Съдържание:

Най-странните и необичайни теории за структурата на Вселената
Най-странните и необичайни теории за структурата на Вселената

Видео: Най-странните и необичайни теории за структурата на Вселената

Видео: Най-странните и необичайни теории за структурата на Вселената
Видео: Това е Най-Страшната Планета в Цялата Вселена 2024, Март
Anonim

В допълнение към класическите космологични модели, общата теория на относителността позволява създаването на много, много, много екзотични въображаеми светове.

Съществуват няколко класически космологични модела, конструирани с помощта на общата теория на относителността, допълнени от хомогенността и изотропността на пространството (виж "ПМ" № 6'2012). Затворената вселена на Айнщайн има постоянна положителна кривина на пространството, която става статична поради въвеждането на т. нар. космологичен параметър в уравненията на общата теория на относителността, който действа като антигравитационно поле.

В ускоряващата се вселена на де Ситер с неизвито пространство няма обикновена материя, но тя също е изпълнена с антигравитационно поле. Има и затворените и отворените вселени на Александър Фридман; граничният свят на Айнщайн - де Ситер, който постепенно намалява скоростта на разширяване до нула с течение на времето, и накрая, вселената на Леметр, родоначалникът на космологията на Големия взрив, израстваща от суперкомпактно първоначално състояние. Всички те, и особено моделът Lemaitre, се превърнаха в предшественици на съвременния стандартен модел на нашата вселена.

Пространство на Вселената в различни модели
Пространство на Вселената в различни модели

Пространството на Вселената в различните модели има различни кривини, които могат да бъдат отрицателни (хиперболично пространство), нула (плоско евклидово пространство, съответстващо на нашата Вселена) или положителни (елиптично пространство). Първите два модела са отворени вселени, разширяващи се безкрайно, последният е затворен, който рано или късно ще се срине. Илюстрацията показва отгоре надолу двуизмерни аналози на такова пространство.

Съществуват обаче и други вселени, също генерирани от много креативно, както сега е обичайно да се казва, използване на уравненията на общата теория на относителността. Те отговарят много по-малко (или изобщо не отговарят) на резултатите от астрономически и астрофизични наблюдения, но често са много красиви, а понякога и елегантно парадоксални. Вярно е, че математиците и астрономите са ги измислили в такива количества, че ще трябва да се ограничим само до няколко от най-интересните примери за въображаеми светове.

От конец до палачинка

След появата (през 1917 г.) на фундаменталната работа на Айнщайн и де Ситер, много учени започват да използват уравненията на общата теория на относителността за създаване на космологични модели. Един от първите, които направиха това, беше нюйоркският математик Едуард Каснер, който публикува своето решение през 1921 г.

мъглявина
мъглявина

Вселената му е много необичайна. Липсва не само гравитираща материя, но и антигравитационно поле (с други думи, няма космологичен параметър на Айнщайн). Изглежда, че в този идеално празен свят нищо не може да се случи. Каснер обаче призна, че неговата хипотетична вселена еволюира неравномерно в различни посоки. Разширява се по две координатни оси, но се свива по третата ос.

Следователно това пространство очевидно е анизотропно и наподобява елипсоид в геометрични очертания. Тъй като такъв елипсоид се разтяга в две посоки и се свива по протежение на третата, той постепенно се превръща в плоска палачинка. В същото време Вселената на Каснер изобщо не отслабва, обемът й се увеличава пропорционално на възрастта. В началния момент тази възраст е равна на нула - и следователно обемът също е нула. Вселените на Каснер обаче не се раждат от точкова сингулярност, като света на Леметр, а от нещо като безкрайно тънка спица – началният й радиус е равен на безкрайност по една ос и нула по останалите две.

Защо гуглим

джаджа-лихва
джаджа-лихва

Едуард Каснер беше брилянтен популяризатор на науката - книгата му "Математика и въображението", в съавторство с Джеймс Нюман, е преиздадена и четена днес. В една от главите се появява числото 10100… Деветгодишният племенник на Казнер измисли име за това число - googol (Googol) и дори невероятно гигантско число 10Гугол- кръстен терминът googolplex (Гуголплекс). Когато аспирантите от Станфорд Лари Пейдж и Сергей Брин се опитваха да намерят име за своята търсачка, техният приятел Шон Андерсън препоръча всеобхватния Googolplex.

Въпреки това Пейдж хареса по-скромния Googol и Андерсън веднага се зае да провери дали може да се използва като интернет домейн. Набързо той направи печатна грешка и изпрати заявка не до Googol.com, а до Google.com. Това име се оказва безплатно и Брин толкова го харесва, че той и Пейдж веднага го регистрират на 15 септември 1997 г. Ако се беше случило по друг начин, нямаше да имаме Google!

Каква е тайната на еволюцията на този празен свят? Тъй като пространството му се „измества“по различни начини в различни посоки, възникват гравитационни приливни сили, които определят неговата динамика. Изглежда, че човек може да се отърве от тях, като се изравнят скоростите на разширение по всичките три оси и по този начин се елиминира анизотропията, но математиката не позволява такива свободи.

Вярно е, че може да се зададе две от трите скорости, равни на нула (с други думи, да се фиксират размерите на Вселената по две координатни оси). В този случай светът на Каснер ще расте само в една посока и то строго пропорционално на времето (това е лесно за разбиране, тъй като по този начин трябва да се увеличава обемът му), но това е всичко, което можем да постигнем.

Вселената на Каснер може да остане сама по себе си само при условие на пълна празнота. Ако добавите малко материя към нея, тя постепенно ще започне да се развива като изотропната вселена на Айнщайн-де Ситер. По същия начин, когато към неговите уравнения се добави ненулев параметър на Айнщайн, той (със или без материя) ще влезе асимптотично в режима на експоненциално изотропно разширение и ще се превърне във вселената на де Ситер. Въпреки това, подобни "допълнения" наистина променят само еволюцията на вече съществуващата вселена.

В момента на раждането й те практически не играят роля и Вселената се развива по същия сценарий.

Вселената
Вселената

Въпреки че светът на Каснер е динамично анизотропен, неговата кривина по всяко време е една и съща по всички координатни оси. Въпреки това, уравненията на общата теория на относителността допускат съществуването на вселени, които не само се развиват с анизотропни скорости, но и имат анизотропна кривина.

Такива модели са построени в началото на 50-те години на миналия век от американския математик Ейбрахам Тауб. Неговите пространства могат да се държат като отворени вселени в някои посоки и като затворени вселени в други. Освен това с течение на времето те могат да променят знака от плюс на минус и от минус на плюс. Тяхното пространство не само пулсира, но буквално се обръща навън. Физически тези процеси могат да бъдат свързани с гравитационни вълни, които деформират пространството толкова силно, че локално променят геометрията му от сферична в седловина и обратно. Като цяло, странни светове, макар и математически възможни.

Вселената на Казнер
Вселената на Казнер

За разлика от нашата Вселена, която се разширява изотропно (тоест със същата скорост, независимо от избраната посока), Вселената на Каснер едновременно се разширява (по две оси) и се свива (по третата).

Флуктуации на световете

Скоро след публикуването на работата на Казнер се появяват статии на Александър Фридман, първата през 1922 г., втората през 1924 г. Тези статии представиха изненадващо елегантни решения на уравненията на общата теория на относителността, които оказаха изключително конструктивен ефект върху развитието на космологията.

Концепцията на Фридман се основава на предположението, че средно материята е разпределена в космическото пространство възможно най-симетрично, тоест напълно хомогенна и изотропна. Това означава, че геометрията на пространството във всеки момент от едно космическо време е една и съща във всичките му точки и във всички посоки (строго погледнато, такова време все още трябва да бъде правилно определено, но в този случай този проблем е разрешим). От това следва, че скоростта на разширяване (или свиване) на Вселената във всеки даден момент отново не зависи от посоката.

Следователно вселените на Фридман са напълно различни от модела на Каснер.

В първата статия Фридман изгражда модел на затворена вселена с постоянна положителна кривина на пространството. Този свят възниква от първоначално точково състояние с безкрайна плътност на материята, разширява се до определен максимален радиус (и следователно максимален обем), след което отново се срива в същата единична точка (на математически език, сингулярност).

Флуктуации на световете
Флуктуации на световете

Фридман обаче не спря дотук. Според него намереното космологично решение не трябва да бъде ограничено от интервала между началната и крайната сингулярност, а може да бъде продължено във времето както напред, така и назад. Резултатът е безкраен куп вселени, нанизани по оста на времето, които граничат една с друга в точки на сингулярност.

На езика на физиката това означава, че затворената вселена на Фридман може да осцилира безкрайно, да умира след всяко свиване и да се преражда за нов живот при следващото разширяване. Това е строго периодичен процес, тъй като всички трептения продължават за същия период от време. Следователно всеки цикъл от съществуването на Вселената е точно копие на всички останали цикли.

Ето как Фридман коментира този модел в книгата си „Светът като пространство и време“: „Освен това има случаи, когато радиусът на кривината се променя периодично: Вселената се свива до точка (в нищо), след това отново от точка довежда радиуса си до определена стойност, след което отново, намалявайки радиуса на кривината му, той се превръща в точка и т. н. Човек неволно си припомня легендата на индуистката митология за периодите на живота; може да се говори и за „създаването на света от нищото“, но всичко това трябва да се разглежда като любопитни факти, които не могат да бъдат твърдо потвърдени от недостатъчен астрономически експериментален материал.“

Потенциален сюжет на вселената на Mixmaster
Потенциален сюжет на вселената на Mixmaster

Графиката на потенциала на вселената на Mixmaster изглежда толкова необичайна - потенциалната яма има високи стени, между които има три "долини". По-долу са еквипотенциалните криви на такава „вселена в миксер“.

Няколко години след публикуването на статиите на Фридман, неговите модели печелят слава и признание. Айнщайн се интересува сериозно от идеята за осцилираща вселена и той не е сам. През 1932 г. той е поет от Ричард Толман, професор по математическа физика и физическа химия в Калтех. Той не беше нито чист математик като Фридман, нито астроном и астрофизик, като дьо Ситер, Леметр и Едингтън. Толман е признат експерт по статистическа физика и термодинамика, които първо комбинира с космологията.

Резултатите бяха много нетривиални. Толман стига до заключението, че общата ентропия на космоса трябва да се увеличава от цикъл на цикъл. Натрупването на ентропия води до факта, че все повече и повече от енергията на Вселената се концентрира в електромагнитно излъчване, което от цикъл на цикъл все повече влияе върху неговата динамика. Поради това продължителността на циклите се увеличава, всеки следващ става по-дълъг от предишния.

Трептенията продължават, но престават да бъдат периодични. Освен това при всеки нов цикъл радиусът на Вселената на Толман се увеличава. Следователно, на етапа на максимално разширение, той има най-малка кривина, а геометрията му е все повече и за все по-дълго време се доближава до евклидовата.

Гравитационни вълни
Гравитационни вълни

Ричард Толман, докато проектира своя модел, пропусна интересна възможност, на която Джон Бароу и Мариуш Домбровски обърнаха внимание през 1995 г. Те показаха, че осцилационният режим на Вселената на Толман се разрушава необратимо, когато се въведе антигравитационен космологичен параметър.

В този случай Вселената на Толман на един от циклите вече не се свива в сингулярност, а се разширява с нарастващо ускорение и се превръща във вселената на де Ситер, което в подобна ситуация се прави и от вселената на Каснер. Антигравитацията, като трудолюбието, преодолява всичко!

Умножение на обекти

джаджа-лихва
джаджа-лихва

„Естественото предизвикателство на космологията е да разберем възможно най-добре произхода, историята и структурата на нашата собствена вселена“, обяснява за Popular Mechanics професорът по математика от Кеймбриджския университет Джон Бароу. - В същото време общата теория на относителността, дори и без заимстване от други клонове на физиката, дава възможност да се изчисли почти неограничен брой различни космологични модели.

Разбира се, изборът им се прави въз основа на астрономически и астрофизични данни, с помощта на които е възможно не само да се тестват различни модели за съответствие с реалността, но и да се реши кой от компонентите им може да се комбинира за най-адекватно описание на нашия свят. Така възниква настоящият Стандартен модел на Вселената. Така че дори само поради тази причина исторически разработеното разнообразие от космологични модели се оказа много полезно.

Но не е само това. Много от моделите са създадени преди астрономите да натрупат богатството от данни, с които разполагат днес. Например, истинската степен на изотропия на Вселената е установена благодарение на космическото оборудване само през последните няколко десетилетия.

Ясно е, че в миналото космическите дизайнери са имали много по-малко емпирични ограничения. Освен това е възможно дори екзотични модели по днешните стандарти да бъдат полезни в бъдеще за описване на онези части от Вселената, които все още не са достъпни за наблюдение. И накрая, изобретяването на космологични модели може просто да подтикне желанието за намиране на неизвестни решения на уравненията на общата теория на относителността, а това също е мощен стимул. Като цяло изобилието от такива модели е разбираемо и оправдано.

Неотдавнашният съюз на космологията и физиката на елементарните частици е оправдан по същия начин. Неговите представители разглеждат най-ранния етап от живота на Вселената като естествена лаборатория, идеално пригодена за изучаване на основните симетрии на нашия свят, които определят законите на фундаменталните взаимодействия. Този съюз вече положи основите на цял фен на фундаментално нови и много дълбоки космологични модели. Няма съмнение, че в бъдеще това ще донесе също толкова ползотворни резултати."

Вселената в миксера

През 1967 г. американските астрофизици Дейвид Уилкинсън и Брус Партридж откриват, че реликтното микровълново лъчение от всяка посока, открито три години по-рано, пристига на Земята с практически същата температура. С помощта на високочувствителен радиометър, изобретен от техния сънародник Робърт Дике, те показаха, че температурните колебания на реликтните фотони не надвишават една десета от процента (според съвременните данни те са много по-малко).

Тъй като това излъчване е възникнало по-рано от 4 00 000 години след Големия взрив, резултатите на Уилкинсън и Партридж дават основание да се смята, че дори нашата Вселена да не е била почти идеално изотропна в момента на раждането, тя придобива това свойство без много забавяне.

Тази хипотеза представлява сериозен проблем за космологията. В първите космологични модели изотропията на пространството е положена от самото начало просто като математическо предположение. Въпреки това, още в средата на миналия век стана известно, че уравненията на общата теория на относителността позволяват да се конструира набор от неизотропни вселени. В контекста на тези резултати, почти идеалната изотропия на CMB изискваше обяснение.

Миксер на Вселената
Миксер на Вселената

Това обяснение се появи едва в началото на 80-те години и беше напълно неочаквано. Тя е изградена върху принципно нова теоретична концепция за свръхбързото (както обикновено се казва, инфлационно) разширяване на Вселената в първите моменти от нейното съществуване (виж „ПМ“No 7'2012). През втората половина на 60-те години науката просто не беше узряла за подобни революционни идеи. Но, както знаете, при липса на щампована хартия те пишат на обикновена.

Известният американски космолог Чарлз Миснър, веднага след публикуването на статията на Уилкинсън и Партридж, се опита да обясни изотропията на микровълновата радиация, използвайки доста традиционни средства. Според неговата хипотеза нехомогенностите на ранната Вселена постепенно изчезват поради взаимното „триене“на нейните части, причинено от обмена на неутрино и светлинни потоци (в първата си публикация Мизнер нарича този предполагаем ефект вискозитет на неутрино).

Според него такъв вискозитет може бързо да изглади първоначалния хаос и да направи Вселената почти идеално хомогенна и изотропна.

Изследователската програма на Миснер изглеждаше красива, но не донесе практически резултати. Основната причина за неуспеха отново беше разкрита чрез микровълнов анализ. Всички процеси, включващи триене, генерират топлина, това е елементарно следствие от законите на термодинамиката. Ако първичните нехомогенности на Вселената бяха изгладени поради неутрино или някакъв друг вискозитет, енергийната плътност на CMB би се различавала значително от наблюдаваната стойност.

Както показаха в края на 70-те години американският астрофизик Ричард Мацнер и неговият вече споменат английски колега Джон Бароу, вискозните процеси могат да елиминират само най-малките космологични нехомогенности. За пълното „изглаждане“на Вселената са били необходими други механизми, които са открити в рамките на инфлационната теория.

квазар
квазар

Въпреки това Мизнер получи много интересни резултати. По-специално, през 1969 г. той публикува нов космологичен модел, чието име заимства… от кухненски уред, домашен миксер, произведен от Sunbeam Products! Вселената на Mixmaster непрекъснато бие в най-силните конвулсии, които, според Мизнер, карат светлината да циркулира по затворени пътища, смесвайки и хомогенизирайки съдържанието й.

По-късният анализ на този модел обаче показа, че въпреки че фотоните в света на Мизнер правят дълги пътувания, техният ефект на смесване е много незначителен.

Независимо от това, вселената на Mixmaster е много интересна. Подобно на затворената вселена на Фридман, тя възниква от нулев обем, разширява се до определен максимум и отново се свива под въздействието на собствената си гравитация. Но тази еволюция не е плавна, като тази на Фридман, а е абсолютно хаотична и следователно напълно непредвидима в детайлите.

В младостта тази вселена интензивно трепти, разширява се в две посоки и се свива в трета – като тази на Каснер. Ориентациите на разширенията и свиванията обаче не са постоянни - те сменят местата произволно. Освен това честотата на трептенията зависи от времето и клони към безкрайност при приближаване до началния момент. Такава вселена претърпява хаотични деформации, като желе, треперещо върху чинийка. Тези деформации отново могат да се тълкуват като проява на гравитационни вълни, движещи се в различни посоки, много по-силни, отколкото в модела на Каснер.

Вселената на Mixmaster влезе в историята на космологията като най-сложната от въображаемите вселени, създадени на базата на „чистата“обща теория на относителността. От началото на 80-те години на миналия век най-интересните концепции от този вид започнаха да използват идеите и математическия апарат на квантовата теория на полето и теорията на елементарните частици, а след това, без много забавяне, теорията на суперструните.

Препоръчано: