Satura rādītājs:

Dīvainākās un neparastākās teorijas par Visuma uzbūvi
Dīvainākās un neparastākās teorijas par Visuma uzbūvi

Video: Dīvainākās un neparastākās teorijas par Visuma uzbūvi

Video: Dīvainākās un neparastākās teorijas par Visuma uzbūvi
Video: McKenzie Wark "Ficting and Facting" 2024, Marts
Anonim

Papildus klasiskajiem kosmoloģiskajiem modeļiem vispārējā relativitāte ļauj radīt ļoti, ļoti, ļoti eksotiskas iedomu pasaules.

Ir vairāki klasiski kosmoloģiskie modeļi, kas konstruēti, izmantojot vispārējo relativitāti, ko papildina telpas viendabīgums un izotropija (sk. "PM" Nr. 6'2012). Einšteina slēgtajam Visumam ir nemainīgs pozitīvs telpas izliekums, kas kļūst statisks, jo vispārējās relativitātes teorijas vienādojumos tiek ieviests tā sauktais kosmoloģiskais parametrs, kas darbojas kā antigravitācijas lauks.

De Sittera paātrinātajā Visumā ar neizliektu telpu nav parastās matērijas, bet tas ir arī piepildīts ar pretgravitācijas lauku. Ir arī Aleksandra Frīdmena slēgtie un atvērtie Visumi; Einšteina de Sitera robežpasaule, kas laika gaitā pakāpeniski samazina izplešanās ātrumu līdz nullei, un visbeidzot, Lemaitre Visums, Lielā sprādziena kosmoloģijas priekštecis, kas izaug no superkompakta sākuma stāvokļa. Visi no tiem, un jo īpaši Lemaitre modelis, kļuva par mūsu Visuma mūsdienu standarta modeļa priekštečiem.

Visuma telpa dažādos modeļos
Visuma telpa dažādos modeļos

Visuma telpai dažādos modeļos ir dažādi izliekumi, kas var būt negatīvi (hiperboliskā telpa), nulle (plakanā Eiklīda telpa, kas atbilst mūsu Visumam) vai pozitīvi (eliptiska telpa). Pirmie divi modeļi ir atvērti Visumi, kas izplešas bezgalīgi, pēdējais ir slēgts, kas agri vai vēlu sabruks. Ilustrācijā ir parādīti šādas telpas divdimensiju analogi no augšas uz leju.

Tomēr ir arī citi Visumi, kurus arī rada ļoti radoša, kā tagad pieņemts teikt, vispārējās relativitātes vienādojumu izmantošana. Tie daudz mazāk atbilst (vai neatbilst vispār) astronomisko un astrofizisko novērojumu rezultātiem, taču bieži vien ir ļoti skaisti un dažkārt eleganti paradoksāli. Tiesa, matemātiķi un astronomi tos izgudroja tādos daudzumos, ka mums nāksies aprobežoties tikai ar dažiem interesantākajiem iedomātu pasauļu piemēriem.

No auklas līdz pankūkai

Pēc Einšteina un de Sitera fundamentālā darba parādīšanās (1917. gadā) daudzi zinātnieki sāka izmantot vispārējās relativitātes vienādojumus, lai radītu kosmoloģiskos modeļus. Viens no pirmajiem, kas to izdarīja, bija Ņujorkas matemātiķis Edvards Kasners, kurš savu risinājumu publicēja 1921. gadā.

Miglājs
Miglājs

Viņa visums ir ļoti neparasts. Tam trūkst ne tikai gravitācijas vielas, bet arī antigravitācijas lauka (citiem vārdiem sakot, nav Einšteina kosmoloģiskā parametra). Šķiet, ka šajā ideāli tukšajā pasaulē nekas nevar notikt. Tomēr Kasners atzina, ka viņa hipotētiskais visums dažādos virzienos attīstījies nevienmērīgi. Tas izplešas pa divām koordinātu asīm, bet saraujas pa trešo asi.

