Sisällysluettelo:

Omituisimmat ja epätavallisimmat teoriat maailmankaikkeuden rakenteesta
Omituisimmat ja epätavallisimmat teoriat maailmankaikkeuden rakenteesta

Video: Omituisimmat ja epätavallisimmat teoriat maailmankaikkeuden rakenteesta

Video: Omituisimmat ja epätavallisimmat teoriat maailmankaikkeuden rakenteesta
Video: SCP-2456 haaveilee rikkoutuneesta maailmasta | Kohdeluokan pitäjä | mieli vaikuttaa / tartunnan scp 2024, Maaliskuu
Anonim

Klassisten kosmologisten mallien lisäksi yleinen suhteellisuusteoria mahdollistaa hyvin, hyvin, hyvin eksoottisten kuvitteellisten maailmojen luomisen.

On olemassa useita klassisia kosmologisia malleja, jotka on rakennettu yleisen suhteellisuusteorian avulla, joita täydentää avaruuden homogeenisuus ja isotropia (ks. "PM" nro 6'2012). Einsteinin suljetussa universumissa on jatkuva positiivinen avaruuden kaarevuus, joka muuttuu staattiseksi, koska yleisen suhteellisuusteorian yhtälöihin on lisätty niin sanottu kosmologinen parametri, joka toimii antigravitaatiokentänä.

De Sitterin kiihtyvässä universumissa, jossa ei ole kaarevaa avaruutta, ei ole tavallista ainetta, vaan se on myös täynnä antigravitaatiokenttää. On myös Alexander Friedmanin suljetut ja avoimet universumit; Einstein - de Sitterin rajamaailma, joka laskee laajenemisnopeuden vähitellen nollaan ajan myötä, ja lopuksi Lemaitren universumi, Big Bangin kosmologian esi-ihminen, joka kasvaa superkompaktista alkutilasta. Kaikista niistä, ja erityisesti Lemaitren mallista, tuli universumimme modernin standardimallin edelläkävijöitä.

Universumin avaruus eri malleissa
Universumin avaruus eri malleissa

Universumin avaruudella on eri malleissa erilaisia kaarevia, jotka voivat olla negatiivisia (hyperbolinen avaruus), nolla (tasainen euklidinen avaruus, joka vastaa universumiamme) tai positiivinen (elliptinen avaruus). Kaksi ensimmäistä mallia ovat avoimia universumia, jotka laajenevat loputtomasti, viimeinen on suljettu, joka ennemmin tai myöhemmin romahtaa. Kuvassa esitetään ylhäältä alas tällaisen tilan kaksiulotteisia analogeja.

On kuitenkin olemassa muitakin universumeja, jotka ovat myös syntyneet hyvin luovasta, kuten nykyään on tapana sanoa, yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden käytöstä. Ne vastaavat paljon vähemmän (tai eivät vastaa ollenkaan) tähtitieteellisten ja astrofysikaalisten havaintojen tuloksia, mutta ne ovat usein hyvin kauniita ja joskus elegantin paradoksaalisia. Totta, matemaatikot ja tähtitieteilijät keksivät niitä sellaisissa määrissä, että meidän on rajoituttava vain muutamiin mielenkiintoisimpiin esimerkkeihin kuvitteellisista maailmoista.

Stringistä pannukakkuun

Einsteinin ja de Sitterin perustyön ilmestymisen (vuonna 1917) jälkeen monet tutkijat alkoivat käyttää yleisen suhteellisuusteorian yhtälöitä luodakseen kosmologisia malleja. Yksi ensimmäisistä tämän teki New Yorkin matemaatikko Edward Kasner, joka julkaisi ratkaisunsa vuonna 1921.

Tähtisumu
Tähtisumu

Hänen universuminsa on hyvin epätavallinen. Siitä puuttuu paitsi gravitaatioaine, myös antigravitaatiokenttä (toisin sanoen ei ole olemassa Einsteinin kosmologista parametria). Vaikuttaa siltä, että tässä ihanteellisen tyhjässä maailmassa ei voi tapahtua yhtään mitään. Kasner myönsi kuitenkin, että hänen hypoteettinen universuminsa kehittyi epätasaisesti eri suuntiin. Se laajenee kahta koordinaattiakselia pitkin, mutta supistuu kolmatta akselia pitkin.

