Cele mai ciudate și mai neobișnuite teorii ale structurii universului

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Pe lângă modelele cosmologice clasice, relativitatea generală permite crearea unor lumi imaginare foarte, foarte, foarte exotice.

Există mai multe modele cosmologice clasice construite folosind relativitatea generală, completate de omogenitatea și izotropia spațiului (vezi „PM” nr. 6'2012). Universul închis al lui Einstein are o curbură pozitivă constantă a spațiului, care devine statică datorită introducerii așa-numitului parametru cosmologic în ecuațiile relativității generale, care acționează ca un câmp antigravitațional.

În universul accelerat al lui de Sitter, cu spațiu necurbat, nu există materie obișnuită, dar este umplut și cu un câmp antigravitator. Există și universurile închise și deschise ale lui Alexander Friedman; lumea de graniță a lui Einstein - de Sitter, care reduce treptat rata de expansiune la zero în timp și, în sfârșit, universul Lemaitre, progenitorul cosmologiei Big Bang, crescând dintr-o stare inițială supercompactă. Toți, și în special modelul Lemaitre, au devenit precursorii modelului standard modern al universului nostru.

Spațiul universului în diferite modele are curburi diferite, care pot fi negative (spațiul hiperbolic), zero (spațiul euclidian plat, corespunzător universului nostru) sau pozitive (spațiul eliptic). Primele două modele sunt universuri deschise, care se extind la nesfârșit, ultimul este închis, care mai devreme sau mai târziu se va prăbuși. Ilustrația arată de sus în jos analogi bidimensionali ai unui astfel de spațiu.

Există, totuși, și alte universuri, generate și de o utilizare foarte creativă, așa cum se obișnuiește acum să se spună, a ecuațiilor relativității generale. Ele corespund mult mai puțin (sau nu corespund deloc) rezultatelor observațiilor astronomice și astrofizice, dar sunt adesea foarte frumoase și uneori elegant paradoxale. Adevărat, matematicienii și astronomii le-au inventat în astfel de cantități încât va trebui să ne limităm la doar câteva dintre cele mai interesante exemple de lumi imaginare.

De la sfoară la clătită

După apariția (în 1917) a lucrării fundamentale a lui Einstein și de Sitter, mulți oameni de știință au început să folosească ecuațiile relativității generale pentru a crea modele cosmologice. Unul dintre primii care au făcut acest lucru a fost matematicianul din New York Edward Kasner, care și-a publicat soluția în 1921.

Universul lui este foarte neobișnuit. Îi lipsește nu doar materia gravitativă, ci și un câmp antigravitator (cu alte cuvinte, nu există parametrul cosmologic al lui Einstein). S-ar părea că în această lume ideal goală nu se poate întâmpla deloc. Cu toate acestea, Kasner a recunoscut că universul său ipotetic a evoluat inegal în direcții diferite. Se extinde de-a lungul a două axe de coordonate, dar se contractă de-a lungul celei de-a treia axe.

Prin urmare, acest spațiu este în mod evident anizotrop și seamănă cu un elipsoid în contururi geometrice. Deoarece un astfel de elipsoid se întinde în două direcții și se contractă de-a lungul celei de-a treia, se transformă treptat într-o clătită plată. În același timp, universul Kasner nu slăbește deloc, volumul său crește proporțional cu vârsta. La momentul inițial, această vârstă este egală cu zero - și, prin urmare, și volumul este zero. Cu toate acestea, universurile Kasner nu se nasc dintr-o singularitate punctuală, ca lumea lui Lemaitre, ci dintr-o spiță infinit de subțire - raza sa inițială este egală cu infinitul de-a lungul unei axe și zero de-a lungul celorlalte două.

De ce cautam pe google

Edward Kasner a fost un popularizator genial al științei - cartea sa Mathematics and the Imagination, în colaborare cu James Newman, este republicată și citită astăzi. Într-unul dintre capitole apare numărul 10¹⁰⁰… Nepotul lui Kazner, în vârstă de nouă ani, a venit cu un nume pentru acest număr - googol (Googol) și chiar un număr incredibil de gigantic 10^Googlel- botezat termenul googolplex (Googolplex). Când studenții absolvenți de la Stanford, Larry Page și Sergey Brin, încercau să găsească un nume pentru motorul lor de căutare, prietenul lor Sean Anderson a recomandat Googolplex-ul atotcuprinzător.

Cu toate acestea, lui Page i-a plăcut mai modestul Googol, iar Anderson a început imediat să verifice dacă ar putea fi folosit ca domeniu de internet. În grabă, a făcut o greșeală de tipar și a trimis o solicitare nu către Googol.com, ci către Google.com. Acest nume s-a dovedit a fi gratuit și lui Brin i-a plăcut atât de mult încât el și Page l-au înregistrat imediat pe 15 septembrie 1997. Dacă s-ar fi întâmplat altfel, nu am fi avut Google!

Care este secretul evoluției acestei lumi goale? Deoarece spațiul său se „schimbă” în moduri diferite pe direcții diferite, apar forțe gravitaționale ale mareelor, care îi determină dinamica. S-ar părea că se poate scăpa de ele egalizând ratele de expansiune de-a lungul tuturor celor trei axe și eliminând astfel anizotropia, dar matematica nu permite astfel de libertăți.

Adevărat, se pot seta două dintre cele trei viteze egale cu zero (cu alte cuvinte, se fixează dimensiunile universului de-a lungul a două axe de coordonate). În acest caz, lumea lui Kasner va crește într-o singură direcție și strict proporțională cu timpul (acesta este ușor de înțeles, deoarece așa trebuie să crească volumul său), dar asta este tot ceea ce putem realiza.

Universul Kasner poate rămâne de la sine doar în condiția golului complet. Dacă adăugați puțină materie, va începe treptat să evolueze ca universul izotrop al lui Einstein-de Sitter. În același mod, atunci când un parametru Einstein diferit de zero este adăugat la ecuațiile sale, acesta (cu sau fără materie) va intra asimptotic în regimul de expansiune izotropă exponențială și se va transforma în universul lui de Sitter. Cu toate acestea, astfel de „adăugiri” chiar schimbă doar evoluția universului deja existent.

În momentul nașterii ei, practic nu joacă un rol, iar universul evoluează după același scenariu.

Deși lumea Kasner este dinamic anizotropă, curbura sa este în orice moment aceeași de-a lungul tuturor axelor de coordonate. Cu toate acestea, ecuațiile relativității generale admit existența universurilor care nu numai că evoluează cu viteze anizotrope, dar au și curbură anizotropă.

Astfel de modele au fost construite la începutul anilor 1950 de către matematicianul american Abraham Taub. Spațiile sale se pot comporta ca universuri deschise în unele direcții și ca universuri închise în altele. Mai mult, în timp, acestea pot schimba semnul de la plus la minus și de la minus la plus. Spațiul lor nu doar pulsează, dar se întoarce literalmente pe dos. Din punct de vedere fizic, aceste procese pot fi asociate cu undele gravitaționale, care deformează spațiul atât de puternic încât își schimbă local geometria de la sferică la șea și invers. Una peste alta, lumi ciudate, deși posibil din punct de vedere matematic.

Spre deosebire de Universul nostru, care se extinde izotrop (adică cu aceeași viteză indiferent de direcția aleasă), universul lui Kasner se extinde simultan (de-a lungul a două axe) și se contractă (de-a lungul celei de-a treia).

Fluctuațiile lumilor

La scurt timp după publicarea lucrării lui Kazner, au apărut articole de Alexander Fridman, primul în 1922, al doilea în 1924. Aceste lucrări au prezentat soluții surprinzător de elegante la ecuațiile relativității generale, care au avut un efect extrem de constructiv asupra dezvoltării cosmologiei.

Conceptul lui Friedman se bazează pe presupunerea că, în medie, materia este distribuită în spațiul cosmic cât se poate de simetric, adică complet omogenă și izotropă. Aceasta înseamnă că geometria spațiului în fiecare moment al unui singur timp cosmic este aceeași în toate punctele sale și în toate direcțiile (strict vorbind, un astfel de timp trebuie încă determinat corect, dar în acest caz această problemă este rezolvabilă). Rezultă că rata de expansiune (sau contracție) a universului în orice moment dat este din nou independentă de direcție.

Universurile lui Friedmann sunt așadar complet diferite de modelul lui Kasner.

În primul articol, Friedman a construit un model al unui univers închis cu o curbură pozitivă constantă a spațiului. Această lume ia naștere dintr-o stare punctuală inițială cu o densitate infinită a materiei, se extinde la o anumită rază maximă (și, prin urmare, volum maxim), după care se prăbușește din nou în același punct singular (în limbajul matematic, o singularitate).

Cu toate acestea, Friedman nu s-a oprit aici. În opinia sa, soluția cosmologică găsită nu trebuie să fie limitată de intervalul dintre singularitățile inițiale și finale; ea poate fi continuată în timp atât înainte, cât și înapoi. Rezultatul este o grămadă nesfârșită de universuri înșirate pe axa timpului, care se învecinează între ele în puncte de singularitate.

În limbajul fizicii, asta înseamnă că universul închis al lui Friedmann poate oscila la infinit, murind după fiecare contracție și renaște la o nouă viață în expansiunea ulterioară. Acesta este un proces strict periodic, deoarece toate oscilațiile continuă pentru aceeași perioadă de timp. Prin urmare, fiecare ciclu al existenței universului este o copie exactă a tuturor celorlalte cicluri.

Așa a comentat Friedman acest model în cartea sa „The World as Space and Time”: „În plus, există cazuri când raza de curbură se modifică periodic: universul se contractă într-un punct (în nimic), apoi din nou dintr-un punct. îşi aduce raza la o anumită valoare, apoi iarăşi, micşorându-şi raza de curbură, se transformă în punct etc. Se aminteşte involuntar de legenda mitologiei hinduse despre perioadele vieţii; se poate vorbi și despre „crearea lumii din nimic”, dar toate acestea ar trebui considerate fapte curioase care nu pot fi confirmate solid de material experimental astronomic insuficient.

Graficul potențialului universului Mixmaster arată atât de neobișnuit - groapa potențială are pereți înalți, între care există trei „văi”. Mai jos sunt curbele echipotențiale ale unui astfel de „univers într-un mixer”.

La câțiva ani după publicarea articolelor lui Friedman, modelele sale au câștigat faimă și recunoaștere. Einstein a devenit serios interesat de ideea unui univers oscilant și nu a fost singur. În 1932, a fost preluat de Richard Tolman, profesor de fizică matematică și chimie fizică la Caltech. Nu a fost nici un matematician pur, ca Friedman, nici un astronom și astrofizician, ca de Sitter, Lemaitre și Eddington. Tolman a fost un expert recunoscut în fizica statistică și termodinamică, pe care le-a combinat mai întâi cu cosmologia.

Rezultatele au fost foarte nesemnificative. Tolman a ajuns la concluzia că entropia totală a cosmosului ar trebui să crească de la ciclu la ciclu. Acumularea de entropie duce la faptul că din ce în ce mai mult din energia universului este concentrată în radiații electromagnetice, care din ciclu în ciclu îi afectează din ce în ce mai mult dinamica. Din această cauză, lungimea ciclurilor crește, fiecare următor devine mai lung decât precedentul.

Oscilațiile persistă, dar încetează să mai fie periodice. Mai mult, în fiecare nou ciclu, raza universului lui Tolman crește. În consecință, în stadiul de expansiune maximă, are cea mai mică curbură, iar geometria sa este din ce în ce mai mare și se apropie din ce în ce mai mult timp de cea euclidiană.