Tāpēc šī telpa acīmredzami ir anizotropa un ģeometriskās kontūrās atgādina elipsoīdu. Tā kā šāds elipsoīds stiepjas divos virzienos un saraujas gar trešo, tas pamazām pārvēršas plakanā pankūkā. Tajā pašā laikā Kasnera visums nemaz nezaudē svaru, tā apjoms palielinās proporcionāli vecumam. Sākotnējā brīdī šis vecums ir vienāds ar nulli - un līdz ar to arī skaļums ir nulle. Taču Kasnera visumi nedzimst no punktveida singularitātes, kā Lemaitra pasaule, bet no kaut kā bezgala tieva spieķa – tā sākotnējais rādiuss ir vienāds ar bezgalību pa vienu asi un nulle gar pārējām divām.

Kāpēc mēs meklējam Google

logrīku interese
logrīku interese

Edvards Kasners bija izcils zinātnes popularizētājs – viņa kopīgi ar Džeimsu Ņūmenu tapusī grāmata Matemātika un iztēle šodien tiek atkārtoti izdota un lasīta. Vienā no nodaļām parādās cipars 10100… Deviņus gadus vecais Kaznera brāļadēls izdomāja šim numuram nosaukumu - googol (Googol) un pat neticami gigantisku skaitli 10Googols- kristīts par terminu googolplex (Googolplex). Kad Stenfordas absolventi Lerijs Peidžs un Sergejs Brins mēģināja atrast nosaukumu savai meklētājprogrammai, viņu draugs Šons Andersons ieteica visaptverošo Googolplex.

Tomēr Peidžam iepatikās pieticīgākais Googols, un Andersons nekavējoties sāka pārbaudīt, vai to var izmantot kā interneta domēnu. Steidzoties viņš pieļāva drukas kļūdu un nosūtīja pieprasījumu nevis vietnei Googol.com, bet gan Google.com. Šis vārds izrādījās brīvs, un Brinam tas tā iepatikās, ka viņš un Peidžs to nekavējoties reģistrēja 1997. gada 15. septembrī. Ja tas būtu noticis savādāk, mums nebūtu Google!

Kāds ir šīs tukšās pasaules evolūcijas noslēpums? Tā kā tās telpa dažādos veidos "pārvietojas" dažādos virzienos, rodas gravitācijas paisuma spēki, kas nosaka tās dinamiku. Šķiet, ka no tiem var atbrīvoties, izlīdzinot izplešanās ātrumus pa visām trim asīm un tādējādi novēršot anizotropiju, taču matemātika nepieļauj šādas brīvības.

Tiesa, divus no trim ātrumiem var iestatīt vienādus ar nulli (citiem vārdiem sakot, fiksēt Visuma izmērus pa divām koordinātu asīm). Šajā gadījumā Kasnera pasaule augs tikai vienā virzienā un strikti proporcionāli laikam (tas ir viegli saprotams, jo tā ir jāpalielinās tās apjomam), bet tas ir viss, ko mēs varam sasniegt.

Kasnera visums var palikt pats par sevi tikai pilnīga tukšuma apstākļos. Ja pievienosit tam nedaudz matērijas, tas pakāpeniski sāks attīstīties kā Einšteina-de Sitera izotropiskais Visums. Tādā pašā veidā, ja tā vienādojumiem pievieno Einšteina parametru, kas nav nulle, tas (ar vielu vai bez tā) asimptotiski nonāks eksponenciālās izotropās izplešanās režīmā un pārvērtīsies par de Sittera Visumu. Taču šādi "papildinājumi" tiešām tikai maina jau esošā Visuma evolūciju.

Viņas dzimšanas brīdī viņiem praktiski nav nozīmes, un Visums attīstās saskaņā ar to pašu scenāriju.

Visums
Visums

Lai gan Kasnera pasaule ir dinamiski anizotropa, tās izliekums jebkurā laikā ir vienāds visās koordinātu asīs. Tomēr vispārējās relativitātes vienādojumi pieļauj tādu Visumu esamību, kas ne tikai attīstās ar anizotropiem ātrumiem, bet kuriem ir arī anizotrops izliekums.