Siksi tämä tila on ilmeisen anisotrooppinen ja muistuttaa ellipsoidia geometrisillaan. Koska tällainen ellipsoidi venyy kahteen suuntaan ja supistuu kolmatta pitkin, se muuttuu vähitellen litteäksi pannukakuksi. Samaan aikaan Kasner-universumi ei laihduta ollenkaan, sen tilavuus kasvaa suhteessa ikään. Alkuhetkellä tämä ikä on yhtä suuri kuin nolla - ja siksi äänenvoimakkuus on myös nolla. Kasnerin universumit eivät kuitenkaan synny pistesingulaarisuudesta, kuten Lemaitren maailma, vaan jostain äärettömän ohuesta pinnasta - sen alkusäde on ääretön yhdellä akselilla ja nolla kahdella muulla.

Miksi me googletamme

widget-kiinnostus
widget-kiinnostus

Edward Kasner oli loistava tieteen popularisoija - hänen kirjansa Mathematics and the Imagination, joka on kirjoittanut yhdessä James Newmanin kanssa, julkaistaan uudelleen ja luetaan tänään. Yhdessä luvussa näkyy numero 10100… Kaznerin yhdeksänvuotias veljenpoika keksi tälle numerolle nimen - googol (Googol) ja jopa uskomattoman jättimäisen numeron 10Googol- kastettiin termiksi googolplex (Googolplex). Kun Stanfordin jatko-opiskelijat Larry Page ja Sergey Brin yrittivät löytää nimeä hakukoneelleen, heidän kaverinsa Sean Anderson suositteli kaiken kattavaa Googolplexia.

Page piti kuitenkin vaatimattommasta Googolista, ja Anderson ryhtyi heti tarkistamaan, voitaisiinko sitä käyttää Internet-verkkotunnuksena. Hän teki kiireessä kirjoitusvirheen ja lähetti pyynnön ei Googol.comille vaan Google.comille. Tämä nimi osoittautui vapaaksi ja Brin piti siitä niin paljon, että hän ja Page rekisteröivät sen välittömästi 15. syyskuuta 1997. Jos se olisi tapahtunut toisin, meillä ei olisi Googlea!

Mikä on tämän tyhjän maailman kehityksen salaisuus? Koska sen avaruus "siirtyy" eri tavoin eri suuntiin, syntyy gravitaatiovoimia, jotka määräävät sen dynamiikan. Näyttäisi siltä, että niistä voidaan päästä eroon tasaamalla laajenemisnopeudet kaikilla kolmella akselilla ja siten eliminoimalla anisotropia, mutta matematiikka ei salli tällaisia vapauksia.

On totta, että kolmesta nopeudesta kaksi voidaan asettaa nollaksi (eli universumin mitat voidaan kiinnittää kahta koordinaattiakselia pitkin). Tässä tapauksessa Kasnerin maailma kasvaa vain yhteen suuntaan ja tiukasti suhteessa aikaan (tämä on helppo ymmärtää, koska näin sen volyymin täytyy kasvaa), mutta tämä on kaikki mitä voimme saavuttaa.

Kasnerin universumi voi pysyä itsestään vain täydellisen tyhjyyden ehdolla. Jos lisäät siihen vähän ainetta, se alkaa vähitellen kehittyä kuten Einstein-de Sitterin isotrooppinen universumi. Samalla tavalla, kun nollasta poikkeava Einstein-parametri lisätään sen yhtälöihin, se (aineen kanssa tai ilman) astuu asymptoottisesti eksponentiaalisen isotrooppisen laajenemisen järjestelmään ja muuttuu de Sitterin maailmankaikkeudeksi. Tällaiset "lisäykset" kuitenkin muuttavat vain jo olemassa olevan maailmankaikkeuden kehitystä.

Hänen syntymähetkellään heillä ei käytännössä ole merkitystä, ja maailmankaikkeus kehittyy saman skenaarion mukaan.

Universumi
Universumi

Vaikka Kasner-maailma on dynaamisesti anisotrooppinen, sen kaarevuus on aina sama kaikilla koordinaattiakseleilla. Yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt kuitenkin myöntävät universumien olemassaolon, jotka eivät ainoastaan kehity anisotrooppisilla nopeuksilla, vaan niillä on myös anisotrooppinen kaarevuus.

Tällaisia malleja rakensi 1950-luvun alussa amerikkalainen matemaatikko Abraham Taub. Sen tilat voivat käyttäytyä joissain suunnissa avoimina universumeina ja toisissa kuin suljettuina universumeina. Lisäksi ajan myötä ne voivat vaihtaa merkkiä plussasta miinukseen ja miinuksesta plussaan. Niiden tila ei vain sykkii, vaan kirjaimellisesti kääntyy nurinpäin. Fyysisesti nämä prosessit voidaan yhdistää gravitaatioaaltojen kanssa, jotka muuttavat tilaa niin voimakkaasti, että ne muuttavat paikallisesti sen geometriaa pallomaisesta satulamuotoiseksi ja päinvastoin. Kaiken kaikkiaan outoja maailmoja, vaikkakin matemaattisesti mahdollisia.

Kaznerin universumi
Kaznerin universumi

Toisin kuin universumimme, joka laajenee isotrooppisesti (eli samalla nopeudella valitusta suunnasta riippumatta), Kasnerin maailmankaikkeus laajenee samanaikaisesti (kahta akselia pitkin) ja supistuu (kolmatta akselia pitkin).

Maailman heilahtelut

Pian Kaznerin teoksen julkaisun jälkeen ilmestyi Alexander Fridmanin artikkeleita, ensimmäinen vuonna 1922, toinen vuonna 1924. Näissä kirjoissa esitettiin yllättävän tyylikkäitä ratkaisuja yleisen suhteellisuusteorian yhtälöihin, joilla oli erittäin rakentava vaikutus kosmologian kehitykseen.

Friedmanin konsepti perustuu oletukseen, että aine jakautuu ulkoavaruudessa keskimäärin mahdollisimman symmetrisesti eli täysin homogeenisesti ja isotrooppisesti. Tämä tarkoittaa, että avaruuden geometria yksittäisen kosmisen ajan kullakin hetkellä on sama kaikissa pisteissään ja kaikissa suunnissa (tarkasti ottaen sellainen aika on vielä määritettävä oikein, mutta tässä tapauksessa tämä ongelma on ratkaistava). Tästä seuraa, että maailmankaikkeuden laajenemisnopeus (tai supistuminen) kulloinkin on jälleen suunnasta riippumaton.

Friedmannin universumit ovat siis täysin erilaisia kuin Kasnerin malli.

Ensimmäisessä artikkelissa Friedman rakensi mallin suljetusta maailmankaikkeudesta, jolla on jatkuva positiivinen avaruuden kaarevuus. Tämä maailma syntyy alkupistetilasta, jolla on ääretön aineen tiheys, laajenee tiettyyn maksimisäteeseen (ja siten maksimitilavuuteen), minkä jälkeen se romahtaa jälleen samaan singulaaripisteeseen (matematiikan kielellä singulaarisuus).

Maailman heilahtelut
Maailman heilahtelut

Friedman ei kuitenkaan pysähtynyt tähän. Hänen mielestään löydettyä kosmologista ratkaisua ei tarvitse rajoittaa alku- ja loppusingulariteettien väliseen aikaväliin, vaan sitä voidaan jatkaa ajallisesti sekä eteenpäin että taaksepäin. Tuloksena on loputon joukko aika-akselille kietottuja universumeja, jotka rajaavat toisiaan singulaarisuuspisteissä.

Fysiikan kielellä tämä tarkoittaa, että Friedmannin suljettu universumi voi värähdellä loputtomasti, kuolee jokaisen supistumisen jälkeen ja syntyä uudelleen uuteen elämään myöhemmässä laajenemisessa. Tämä on tiukasti jaksollinen prosessi, koska kaikki värähtelyt jatkuvat saman ajan. Siksi jokainen maailmankaikkeuden olemassaolon sykli on tarkka kopio kaikista muista sykleistä.

Näin Friedman kommentoi tätä mallia kirjassaan "Maailma tilana ja aikana": "Lisäksi on tapauksia, joissa kaarevuussäde muuttuu ajoittain: universumi supistuu pisteeseen (ei mitään), sitten taas pisteestä. tuo säteensä tiettyyn arvoon, sitten taas pienentämällä sen kaarevuuden sädettä, se muuttuu pisteeksi jne. Tulee tahattomasti mieleen hindujen mytologian legenda elämänjaksoista; on myös mahdollista puhua "maailman luomisesta tyhjästä", mutta kaikkea tätä on pidettävä kummallisina tosiasioina, joita ei voida lujasti vahvistaa riittämättömällä tähtitieteellisellä kokeellisella materiaalilla.

Mixmaster Universe -potentiaalin juoni
Mixmaster Universe -potentiaalin juoni

Mixmaster-universumin potentiaalin kaavio näyttää niin epätavalliselta - potentiaalikuolassa on korkeat seinät, joiden välissä on kolme "laaksoa". Alla ovat tällaisen "universumin sekoittimessa" ekvipotentiaalikäyrät.

Muutama vuosi Friedmanin artikkeleiden julkaisemisen jälkeen hänen mallinsa saivat mainetta ja tunnustusta. Einstein kiinnostui vakavasti värähtelevän maailmankaikkeuden ideasta, eikä hän ollut yksin. Vuonna 1932 sen otti haltuunsa Richard Tolman, Caltechin matemaattisen fysiikan ja fysikaalisen kemian professori. Hän ei ollut puhdas matemaatikko, kuten Friedman, eikä tähtitieteilijä ja astrofyysikko, kuten de Sitter, Lemaitre ja Eddington. Tolman oli tunnustettu tilastollisen fysiikan ja termodynamiikan asiantuntija, jonka hän ensin yhdisti kosmologiaan.

Tulokset olivat hyvin ei-triviaaleja. Tolman tuli siihen tulokseen, että kosmoksen kokonaisentropian pitäisi kasvaa syklistä toiseen. Entropian kertyminen johtaa siihen, että yhä suurempi osa maailmankaikkeuden energiasta keskittyy sähkömagneettiseen säteilyyn, joka syklistä toiseen vaikuttaa yhä enemmän sen dynamiikkaan. Tästä johtuen syklien pituus kasvaa, jokaisesta seuraavasta tulee pidempi kuin edellinen.

Värähtelyt jatkuvat, mutta lakkaavat olemasta säännöllisiä. Lisäksi jokaisessa uudessa syklissä Tolmanin universumin säde kasvaa. Näin ollen maksimilaajenemisvaiheessa sillä on pienin kaarevuus, ja sen geometria on yhä enemmän ja yhä pidemmän aikaa lähestyy euklidista.

Gravitaatioaallot
Gravitaatioaallot

Richard Tolman menetti malliaan suunnitteleessaan mielenkiintoisen tilaisuuden, johon John Barrow ja Mariusz Dombrowski kiinnittivät huomiota vuonna 1995. He osoittivat, että Tolmanin universumin värähtelyjärjestelmä tuhoutuu peruuttamattomasti, kun antigravitaatio-kosmologinen parametri otetaan käyttöön.

Tässä tapauksessa Tolmanin universumi jollakin syklillä ei enää supistu singulaariseksi, vaan laajenee kiihtyvällä vauhdilla ja muuttuu de Sitterin universumiksi, minkä vastaavassa tilanteessa myös Kasnerin universumi tekee. Antigravitaatio, kuten ahkeruus, voittaa kaiken!

Entiteetin kertolasku

widget-kiinnostus
widget-kiinnostus

"Kosmologian luonnollinen haaste on ymmärtää mahdollisimman hyvin oman maailmankaikkeutemme alkuperä, historia ja rakenne", Cambridgen yliopiston matematiikan professori John Barrow selittää Popular Mechanicsille. - Samaan aikaan yleinen suhteellisuusteoria mahdollistaa jopa lainaamatta muilta fysiikan aloilta lähes rajattoman määrän erilaisia kosmologisia malleja.

Heidän valintansa tehdään tietysti tähtitieteellisten ja astrofysikaalisten tietojen perusteella, joiden avulla on mahdollista paitsi testata eri malleja todellisuudenmukaisuuden suhteen, myös päättää, mitkä niiden komponenteista voidaan yhdistää sopivimmaksi. kuvaus maailmasta. Näin syntyi nykyinen universumin vakiomalli. Joten jo pelkästään tästä syystä historiallisesti kehitetty kosmologisten mallien valikoima on osoittautunut erittäin hyödylliseksi.

Mutta se ei ole vain sitä. Monet malleista luotiin ennen kuin tähtitieteilijät olivat keränneet runsaasti tietoa, joka heillä on nykyään. Esimerkiksi maailmankaikkeuden todellinen isotropiaaste on saatu selville avaruuslaitteiden ansiosta vasta parin viime vuosikymmenen aikana.

On selvää, että ennen tilasuunnittelijoilla oli paljon vähemmän empiirisiä rajoituksia. Lisäksi on mahdollista, että nykystandardien mukaan eksoottisetkin mallit ovat hyödyllisiä tulevaisuudessa kuvaamaan niitä maailmankaikkeuden osia, jotka eivät vielä ole havainnoitavissa. Ja lopuksi, kosmologisten mallien keksiminen voi yksinkertaisesti työntää halua löytää tuntemattomia ratkaisuja yleisen suhteellisuusteorian yhtälöihin, ja tämä on myös voimakas kannustin. Yleensä tällaisten mallien runsaus on ymmärrettävää ja perusteltua.

Kosmologian ja alkeishiukkasfysiikan viimeaikainen liitto on samalla tavalla perusteltu. Sen edustajat pitävät maailmankaikkeuden varhaisinta elämänvaihetta luonnollisena laboratoriona, joka soveltuu ihanteellisesti tutkimaan maailmamme perussymmetriat, jotka määräävät perusvuorovaikutusten lait. Tämä liitto on jo luonut perustan täysin uusien ja erittäin syvien kosmologisten mallien fanille. Ei ole epäilystäkään siitä, että tulevaisuudessa se tuo yhtä hedelmällisiä tuloksia."

Universumi mikserissä

Vuonna 1967 amerikkalaiset astrofyysikot David Wilkinson ja Bruce Partridge havaitsivat, että kolme vuotta aiemmin löydetty jäännösmikroaaltosäteily mistä tahansa suunnasta saapuu Maahan käytännössä samassa lämpötilassa. He osoittivat maanmiehensä Robert Dicken keksimän erittäin herkän radiometrin avulla, että jäännösfotonien lämpötilanvaihtelut eivät ylitä prosentin kymmenesosaa (nykyaikaisten tietojen mukaan ne ovat paljon pienemmät).

Koska tämä säteily sai alkunsa aikaisemmin kuin 4 00 000 vuotta alkuräjähdyksen jälkeen, Wilkinsonin ja Partridgen tulokset antoivat aihetta uskoa, että vaikka universumimme ei ollutkaan syntymähetkellä lähes ihanteellisesti isotrooppinen, se sai tämän ominaisuuden ilman suurta viivettä.

Tämä hypoteesi muodosti huomattavan ongelman kosmologialle. Ensimmäisissä kosmologisissa malleissa avaruuden isotropia asetettiin alusta alkaen yksinkertaisesti matemaattisena oletuksena. Kuitenkin jo viime vuosisadan puolivälissä tuli tiedoksi, että yleisen suhteellisuusteorian yhtälöt mahdollistavat joukon ei-isotrooppisia universumeja. Näiden tulosten yhteydessä CMB:n lähes ihanteellinen isotropia vaati selitystä.

Universumin mikseri
Universumin mikseri

Tämä selitys ilmestyi vasta 1980-luvun alussa ja oli täysin odottamaton. Se rakentui pohjimmiltaan uudelle teoreettiselle käsitteelle maailmankaikkeuden supernopeasta (kuten yleensä sanotaan, infloivasta) laajenemisesta sen olemassaolon ensimmäisinä hetkinä (katso "PM" nro 7'2012). 1960-luvun jälkipuoliskolla tiede ei yksinkertaisesti ollut kypsä sellaisille vallankumouksellisille ideoille. Mutta kuten tiedät, leimattua paperia puuttuessa he kirjoittavat tavallisella.

Tunnettu amerikkalainen kosmologi Charles Misner yritti heti Wilkinsonin ja Partridgen artikkelin julkaisemisen jälkeen selittää mikroaaltosäteilyn isotropiaa melko perinteisin keinoin. Hänen hypoteesinsa mukaan varhaisen universumin epähomogeenisuudet hävisivät vähitellen sen osien keskinäisen "kitkan" vuoksi, joka aiheutui neutriinojen ja valovirtojen vaihdosta (ensimmäisessä julkaisussaan Mizner kutsui tätä oletettua vaikutusta neutriinoviskositeettiksi).

Hänen mukaansa tällainen viskositeetti voi nopeasti tasoittaa alkuperäistä kaaosta ja tehdä maailmankaikkeudesta lähes täydellisen homogeenisen ja isotrooppisen.

Misnerin tutkimusohjelma näytti kauniilta, mutta ei tuonut käytännön tuloksia. Pääasiallinen syy sen epäonnistumiseen paljastui jälleen mikroaaltoanalyysin avulla. Kaikki kitkaa sisältävät prosessit tuottavat lämpöä, tämä on termodynamiikan lakien alkeellinen seuraus. Jos universumin primääriset epähomogeenisuudet tasoittuisivat neutrinon tai muun viskositeetin takia, CMB:n energiatiheys poikkeaisi merkittävästi havaitusta arvosta.

Kuten amerikkalainen astrofyysikko Richard Matzner ja hänen jo mainittu englantilainen kollegansa John Barrow osoittivat 1970-luvun lopulla, viskoosiprosessit voivat poistaa vain pienimmät kosmologiset epähomogeenisuudet. Universumin täydelliseen "tasoittamiseen" vaadittiin muita mekanismeja, ja ne löydettiin inflaatioteorian puitteissa.

Kvasaari
Kvasaari

Siitä huolimatta Mizner sai monia mielenkiintoisia tuloksia. Erityisesti vuonna 1969 hän julkaisi uuden kosmologisen mallin, jonka nimen hän lainasi … keittiökoneesta, Sunbeam Productsin valmistamasta kotisekoittimesta! Mixmaster Universe iskee jatkuvasti voimakkaimmissa kouristuksissa, jotka Miznerin mukaan saavat valon kiertämään suljettuja polkuja pitkin sekoittaen ja homogenoimalla sen sisältöä.

Tämän mallin myöhempi analyysi osoitti kuitenkin, että vaikka fotonit Miznerin maailmassa tekevät pitkiä matkoja, niiden sekoitusvaikutus on hyvin merkityksetön.

Siitä huolimatta Mixmaster Universe on erittäin mielenkiintoinen. Kuten Friedmanin suljettu universumi, se syntyy nollatilavuudesta, laajenee tiettyyn maksimiin ja supistuu jälleen oman painovoimansa vaikutuksesta. Mutta tämä kehitys ei ole sujuvaa, kuten Friedmanin, vaan ehdottoman kaoottinen ja siksi täysin arvaamaton yksityiskohdissa.

Nuoruudessa tämä universumi värähtelee voimakkaasti, laajenee kahteen suuntaan ja supistuen kolmanteen - kuten Kasnerin. Laajennusten ja supistumisten suunnat eivät kuitenkaan ole vakioita - ne vaihtavat paikkoja satunnaisesti. Lisäksi värähtelyjen taajuus riippuu ajasta ja pyrkii äärettömään, kun lähestytään alkuhetkeä. Tällainen maailmankaikkeus käy läpi kaoottisia muodonmuutoksia, kuten hyytelö, joka vapisee lautasella. Nämä muodonmuutokset voidaan jälleen tulkita eri suuntiin liikkuvien gravitaatioaaltojen ilmentymäksi, paljon voimakkaammiksi kuin Kasner-mallissa.

Mixmaster Universe jäi kosmologian historiaan monimutkaisimpana "puhtaan" yleisen suhteellisuusteorian perusteella luoduista kuvitteellisista universumeista. 1980-luvun alusta lähtien mielenkiintoisimmat tämän tyyppiset konseptit alkoivat käyttää kvanttikenttäteorian ja alkeishiukkasteorian ideoita ja matemaattista laitteistoa ja sitten viipymättä supermerkkijonoteoriaa.

Suositeltava: