Keisčiausios ir neįprasčiausios visatos sandaros teorijos

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Be klasikinių kosmologinių modelių, bendroji reliatyvumo teorija leidžia sukurti labai, labai, labai egzotiškus įsivaizduojamus pasaulius.

Yra keletas klasikinių kosmologinių modelių, sukonstruotų naudojant bendrąjį reliatyvumą, papildytą erdvės homogeniškumu ir izotropija (žr. „PM“Nr. 6'2012). Einšteino uždaroje visatoje yra nuolatinis teigiamas erdvės kreivumas, kuris tampa statiškas dėl vadinamojo kosmologinio parametro įvedimo į bendrosios reliatyvumo teorijos lygtis, kuri veikia kaip antigravitacinis laukas.

De Sitter greitėjančioje visatoje su nelenkta erdve nėra įprastos materijos, bet ji taip pat užpildyta antigravitaciniu lauku. Taip pat yra uždaros ir atviros Aleksandro Fridmano visatos; Einšteino – de Sitterio ribinis pasaulis, kuris laikui bėgant palaipsniui sumažina plėtimosi greitį iki nulio, ir galiausiai Lemaitre'o visata, Didžiojo sprogimo kosmologijos pradininkė, išauganti iš superkompaktiškos pradinės būsenos. Visi jie, o ypač Lemaitre modelis, tapo šiuolaikinio standartinio mūsų visatos modelio pirmtakais.

Visatos erdvė skirtinguose modeliuose turi skirtingus kreivius, kurie gali būti neigiami (hiperbolinė erdvė), nulinė (plokščia euklidinė erdvė, atitinkanti mūsų visatą) arba teigiami (elipsinė erdvė). Pirmieji du modeliai – atviros visatos, besiplečiančios be galo, paskutinis – uždaras, kuris anksčiau ar vėliau žlugs. Iliustracijoje iš viršaus į apačią pavaizduoti dvimačiai tokios erdvės analogai.

Tačiau yra ir kitų visatų, kurios taip pat sukurtos labai kūrybiškai, kaip dabar įprasta sakyti, naudojant bendrosios reliatyvumo teorijos lygtis. Jie daug mažiau atitinka (arba visai neatitinka) astronominių ir astrofizinių stebėjimų rezultatų, tačiau dažnai būna labai gražūs, o kartais ir elegantiškai paradoksalūs. Tiesa, matematikai ir astronomai jų išrado tokiais kiekiais, kad teks apsiriboti tik keliais įdomiausiais įsivaizduojamų pasaulių pavyzdžiais.

Nuo virvelės iki blyno

Pasirodžius (1917 m.) Einšteino ir de Sitterio esminiams darbams, daugelis mokslininkų pradėjo naudoti bendrosios reliatyvumo teorijos lygtis kurdami kosmologinius modelius. Vienas pirmųjų tai padarė Niujorko matematikas Edwardas Kasneris, kuris savo sprendimą paskelbė 1921 m.

Jo visata yra labai neįprasta. Jam trūksta ne tik gravitacinės medžiagos, bet ir antigravitacinio lauko (kitaip tariant, nėra Einšteino kosmologinio parametro). Atrodytų, kad šiame idealiai tuščiame pasaulyje išvis nieko negali atsitikti. Tačiau Kasneris pripažino, kad jo hipotetinė visata įvairiomis kryptimis vystėsi netolygiai. Jis plečiasi išilgai dviejų koordinačių ašių, bet susitraukia išilgai trečiosios ašies.

Todėl ši erdvė akivaizdžiai yra anizotropinė ir geometriniais kontūrais primena elipsoidą. Kadangi toks elipsoidas tęsiasi dviem kryptimis ir susitraukia išilgai trečiosios, jis palaipsniui virsta plokščiu blynu. Tuo pačiu metu Kasnerio visata visiškai nepraranda svorio, jos tūris didėja proporcingai amžiui. Pradiniu momentu šis amžius lygus nuliui – taigi ir garsumas lygus nuliui. Tačiau Kasnerio visatos gimsta ne iš taško singuliarumo, kaip Lemaitre'o pasaulis, o iš kažko panašaus į be galo ploną stipiną – jo pradinis spindulys lygus begalybei išilgai vienos ašies, o nuliui išilgai kitų dviejų.