Šādus modeļus 50. gadu sākumā uzbūvēja amerikāņu matemātiķis Abraham Taub. Dažos virzienos tās telpas var darboties kā atvērti Visumi, bet citos - kā slēgti Visumi. Turklāt laika gaitā tie var mainīt zīmi no plusa uz mīnusu un no mīnusa uz plusu. Viņu telpa ne tikai pulsē, bet burtiski griežas iekšā. Fiziski šos procesus var saistīt ar gravitācijas viļņiem, kas tik spēcīgi deformē telpu, ka lokāli maina tās ģeometriju no sfēriskas uz seglu un otrādi. Kopumā dīvainas pasaules, kaut arī matemātiski iespējamas.

Kaznera visums
Kaznera visums

Atšķirībā no mūsu Visuma, kas izotropiski izplešas (tas ir, ar tādu pašu ātrumu neatkarīgi no izvēlētā virziena), Kasnera visums vienlaikus izplešas (pa divām asīm) un saraujas (pa trešo).

Pasauļu svārstības

Drīz pēc Kaznera darba publicēšanas parādījās Aleksandra Frīdmana raksti, pirmais 1922. gadā, otrais 1924. gadā. Šajos rakstos tika piedāvāti pārsteidzoši eleganti vispārējās relativitātes vienādojumu risinājumi, kam bija ārkārtīgi konstruktīva ietekme uz kosmoloģijas attīstību.

Frīdmena koncepcija ir balstīta uz pieņēmumu, ka vidēji viela kosmosā tiek sadalīta pēc iespējas simetriski, tas ir, pilnīgi viendabīga un izotropiska. Tas nozīmē, ka telpas ģeometrija katrā atsevišķa kosmiskā laika momentā ir vienāda visos tās punktos un visos virzienos (stingri sakot, šāds laiks vēl ir pareizi jānosaka, bet šajā gadījumā šī problēma ir atrisināma). No tā izriet, ka Visuma izplešanās (vai saraušanās) ātrums jebkurā brīdī atkal nav atkarīgs no virziena.

Tāpēc Frīdmaņa Visumi ir pilnīgi atšķirīgi no Kasnera modeļa.

Pirmajā rakstā Frīdmens izveidoja slēgta Visuma modeli ar nemainīgu pozitīvu telpas izliekumu. Šī pasaule rodas no sākotnējā punkta stāvokļa ar bezgalīgu matērijas blīvumu, izplešas līdz noteiktam maksimālajam rādiusam (un līdz ar to maksimālajam tilpumam), pēc kura tā atkal sabrūk tajā pašā vienskaitlī (matemātikas valodā singularitāte).

Pasauļu svārstības
Pasauļu svārstības

Tomēr Frīdmens ar to neapstājās. Viņaprāt, atrastais kosmoloģiskais risinājums nav jāierobežo ar intervālu starp sākotnējo un beigu singularitāti, to var turpināt laikā gan uz priekšu, gan atpakaļ. Rezultāts ir bezgalīgs visumu kopums, kas savērtas uz laika ass, kas robežojas viens ar otru singularitātes punktos.

Fizikas valodā tas nozīmē, ka Frīdmaņa slēgtais Visums var bezgalīgi svārstīties, mirstot pēc katras kontrakcijas un atdzimstot jaunai dzīvei turpmākajā paplašināšanā. Tas ir stingri periodisks process, jo visas svārstības turpinās tikpat ilgi. Tāpēc katrs Visuma pastāvēšanas cikls ir precīza visu pārējo ciklu kopija.

Frīdmens savā grāmatā "Pasaule kā telpa un laiks" komentēja šo modeli: "Turklāt ir gadījumi, kad izliekuma rādiuss periodiski mainās: Visums saraujas līdz punktam (uz neko), tad atkal no punkta. paaugstina savu rādiusu līdz noteiktai vērtībai, tad atkal, samazinot izliekuma rādiusu, tas pārvēršas par punktu utt. Neviļus atgādina hinduistu mitoloģijas leģendu par dzīves periodiem; var runāt arī par "pasaules radīšanu no nekā", taču tas viss jāuzskata par kurioziem faktiem, kurus nevar pārliecinoši apstiprināt ar nepietiekamu astronomisku eksperimentālo materiālu.

Mixmaster Universe potenciāla sižets
Mixmaster Universe potenciāla sižets

Mixmaster Visuma potenciāla grafiks izskatās tik neparasts - potenciālajai bedrei ir augstas sienas, starp kurām ir trīs "ielejas". Zemāk ir šāda "visuma maisītājā" ekvipotenciālu līknes.

Dažus gadus pēc Frīdmena rakstu publicēšanas viņa modeles ieguva slavu un atzinību. Einšteins sāka nopietni interesēties par ideju par svārstīgo Visumu, un viņš nebija viens. 1932. gadā to pārņēma Caltech matemātiskās fizikas un fizikālās ķīmijas profesors Ričards Tolmans. Viņš nebija ne tīrs matemātiķis kā Frīdmens, ne astronoms un astrofiziķis, kā de Siters, Lemaitre un Edingtons. Tolmans bija atzīts statistiskās fizikas un termodinamikas eksperts, ko viņš vispirms apvienoja ar kosmoloģiju.

Rezultāti bija ļoti nenozīmīgi. Tolmans nonāca pie secinājuma, ka kosmosa kopējai entropijai vajadzētu pieaugt no cikla uz ciklu. Entropijas uzkrāšanās noved pie tā, ka arvien vairāk Visuma enerģijas koncentrējas elektromagnētiskajā starojumā, kas no cikla uz ciklu arvien vairāk ietekmē tā dinamiku. Sakarā ar to ciklu garums palielinās, katrs nākamais kļūst garāks par iepriekšējo.

Svārstības saglabājas, bet pārstāj būt periodiskas. Turklāt katrā jaunā ciklā Tolmana Visuma rādiuss palielinās. Līdz ar to maksimālās izplešanās stadijā tam ir vismazākais izliekums, un tā ģeometrija arvien vairāk un ilgāk tuvojas eiklīda izliekumam.

Gravitācijas viļņi
Gravitācijas viļņi

Ričards Tolmans, veidojot savu modeli, palaida garām interesantu iespēju, kurai 1995. gadā uzmanību pievērsa Džons Barovs un Mariušs Dombrovskis. Viņi parādīja, ka Tolmana Visuma svārstību režīms tiek neatgriezeniski iznīcināts, kad tiek ieviests antigravitācijas kosmoloģiskais parametrs.

Šajā gadījumā Tolmana Visums vienā no cikliem vairs nesaraujas singularitātē, bet izplešas ar pieaugošu paātrinājumu un pārvēršas par de Sitera Visumu, ko līdzīgā situācijā veic arī Kasnera visums. Antigravitācija, tāpat kā centība, pārvar visu!

Entītijas reizināšana

logrīku interese
logrīku interese

"Kosmoloģijas dabiskais izaicinājums ir pēc iespējas labāk izprast mūsu pašu Visuma izcelsmi, vēsturi un struktūru," izdevumam Popular Mechanics skaidro Kembridžas universitātes matemātikas profesors Džons Barovs. - Tajā pašā laikā vispārējā relativitāte, pat neaizņemot no citām fizikas nozarēm, ļauj aprēķināt gandrīz neierobežotu skaitu dažādu kosmoloģisko modeļu.

Protams, viņu izvēle tiek veikta, pamatojoties uz astronomiskiem un astrofiziskiem datiem, ar kuru palīdzību iespējams ne tikai pārbaudīt dažādu modeļu atbilstību realitātei, bet arī izlemt, kuras no to sastāvdaļām var kombinēt vispiemērotāk. mūsu pasaules apraksts. Tā radās pašreizējais Visuma standarta modelis. Tātad pat šī iemesla dēļ vēsturiski izstrādātā kosmoloģisko modeļu dažādība ir izrādījusies ļoti noderīga.

Bet tas nav tikai tas. Daudzi modeļi tika izveidoti, pirms astronomi bija uzkrājuši šodien pieejamo datu bagātību. Piemēram, patiesā Visuma izotropijas pakāpe ir noteikta, pateicoties kosmosa aprīkojumam, tikai pēdējo pāris gadu desmitu laikā.

Ir skaidrs, ka agrāk kosmosa dizaineriem bija daudz mazāk empīrisku ierobežojumu. Turklāt, iespējams, pat eksotiski modeļi pēc mūsdienu standartiem nākotnē noderēs, lai aprakstītu tās Visuma daļas, kuras vēl nav pieejamas novērošanai. Un visbeidzot, kosmoloģisko modeļu izgudrošana var vienkārši veicināt vēlmi atrast nezināmus risinājumus vispārējās relativitātes vienādojumiem, un tas arī ir spēcīgs stimuls. Kopumā šādu modeļu pārpilnība ir saprotama un pamatota.

Nesenā kosmoloģijas un elementārdaļiņu fizikas savienība ir pamatota tādā pašā veidā. Tās pārstāvji Visuma agrāko dzīves posmu uzskata par dabisku laboratoriju, kas ideāli piemērota mūsu pasaules pamata simetriju izpētei, kas nosaka fundamentālo mijiedarbības likumus. Šī alianse jau ir ielikusi pamatus veselam fundamentāli jaunu un ļoti dziļu kosmoloģisko modeļu cienītājam. Nav šaubu, ka nākotnē tas nesīs tikpat auglīgus rezultātus.

Visums mikserī

1967. gadā amerikāņu astrofiziķi Deivids Vilkinsons un Brūss Partridžs atklāja, ka relikts mikroviļņu starojums no jebkura virziena, kas atklāts trīs gadus agrāk, nonāk uz Zemes ar praktiski tādu pašu temperatūru. Ar ļoti jutīga radiometra palīdzību, ko izgudroja viņu tautietis Roberts Diks, viņi parādīja, ka relikto fotonu temperatūras svārstības nepārsniedz procenta desmitdaļu (pēc mūsdienu datiem tās ir daudz mazākas).

Tā kā šis starojums radās agrāk nekā 4 00 000 gadus pēc Lielā sprādziena, Vilkinsona un Partridžas rezultāti ļāva uzskatīt, ka pat tad, ja mūsu Visums dzimšanas brīdī nebija gandrīz ideāli izotropisks, tas ieguva šo īpašību bez lielas kavēšanās.

Šī hipotēze radīja ievērojamu problēmu kosmoloģijai. Pirmajos kosmoloģiskajos modeļos telpas izotropija jau no paša sākuma tika noteikta vienkārši kā matemātisks pieņēmums. Tomēr pagājušā gadsimta vidū kļuva zināms, ka vispārējās relativitātes teorijas vienādojumi ļauj izveidot neizotropu Visumu kopu. Šo rezultātu kontekstā gandrīz ideālā CMB izotropija prasīja skaidrojumu.

Visuma mikseris
Visuma mikseris

Šis skaidrojums parādījās tikai astoņdesmito gadu sākumā un bija pilnīgi negaidīts. Tā tika veidota uz principiāli jaunas teorētiskas koncepcijas par superātru (kā mēdz teikt, inflācijas) Visuma izplešanos tā pastāvēšanas pirmajos brīžos (sk. "PM" Nr. 7'2012). 60. gadu otrajā pusē zinātne vienkārši nebija nobriedusi šādām revolucionārām idejām. Bet, kā jūs zināt, ja nav apzīmogota papīra, viņi raksta vienkāršā veidā.

Ievērojamais amerikāņu kosmologs Čārlzs Misners uzreiz pēc Vilkinsona un Partridžas raksta publicēšanas mēģināja izskaidrot mikroviļņu starojuma izotropiju, izmantojot visai tradicionālus līdzekļus. Saskaņā ar viņa hipotēzi, agrīnā Visuma neviendabīgums pamazām izzuda tā daļu savstarpējās "berzes" dēļ, ko izraisīja neitrīno un gaismas plūsmu apmaiņa (savā pirmajā publikācijā Mizners šo domājamo efektu nosauca par neitrīno viskozitāti).

Viņaprāt, šāda viskozitāte var ātri izlīdzināt sākotnējo haosu un padarīt Visumu gandrīz ideāli viendabīgu un izotropisku.

Misnera pētījumu programma izskatījās skaista, bet nedeva praktiskus rezultātus. Galvenais tās neveiksmes iemesls atkal tika atklāts, izmantojot mikroviļņu analīzi. Jebkuri procesi, kas saistīti ar berzi, rada siltumu, tas ir termodinamikas likumu elementāras sekas. Ja Visuma primārās nehomogenitātes tiktu izlīdzinātas neitrīno vai kādas citas viskozitātes dēļ, CMB enerģijas blīvums būtiski atšķirtos no novērotās vērtības.

Kā 70. gadu beigās parādīja amerikāņu astrofiziķis Ričards Matzners un viņa jau pieminētais angļu kolēģis Džons Barovs, viskozie procesi spēj novērst tikai mazākās kosmoloģiskās neviendabības. Pilnīgai Visuma "izlīdzināšanai" bija nepieciešami citi mehānismi, un tie tika atrasti inflācijas teorijas ietvaros.

Kvazārs
Kvazārs

Tomēr Mizners saņēma daudz interesantu rezultātu. Jo īpaši 1969. gadā viņš publicēja jaunu kosmoloģisko modeli, kura nosaukumu viņš aizņēmās … no virtuves iekārtas, mājas maisītāja, ko ražo Sunbeam Products! Mixmaster Universe nepārtraukti sitās visspēcīgākajos krampjos, kas, pēc Miznera domām, liek gaismai cirkulēt pa slēgtiem ceļiem, sajaucot un homogenizējot tās saturu.

Tomēr vēlāka šī modeļa analīze parādīja, ka, lai gan fotoni Miznera pasaulē patiešām veic garus ceļojumus, to sajaukšanas efekts ir ļoti nenozīmīgs.

Neskatoties uz to, Mixmaster Universe ir ļoti interesants. Tāpat kā Frīdmena slēgtais Visums, tas rodas no nulles tilpuma, izplešas līdz noteiktam maksimumam un atkal saraujas savas gravitācijas ietekmē. Taču šī evolūcija nav gluda, kā Frīdmanam, bet gan absolūti haotiska un tāpēc detaļās pilnīgi neparedzama.

Jaunībā šis Visums intensīvi svārstās, izplešas divos virzienos un saraujas trešajā – kā Kasneram. Tomēr izplešanās un kontrakciju orientācijas nav nemainīgas - tās mainās vietām nejauši. Turklāt svārstību biežums ir atkarīgs no laika un, tuvojoties sākuma mirklim, mēdz sasniegt bezgalību. Šāds Visums piedzīvo haotiskas deformācijas, piemēram, želejas trīcēšanu uz apakštasītes. Šīs deformācijas atkal var interpretēt kā gravitācijas viļņu izpausmi, kas pārvietojas dažādos virzienos, daudz vardarbīgāk nekā Kasnera modelī.

Mixmaster Universe iegāja kosmoloģijas vēsturē kā vissarežģītākais no iedomātajiem Visumiem, kas izveidoti, pamatojoties uz "tīro" vispārējo relativitāti. Kopš 1980. gadu sākuma interesantākie šāda veida jēdzieni sāka izmantot kvantu lauka teorijas un elementārdaļiņu teorijas idejas un matemātisko aparātu, un pēc tam bez lielas kavēšanās superstīgu teoriju.

Ieteicams: