A világegyetem felépítésének legfurcsább és legszokatlanabb elméletei

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

Az általános relativitáselmélet a klasszikus kozmológiai modellek mellett nagyon-nagyon-nagyon egzotikus képzeletbeli világok létrehozását teszi lehetővé.

Számos klasszikus kozmológiai modell létezik, amelyek az általános relativitáselmélet segítségével épültek fel, kiegészítve a tér homogenitásával és izotrópiájával (lásd: PM 6'2012). Einstein zárt univerzumának állandó pozitív térgörbülete van, ami az úgynevezett kozmológiai paraméternek az általános relativitáselmélet egyenleteibe való beillesztése miatt válik statikussá, amely antigravitációs mezőként működik.

De Sitter gyorsuló univerzumában a nem görbült térrel nincs közönséges anyag, hanem antigravitációs mezővel is meg van töltve. Ott van Alexander Friedman zárt és nyitott univerzuma is; Einstein - de Sitter határvilága, amely az idő múlásával fokozatosan nullára csökkenti a tágulási sebességet, és végül a Lemaitre-univerzum, az Ősrobbanás kozmológia elődje, amely szuperkompakt kezdeti állapotból nő. Mindegyik, és különösen a Lemaitre-modell univerzumunk modern szabványmodelljének előfutára lett.

A világegyetem tere a különböző modellekben eltérő görbülettel rendelkezik, ami lehet negatív (hiperbolikus tér), nulla (sík euklideszi tér, a mi univerzumunknak megfelelő) vagy pozitív (elliptikus tér). Az első két modell nyitott univerzum, végtelenül tágul, az utolsó zárt, ami előbb-utóbb összeomlik. Az illusztráció egy ilyen tér kétdimenziós analógjait mutatja felülről lefelé.

Léteznek azonban más univerzumok is, amelyeket szintén az általános relativitáselmélet egyenletek nagyon kreatív – ahogyan azt ma szokás mondani – felhasználásával hozták létre. Sokkal kevésbé (vagy egyáltalán nem) felelnek meg a csillagászati és asztrofizikai megfigyelések eredményeinek, de gyakran nagyon szépek, néha pedig elegánsan paradoxon. Igaz, a matematikusok és a csillagászok olyan mennyiségben találták ki őket, hogy a képzeletbeli világok néhány legérdekesebb példájára kell szorítkoznunk.

A madzagtól a palacsintáig

Einstein és de Sitter alapvető munkájának megjelenése (1917) után sok tudós elkezdte használni az általános relativitáselmélet egyenleteit kozmológiai modellek létrehozására. Az elsők között Edward Kasner New York-i matematikus tette ezt, aki 1921-ben publikálta megoldását.

Univerzuma nagyon szokatlan. Nem csak a gravitációs anyag hiányzik belőle, hanem az antigravitációs mező is (más szóval, nincs Einstein kozmológiai paramétere). Úgy tűnik, ebben az ideálisan üres világban semmi sem történhet. Kasner azonban elismerte, hogy hipotetikus univerzuma egyenetlenül fejlődött különböző irányokba. Két koordinátatengely mentén tágul, de a harmadik tengely mentén összehúzódik.

Ezért ez a tér nyilvánvalóan anizotróp, és geometriai körvonalaiban ellipszoidhoz hasonlít. Mivel egy ilyen ellipszoid két irányba nyúlik, és a harmadik mentén összehúzódik, fokozatosan lapos palacsintává válik. A Kasner-univerzum ugyanakkor egyáltalán nem fogy, térfogata az életkorral arányosan nő. A kezdeti pillanatban ez a kor egyenlő nullával - és ezért a hangerő is nulla. A Kasner-univerzumok azonban nem pontszingularitásból születnek, mint Lemaitre világa, hanem valami végtelenül vékony küllőből – kezdeti sugara az egyik tengely mentén a végtelen, a másik kettő mentén nulla.

Miért guglizunk

Edward Kasner a tudomány zseniális népszerűsítője volt – James Newmannel közösen írt Matematika és képzelet című könyvét ma újra kiadják és olvassák. Az egyik fejezetben a 10-es szám jelenik meg¹⁰⁰… Kazner kilencéves unokaöccse talált ki egy nevet ennek a számnak - googol (Googol), sőt egy hihetetlenül gigantikus 10-es szám^Googol- keresztelték el a googolplex (Googolplex) kifejezést. Amikor a Stanford végzős hallgatói, Larry Page és Sergey Brin nevet próbáltak találni keresőjüknek, haverjuk, Sean Anderson a mindenre kiterjedő Googolplexet ajánlotta.

Page azonban megkedvelte a szerényebb Googolt, és Anderson azonnal nekilátott, hogy ellenőrizze, használható-e internetes tartományként. Sietve elgépelt, és nem a Googol.com-ra, hanem a Google.com-ra küldött egy kérést. Ez a név szabadnak bizonyult, és Brinnek annyira megtetszett, hogy 1997. szeptember 15-én ő és Page azonnal bejegyezték. Ha másként történt volna, akkor nem lenne Google!

Mi a titka ennek az üres világnak a fejlődésének? Mivel a tere más-más módon „eltolódik” különböző irányok mentén, gravitációs árapály-erők keletkeznek, amelyek meghatározzák a dinamikáját. Úgy tűnik, hogy meg lehet szabadulni tőlük, ha mindhárom tengely mentén kiegyenlítjük a tágulási sebességet, és ezzel kiküszöböljük az anizotrópiát, de a matematika nem enged ilyen szabadságjogokat.

Igaz, a három sebesség közül kettőt nullára állíthatunk (más szóval rögzíthetjük az univerzum méreteit két koordinátatengely mentén). Ebben az esetben Kasner világa csak egy irányba, és szigorúan az idővel arányosan fog növekedni (ez könnyen érthető, hiszen így kell növekednie a térfogatának), de ez minden, amit el tudunk érni.

A Kasner-univerzum csak a teljes üresség feltétele mellett maradhat meg önmagában. Ha hozzáadunk hozzá egy kis anyagot, fokozatosan fejlődni kezd, mint Einstein-de Sitter izotróp univerzuma. Ugyanígy, ha egy nullától eltérő Einstein-paramétert adunk az egyenletekhez, az (anyaggal vagy anélkül) aszimptotikusan belép az exponenciális izotróp tágulás rezsimjébe, és de Sitter univerzumává alakul. Az ilyen "kiegészítések" azonban valójában csak a már létező univerzum evolúcióját változtatják meg.

Születésének pillanatában gyakorlatilag nem játszanak szerepet, és az univerzum ugyanazon forgatókönyv szerint fejlődik.

Bár a Kasner-világ dinamikusan anizotróp, görbülete mindenkor minden koordinátatengely mentén azonos. Az általános relativitáselmélet egyenletei azonban elismerik olyan univerzumok létezését, amelyek nemcsak anizotróp sebességgel fejlődnek, hanem anizotróp görbülettel is rendelkeznek.

Ilyen modelleket épített az 1950-es évek elején Abraham Taub amerikai matematikus. A terei bizonyos irányban nyitott univerzumként, máshol zárt univerzumként viselkedhetnek. Sőt, idővel megváltoztathatják az előjelet pluszról mínuszra és mínuszról pluszra. A terük nem csak lüktet, hanem szó szerint kifelé fordul. Fizikailag ezek a folyamatok a gravitációs hullámokhoz köthetők, amelyek olyan erősen deformálják a teret, hogy lokálisan megváltoztatják annak geometriáját gömb alakúról nyeregre és fordítva. Összességében furcsa világok, bár matematikailag lehetségesek.

Ellentétben a mi Univerzumunkkal, amely izotróp módon tágul (azaz azonos sebességgel, függetlenül a választott iránytól), Kasner univerzuma egyszerre tágul (két tengely mentén) és összehúzódik (a harmadik tengely mentén).

A világok ingadozásai

Nem sokkal Kazner művének megjelenése után Alexander Fridman cikkei jelentek meg, az első 1922-ben, a második 1924-ben. Ezek a dolgozatok meglepően elegáns megoldásokat mutattak be az általános relativitáselmélet egyenleteire, amelyek rendkívül konstruktívan hatnak a kozmológia fejlődésére.

Friedman koncepciója azon a feltételezésen alapul, hogy az anyag a világűrben átlagosan a lehető legszimmetrikusabb, azaz teljesen homogén és izotróp eloszlású. Ez azt jelenti, hogy a tér geometriája egyetlen kozmikus idő minden pillanatában minden pontjában és minden irányban azonos (szigorúan véve egy ilyen időt még helyesen meg kell határozni, de ebben az esetben ez a probléma megoldható). Ebből következik, hogy az univerzum tágulási (vagy összehúzódási) sebessége egy adott pillanatban ismét független az iránytól.

Friedmann univerzumai tehát teljesen eltérnek Kasner modelljétől.

Az első cikkben Friedman egy zárt univerzum modelljét építette meg állandó pozitív térgörbülettel. Ez a világ egy végtelen anyagsűrűségű kezdeti pontállapotból keletkezik, egy bizonyos maximális sugárig (és ezáltal maximális térfogatig) tágul, majd ismét összeomlik ugyanabba a szinguláris pontba (matematikai nyelven szingularitásba).

Friedman azonban nem állt meg itt. Véleménye szerint a megtalált kozmológiai megoldást nem kell korlátoznia a kezdeti és a végső szingularitás közötti intervallumnak, az időben folytatható előre és hátra is. Az eredmény egy végtelen csomó univerzum az időtengelyen, amelyek szingularitási pontokon határolják egymást.

A fizika nyelvén ez azt jelenti, hogy a Friedmann-féle zárt univerzum végtelenül oszcillálhat, minden összehúzódás után elhal, és a következő tágulásban új életre születhet. Ez szigorúan periodikus folyamat, mivel minden rezgés ugyanannyi ideig folytatódik. Ezért a világegyetem létezésének minden ciklusa az összes többi ciklus pontos mása.

Friedman így kommentálta ezt a modellt "A világ mint tér és idő" című könyvében: "Továbbá, vannak esetek, amikor a görbületi sugár periodikusan változik: az univerzum összehúzódik egy pontba (semmivé), majd ismét egy pontból. sugarát egy bizonyos értékre hozza, majd a görbületi sugarát csökkentve ponttá alakul stb. Az ember önkéntelenül is felidézi a hindu mitológia életszakaszokról szóló legendáját; lehet "a világ semmiből teremtéséről" is beszélni, de mindezt olyan furcsa tényeknek kell tekinteni, amelyeket nem lehet szilárdan megerősíteni elégtelen csillagászati kísérleti anyaggal.

A Mixmaster univerzum potenciáljának grafikonja olyan szokatlannak tűnik - a potenciálgödörnek magas falai vannak, amelyek között három "völgy" található. Az alábbiakban egy ilyen „univerzum egy keverőben” ekvipotenciális görbéi láthatók.

Néhány évvel Friedman cikkeinek megjelenése után modelljei hírnévre és elismerésre tettek szert. Einsteint komolyan érdekelte az oszcilláló univerzum ötlete, és nem volt egyedül. 1932-ben Richard Tolman, a Caltech matematikai fizika és fizikai kémia professzora vette át. Nem volt sem tiszta matematikus, mint Friedman, sem csillagász és asztrofizikus, mint de Sitter, Lemaitre és Eddington. Tolman a statisztikai fizika és a termodinamika elismert szakértője volt, amelyeket először a kozmológiával kombinált.

Az eredmények nagyon nem triviálisak voltak. Tolman arra a következtetésre jutott, hogy a kozmosz teljes entrópiájának ciklusról ciklusra növekednie kell. Az entrópia felhalmozódása oda vezet, hogy az univerzum energiájának egyre nagyobb része koncentrálódik az elektromágneses sugárzásban, ami ciklusról ciklusra egyre jobban befolyásolja annak dinamikáját. Emiatt a ciklusok hossza megnő, minden következő hosszabb lesz, mint az előző.

Az oszcillációk továbbra is fennállnak, de megszűnnek periodikusak lenni. Ráadásul minden új ciklusban a Tolman-univerzum sugara növekszik. Következésképpen a maximális tágulás szakaszában ennek a legkisebb a görbülete, és geometriája egyre inkább és hosszabb ideig közelít az euklideszihez.

Richard Tolman modelljének tervezése során elszalasztott egy érdekes lehetőséget, amelyre John Barrow és Mariusz Dombrowski hívta fel a figyelmet 1995-ben. Megmutatták, hogy a Tolman-univerzum oszcillációs rendszere visszafordíthatatlanul megsemmisül, ha egy antigravitációs kozmológiai paramétert vezetnek be.

Ebben az esetben a Tolman-univerzum az egyik cikluson már nem szingularitássá zsugorodik, hanem növekvő gyorsulással tágul és de Sitter univerzumává alakul, amit hasonló helyzetben a Kasner-univerzum is megtesz. Az antigravitáció, mint a szorgalom, mindent legyőz!

Entitásszorzás

„A kozmológia természetes kihívása, hogy a lehető legjobban megértsük saját univerzumunk eredetét, történetét és szerkezetét” – magyarázza a Popular Mechanics című lapnak John Barrow, a Cambridge-i Egyetem matematikaprofesszora. - Az általános relativitáselmélet ugyanakkor a fizika más ágaiból való kölcsönzés nélkül is szinte korlátlan számú különféle kozmológiai modell kiszámítását teszi lehetővé.

Természetesen a választásuk csillagászati és asztrofizikai adatok alapján történik, amelyek segítségével nem csak különböző modellek tesztelhetők a valóságnak való megfelelés érdekében, hanem eldönthető, hogy melyik összetevőjük kombinálható a legmegfelelőbb módon. világunk leírása. Így jött létre az Univerzum jelenlegi Standard Modellje. Tehát a kozmológiai modellek történetileg kialakult változatossága már ezért is nagyon hasznosnak bizonyult.

De nem csak erről van szó. Sok modellt még azelőtt készítettek, hogy a csillagászok felhalmozták volna a ma rendelkezésre álló rengeteg adatot. Például az univerzum izotrópiájának valódi fokát az űrberendezéseknek köszönhetően csak az elmúlt néhány évtizedben sikerült megállapítani.

Nyilvánvaló, hogy a múltban a tértervezőknek sokkal kevésbé voltak empirikus korlátai. Emellett elképzelhető, hogy a jövőben még a mai mércével mért egzotikus modellek is hasznosak lesznek az Univerzum azon részei leírására, amelyek még nem elérhetők megfigyelésre. És végül, a kozmológiai modellek feltalálása egyszerűen elterjesztheti a vágyat, hogy az általános relativitáselmélet egyenleteire ismeretlen megoldásokat találjanak, és ez egyben erőteljes ösztönző is. Általában véve érthető és indokolt az ilyen modellek bősége.

A kozmológia és az elemi részecskefizika közelmúltbeli egyesülése ugyanígy indokolt. Képviselői az Univerzum életének legkorábbi szakaszát természetes laboratóriumnak tekintik, amely ideálisan alkalmas világunk alapvető szimmetriáinak tanulmányozására, amelyek meghatározzák az alapvető kölcsönhatások törvényeit. Ez a szövetség már megalapozta az alapvetően új és nagyon mély kozmológiai modellek rajongóit. Kétségtelen, hogy a jövőben ugyanolyan gyümölcsöző eredményeket fog hozni."

Univerzum a keverőben

1967-ben David Wilkinson és Bruce Partridge amerikai asztrofizikusok felfedezték, hogy a három évvel korábban felfedezett relikvia mikrohullámú sugárzás bármely irányból gyakorlatilag azonos hőmérsékleten érkezik a Földre. Honfitársuk, Robert Dicke által feltalált rendkívül érzékeny radiométer segítségével kimutatták, hogy a reliktum fotonok hőmérséklet-ingadozása nem haladja meg a tized százalékot (a modern adatok szerint sokkal kisebb).

Mivel ez a sugárzás korábban, mint 4 00 000 évvel az ősrobbanás után keletkezett, Wilkinson és Partridge eredményei okot adtak annak feltételezésére, hogy még ha világegyetemünk nem is volt szinte ideális izotróp a születés pillanatában, ezt a tulajdonságot különösebb késedelem nélkül megszerezte.

Ez a hipotézis jelentős problémát jelentett a kozmológia számára. Az első kozmológiai modellekben a tér izotrópiáját a kezdetektől fogva egyszerűen matematikai feltételezésként fektették le. A múlt század közepén azonban ismertté vált, hogy az általános relativitáselmélet egyenletei lehetővé teszik nem-izotróp univerzumok halmazának megalkotását. Ezen eredményekkel összefüggésben a CMB szinte ideális izotrópiája magyarázatot igényelt.

Ez a magyarázat csak az 1980-as évek elején jelent meg, és teljesen váratlan volt. Az Univerzum létezésének első pillanataiban bekövetkező szupergyors (ahogy szokták mondani, inflációs) tágulásának alapvetően új elméleti koncepciójára épült (lásd: PM 7'2012). Az 1960-as évek második felében a tudomány egyszerűen nem volt megérett az ilyen forradalmi elképzelésekre. De mint tudod, pecsétes papír hiányában sima egyben írnak.

A neves amerikai kozmológus, Charles Misner közvetlenül Wilkinson és Partridge cikkének megjelenése után egészen hagyományos eszközökkel próbálta megmagyarázni a mikrohullámú sugárzás izotrópiáját. Hipotézise szerint a korai Univerzum inhomogenitásai fokozatosan eltűntek a részeinek kölcsönös "súrlódása" miatt, amelyet a neutrínók és a fényáramok cseréje okozott (Mizner ezt a feltételezett hatást első publikációjában neutrínó viszkozitásnak nevezte).

Szerinte egy ilyen viszkozitás gyorsan elsimíthatja a kezdeti káoszt, és szinte tökéletesen homogénné és izotrópná teheti az Univerzumot.

Misner kutatási programja gyönyörűnek tűnt, de gyakorlati eredményeket nem hozott. Meghibásodásának fő okát a mikrohullámú elemzés ismét feltárta. Bármilyen súrlódással járó folyamat hőt termel, ez a termodinamika törvényeinek elemi következménye. Ha az Univerzum elsődleges inhomogenitásait neutrínó vagy más viszkozitás miatt kisimítanák, a CMB energiasűrűsége jelentősen eltérne a megfigyelt értéktől.

Amint azt Richard Matzner amerikai asztrofizikus és már említett angol kollégája, John Barrow az 1970-es évek végén kimutatta, a viszkózus folyamatok csak a legkisebb kozmológiai inhomogenitásokat tudják megszüntetni. Az Univerzum teljes "kisimításához" más mechanizmusokra volt szükség, amelyeket az inflációs elmélet keretein belül találtak meg.

Ennek ellenére Mizner sok érdekes eredményt kapott. Különösen 1969-ben adott ki egy új kozmológiai modellt, amelynek nevét … egy konyhai készüléktől, a Sunbeam Products által gyártott otthoni keverőtől kölcsönözte! A Mixmaster Univerzum folyamatosan a legerősebb görcsökben ver, amelyek Mizner szerint zárt utakon keringetik a fényt, keverik és homogenizálják annak tartalmát.

A modell későbbi elemzése azonban azt mutatta, hogy bár a fotonok Mizner világában hosszú utakat tesznek meg, keveredési hatásuk nagyon jelentéktelen.

Ennek ellenére a Mixmaster Universe nagyon érdekes. Friedman zárt univerzumához hasonlóan nulla térfogatból keletkezik, egy bizonyos maximumig kitágul, és saját gravitációja hatására újra összehúzódik. De ez az evolúció nem zökkenőmentes, mint Friedmané, hanem teljesen kaotikus, ezért a részletekben teljesen kiszámíthatatlan.

Fiatalkorban ez az univerzum intenzíven oszcillál, két irányba tágul, a harmadikban pedig összehúzódik – mint Kasneré. A tágulások és összehúzódások iránya azonban nem állandó - véletlenszerűen változtatják a helyüket. Ezenkívül az oszcillációk gyakorisága az időtől függ, és a kezdeti pillanathoz közeledve a végtelenbe hajlik. Egy ilyen univerzum kaotikus deformációkon megy keresztül, mint a csészealjakon remegő zselé. Ezek a deformációk ismét a Kasner-modellnél sokkal hevesebben mozgó gravitációs hullámok megnyilvánulásaként értelmezhetők.

A Mixmaster Univerzum a "tiszta" általános relativitáselmélet alapján létrehozott képzeletbeli univerzumok legbonyolultabbjaként vonult be a kozmológia történetébe. Az 1980-as évek eleje óta a legérdekesebb ilyen koncepciók a kvantumtérelmélet és az elemi részecskeelmélet, majd késedelem nélkül a szuperhúrelmélet gondolatait és matematikai apparátusát kezdték használni.