Kodėl mes google

Edwardas Kasneris buvo puikus mokslo populiarintojas – jo kartu su Jamesu Newmanu parašyta knyga „Matematika ir vaizduotė“šiandien išleidžiama iš naujo ir skaitoma. Viename iš skyrių pasirodo skaičius 10¹⁰⁰… Devynerių metų Kaznerio sūnėnas sugalvojo šiam skaičiui pavadinimą – googol (Googol), ir netgi neįtikėtinai gigantišką skaičių 10.^Googol- pakrikštytas terminu googolplex (Googolplex). Kai Stanfordo absolventai Larry Page ir Sergey Brin bandė rasti pavadinimą savo paieškos sistemai, jų bičiulis Seanas Andersonas rekomendavo visa apimantį „Googolplex“.

Tačiau Page'ui patiko kuklesnis „Googol“, ir Andersonas iškart ėmėsi patikrinti, ar jį galima naudoti kaip interneto domeną. Paskubėdamas padarė rašybos klaidą ir išsiuntė užklausą ne į Googol.com, o į Google.com. Paaiškėjo, kad šis vardas yra laisvas ir Brinui jis taip patiko, kad jis ir Peidžas iškart jį užregistravo 1997 m. rugsėjo 15 d. Jei būtų nutikę kitaip, mes neturėtume Google!

Kokia šio tuščio pasaulio evoliucijos paslaptis? Kadangi jos erdvė „slenka“įvairiais būdais skirtingomis kryptimis, atsiranda gravitacinės potvynio jėgos, kurios lemia jos dinamiką. Atrodytų, kad jų galima atsikratyti suvienodinus plėtimosi greitį išilgai visų trijų ašių ir taip pašalinant anizotropiją, tačiau matematika tokių laisvių neleidžia.

Tiesa, du iš trijų greičių galima nustatyti lygius nuliui (kitaip tariant, nustatyti visatos matmenis išilgai dviejų koordinačių ašių). Tokiu atveju Kasnerio pasaulis augs tik viena kryptimi ir griežtai proporcingai laikui (tai nesunku suprasti, nes taip turi didėti jo tūris), bet tai viskas, ką galime pasiekti.

Kasnerio visata gali išlikti pati tik esant visiškos tuštumos sąlygai. Jei pridėsite šiek tiek materijos, ji palaipsniui pradės vystytis kaip izotropinė Einšteino de Sitterio visata. Lygiai taip pat, kai prie jo lygčių pridedamas nulinis Einšteino parametras, jis (su materija arba be jos) asimptotiškai pateks į eksponentinės izotropinės plėtimosi režimą ir pavirs de Sitter visata. Tačiau tokie „papildymai“iš tikrųjų tik pakeičia jau egzistuojančios visatos evoliuciją.

Jos gimimo metu jie praktiškai nevaidina vaidmens, o visata vystosi pagal tą patį scenarijų.

Nors Kasnerio pasaulis yra dinamiškai anizotropinis, jo kreivumas bet kuriuo metu yra vienodas išilgai visų koordinačių ašių. Tačiau bendrosios reliatyvumo teorijos lygtys pripažįsta, kad egzistuoja visatos, kurios ne tik vystosi anizotropiniais greičiais, bet ir turi anizotropinį kreivumą.

Tokius modelius šeštojo dešimtmečio pradžioje sukūrė amerikiečių matematikas Abrahamas Taubas. Jo erdvės tam tikromis kryptimis gali veikti kaip atviros visatos, o kitomis – kaip uždaros visatos. Be to, laikui bėgant jie gali pakeisti ženklą iš pliuso į minusą ir iš minuso į pliusą. Jų erdvė ne tik pulsuoja, bet tiesiogine to žodžio prasme virsta iš vidaus. Fiziškai šie procesai gali būti siejami su gravitacinėmis bangomis, kurios taip stipriai deformuoja erdvę, kad lokaliai pakeičia jos geometriją iš sferinės į balną ir atvirkščiai. Apskritai, keisti pasauliai, nors ir matematiškai įmanomi.

Skirtingai nuo mūsų Visatos, kuri plečiasi izotropiškai (ty tuo pačiu greičiu, nepriklausomai nuo pasirinktos krypties), Kasnerio visata plečiasi (išilgai dviejų ašių) ir susitraukia (išilgai trečiosios).

Pasaulių svyravimai

Netrukus po Kaznerio veikalo publikavimo pasirodė Aleksandro Fridmano straipsniai, pirmasis – 1922 m., antrasis – 1924 m. Šiuose straipsniuose buvo pateikti stebėtinai elegantiški bendrojo reliatyvumo lygčių sprendimai, kurie itin konstruktyviai paveikė kosmologijos raidą.

Friedmano koncepcija remiasi prielaida, kad medžiaga išorinėje erdvėje vidutiniškai pasiskirsto kuo simetriškiau, tai yra visiškai vienalytė ir izotropinė. Tai reiškia, kad erdvės geometrija kiekvienu atskiro kosminio laiko momentu yra vienoda visuose jos taškuose ir visomis kryptimis (griežtai kalbant, tokį laiką dar reikia teisingai nustatyti, bet šiuo atveju ši problema yra išspręsta). Iš to išplaukia, kad Visatos plėtimosi (arba susitraukimo) greitis bet kuriuo momentu vėl nepriklauso nuo krypties.

Todėl Friedmanno visatos visiškai nepanašios į Kasnerio modelį.

Pirmajame straipsnyje Friedmanas sukūrė uždaros visatos modelį su nuolatiniu teigiamu erdvės kreivumu. Šis pasaulis atsiranda iš pradinės taško būsenos su begaliniu medžiagos tankiu, išsiplečia iki tam tikro maksimalaus spindulio (taigi ir maksimalaus tūrio), po kurio vėl subyra į tą patį vienaskaitos tašką (matematine kalba, singuliarumą).

Tačiau Friedmanas tuo nesustojo. Jo nuomone, rastas kosmologinis sprendimas neturi būti ribojamas intervalu tarp pradinio ir galutinio singuliarumo, jis gali būti tęsiamas laike tiek pirmyn, tiek atgal. Rezultatas yra begalinis krūva visatų, surištų ant laiko ašies, kurios ribojasi viena su kita singuliarumo taškais.

Fizikos kalba tai reiškia, kad Friedmanno uždara visata gali svyruoti be galo, miršta po kiekvieno susitraukimo ir atgimdama naujam gyvenimui vėlesnio plėtimosi metu. Tai griežtai periodiškas procesas, nes visi svyravimai tęsiasi tiek pat laiko. Todėl kiekvienas visatos egzistavimo ciklas yra tiksli visų kitų ciklų kopija.

Taip Friedmanas atsiliepė apie šį modelį savo knygoje „Pasaulis kaip erdvė ir laikas“: „Be to, pasitaiko atvejų, kai periodiškai keičiasi kreivumo spindulys: visata susitraukia iki taško (į nieką), tada vėl iš taško. padidina savo spindulį iki tam tikros vertės, tada vėl, sumažinus kreivumo spindulį, jis virsta tašku ir pan. Nevalingai prisimenama indų mitologijos legenda apie gyvenimo laikotarpius; galima kalbėti ir apie „pasaulio sukūrimą iš nieko“, tačiau visa tai reikėtų vertinti kaip kuriozinius faktus, kurių negali tvirtai patvirtinti nepakankama astronominė eksperimentinė medžiaga“.

„Mixmaster“visatos potencialo grafikas atrodo taip neįprastai – potencialo duobė turi aukštas sienas, tarp kurių yra trys „slėniai“. Žemiau pateikiamos tokios „visatos maišytuve“ekvipotencialų kreivės.

Praėjus keleriems metams po Friedmano straipsnių paskelbimo, jo modeliai pelnė šlovę ir pripažinimą. Einšteinas rimtai susidomėjo svyruojančios visatos idėja, ir jis nebuvo vienas. 1932 m. jį perėmė Caltech matematinės fizikos ir fizikinės chemijos profesorius Richardas Tolmanas. Jis nebuvo nei grynas matematikas, kaip Friedmanas, nei astronomas ir astrofizikas, kaip de Sitteris, Lemaitre'as ir Eddingtonas. Tolmanas buvo pripažintas statistinės fizikos ir termodinamikos ekspertas, kurį pirmiausia derino su kosmologija.

Rezultatai buvo labai nereikšmingi. Tolmanas padarė išvadą, kad bendra kosmoso entropija turėtų didėti nuo ciklo iki ciklo. Entropijos kaupimasis lemia tai, kad vis daugiau visatos energijos sutelkiama į elektromagnetinę spinduliuotę, kuri nuo ciklo iki ciklo vis labiau veikia jos dinamiką. Dėl šios priežasties ciklų trukmė ilgėja, kiekvienas kitas tampa ilgesnis nei ankstesnis.

Svyravimai išlieka, bet nustoja būti periodiški. Be to, kiekviename naujame cikle Tolmano visatos spindulys didėja. Vadinasi, maksimalaus plėtimosi stadijoje jis turi mažiausią kreivumą, o jo geometrija vis labiau ir ilgiau artėja prie euklido.

Richardas Tolmanas, kurdamas savo modelį, praleido įdomią progą, į kurią 1995 metais atkreipė dėmesį Johnas Barrowas ir Mariuszas Dombrowskis. Jie parodė, kad Tolmano visatos virpesių režimas negrįžtamai sunaikinamas, kai įvedamas antigravitacinis kosmologinis parametras.

Šiuo atveju Tolmano visata viename iš ciklų nebesusitraukia į singuliarumą, o plečiasi didėjant pagreičiui ir virsta de Sitter visata, ką panašioje situacijoje daro ir Kasnerio visata. Antigravitacija, kaip ir darbštumas, nugali viską!

Esybės daugyba

„Natūralus kosmologijos iššūkis yra kuo geriau suprasti mūsų pačių visatos kilmę, istoriją ir struktūrą“, – „Popular Mechanics“aiškina Kembridžo universiteto matematikos profesorius Johnas Barrowas. – Tuo pačiu bendroji reliatyvumo teorija, net ir nesiskolinant iš kitų fizikos šakų, leidžia apskaičiuoti beveik neribotą skaičių įvairių kosmologinių modelių.

Žinoma, jie pasirenkami remiantis astronominiais ir astrofiziniais duomenimis, kurių pagalba galima ne tik išbandyti įvairius modelius, ar jie atitinka tikrovę, bet ir nuspręsti, kuriuos iš jų komponentų galima derinti tinkamiausiai. mūsų pasaulio aprašymas. Taip atsirado dabartinis Standartinis Visatos modelis. Taigi jau vien dėl šios priežasties istoriškai sukurta kosmologinių modelių įvairovė pasirodė esanti labai naudinga.

Bet tai ne tik tai. Daugelis modelių buvo sukurti dar prieš tai, kai astronomai sukaupė daugybę šiandien turimų duomenų. Pavyzdžiui, tikrasis Visatos izotropijos laipsnis buvo nustatytas kosminės įrangos dėka tik per pastaruosius porą dešimtmečių.

Akivaizdu, kad anksčiau erdvės dizaineriai turėjo daug mažiau empirinių apribojimų. Be to, gali būti, kad net egzotiški pagal šiandienos standartus modeliai bus naudingi ateityje aprašant tas Visatos dalis, kurių dar nėra galima stebėti. Ir galiausiai, kosmologinių modelių išradimas gali tiesiog paskatinti norą rasti nežinomus bendrosios reliatyvumo lygčių sprendimus, ir tai taip pat yra galinga paskata. Apskritai tokių modelių gausa yra suprantama ir pagrįsta.

Taip pat pateisinama ir naujausia kosmologijos ir elementariųjų dalelių fizikos sąjunga. Jos atstovai ankstyviausią Visatos gyvavimo etapą laiko natūralia laboratorija, idealiai tinkančia tyrinėti pagrindines mūsų pasaulio simetrijas, lemiančias esminių sąveikų dėsnius. Šis aljansas jau padėjo pamatus visam iš esmės naujų ir labai gilių kosmologinių modelių gerbėjui. Nėra jokių abejonių, kad ateityje tai duos ne mažiau vaisingų rezultatų.

Visata maišytuve

1967 m. amerikiečių astrofizikai Davidas Wilkinsonas ir Bruce'as Partridge'as atrado, kad reliktinė mikrobangų spinduliuotė iš bet kurios krypties, atrasta prieš trejus metus, į Žemę atkeliauja praktiškai tokia pačia temperatūra. Pasitelkę itin jautrų radiometrą, kurį išrado jų tautietis Robertas Dicke'as, jie parodė, kad reliktinių fotonų temperatūros svyravimai neviršija dešimtosios procento (šiuolaikiniais duomenimis – gerokai mažesni).

Kadangi ši spinduliuotė atsirado anksčiau nei praėjus 4 00 000 metų po Didžiojo sprogimo, Wilkinsono ir Partridge'o rezultatai leido manyti, kad net jei mūsų visata gimimo momentu nebuvo beveik ideali izotropinė, ji šią savybę įgijo be didelio delsimo.

Ši hipotezė buvo didelė kosmologijos problema. Pirmuosiuose kosmologiniuose modeliuose erdvės izotropija nuo pat pradžių buvo išdėstyta tiesiog kaip matematinė prielaida. Tačiau dar praėjusio amžiaus viduryje tapo žinoma, kad bendrosios reliatyvumo teorijos lygtys leidžia sudaryti neišotropinių visatų rinkinį. Šių rezultatų kontekste beveik ideali CMB izotropija reikalavo paaiškinimo.

Šis paaiškinimas pasirodė tik devintojo dešimtmečio pradžioje ir buvo visiškai netikėtas. Jis buvo pastatytas remiantis iš esmės nauja teorine supergreito (kaip paprastai sakoma, infliacinio) Visatos plėtimosi pirmosiomis jos egzistavimo akimirkomis koncepcija (žr. „PM“Nr. 7'2012). Septintojo dešimtmečio antroje pusėje mokslas tiesiog nebuvo subrendęs tokioms revoliucinėms idėjoms. Bet, kaip žinote, jei nėra antspauduoto popieriaus, jie rašo paprastu.

Žymus amerikiečių kosmologas Charlesas Misneris, iškart po Wilkinsono ir Partridge'o straipsnio publikavimo, gana tradicinėmis priemonėmis bandė paaiškinti mikrobangų spinduliuotės izotropiją. Remiantis jo hipoteze, ankstyvosios Visatos nehomogeniškumas palaipsniui išnyko dėl jos dalių abipusės „trinties“, kurią sukėlė neutrinų ir šviesos srautų mainai (pirmojoje publikacijoje Mizneris šį tariamą efektą pavadino neutrino klampumu).

Anot jo, toks klampumas gali greitai išlyginti pradinį chaosą ir padaryti Visatą beveik idealiai vienalytę ir izotropinę.

Misnerio tyrimų programa atrodė gražiai, tačiau praktinių rezultatų nedavė. Pagrindinė jo gedimo priežastis vėl buvo atskleista atliekant mikrobangų analizę. Bet kokie procesai, kuriuose dalyvauja trintis, generuoja šilumą, tai yra elementari termodinamikos dėsnių pasekmė. Jei pirminiai Visatos nehomogeniškumas būtų išlygintas dėl neutrino ar kitokio klampumo, CMB energijos tankis labai skirtųsi nuo stebimos vertės.

Kaip septintojo dešimtmečio pabaigoje parodė amerikiečių astrofizikas Richardas Matzneris ir jo jau minėtas anglų kolega Johnas Barrowas, klampūs procesai gali pašalinti tik mažiausius kosmologinius nehomogeniškumus. Norint visiškai „išlyginti“Visatą, reikėjo kitų mechanizmų, kurie buvo rasti infliacijos teorijos rėmuose.

Nepaisant to, Mizneris gavo daug įdomių rezultatų. Visų pirma, 1969 m. jis paskelbė naują kosmologinį modelį, kurio pavadinimą pasiskolino … iš virtuvės prietaiso, namų maišytuvo, pagaminto Sunbeam Products! „Mixmaster Universe“nuolat plaka stipriausiais traukuliais, dėl kurių, pasak Miznerio, šviesa cirkuliuoja uždarais takais, maišo ir homogenizuoja jos turinį.

Tačiau vėlesnė šio modelio analizė parodė, kad nors fotonai Miznerio pasaulyje daro ilgas keliones, jų maišymosi poveikis yra labai nereikšmingas.

Nepaisant to, „Mixmaster Universe“yra labai įdomi. Kaip ir Friedmano uždaroji visata, ji atsiranda iš nulinio tūrio, išsiplečia iki tam tikro maksimumo ir vėl susitraukia veikiama savo gravitacijos. Tačiau ši raida nėra sklandi, kaip Friedmano, o absoliučiai chaotiška ir todėl visiškai nenuspėjama detalėmis.

Jaunystėje ši visata intensyviai svyruoja, plečiasi dviem kryptimis ir susitraukia trečiąja – kaip Kasnerio. Tačiau išsiplėtimų ir susitraukimų orientacijos nėra pastovios – vietomis keičiasi atsitiktinai. Be to, svyravimų dažnis priklauso nuo laiko ir, artėjant prie pradinio momento, linkęs į begalybę. Tokioje visatoje vyksta chaotiškos deformacijos, tarsi želė dreba ant lėkštės. Šios deformacijos vėlgi gali būti interpretuojamos kaip gravitacinių bangų, judančių įvairiomis kryptimis, pasireiškimas, daug smarkesnis nei Kasnerio modelyje.

„Mixmaster“visata pateko į kosmologijos istoriją kaip pati sudėtingiausia iš įsivaizduojamų visatų, sukurtų remiantis „grynuoju“bendruoju reliatyvumu. Nuo devintojo dešimtmečio pradžios įdomiausiose tokio pobūdžio koncepcijose buvo pradėtos naudoti kvantinio lauko teorijos ir elementariųjų dalelių teorijos idėjos ir matematinis aparatas, o vėliau, labai nedelsdamas, superstygų teorija.