëautor me James Newman, është ribotuar dhe lexuar sot. Në një nga kapitujt shfaqet numri 10¹⁰⁰… Nipi nëntë vjeçar i Kazner doli me një emër për këtë numër - googol (Googol), dhe madje një numër tepër gjigant 10^Googol- e pagëzoi termin googolplex (Googolplex). Kur studentët e diplomuar në Stanford, Larry Page dhe Sergey Brin po përpiqeshin të gjenin një emër për motorin e tyre të kërkimit, shoku i tyre Sean Anderson rekomandoi Googolplex gjithëpërfshirës.

Megjithatë, Page e pëlqeu Googol më modest dhe Anderson menjëherë u nis për të kontrolluar nëse mund të përdorej si një domen interneti. Me nxitim, ai bëri një gabim shtypi dhe dërgoi një kërkesë jo në Googol.com, por në Google.com. Ky emër doli të ishte i lirë dhe Brin-it i pëlqeu aq shumë sa ai dhe Page e regjistruan menjëherë më 15 shtator 1997. Nëse do të kishte ndodhur ndryshe, nuk do të kishim Google!

Cili është sekreti i evolucionit të kësaj bote boshe? Meqenëse hapësira e saj "ndryshon" në mënyra të ndryshme përgjatë drejtimeve të ndryshme, lindin forcat e baticës gravitacionale, të cilat përcaktojnë dinamikën e saj. Duket se mund të shpëtojmë prej tyre duke barazuar shkallët e zgjerimit përgjatë të tre akseve dhe duke eliminuar kështu anizotropinë, por matematika nuk lejon liri të tilla.

Vërtetë, mund të vendosni dy nga tre shpejtësitë e barabarta me zero (me fjalë të tjera, të rregulloni dimensionet e universit përgjatë dy boshteve koordinative). Në këtë rast, bota e Kasnerit do të rritet vetëm në një drejtim, dhe rreptësisht proporcionale me kohën (kjo është e lehtë për t'u kuptuar, pasi kështu duhet të rritet vëllimi i saj), por kjo është gjithçka që ne mund të arrijmë.

Universi Kasner mund të qëndrojë në vetvete vetëm në kushtet e zbrazëtisë së plotë. Nëse i shtoni pak materie, ajo gradualisht do të fillojë të evoluojë si universi izotropik i Einstein-de Sitter. Në të njëjtën mënyrë, kur një parametër i Ajnshtajnit jozero i shtohet ekuacioneve të tij, ai (me ose pa materie) do të hyjë në mënyrë asimptotike në regjimin e zgjerimit izotropik eksponencial dhe do të kthehet në universin e de Sitter-it. Sidoqoftë, "shtesa" të tilla në të vërtetë ndryshojnë vetëm evolucionin e universit tashmë ekzistues.

Në momentin e lindjes së saj, ata praktikisht nuk luajnë një rol, dhe universi evoluon sipas të njëjtit skenar.

Megjithëse bota Kasner është dinamikisht anizotropike, lakimi i saj në çdo kohë është i njëjtë përgjatë të gjitha boshteve koordinative. Megjithatë, ekuacionet e relativitetit të përgjithshëm pranojnë ekzistencën e universeve që jo vetëm që evoluojnë me shpejtësi anizotropike, por gjithashtu kanë lakim anizotropik.

Modele të tilla u ndërtuan në fillim të viteve 1950 nga matematikani amerikan Abraham Taub. Hapësirat e tij mund të sillen si universe të hapura në disa drejtime dhe si universe të mbyllura në të tjera. Për më tepër, me kalimin e kohës, ata mund të ndryshojnë shenjën nga plus në minus dhe nga minus në plus. Hapësira e tyre jo vetëm që pulson, por fjalë për fjalë kthehet brenda jashtë. Fizikisht, këto procese mund të shoqërohen me valë gravitacionale, të cilat deformojnë hapësirën aq fort sa që lokalisht ndryshojnë gjeometrinë e saj nga sferike në shalë dhe anasjelltas. Në përgjithësi, botë të çuditshme, megjithëse matematikisht të mundshme.

Ndryshe nga Universi ynë, i cili zgjerohet në mënyrë izotropike (d.m.th., me të njëjtën shpejtësi, pavarësisht nga drejtimi i zgjedhur), universi i Kasner-it zgjerohet njëkohësisht (përgjatë dy boshteve) dhe tkurret (përgjatë të tretit).

Luhatjet e botëve

Menjëherë pas botimit të veprës së Kaznerit, u shfaqën artikuj nga Alexander Fridman, i pari në 1922, i dyti në 1924. Këto punime paraqitën zgjidhje çuditërisht elegante për ekuacionet e relativitetit të përgjithshëm, të cilat patën një efekt jashtëzakonisht konstruktiv në zhvillimin e kozmologjisë.

Koncepti i Friedman-it bazohet në supozimin se, mesatarisht, materia shpërndahet në hapësirën e jashtme sa më simetrike të jetë e mundur, domethënë plotësisht homogjene dhe izotropike. Kjo do të thotë se gjeometria e hapësirës në çdo moment të një kohe të vetme kozmike është e njëjtë në të gjitha pikat e saj dhe në të gjitha drejtimet (në mënyrë të rreptë, një kohë e tillë ende duhet të përcaktohet saktë, por në këtë rast ky problem është i zgjidhshëm). Nga kjo rrjedh se shkalla e zgjerimit (ose tkurrjes) e universit në çdo moment të caktuar është përsëri e pavarur nga drejtimi.

Prandaj, universet e Friedmann-it janë krejtësisht ndryshe nga modeli i Kasner-it.

Në artikullin e parë, Friedman ndërtoi një model të një universi të mbyllur me një lakim të vazhdueshëm pozitiv të hapësirës. Kjo botë lind nga një gjendje pika fillestare me një densitet të pafund të materies, zgjerohet në një rreze të caktuar maksimale (dhe, për rrjedhojë, vëllim maksimal), pas së cilës ajo shembet përsëri në të njëjtën pikë njëjës (në gjuhën matematikore, një singularitet).

Megjithatë, Friedman nuk u ndal me kaq. Sipas tij, zgjidhja e gjetur kozmologjike nuk duhet të kufizohet nga intervali midis singulariteteve fillestare dhe përfundimtare; ajo mund të vazhdohet në kohë si përpara ashtu edhe prapa. Rezultati është një tufë e pafund universesh të lidhura në boshtin kohor, të cilat kufizohen me njëri-tjetrin në pika të singularitetit.

Në gjuhën e fizikës, kjo do të thotë se universi i mbyllur i Friedmann-it mund të lëkundet pafundësisht, duke vdekur pas çdo tkurrjeje dhe të rilindë në jetë të re në zgjerimin pasues. Ky është një proces rreptësisht periodik, pasi të gjitha lëkundjet vazhdojnë për të njëjtën kohëzgjatje. Prandaj, çdo cikël i ekzistencës së universit është një kopje e saktë e të gjitha cikleve të tjera.

Kështu e komentoi Friedman për këtë model në librin e tij "Bota si hapësirë dhe kohë": "Më tej, ka raste kur rrezja e lakimit ndryshon periodikisht: universi tkurret në një pikë (në asgjë), pastaj përsëri nga një pikë. e çon rrezen e saj në një vlerë të caktuar, pastaj përsëri, duke ulur rrezen e lakimit të saj, ajo kthehet në një pikë, etj. Padashur kujtohet legjenda e mitologjisë hindu për periudhat e jetës; është gjithashtu e mundur të flitet për "krijimin e botës nga asgjëja", por e gjithë kjo duhet të konsiderohet si fakte kurioze që nuk mund të konfirmohen në mënyrë solide nga materiali i pamjaftueshëm eksperimental astronomik".

Grafiku i potencialit të universit Mixmaster duket kaq i pazakontë - gropa e mundshme ka mure të larta, midis të cilave ka tre "lugina". Më poshtë janë kthesat ekuipotenciale të një "universi të tillë në një mikser".

Disa vjet pas publikimit të artikujve të Friedman-it, modelet e tij fituan famë dhe njohje. Ajnshtajni u interesua seriozisht për idenë e një universi lëkundës, dhe ai nuk ishte i vetëm. Në vitin 1932, ajo u mor nga Richard Tolman, profesor i fizikës matematikore dhe kimisë fizike në Caltech. Ai nuk ishte as një matematikan i pastër, si Friedman, as një astronom dhe astrofizikan, si de Sitter, Lemaitre dhe Eddington. Tolman ishte një ekspert i njohur në fizikën statistikore dhe termodinamikën, të cilat fillimisht i kombinoi me kozmologjinë.

Rezultatet ishin shumë joparëndësishme. Tolman arriti në përfundimin se entropia totale e kozmosit duhet të rritet nga cikli në cikël. Akumulimi i entropisë çon në faktin se gjithnjë e më shumë energjia e universit përqendrohet në rrezatim elektromagnetik, i cili nga cikli në cikël ndikon gjithnjë e më shumë në dinamikën e tij. Për shkak të kësaj, gjatësia e cikleve rritet, secili tjetër bëhet më i gjatë se ai i mëparshmi.

Lëkundjet vazhdojnë, por pushojnë së qeni periodike. Për më tepër, në çdo cikël të ri, rrezja e universit të Tolmanit rritet. Rrjedhimisht, në fazën e zgjerimit maksimal, ajo ka lakimin më të vogël, dhe gjeometria e saj është gjithnjë e më shumë dhe për një kohë e më shumë i afrohet asaj Euklidiane.

Richard Tolman, gjatë dizajnimit të modelit të tij, humbi një mundësi interesante, për të cilën John Barrow dhe Mariusz Dombrowski tërhoqën vëmendjen në 1995. Ata treguan se regjimi oscilues i universit të Tolmanit shkatërrohet në mënyrë të pakthyeshme kur futet një parametër kozmologjik anti-gravitacional.

Në këtë rast, universi i Tolman-it në një nga ciklet nuk tkurret më në një singularitet, por zgjerohet me nxitimin në rritje dhe shndërrohet në universin e de Sitter-it, gjë që në një situatë të ngjashme bëhet edhe nga universi Kasner. Antigraviteti, si zelli, kapërcen gjithçka!

Shumëzimi i entitetit

"Sfida natyrore e kozmologjisë është të kuptojmë sa më mirë origjinën, historinë dhe strukturën e universit tonë," shpjegon për Popular Mechanics nga profesori i matematikës në Universitetin e Kembrixhit, John Barrow. - Në të njëjtën kohë, relativiteti i përgjithshëm, edhe pa marrë hua nga degët e tjera të fizikës, bën të mundur llogaritjen e një numri pothuajse të pakufizuar modelesh të ndryshme kozmologjike.

Natyrisht, zgjedhja e tyre bëhet në bazë të të dhënave astronomike dhe astrofizike, me ndihmën e të cilave është e mundur jo vetëm të testohen modele të ndryshme për përputhjen me realitetin, por edhe të vendoset se cilët nga komponentët e tyre mund të kombinohen për sa më adekuat. përshkrimi i botës sonë. Kështu lindi Modeli aktual Standard i Universit. Pra, edhe vetëm për këtë arsye, shumëllojshmëria e modeleve kozmologjike të zhvilluara historikisht është dëshmuar të jetë shumë e dobishme.

Por nuk është vetëm kaq. Shumë nga modelet u krijuan përpara se astronomët të kishin grumbulluar pasurinë e të dhënave që kanë sot. Për shembull, shkalla e vërtetë e izotropisë së universit është vendosur falë pajisjeve hapësinore vetëm gjatë dy dekadave të fundit.

Është e qartë se në të kaluarën, projektuesit e hapësirës kishin shumë më pak kufizime empirike. Për më tepër, është e mundur që edhe modelet ekzotike sipas standardeve të sotme të jenë të dobishme në të ardhmen për të përshkruar ato pjesë të Universit që nuk janë ende të disponueshme për vëzhgim. Dhe së fundi, shpikja e modeleve kozmologjike thjesht mund të shtyjë dëshirën për të gjetur zgjidhje të panjohura për ekuacionet e relativitetit të përgjithshëm, dhe kjo është gjithashtu një nxitje e fuqishme. Në përgjithësi, bollëku i modeleve të tilla është i kuptueshëm dhe i justifikuar.

Bashkimi i kohëve të fundit i kozmologjisë dhe fizikës së grimcave elementare justifikohet në të njëjtën mënyrë. Përfaqësuesit e tij e konsiderojnë fazën më të hershme të jetës së Universit si një laborator natyror, i përshtatshëm në mënyrë ideale për të studiuar simetritë themelore të botës sonë, të cilat përcaktojnë ligjet e ndërveprimeve themelore. Kjo aleancë ka hedhur tashmë themelet për një tifoz të tërë të modeleve kozmologjike thelbësisht të reja dhe shumë të thella. Nuk ka dyshim se në të ardhmen do të sjellë rezultate po aq të frytshme”.

Universi në Mikser

Në vitin 1967, astrofizikanët amerikanë David Wilkinson dhe Bruce Partridge zbuluan se rrezatimi relikt i mikrovalës nga çdo drejtim, i zbuluar tre vjet më parë, arrin në Tokë me pothuajse të njëjtën temperaturë. Me ndihmën e një radiometri shumë të ndjeshëm, të shpikur nga bashkatdhetari i tyre Robert Dicke, ata treguan se luhatjet e temperaturës së fotoneve relikte nuk kalojnë një të dhjetën e përqindjes (sipas të dhënave moderne, ato janë shumë më pak).

Meqenëse ky rrezatim filloi më herët se 4,00,000 vjet pas Big Bengut, rezultatet e Wilkinson dhe Partridge dhanë arsye për të besuar se edhe nëse universi ynë nuk ishte pothuajse idealisht izotropik në momentin e lindjes, ai e fitoi këtë veti pa shumë vonesë.

Kjo hipotezë përbënte një problem të konsiderueshëm për kozmologjinë. Në modelet e para kozmologjike, izotropia e hapësirës u shtrua që në fillim thjesht si një supozim matematikor. Sidoqoftë, në mesin e shekullit të kaluar, u bë e ditur se ekuacionet e relativitetit të përgjithshëm bëjnë të mundur ndërtimin e një grupi universesh jo-izotropike. Në kontekstin e këtyre rezultateve, izotropia pothuajse ideale e CMB kërkonte një shpjegim.

Ky shpjegim u shfaq vetëm në fillim të viteve 1980 dhe ishte krejtësisht i papritur. Ai u ndërtua mbi një koncept teorik thelbësisht të ri të zgjerimit super të shpejtë (siç thonë zakonisht, inflacioniste) të Universit në momentet e para të ekzistencës së tij (shih "PM" nr. 7'2012). Në gjysmën e dytë të viteve 1960, shkenca thjesht nuk ishte e pjekur për ide të tilla revolucionare. Por, siç e dini, në mungesë të letrës së stampuar, ata shkruajnë në një të thjeshtë.

Kozmologu i shquar amerikan Charles Misner, menjëherë pas botimit të artikullit nga Wilkinson dhe Partridge, u përpoq të shpjegonte izotropinë e rrezatimit të mikrovalës duke përdorur mjete mjaft tradicionale. Sipas hipotezës së tij, inhomogjenitetet e Universit të hershëm u zhdukën gradualisht për shkak të "fërkimit" të ndërsjellë të pjesëve të tij, të shkaktuara nga shkëmbimi i flukseve të neutrinës dhe dritës (në botimin e tij të parë, Mizner e quajti këtë efekt të supozuar viskozitet neutrino).

Sipas tij, një viskozitet i tillë mund të zbusë shpejt kaosin fillestar dhe ta bëjë Universin pothuajse plotësisht homogjen dhe izotrop.

Programi kërkimor i Misnerit dukej i bukur, por nuk solli rezultate praktike. Arsyeja kryesore e dështimit të tij u zbulua sërish përmes analizave me mikrovalë. Çdo proces që përfshin fërkimin gjeneron nxehtësi, kjo është një pasojë elementare e ligjeve të termodinamikës. Nëse inhomogjenitetet kryesore të Universit do të zbuteshin për shkak të neutrinës ose ndonjë viskoziteti tjetër, densiteti i energjisë CMB do të ndryshonte ndjeshëm nga vlera e vëzhguar.

Siç treguan astrofizikani amerikan Richard Matzner dhe kolegu i tij tashmë i përmendur anglez John Barrow në fund të viteve 1970, proceset viskoze mund të eliminojnë vetëm johomogjenitetet më të vogla kozmologjike. Për “zbutjen” e plotë të Universit kërkoheshin mekanizma të tjerë, të cilët u gjetën në kuadrin e teorisë inflacioniste.

Sidoqoftë, Mizner mori shumë rezultate interesante. Në veçanti, në vitin 1969 ai publikoi një model të ri kozmologjik, emrin e të cilit ai e huazoi … nga një pajisje kuzhine, një mikser shtëpiak i prodhuar nga Sunbeam Products! Universi Mixmaster po rreh vazhdimisht në konvulsionet më të forta, të cilat, sipas Mizner, bëjnë që drita të qarkullojë përgjatë shtigjeve të mbyllura, duke përzier dhe homogjenizuar përmbajtjen e saj.

Megjithatë, analiza e mëvonshme e këtij modeli tregoi se, megjithëse fotonet në botën e Miznerit bëjnë udhëtime të gjata, efekti i tyre i përzierjes është shumë i parëndësishëm.

Sidoqoftë, Mixmaster Universe është shumë interesant. Ashtu si universi i mbyllur i Friedman-it, ai lind nga vëllimi zero, zgjerohet në një maksimum të caktuar dhe tkurret përsëri nën ndikimin e gravitetit të tij. Por ky evolucion nuk është i qetë, si ai i Friedman-it, por absolutisht kaotik dhe për këtë arsye plotësisht i paparashikueshëm në detaje.

Në rini, ky univers luhatet intensivisht, duke u zgjeruar në dy drejtime dhe duke u tkurrur në një të tretë - si ai i Kasner-it. Sidoqoftë, orientimet e zgjerimeve dhe tkurrjeve nuk janë konstante - ato ndryshojnë vendet në mënyrë të rastësishme. Për më tepër, frekuenca e lëkundjeve varet nga koha dhe priret në pafundësi kur i afrohet çastit fillestar. Një univers i tillë pëson deformime kaotike, si pelte që dridhet në një disk. Këto deformime mund të interpretohen përsëri si një manifestim i valëve gravitacionale që lëvizin në drejtime të ndryshme, shumë më të dhunshme sesa në modelin Kasner.

Universi Mixmaster zbriti në historinë e kozmologjisë si universet më komplekse imagjinare të krijuara në bazë të relativitetit të përgjithshëm "të pastër". Që nga fillimi i viteve 1980, konceptet më interesante të këtij lloji filluan të përdorin idetë dhe aparatin matematikor të teorisë së fushës kuantike dhe teorisë së grimcave elementare, dhe më pas, pa shumë vonesë, teorinë e superstringut.