Najčudnije i najneobičnije teorije o strukturi svemira

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Uz klasične kozmološke modele, opća teorija relativnosti dopušta stvaranje vrlo, vrlo, vrlo egzotičnih imaginarnih svjetova.

Postoji nekoliko klasičnih kozmoloških modela konstruiranih korištenjem opće teorije relativnosti, dopunjenih homogenošću i izotropijom prostora (vidi "PM" br. 6'2012). Einsteinov zatvoreni svemir ima stalnu pozitivnu zakrivljenost prostora, koja postaje statična zbog uvođenja takozvanog kozmološkog parametra u jednadžbe opće relativnosti, koji djeluje kao antigravitacijsko polje.

U de Sitterovom ubrzavajućem svemiru s nezakrivljenim prostorom nema obične materije, već je ona također ispunjena antigravitacijskim poljem. Tu su i zatvoreni i otvoreni svemiri Alexandera Friedmana; granični svijet Einstein - de Sitter, koji s vremenom postupno smanjuje brzinu širenja na nulu, i konačno, Lemaitreov svemir, rodonačelnik kozmologije Velikog praska, koji raste iz superkompaktnog početnog stanja. Svi oni, a posebno Lemaitreov model, postali su preteča modernog standardnog modela našeg svemira.

Prostor svemira u različitim modelima ima različite zakrivljenosti, koje mogu biti negativne (hiperbolički prostor), nula (ravni euklidski prostor, koji odgovara našem svemiru) ili pozitivne (eliptični prostor). Prva dva modela su otvoreni svemiri, koji se beskrajno šire, posljednji je zatvoren, koji će se prije ili kasnije urušiti. Na ilustraciji su od vrha do dna prikazani dvodimenzionalni analozi takvog prostora.

Postoje, međutim, i drugi svemiri, također generirani vrlo kreativnom, kako je sada uobičajeno reći, korištenjem jednadžbi opće relativnosti. Oni puno manje odgovaraju (ili uopće ne odgovaraju) rezultatima astronomskih i astrofizičkih promatranja, ali su često vrlo lijepi, a ponekad i elegantno paradoksalni. Istina, matematičari i astronomi su ih izmislili u tolikim količinama da ćemo se morati ograničiti na samo nekoliko najzanimljivijih primjera imaginarnih svjetova.

Od špage do palačinke

Nakon pojave (1917.) temeljnog djela Einsteina i de Sittera, mnogi su znanstvenici počeli koristiti jednadžbe opće relativnosti za stvaranje kozmoloških modela. Jedan od prvih koji je to učinio bio je njujorški matematičar Edward Kasner, koji je svoje rješenje objavio 1921. godine.

Njegov svemir je vrlo neobičan. Nedostaje mu ne samo gravitirajuća materija, već i antigravitacijsko polje (drugim riječima, ne postoji Einsteinov kozmološki parametar). Čini se da se u ovom idealno praznom svijetu ništa ne može dogoditi. Međutim, Kasner je priznao da se njegov hipotetski svemir nejednako razvijao u različitim smjerovima. Širi se duž dvije koordinatne osi, ali se skuplja duž treće osi.

Stoga je ovaj prostor očito anizotropan i geometrijskim obrisima podsjeća na elipsoid. Budući da se takav elipsoid proteže u dva smjera i skuplja duž trećeg, postupno se pretvara u ravnu palačinku. Istodobno, Kasnerov svemir uopće ne gubi na težini, njegov se volumen povećava proporcionalno starosti. U početnom trenutku, ova starost je jednaka nuli - i, stoga, volumen je također nula. Međutim, Kasnerovi svemiri nisu rođeni iz točkaste singularnosti, poput svijeta Lemaitrea, već iz nečega poput beskonačno tanke žbice - njegov je početni polumjer jednak beskonačnosti duž jedne osi i nuli duž druge dvije.