Richard Tolman, în timp ce își proiecta modelul, a ratat o oportunitate interesantă, asupra căreia John Barrow și Mariusz Dombrowski au atras atenția în 1995. Ei au arătat că regimul oscilator al universului lui Tolman este distrus ireversibil atunci când este introdus un parametru cosmologic anti-gravitațional.

În acest caz, universul lui Tolman pe unul dintre cicluri nu se mai contractă într-o singularitate, ci se extinde cu o accelerație crescândă și se transformă în universul lui de Sitter, ceea ce într-o situație similară este realizat și de universul Kasner. Antigravitația, ca și diligența, învinge totul!

Înmulțirea entităților

„Provocarea naturală a cosmologiei este să înțelegem cât mai bine posibil originea, istoria și structura propriului nostru univers”, explică lui Popular Mechanics de la profesorul de matematică de la Universitatea Cambridge, John Barrow. - În același timp, relativitatea generală, chiar și fără a împrumuta de la alte ramuri ale fizicii, face posibilă calcularea unui număr aproape nelimitat de diverse modele cosmologice.

Desigur, alegerea lor se face pe baza datelor astronomice și astrofizice, cu ajutorul cărora este posibil nu numai testarea diferitelor modele pentru conformitate cu realitatea, dar și deciderea care dintre componentele lor pot fi combinate pentru cel mai adecvat. descrierea lumii noastre. Așa a luat ființă actualul Model Standard al Universului. Deci, chiar și din acest motiv, varietatea de modele cosmologice dezvoltată istoric s-a dovedit a fi foarte utilă.

Dar nu este doar atât. Multe dintre modele au fost create înainte ca astronomii să acumuleze bogăția de date pe care o au astăzi. De exemplu, adevăratul grad de izotropie al universului a fost stabilit datorită echipamentelor spațiale doar în ultimele două decenii.

Este clar că în trecut, designerii spațiali aveau limitări mult mai puțin empirice. În plus, este posibil ca chiar și modelele exotice conform standardelor actuale să fie utile în viitor pentru a descrie acele părți ale Universului care nu sunt încă disponibile pentru observare. Și, în sfârșit, inventarea modelelor cosmologice poate pur și simplu împinge dorința de a găsi soluții necunoscute pentru ecuațiile relativității generale, iar acesta este, de asemenea, un stimulent puternic. În general, abundența unor astfel de modele este de înțeles și justificată.

Uniunea recentă dintre cosmologie și fizica particulelor elementare este justificată în același mod. Reprezentanții săi consideră cea mai timpurie etapă a vieții Universului ca un laborator natural, ideal pentru studierea simetriilor de bază ale lumii noastre, care determină legile interacțiunilor fundamentale. Această alianță a pus deja bazele unui întreg fan al modelelor cosmologice fundamental noi și foarte profunde. Nu există nicio îndoială că în viitor va aduce rezultate la fel de fructuoase.”

Universul în Mixer

În 1967, astrofizicienii americani David Wilkinson și Bruce Partridge au descoperit că radiația cu microunde relicvă din orice direcție, descoperită cu trei ani mai devreme, ajunge pe Pământ practic cu aceeași temperatură. Cu ajutorul unui radiometru extrem de sensibil, inventat de compatriotul lor Robert Dicke, ei au arătat că fluctuațiile de temperatură ale fotonilor relicte nu depășesc o zecime de procent (conform datelor moderne, acestea sunt mult mai puține).

Deoarece această radiație a apărut mai devreme de 4.00.000 de ani după Big Bang, rezultatele lui Wilkinson și Partridge au dat motive să credem că, chiar dacă universul nostru nu era aproape ideal izotrop în momentul nașterii, a dobândit această proprietate fără prea multă întârziere.

Această ipoteză a constituit o problemă considerabilă pentru cosmologie. În primele modele cosmologice, izotropia spațiului a fost stabilită de la bun început ca o presupunere matematică. Cu toate acestea, la mijlocul secolului trecut, a devenit cunoscut faptul că ecuațiile relativității generale fac posibilă construirea unui set de universuri neizotrope. În contextul acestor rezultate, izotropia aproape ideală a CMB a cerut o explicație.

Această explicație a apărut abia la începutul anilor 1980 și a fost complet neașteptată. A fost construit pe un concept teoretic fundamental nou de expansiune superrapidă (cum se spune de obicei, inflaționistă) a Universului în primele momente ale existenței sale (vezi „PM” nr. 7'2012). În a doua jumătate a anilor 1960, știința pur și simplu nu era coaptă pentru astfel de idei revoluționare. Dar, după cum știți, în lipsa hârtiei ștampilate, ei scriu simplu.

Proeminentul cosmolog american Charles Misner, imediat după publicarea articolului de către Wilkinson și Partridge, a încercat să explice izotropia radiațiilor cu microunde folosind mijloace destul de tradiționale. Conform ipotezei sale, neomogenitățile Universului timpuriu au dispărut treptat din cauza „frecării” reciproce a părților sale, cauzată de schimbul de neutrini și fluxuri de lumină (în prima sa publicație, Mizner a numit acest presupus efect vâscozitate neutrino).

Potrivit lui, o astfel de vâscozitate poate netezi rapid haosul inițial și poate face ca Universul să fie aproape perfect omogen și izotrop.

Programul de cercetare al lui Misner arăta frumos, dar nu a adus rezultate practice. Principalul motiv pentru eșecul său a fost din nou dezvăluit prin analiza la microunde. Orice proces care implică frecare generează căldură, aceasta este o consecință elementară a legilor termodinamicii. Dacă neomogenitățile primare ale Universului ar fi netezite din cauza neutrinului sau a unei alte vâscozități, densitatea de energie CMB ar diferi semnificativ de valoarea observată.

După cum au arătat la sfârșitul anilor 1970 astrofizicianul american Richard Matzner și deja menționatul său coleg englez John Barrow, procesele vâscoase pot elimina doar cele mai mici neomogenități cosmologice. Pentru „netezirea” completă a Universului au fost necesare alte mecanisme, ele fiind găsite în cadrul teoriei inflaționiste.

Cu toate acestea, Mizner a primit multe rezultate interesante. În special, în 1969 a publicat un nou model cosmologic, al cărui nume l-a împrumutat… de la un aparat de bucătărie, un mixer de casă realizat de Sunbeam Products! Universul Mixmaster bate constant în cele mai puternice convulsii, care, potrivit lui Mizner, fac ca lumina să circule pe căi închise, amestecând și omogenizându-și conținutul.

Cu toate acestea, analiza ulterioară a acestui model a arătat că, deși fotonii din lumea lui Mizner fac călătorii lungi, efectul lor de amestecare este foarte nesemnificativ.

Cu toate acestea, Universul Mixmaster este foarte interesant. La fel ca universul închis al lui Friedman, acesta ia naștere din volum zero, se extinde la un anumit maxim și se contractă din nou sub influența propriei gravitații. Dar această evoluție nu este lină, ca a lui Friedman, ci absolut haotică și, prin urmare, complet imprevizibilă în detaliu.

În tinerețe, acest univers oscilează intens, extinzându-se în două direcții și contractându-se într-o a treia - ca a lui Kasner. Oricum, orientările expansiunilor și contracțiilor nu sunt constante - schimbă locurile aleatoriu. Mai mult, frecvența oscilațiilor depinde de timp și tinde spre infinit la apropierea momentului inițial. Un astfel de univers suferă deformări haotice, precum jeleul care tremură pe o farfurie. Aceste deformații pot fi din nou interpretate ca o manifestare a undelor gravitaționale care se deplasează în direcții diferite, mult mai violente decât în modelul Kasner.

Universul Mixmaster a intrat în istoria cosmologiei ca fiind cel mai complex dintre universurile imaginare create pe baza relativității generale „pure”. De la începutul anilor 1980, cele mai interesante concepte de acest fel au început să folosească ideile și aparatul matematic din teoria cuantică a câmpurilor și teoria particulelor elementare, iar apoi, fără prea multă întârziere, teoria superstringurilor.