Najčudnije i najneobičnije teorije o strukturi svemira

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Pored klasičnih kosmoloških modela, opšta teorija relativnosti omogućava stvaranje vrlo, vrlo, vrlo egzotičnih imaginarnih svjetova.

Postoji nekoliko klasičnih kosmoloških modela konstruiranih korištenjem opšte teorije relativnosti, dopunjenih homogenošću i izotropijom prostora (vidi "PM" br. 6'2012). Ajnštajnov zatvoreni univerzum ima konstantnu pozitivnu krivinu prostora, koja postaje statična usled uvođenja takozvanog kosmološkog parametra u jednačine opšte relativnosti, koji deluje kao antigravitaciono polje.

U de Sitterovom ubrzavajućem svemiru sa nezakrivljenim prostorom ne postoji obična materija, već je ispunjena i antigravitacijskim poljem. Tu su i zatvoreni i otvoreni univerzum Aleksandra Fridmana; granični svijet Einstein-de Sitter, koji postepeno smanjuje brzinu širenja na nulu tokom vremena, i konačno, Lemaitre univerzum, rodonačelnik kosmologije 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. Ilustracija prikazuje od vrha do dna dvodimenzionalne analoge takvog prostora.

Postoje, međutim, i drugi univerzumi, takođe generisani veoma kreativnom, kako je sada uobičajeno reći, upotrebom jednačina opšte relativnosti. Oni mnogo manje odgovaraju (ili nikako ne odgovaraju) rezultatima astronomskih i astrofizičkih posmatranja, ali su često vrlo lijepi, a ponekad i elegantno paradoksalni. Istina, matematičari i astronomi su ih izmislili u takvim količinama da ćemo se morati ograničiti na samo nekoliko najzanimljivijih primjera imaginarnih svjetova.

Od špage do palačinke

Nakon pojave (1917.) fundamentalnog rada Ajnštajna i de Sitera, mnogi naučnici su počeli da koriste jednačine opšte relativnosti za kreiranje kosmoloških modela. Jedan od prvih koji je to učinio bio je njujorški matematičar Edward Kasner, koji je svoje rješenje objavio 1921. godine.

Njegov univerzum je veoma neobičan. Nedostaje mu ne samo gravitirajuća materija, već i antigravitaciono polje (drugim riječima, ne postoji Ajnštajnov kosmološki parametar). Čini se da se u ovom idealno praznom svijetu ništa ne može dogoditi. Međutim, Kasner je priznao da je njegov hipotetički univerzum evoluirao neravnomjerno u različitim smjerovima. Proširuje se duž dvije koordinatne ose, ali se skuplja duž treće ose.

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, postepeno se pretvara u ravnu palačinku. U isto vrijeme, Kasnerov univerzum uopće ne gubi na težini, njegov volumen se povećava proporcionalno starosti. U početnom trenutku, ova starost je jednaka nuli - i, prema tome, volumen je također nula. Međutim, Kasnerov univerzum se ne rađa iz singularnosti tačke, kao Lemaitreov svijet, već iz nečega poput beskonačno tanke žbice - njegov početni polumjer je jednak beskonačnosti duž jedne ose i nuli duž druge dvije.

Zašto guglamo

Edvard Kasner bio je sjajan popularizator nauke - njegova knjiga Matematika i mašta, u koautorstvu sa Džejmsom Njumanom, danas je ponovo objavljena i čitana. U jednom od poglavlja pojavljuje se broj 10¹⁰⁰… Kaznerov devetogodišnji nećak smislio je ime za ovaj broj - gugol (gugol), pa čak i nevjerovatno gigantski broj 10^Googol- krstio terminom googolplex (Gogolpleks). Kada su postdiplomci sa Stanforda Larry Page i Sergey Brin pokušavali pronaći ime za svoju tražilicu, njihov prijatelj Sean Anderson preporučio je sveobuhvatni Googolplex.

Međutim, Pejdžu se dopao skromniji Googol, i Anderson je odmah krenuo da proveri da li se može koristiti kao internet domen. U žurbi je pogriješio i poslao zahtjev ne na Googol.com, već na Google.com. Ispostavilo se da je ovo ime besplatno i Brinu se toliko dopalo da su ga on i Pejdž odmah registrovali 15. septembra 1997. godine. Da se desilo 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 ose i time eliminisanjem anizotropije, ali matematika ne dozvoljava takve slobode.

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

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

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

Iako je Kasnerov svijet dinamički anizotropan, njegova zakrivljenost u svakom trenutku je ista duž svih koordinatnih osa. Međutim, jednadžbe opće relativnosti priznaju postojanje univerzuma koji ne samo da evoluiraju anizotropnim brzinama, već imaju i anizotropnu zakrivljenost.

Takve modele je ranih 1950-ih izgradio američki matematičar Abraham Taub. Njegovi prostori mogu se ponašati kao otvoreni univerzumi u nekim smjerovima, a kao zatvoreni svemiri u drugim. Štaviše, tokom vremena mogu promijeniti predznak iz plusa u minus i iz minusa u plus. Njihov prostor ne samo da pulsira, već se bukvalno okreće naopačke. Fizički, ovi procesi se mogu povezati s gravitacijskim valovima, koji tako snažno deformiraju prostor da lokalno mijenjaju njegovu geometriju iz sferne u sedlastu i obrnuto. Sve u svemu, čudni svjetovi, iako matematički mogući.

Za razliku od našeg Univerzuma koji se širi izotropno (tj. istom brzinom bez obzira na odabrani smjer), Kasnerov univerzum se istovremeno širi (duž dvije ose) i skuplja (duž treće).

Fluktuacije svjetova

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

Fridmanov koncept zasniva se na pretpostavci da je materija u proseku raspoređena u svemiru što je moguće simetričnije, odnosno potpuno homogeno i izotropno. To znači da je geometrija prostora u svakom trenutku jednog kosmičkog vremena ista u svim svojim tačkama i u svim smjerovima (strogo govoreći, takvo vrijeme još treba ispravno odrediti, ali je u ovom slučaju ovaj problem rješiv). Iz toga slijedi da je stopa širenja (ili kontrakcije) svemira u bilo kojem trenutku opet neovisna o smjeru.

Friedmanovi univerzumi su stoga potpuno drugačiji od Kasnerovog modela.

U prvom članku, Friedman je izgradio model zatvorenog svemira sa konstantnom pozitivnom zakrivljenošću prostora. Ovaj svijet nastaje iz početnog točkastog stanja sa beskonačnom gustinom materije, širi se do određenog maksimalnog radijusa (i, prema tome, maksimalnog volumena), nakon čega se ponovo urušava u istu singularnu tačku (matematičkim jezikom, singularnost).

Međutim, Fridman se tu nije zaustavio. Po njegovom mišljenju, pronađeno kosmološko rješenje ne mora biti ograničeno intervalom između početnog i konačnog singulariteta, već se može nastaviti u vremenu i naprijed i nazad. Rezultat je beskrajna gomila svemira nanizanih na vremensku os, koji graniče jedan s drugim u tačkama singularnosti.

Jezikom fizike to znači da Fridmanov zatvoreni univerzum može da oscilira beskonačno, umirući nakon svake kontrakcije i ponovo se rađajući u novi život u narednom širenju. Ovo je striktno periodičan proces, budući da se sve oscilacije nastavljaju isto vrijeme. Stoga je svaki ciklus postojanja svemira tačna kopija svih ostalih ciklusa.

Ovako je Friedman prokomentarisao ovaj model u svojoj knjizi „Svet kao prostor i vreme“: „Dalje, postoje slučajevi kada se radijus zakrivljenosti periodično menja: univerzum se skuplja do tačke (u ništa), pa opet od tačke dovodi svoj polumjer do određene vrijednosti, pa opet, smanjujući radijus njegove zakrivljenosti, pretvara se u tačku, itd. Nehotice se prisjećamo legende hinduističke mitologije o periodima života; može se govoriti i o "stvaranju svijeta ni iz čega", ali sve to treba smatrati radoznalim činjenicama koje se ne mogu solidno potvrditi nedovoljnim astronomskim eksperimentalnim materijalom."

Grafikon potencijala Mixmaster svemira izgleda tako neobično - potencijalna jama ima visoke zidove, između kojih se nalaze tri "doline". Ispod su krive ekvipotencijala takvog "svemira u mikseru".

Nekoliko godina nakon objavljivanja Friedmanovih članaka, njegovi modeli su stekli slavu i priznanje. Ajnštajn se ozbiljno zainteresovao za ideju oscilirajućeg univerzuma i nije bio sam. Godine 1932. preuzeo ga je Richard Tolman, profesor matematičke fizike i fizičke hemije na Caltechu. On nije bio ni čisti matematičar, kao Fridman, ni astronom i astrofizičar, kao de Siter, Lemer i Edington. Tolman je bio priznati stručnjak za statističku fiziku i termodinamiku, koje je prvi spojio sa kosmologijom.

Rezultati su bili vrlo netrivijalni. Tolman je došao do zaključka da bi ukupna entropija kosmosa trebala rasti iz ciklusa u ciklus. Akumulacija entropije dovodi do toga da je sve više energije svemira koncentrisano u elektromagnetnom zračenju, koje iz ciklusa u ciklus sve više utiče na njegovu dinamiku. Zbog toga se dužina ciklusa povećava, svaki sljedeći postaje duži od prethodnog.

Oscilacije traju, ali prestaju biti periodične. Štaviše, u svakom novom ciklusu, radijus Tolmanovog univerzuma se povećava. Shodno tome, u fazi maksimalnog širenja, ima najmanju zakrivljenost, a njena geometrija je sve veća i sve duže se približava euklidskoj.

Richard Tolman je prilikom dizajniranja svog modela propustio zanimljivu priliku, na koju su John Barrow i Mariusz Dombrovski skrenuli pažnju 1995. godine. Oni su pokazali da je oscilatorni režim Tolmanovog univerzuma nepovratno uništen kada se uvede antigravitacioni kosmološki parametar.

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

Množenje entiteta

„Prirodni izazov kosmologije je da što bolje razume poreklo, istoriju i strukturu našeg sopstvenog univerzuma“, objašnjava za Popular Mechanics profesor matematike sa Univerziteta Kembridž Džon Barou. - Istovremeno, opšta teorija relativnosti, čak i bez pozajmljivanja iz drugih grana fizike, omogućava izračunavanje gotovo neograničenog broja različitih kosmoloških modela.

Naravno, njihov izbor se vrši na osnovu astronomskih i astrofizičkih podataka, uz pomoć kojih je moguće ne samo testirati različite modele na usklađenost sa stvarnošću, već i odlučiti koje njihove komponente se mogu kombinirati za najadekvatnije opis našeg sveta. Tako je nastao trenutni standardni model univerzuma. Dakle, čak i samo iz tog razloga, istorijski razvijena raznovrsnost kosmoloških modela pokazala se kao veoma korisna.

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

Jasno je da su u prošlosti dizajneri prostora imali mnogo manje empirijskih ograničenja. Osim toga, moguće je da će čak i egzotični modeli po današnjim standardima biti korisni u budućnosti za opisivanje onih dijelova Univerzuma koji još nisu dostupni za posmatranje. I konačno, pronalazak kosmoloških 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 kosmologije i fizike elementarnih čestica opravdan je na isti način. Njegovi predstavnici smatraju da je najranija faza života Univerzuma prirodni laboratorij, idealno pogodan za proučavanje osnovnih simetrija našeg svijeta, koje određuju zakone fundamentalnih interakcija. Ovaj savez je već postavio temelje za čitav fan fundamentalno novih i veoma dubokih kosmoloških modela. Nema sumnje da će i u budućnosti donijeti jednako plodne rezultate."

Univerzum u mikseru

Godine 1967. američki astrofizičari David Wilkinson i Bruce Partridge otkrili su da relikt mikrovalnog zračenja iz bilo kojeg smjera, otkriven tri godine ranije, stiže na Zemlju s praktički istom temperaturom. Uz pomoć visokoosjetljivog radiometra, koji je izumio njihov sunarodnik Robert Dicke, pokazali su da temperaturne fluktuacije reliktnih fotona ne prelaze desetinu procenta (prema modernim podacima, mnogo su manje).

Budući da je ovo zračenje nastalo prije 4.00.000 godina nakon Velikog praska, rezultati Wilkinsona i Partridgea dali su razlog za vjerovanje da čak i ako naš svemir nije bio skoro idealno izotropan u trenutku rođenja, on je stekao ovo svojstvo bez mnogo odlaganja.

Ova hipoteza predstavljala je značajan problem za kosmologiju. U prvim kosmološkim modelima, izotropija prostora je od samog početka položena jednostavno kao matematička pretpostavka. Međutim, još sredinom prošlog stoljeća postalo je poznato da jednačine opće relativnosti omogućavaju 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 principijelno novom teorijskom konceptu superbrze (kako se obično kaže, inflatornog) širenja Univerzuma u prvim trenucima njegovog postojanja (vidi "PM" br. 7'2012). U drugoj polovini 1960-ih, nauka jednostavno nije bila zrela za takve revolucionarne ideje. Ali, kao što znate, u nedostatku štampanog papira, pišu na običnom.

Istaknuti američki kosmolog Charles Misner, odmah nakon objavljivanja članka Wilkinsona i Partridgea, pokušao je objasniti izotropiju mikrovalnog zračenja koristeći sasvim tradicionalna sredstva. Prema njegovoj hipotezi, nehomogenosti ranog Univerzuma postepeno su nestajale zbog međusobnog "trenja" njegovih dijelova, uzrokovanog izmjenom neutrina i svjetlosnih tokova (u svojoj prvoj publikaciji, Mizner je ovaj navodni efekat nazvao neutrina viskoznost).

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

Misnerov istraživački program izgledao je lijepo, ali nije donio praktične rezultate. Glavni razlog njegovog neuspjeha ponovo je otkriven mikrovalnom analizom. Svaki proces koji uključuje trenje stvara toplinu, to je elementarna posljedica zakona termodinamike. Kada bi se primarne nehomogenosti Univerzuma izgladile zbog neutrina ili nekog drugog viskoziteta, gustina energije CMB bi se značajno razlikovala od uočene vrijednosti.

Kao što su krajem 1970-ih pokazali američki astrofizičar Richard Matzner i njegov već spomenuti engleski kolega John Barrow, viskozni procesi mogu eliminirati samo najmanje kosmološke nehomogenosti. Za potpuno „izglađivanje“Univerzuma 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 kosmološki model, čiji je naziv posudio … od kuhinjskog aparata, kućnog miksera 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 putuju na duga putovanja, njihov efekat miješanja je vrlo beznačajan.

Ipak, Mixmaster Universe je vrlo zanimljiv. Kao i Fridmanov zatvoreni univerzum, on nastaje iz nulte zapremine, širi se do određenog maksimuma i ponovo se skuplja pod uticajem sopstvene gravitacije. Ali ova evolucija nije glatka, kao Fridmanova, već apsolutno haotična i stoga potpuno nepredvidiva u detaljima.

U mladosti, ovaj univerzum intenzivno oscilira, šireći se u dva smjera i skupljajući u trećem - kao kod Kasnera. Međutim, orijentacije ekspanzija i kontrakcija nisu konstantne - one se nasumično mijenjaju. Štaviše, frekvencija oscilacija zavisi od vremena i teži ka beskonačnosti kada se približi početnom trenutku. Takav univerzum prolazi kroz haotične deformacije, poput želea koji drhti na tanjuriću. Ove deformacije se opet mogu protumačiti kao manifestacija gravitacijskih valova koji se kreću u različitim smjerovima, mnogo jače nego u Kasnerovom modelu.

Univerzum Mixmaster ušao je u istoriju kosmologije kao najkompleksniji od imaginarnih univerzuma stvorenih na osnovu "čiste" opšte 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 mnogo odlaganja, teorije superstruna.