Zašto guglamo

Edward Kasner bio je sjajan popularizator znanosti - njegova knjiga Matematika i imaginacija, u koautorstvu s Jamesom Newmanom, danas je ponovno objavljena i čitana. U jednom od poglavlja pojavljuje se broj 10¹⁰⁰… Kaznerov devetogodišnji nećak smislio je ime za ovaj broj - googol (Googol), pa čak i nevjerojatno gigantski broj 10^Googol- kršten izrazom googolplex (Googolplex). Kad su studenti postdiplomskog studija sa Stanforda Larry Page i Sergey Brin pokušavali pronaći ime za svoju tražilicu, njihov prijatelj Sean Anderson preporučio je sveobuhvatni Googolplex.

Međutim, Pageu se svidio skromniji Googol i Anderson je odmah krenuo provjeriti može li se koristiti kao internetska domena. U žurbi je pogriješio i poslao zahtjev ne na Googol.com, nego na Google.com. Ispostavilo se da je ovo ime besplatno i Brinu se toliko svidjelo da su ga on i Page odmah registrirali 15. rujna 1997. godine. Da se dogodilo drugačije, ne bismo imali Google!

Koja je tajna evolucije ovog praznog svijeta? Budući da se njegov prostor "pomiče" na različite načine u različitim smjerovima, nastaju gravitacijske plimne sile koje određuju njegovu dinamiku. Čini se da ih se može riješiti izjednačavanjem stopa ekspanzije duž sve tri osi i time eliminiranjem anizotropije, ali matematika ne dopušta takve slobode.

Istina, moguće je postaviti dvije od tri brzine jednake nuli (drugim riječima, fiksirati dimenzije svemira duž dvije koordinatne osi). U tom će slučaju Kasnerov svijet rasti samo u jednom smjeru, i to strogo proporcionalno vremenu (to je lako razumjeti, jer se tako mora povećati njegov volumen), ali to je sve što možemo postići.

Kasnerov svemir može ostati sam po sebi samo pod uvjetom potpune praznine. Ako mu dodate malo materije, postupno će se početi razvijati poput izotropnog svemira Einstein-de Sittera. Na isti način, kada se u njegove jednadžbe doda Einsteinov parametar različit od nule, on će (sa ili bez materije) asimptotski ući u režim eksponencijalnog izotropnog širenja i pretvoriti se u de Sitterov svemir. Međutim, takvi "dodaci" zapravo samo mijenjaju evoluciju već postojećeg svemira.

U trenutku njezina rođenja, oni praktički ne igraju ulogu, a svemir se razvija po istom scenariju.

Iako je Kasnerov svijet dinamički anizotropan, njegova je zakrivljenost u svakom trenutku jednaka duž svih koordinatnih osi. Međutim, jednadžbe opće relativnosti priznaju postojanje svemira koji ne samo da se razvijaju s anizotropnim brzinama, već imaju i anizotropnu zakrivljenost.

Takve je modele ranih 1950-ih izgradio američki matematičar Abraham Taub. Njegovi se prostori u nekim smjerovima mogu ponašati kao otvoreni svemiri, a u drugim kao zatvoreni svemiri. Štoviše, s vremenom mogu promijeniti predznak s plusa na minus i od minusa na plus. Njihov prostor ne samo da pulsira, već se doslovno okreće iznutra prema van. Fizički se ti procesi mogu povezati s gravitacijskim valovima, koji tako snažno deformiraju prostor da lokalno mijenjaju njegovu geometriju iz sferične u sedlastu i obrnuto. Sve u svemu, čudni svjetovi, iako matematički mogući.

Za razliku od našeg Svemira koji se širi izotropno (dakle, istom brzinom bez obzira na odabrani smjer), Kasnerov svemir se istovremeno širi (duž dvije osi) i skuplja (duž treće).

Fluktuacije svjetova

Ubrzo nakon objavljivanja Kaznerovog djela, pojavili su se članci Aleksandra Fridmana, prvi 1922., drugi 1924. godine. Ovi su radovi predstavili iznenađujuće elegantna rješenja jednadžbi opće relativnosti, koja su imala iznimno konstruktivan učinak na razvoj kozmologije.

Friedmanov koncept temelji se na pretpostavci da je materija u svemiru u prosjeku raspoređena što simetričnije, odnosno potpuno homogeno i izotropno. To znači da je geometrija prostora u svakom trenutku jednog kozmičkog vremena jednaka u svim svojim točkama i u svim smjerovima (strogo govoreći, takvo vrijeme još treba točno odrediti, ali u ovom slučaju je ovaj problem rješiv). Iz toga slijedi da je brzina širenja (ili kontrakcije) svemira u bilo kojem trenutku opet neovisna o smjeru.

Friedmannovi svemiri su stoga potpuno drugačiji od Kasnerovog modela.

U prvom članku Friedman je izgradio model zatvorenog svemira s konstantnom pozitivnom zakrivljenošću prostora. Taj svijet proizlazi iz početnog točkastog stanja s beskonačnom gustoćom materije, širi se do određenog maksimalnog radijusa (i, prema tome, maksimalnog volumena), nakon čega se ponovno urušava u istu singularnu točku (u matematičkom jeziku, singularnost).

Međutim, Friedman tu nije stao. Po njegovom mišljenju, pronađeno kozmološko rješenje ne mora biti ograničeno intervalom između početnog i konačnog singulariteta, već se može nastaviti u vremenu i naprijed i unatrag. Rezultat je beskrajna hrpa svemira nanizanih na vremensku os, koji graniče jedan s drugim u točkama singularnosti.

Jezikom fizike to znači da Friedmannov zatvoreni svemir može oscilirati beskonačno, umirući nakon svake kontrakcije i ponovno se rađati u novi život u sljedećem širenju. Ovo je strogo periodičan proces, budući da se sve oscilacije nastavljaju isto vrijeme. Stoga je svaki ciklus postojanja svemira točna kopija svih ostalih ciklusa.

Ovako je Friedman komentirao ovaj model u svojoj knjizi "Svijet kao prostor i vrijeme": "Dalje, postoje slučajevi kada se radijus zakrivljenosti povremeno mijenja: svemir se skuplja do točke (u ništa), pa opet iz točke dovodi svoj polumjer do određene vrijednosti, pa opet, smanjujući polumjer svoje zakrivljenosti, pretvara se u točku, itd. Nehotice se prisjećamo legende hinduističke mitologije o razdobljima života; moguće je govoriti i o "stvaranju svijeta iz ničega", ali sve to treba smatrati zanimljivim činjenicama koje se ne mogu solidno potvrditi nedovoljnim astronomskim eksperimentalnim materijalom."

Graf potencijala svemira Mixmastera izgleda tako neobično - potencijalna jama ima visoke zidove, između kojih se nalaze tri "doline". Ispod su krivulje ekvipotencijala takvog "svemira u miješalici".

Nekoliko godina nakon objavljivanja Friedmanovih članaka, njegovi modeli stekli su slavu i priznanje. Einstein se ozbiljno zainteresirao za ideju oscilirajućeg svemira i nije bio sam. Godine 1932. preuzeo ga je Richard Tolman, profesor matematičke fizike i fizičke kemije na Caltechu. Nije bio ni čisti matematičar, kao Friedman, ni astronom i astrofizičar, kao de Sitter, Lemaitre i Eddington. Tolman je bio priznati stručnjak za statističku fiziku i termodinamiku, koje je prvi spojio s kozmologijom.

Rezultati su bili vrlo netrivijalni. Tolman je došao do zaključka da bi se ukupna entropija kozmosa trebala povećavati iz ciklusa u ciklus. Akumulacija entropije dovodi do činjenice da se sve više energije svemira koncentrira u elektromagnetskom zračenju, koje iz ciklusa u ciklus sve više utječe na njegovu dinamiku. Zbog toga se duljina ciklusa povećava, svaki sljedeći postaje duži od prethodnog.

Oscilacije traju, ali prestaju biti periodične. Štoviše, u svakom novom ciklusu radijus Tolmanovog svemira se povećava. Posljedično, u fazi najvećeg širenja, ima najmanju zakrivljenost, a geometrija mu je sve veća i sve duže se približava euklidskoj.

Richard Tolman, dok je dizajnirao svoj model, propustio je zanimljivu priliku na koju su John Barrow i Mariusz Dombrowski skrenuli pozornost 1995. godine. Pokazali su da je oscilatorni režim Tolmanovog svemira nepovratno uništen kada se uvede antigravitacijski kozmološki parametar.

U tom se slučaju Tolmanov svemir na jednom od ciklusa više ne skuplja u singularitet, već se širi sve većim ubrzanjem i pretvara u de Sitterov svemir, što u sličnoj situaciji čini i Kasnerov svemir. Antigravitacija, kao i marljivost, pobjeđuje sve!

Množenje entiteta

“Prirodni izazov kozmologije je razumjeti što je moguće bolje podrijetlo, povijest i strukturu našeg svemira,” objašnjava za Popular Mechanics profesor matematike sa Sveučilišta Cambridge John Barrow. - Istodobno, opća teorija relativnosti, čak i bez posuđivanja iz drugih grana fizike, omogućuje izračunavanje gotovo neograničenog broja raznih kozmoloških modela.

Naravno, njihov se odabir vrši na temelju astronomskih i astrofizičkih podataka, uz pomoć kojih je moguće ne samo testirati različite modele na usklađenost sa stvarnošću, već i odlučiti koje se njihove komponente mogu kombinirati za najprikladnije opis našeg svijeta. Tako je nastao trenutni Standardni model svemira. Dakle, čak i samo iz tog razloga, povijesno razvijena raznolikost kozmoloških modela pokazala se vrlo korisnom.

Ali nije samo to. Mnogi su modeli stvoreni prije nego što su astronomi prikupili bogatstvo podataka koje danas imaju. Na primjer, pravi stupanj izotropije svemira je utvrđen zahvaljujući svemirskoj opremi tek u posljednjih nekoliko desetljeća.

Jasno je da su u prošlosti dizajneri prostora imali mnogo manje empirijskih ograničenja. Osim toga, moguće je da će čak i egzotični modeli prema današnjim standardima biti korisni u budućnosti za opisivanje onih dijelova Svemira koji još nisu dostupni za promatranje. I konačno, izum kozmoloških modela može jednostavno potaknuti želju za pronalaženjem nepoznatih rješenja za jednadžbe opće relativnosti, a to je također snažan poticaj. Općenito, obilje takvih modela je razumljivo i opravdano.

Nedavni spoj kozmologije i fizike elementarnih čestica opravdan je na isti način. Njegovi predstavnici smatraju da je najranija faza života svemira prirodni laboratorij, idealno prikladan za proučavanje osnovnih simetrija našeg svijeta, koje određuju zakone temeljnih interakcija. Ovaj savez je već postavio temelje za cijeli obožavatelj temeljno novih i vrlo dubokih kozmoloških modela. Nema sumnje da će u budućnosti donijeti jednako plodne rezultate."

Svemir u mikseru

Godine 1967. američki astrofizičari David Wilkinson i Bruce Partridge otkrili su da reliktno mikrovalno zračenje iz bilo kojeg smjera, otkriveno tri godine ranije, stiže na Zemlju s praktički istom temperaturom. Uz pomoć visokoosjetljivog radiometra, koji je izumio njihov sunarodnjak Robert Dicke, pokazali su da temperaturne fluktuacije reliktnih fotona ne prelaze desetinku postotka (prema suvremenim podacima mnogo su manje).

Budući da je ovo zračenje nastalo prije 4 000 000 godina nakon Velikog praska, rezultati Wilkinsona i Partridgea dali su razlog za vjerovanje da čak i ako naš svemir nije bio gotovo idealno izotropan u trenutku rođenja, on je to svojstvo stekao bez puno odgađanja.

Ova hipoteza predstavljala je značajan problem za kozmologiju. U prvim kozmološkim modelima izotropija prostora je od samog početka položena jednostavno kao matematička pretpostavka. Međutim, još sredinom prošlog stoljeća postalo je poznato da jednadžbe opće relativnosti omogućuju konstruiranje skupa ne-izotropnih svemira. U kontekstu ovih rezultata, gotovo idealna izotropija CMB-a zahtijevala je objašnjenje.

Ovo objašnjenje pojavilo se tek početkom 1980-ih i bilo je potpuno neočekivano. Izgrađena je na temeljno novom teoretskom konceptu superbrze (kako se obično kaže, inflatornog) širenja Svemira u prvim trenucima njegova postojanja (vidi "PM" br. 7'2012). U drugoj polovici 1960-ih, znanost jednostavno nije bila zrela za takve revolucionarne ideje. Ali, kao što znate, u nedostatku otisnutog papira, pišu na običnom.

Istaknuti američki kozmolog Charles Misner, odmah nakon objave članka Wilkinsona i Partridgea, pokušao je objasniti izotropiju mikrovalnog zračenja sasvim tradicionalnim sredstvima. Prema njegovoj hipotezi, nehomogenosti ranog svemira postupno su nestale zbog međusobnog "trenja" njegovih dijelova, uzrokovanog izmjenom neutrina i svjetlosnih tokova (u svojoj prvoj publikaciji Mizner je ovaj navodni učinak nazvao neutrina viskoznost).

Prema njegovim riječima, takva viskoznost može brzo izgladiti početni kaos i učiniti Svemir gotovo savršeno homogenim i izotropnim.

Misnerov istraživački program izgledao je lijepo, ali nije donio praktične rezultate. Glavni razlog njegovog neuspjeha ponovno je otkriven mikrovalnom analizom. Svaki proces koji uključuje trenje stvara toplinu, to je elementarna posljedica zakona termodinamike. Kada bi se primarne nehomogenosti Svemira izgladile zbog neutrina ili neke druge viskoznosti, gustoća energije CMB bi se značajno razlikovala od promatrane vrijednosti.

Kako su krajem 1970-ih pokazali američki astrofizičar Richard Matzner i njegov već spomenuti engleski kolega John Barrow, viskozni procesi mogu eliminirati samo najmanje kozmološke nehomogenosti. Za potpuno "zaglađivanje" Svemira bili su potrebni i drugi mehanizmi, a pronađeni su u okviru teorije inflacije.

Ipak, Mizner je dobio mnogo zanimljivih rezultata. Konkretno, 1969. godine objavio je novi kozmološki model, čiji je naziv posudio … od kuhinjskog aparata, kućne miješalice Sunbeam Products! Mixmaster Universe neprestano kuca u najjačim grčevima, zbog kojih, prema Mizneru, svjetlost kruži zatvorenim stazama, miješajući i homogenizirajući svoj sadržaj.

Međutim, kasnija analiza ovog modela pokazala je da, iako fotoni u Miznerovom svijetu doista putuju na duga putovanja, njihov učinak miješanja je vrlo beznačajan.

Ipak, Mixmaster Universe je vrlo zanimljiv. Poput Friedmanova zatvorenog svemira, on nastaje iz nulte zapremine, širi se do određenog maksimuma i ponovno se skuplja pod utjecajem vlastite gravitacije. Ali ova evolucija nije glatka, kao Friedmanova, već apsolutno kaotična i stoga potpuno nepredvidiva u detaljima.

U mladosti ovaj svemir intenzivno oscilira, širi se u dva smjera i skuplja u trećem – poput Kasnerova. Međutim, orijentacije ekspanzija i kontrakcija nisu konstantne - one se nasumično mijenjaju. Štoviše, frekvencija oscilacija ovisi o vremenu i teži beskonačnosti kada se približi početnom trenutku. Takav svemir prolazi kroz kaotične deformacije, poput želea koji drhti na tanjuriću. Ove se deformacije opet mogu protumačiti kao manifestacija gravitacijskih valova koji se kreću u različitim smjerovima, mnogo jače nego u Kasnerovom modelu.

Mixmaster Universe ušao je u povijest kozmologije kao najsloženiji od imaginarnih svemira stvorenih na temelju "čiste" opće teorije relativnosti. Od ranih 1980-ih, najzanimljiviji koncepti ove vrste počeli su koristiti ideje i matematički aparat kvantne teorije polja i teorije elementarnih čestica, a potom, bez puno odlaganja, teorije superstruna.