INHOUDSOPGAWE:

Die vreemdste en mees ongewone teorieë oor die struktuur van die heelal
Die vreemdste en mees ongewone teorieë oor die struktuur van die heelal

Video: Die vreemdste en mees ongewone teorieë oor die struktuur van die heelal

Video: Die vreemdste en mees ongewone teorieë oor die struktuur van die heelal
Video: The Stranger Things at CERN That Nobody Can Talk About 2024, Maart
Anonim

Benewens klassieke kosmologiese modelle, maak algemene relatiwiteit voorsiening vir die skepping van baie, baie, baie eksotiese verbeeldingswêrelde.

Daar is verskeie klassieke kosmologiese modelle wat gekonstrueer is deur gebruik te maak van algemene relatiwiteit, aangevul deur die homogeniteit en isotropie van ruimte (sien "PM" No. 6'2012). Einstein se geslote heelal het 'n konstante positiewe kromming van ruimte, wat staties word as gevolg van die invoering van die sogenaamde kosmologiese parameter in die vergelykings van algemene relatiwiteit, wat as 'n antigravitasieveld optree.

In de Sitter se versnellende heelal met nie-geboë ruimte is daar geen gewone materie nie, maar dit is ook gevul met 'n anti-gravitasieveld. Daar is ook die geslote en oop heelalle van Alexander Friedman; die grenswêreld van Einstein - de Sitter, wat die uitbreidingstempo mettertyd geleidelik tot nul verminder, en uiteindelik die Lemaitre-heelal, die stamvader van die Oerknal-kosmologie, wat uit 'n superkompakte aanvanklike toestand groei. Almal van hulle, en veral die Lemaitre-model, het die voorlopers geword van die moderne standaardmodel van ons heelal.

Ruimte van die heelal in verskeie modelle
Ruimte van die heelal in verskeie modelle

Die ruimte van die heelal in verskillende modelle het verskillende krommings, wat negatief (hiperboliese ruimte), nul (plat Euklidiese ruimte, wat ooreenstem met ons heelal) of positief (elliptiese ruimte) kan wees. Die eerste twee modelle is oop heelalle, wat eindeloos uitbrei, die laaste een is gesluit, wat vroeër of later sal ineenstort. Die illustrasie toon van bo na onder tweedimensionele analoë van so 'n ruimte.

Daar is egter ander heelalle, ook gegenereer deur 'n baie kreatiewe, soos dit nou gebruiklik is om te sê, gebruik van die vergelykings van algemene relatiwiteit. Hulle stem baie minder ooreen (of stem glad nie ooreen nie) met die resultate van astronomiese en astrofisiese waarnemings, maar hulle is dikwels baie mooi, en soms elegant paradoksaal. Dit is waar, wiskundiges en sterrekundiges het hulle in sulke hoeveelhede uitgevind dat ons ons sal moet beperk tot slegs enkele van die interessantste voorbeelde van verbeeldingswêrelde.

Van toutjie tot pannekoek

Na die verskyning (in 1917) van die fundamentele werk van Einstein en de Sitter, het baie wetenskaplikes begin om die vergelykings van algemene relatiwiteit te gebruik om kosmologiese modelle te skep. Een van die eerstes wat dit gedoen het, was die New Yorkse wiskundige Edward Kasner, wat sy oplossing in 1921 gepubliseer het.

Nebula
Nebula

Sy heelal is baie ongewoon. Dit kort nie net graviterende materie nie, maar ook 'n anti-gravitasieveld (met ander woorde, daar is geen Einstein se kosmologiese parameter nie). Dit wil voorkom asof in hierdie ideaal leë wêreld hoegenaamd niks kan gebeur nie. Kasner het egter erken dat sy hipotetiese heelal oneweredig in verskillende rigtings ontwikkel het. Dit brei uit langs twee koördinaat-asse, maar trek saam langs die derde as.

Daarom is hierdie ruimte natuurlik anisotroop en lyk soos 'n ellipsoïed in geometriese buitelyne. Aangesien so 'n ellipsoïed in twee rigtings strek en langs die derde saamtrek, verander dit geleidelik in 'n plat pannekoek. Terselfdertyd verloor die Kasner-heelal glad nie gewig nie, sy volume neem toe in verhouding tot ouderdom. Op die aanvanklike oomblik is hierdie ouderdom gelyk aan nul - en daarom is die volume ook nul. Die Kasner-universums word egter nie uit 'n puntsingulariteit, soos die wêreld van Lemaitre, gebore nie, maar uit iets soos 'n oneindig dun speek - sy aanvanklike radius is gelyk aan oneindigheid langs een as en nul langs die ander twee.

Hoekom google ons

widget-belangstelling
widget-belangstelling

Edward Kasner was 'n briljante popularizer van wetenskap - sy boek Mathematics and the Imagination, mede-outeur van James Newman, word vandag heruitgegee en gelees. In een van die hoofstukke verskyn die nommer 10100… Kazner se negejarige nefie het 'n naam vir hierdie nommer uitgedink - googol (Googol), en selfs 'n ongelooflike reusagtige nommer 10Googol- die term googolplex (Googolplex) gedoop. Toe Stanford-gegradueerde studente Larry Page en Sergey Brin 'n naam vir hul soekenjin probeer vind, het hul maat Sean Anderson die allesomvattende Googolplex aanbeveel.

Page het egter van die meer beskeie Googol gehou, en Anderson het dadelik begin kyk of dit as 'n internetdomein gebruik kan word. Hy het haastig 'n tikfout gemaak en 'n versoek nie na Googol.com nie, maar na Google.com gestuur. Hierdie naam het geblyk gratis te wees en Brin het so baie daarvan gehou dat hy en Page dit dadelik op 15 September 1997 geregistreer het. As dit anders gebeur het, sou ons nie Google gehad het nie!

Wat is die geheim van die evolusie van hierdie leë wêreld? Aangesien sy ruimte op verskillende maniere langs verskillende rigtings "verskuif", ontstaan gravitasiegetykragte wat sy dinamika bepaal. Dit wil voorkom asof 'n mens daarvan ontslae kan raak deur die uitsettingtempo's langs al drie asse gelyk te maak en sodoende die anisotropie uit te skakel, maar wiskunde laat nie sulke vryhede toe nie.

Dit is waar, 'n mens kan twee van die drie snelhede gelyk aan nul stel (met ander woorde, die afmetings van die heelal langs twee koördinaat-asse vasmaak). In hierdie geval sal Kasner se wêreld net in een rigting groei, en streng eweredig aan die tyd (dit is maklik om te verstaan, want dit is hoe sy volume moet toeneem), maar dit is al wat ons kan bereik.

Die Kasner-heelal kan alleen bly onder die toestand van volledige leegheid. As jy 'n bietjie materie daarby voeg, sal dit geleidelik begin ontwikkel soos die isotropiese heelal van Einstein-de Sitter. Op dieselfde manier, wanneer 'n nie-nul Einstein-parameter by sy vergelykings gevoeg word, sal dit (met of sonder materie) asimptoties die regime van eksponensiële isotropiese uitbreiding binnegaan en in de Sitter se heelal verander. Sulke "byvoegings" verander egter eintlik net die evolusie van die reeds bestaande heelal.

Op die oomblik van haar geboorte speel hulle feitlik nie 'n rol nie, en die heelal ontwikkel volgens dieselfde scenario.

Heelal
Heelal

Alhoewel die Kasner-wêreld dinamies anisotroop is, is sy kromming te eniger tyd dieselfde langs alle koördinaat-asse. Die vergelykings van algemene relatiwiteit erken egter die bestaan van heelalle wat nie net met anisotropiese snelhede ontwikkel nie, maar ook anisotropiese kromming het.

Sulke modelle is in die vroeë 1950's deur die Amerikaanse wiskundige Abraham Taub gebou. Die ruimtes daarvan kan in sommige rigtings soos oop heelalle optree, en soos geslote heelalle in ander. Boonop kan hulle met verloop van tyd teken verander van plus na minus en van minus na plus. Hulle spasie pols nie net nie, maar draai letterlik binne na buite. Fisies kan hierdie prosesse geassosieer word met gravitasiegolwe, wat die ruimte so sterk vervorm dat hulle plaaslik sy geometrie verander van sferies na saal en omgekeerd. Alles in ag genome vreemde wêrelde, al is dit wiskundig moontlik.

Kazner heelal
Kazner heelal

Anders as ons Heelal, wat isotropies uitbrei (dit wil sê teen dieselfde spoed ongeag die gekose rigting), brei Kasner se heelal gelyktydig uit (langs twee asse) en trek saam (langs die derde).

Fluktuasies van die wêrelde

Kort na die publikasie van Kazner se werk het artikels deur Alexander Fridman verskyn, die eerste in 1922, die tweede in 1924. Hierdie referate het verbasend elegante oplossings vir die vergelykings van algemene relatiwiteit aangebied, wat 'n uiters konstruktiewe effek op die ontwikkeling van kosmologie gehad het.

Friedman se konsep is gebaseer op die aanname dat materie gemiddeld so simmetries moontlik in die buitenste ruimte versprei is, dit wil sê heeltemal homogeen en isotroop. Dit beteken dat die geometrie van ruimte op elke oomblik van 'n enkele kosmiese tyd dieselfde is in al sy punte en in alle rigtings (streng gesproke moet so 'n tyd nog korrek bepaal word, maar in hierdie geval is hierdie probleem oplosbaar). Dit volg dat die tempo van uitbreiding (of sametrekking) van die heelal op enige gegewe oomblik weer onafhanklik van rigting is.

Friedmann se heelalle is dus heeltemal anders as Kasner se model.

In die eerste artikel het Friedman 'n model van 'n geslote heelal met 'n konstante positiewe kromming van ruimte gebou. Hierdie wêreld ontstaan uit 'n aanvanklike punttoestand met 'n oneindige digtheid van materie, brei uit tot 'n sekere maksimum radius (en dus maksimum volume), waarna dit weer ineenstort in dieselfde enkelvoudige punt (in wiskundige taal, 'n singulariteit).

Fluktuasies van die wêrelde
Fluktuasies van die wêrelde

Friedman het egter nie daar gestop nie. Na sy mening hoef die gevind kosmologiese oplossing nie beperk te word deur die interval tussen die aanvanklike en finale singulariteite nie; dit kan in tyd sowel vorentoe as agtertoe voortgesit word. Die resultaat is 'n eindelose klomp heelalle wat op die tyd-as gespan is, wat aan mekaar grens op singulariteitspunte.

In die taal van fisika beteken dit dat Friedmann se geslote heelal oneindig kan ossilleer, sterf na elke sametrekking en hergebore tot nuwe lewe in die daaropvolgende uitbreiding. Dit is 'n streng periodieke proses, aangesien alle ossillasies vir dieselfde tyd voortduur. Daarom is elke siklus van die bestaan van die heelal 'n presiese kopie van alle ander siklusse.

Dit is hoe Friedman in sy boek "The World as Space and Time" oor hierdie model kommentaar gelewer het: "Verder is daar gevalle wanneer die radius van kromming periodiek verander: die heelal trek saam tot 'n punt (in niks), dan weer vanaf 'n punt bring sy radius tot 'n sekere waarde, dan weer, verminder die radius van sy kromming, dit verander in 'n punt, ens. 'n Mens herroep onwillekeurig die legende van die Hindoe-mitologie oor die tydperke van die lewe; dit is ook moontlik om te praat oor "die skepping van die wêreld uit niks", maar dit alles moet beskou word as eienaardige feite wat nie stewig bevestig kan word deur onvoldoende astronomiese eksperimentele materiaal nie."

Mixmaster Heelal potensiaal plot
Mixmaster Heelal potensiaal plot

Die grafiek van die potensiaal van die Mixmaster-heelal lyk so ongewoon - die potensiële put het hoë mure, waartussen daar drie "valleie" is. Hieronder is die ekwipotensiaalkurwes van so 'n "heelal in 'n menger".

’n Paar jaar ná die publikasie van Friedman se artikels het sy modelle roem en erkenning verwerf. Einstein het ernstig geïnteresseerd geraak in die idee van 'n ossillerende heelal, en hy was nie alleen nie. In 1932 is dit oorgeneem deur Richard Tolman, professor in wiskundige fisika en fisiese chemie by Caltech. Hy was nóg’n suiwer wiskundige, soos Friedman, nóg’n sterrekundige en astrofisikus, soos de Sitter, Lemaitre en Eddington. Tolman was 'n erkende kenner in statistiese fisika en termodinamika, wat hy eers met kosmologie gekombineer het.

Die resultate was baie nie-triviaal. Tolman het tot die gevolgtrekking gekom dat die totale entropie van die kosmos van siklus tot siklus moet toeneem. Die ophoping van entropie lei daartoe dat meer en meer van die energie van die heelal in elektromagnetiese straling gekonsentreer is, wat van siklus tot siklus al hoe meer die dinamika daarvan beïnvloed. As gevolg hiervan neem die lengte van die siklusse toe, elke volgende een word langer as die vorige een.

Ossillasies duur voort, maar hou op om periodiek te wees. Boonop neem die radius van Tolman se heelal in elke nuwe siklus toe. Gevolglik, in die stadium van maksimum uitbreiding, het dit die kleinste kromming, en sy geometrie is meer en meer en nader vir meer en meer lank die Euklidiese een.

Gravitasiegolwe
Gravitasiegolwe

Richard Tolman, terwyl hy sy model ontwerp het, het 'n interessante geleentheid gemis, waarop John Barrow en Mariusz Dombrowski in 1995 die aandag gevestig het. Hulle het getoon dat die ossillerende regime van Tolman se heelal onomkeerbaar vernietig word wanneer 'n anti-gravitasie-kosmologiese parameter ingestel word.

In hierdie geval trek Tolman se heelal op een van die siklusse nie meer saam tot 'n singulariteit nie, maar brei met toenemende versnelling uit en verander in de Sitter se heelal, wat in 'n soortgelyke situasie ook deur die Kasner-heelal gedoen word. Antiswaartekrag, soos ywer, oorwin alles!

Entiteit vermenigvuldiging

widget-belangstelling
widget-belangstelling

“Die natuurlike uitdaging van kosmologie is om die oorsprong, geskiedenis en struktuur van ons eie heelal so goed as moontlik te verstaan,” verduidelik John Barrow, professor in wiskunde aan die Universiteit van Cambridge, aan Popular Mechanics. - Terselfdertyd maak algemene relatiwiteit, selfs sonder om van ander takke van fisika te leen, dit moontlik om 'n byna onbeperkte aantal verskillende kosmologiese modelle te bereken.

Natuurlik word hul keuse gemaak op grond van astronomiese en astrofisiese data, met behulp waarvan dit nie net moontlik is om verskeie modelle te toets vir voldoening aan die werklikheid nie, maar ook om te besluit watter van hul komponente gekombineer kan word vir die mees toereikende beskrywing van ons wêreld. Dit is hoe die huidige Standaardmodel van die Heelal tot stand gekom het. So selfs om hierdie rede alleen, het die histories ontwikkelde verskeidenheid van kosmologiese modelle bewys dat dit baie nuttig is.

Maar dit is nie net dit nie. Baie van die modelle is geskep voordat sterrekundiges die rykdom data wat hulle vandag het, opgehoop het. Byvoorbeeld, die ware graad van isotropie van die heelal is slegs oor die afgelope paar dekades danksy ruimtetoerusting vasgestel.

Dit is duidelik dat ruimteontwerpers in die verlede baie minder empiriese beperkings gehad het. Daarbenewens is dit moontlik dat selfs eksotiese modelle volgens vandag se standaarde in die toekoms nuttig sal wees om daardie dele van die Heelal te beskryf wat nog nie vir waarneming beskikbaar is nie. En laastens kan die uitvinding van kosmologiese modelle bloot die begeerte dryf om onbekende oplossings vir die vergelykings van algemene relatiwiteit te vind, en dit is ook 'n kragtige aansporing. Oor die algemeen is die oorvloed van sulke modelle verstaanbaar en geregverdig.

Die onlangse vereniging van kosmologie en elementêre deeltjiefisika word op dieselfde manier geregverdig. Sy verteenwoordigers beskou die vroegste stadium van die lewe van die Heelal as 'n natuurlike laboratorium, ideaal geskik vir die bestudering van die basiese simmetrieë van ons wêreld, wat die wette van fundamentele interaksies bepaal. Hierdie alliansie het reeds die grondslag gelê vir 'n hele aanhanger van fundamenteel nuwe en baie diep kosmologiese modelle. Daar is geen twyfel dat dit in die toekoms ewe vrugbare resultate sal bring nie.”

Heelal in die menger

In 1967 het die Amerikaanse astrofisici David Wilkinson en Bruce Partridge ontdek dat oorblyfsels mikrogolfstraling uit enige rigting, wat drie jaar vroeër ontdek is, met feitlik dieselfde temperatuur op die aarde aankom. Met die hulp van 'n hoogs sensitiewe radiometer, uitgevind deur hul landgenoot Robert Dicke, het hulle gewys dat temperatuurskommelings van relikfotone nie 'n tiende van 'n persent oorskry nie (volgens moderne data is dit baie minder).

Aangesien hierdie bestraling vroeër as 4 00 000 jaar na die Oerknal ontstaan het, het die resultate van Wilkinson en Partridge rede gegee om te glo dat selfs al was ons heelal nie byna ideaal isotropies op die oomblik van geboorte nie, dit hierdie eienskap sonder veel vertraging verkry het.

Hierdie hipotese het 'n aansienlike probleem vir kosmologie uitgemaak. In die eerste kosmologiese modelle is die isotropie van ruimte van die begin af bloot as 'n wiskundige aanname gelê. In die middel van die vorige eeu het dit egter bekend geword dat die vergelykings van algemene relatiwiteit dit moontlik maak om 'n stel nie-isotropiese heelalle te konstrueer. In die konteks van hierdie resultate het die byna ideale isotropie van die CMB 'n verduideliking gevra.

Menger van die heelal
Menger van die heelal

Hierdie verduideliking het eers in die vroeë 1980's verskyn en was heeltemal onverwags. Dit is gebou op 'n fundamenteel nuwe teoretiese konsep van supervinnige (soos hulle gewoonlik sê, inflasionêre) uitbreiding van die Heelal in die eerste oomblikke van sy bestaan (sien "PM" No. 7'2012). In die tweede helfte van die 1960's was die wetenskap eenvoudig nie ryp vir sulke revolusionêre idees nie. Maar, soos jy weet, in die afwesigheid van gestempelde papier, skryf hulle in gewone een.

Die prominente Amerikaanse kosmoloog Charles Misner het onmiddellik na die publikasie van die artikel deur Wilkinson en Partridge probeer om die isotropie van mikrogolfstraling met redelik tradisionele middele te verduidelik. Volgens sy hipotese het die inhomogeniteite van die vroeë Heelal geleidelik verdwyn as gevolg van die wedersydse "wrywing" van sy dele, wat veroorsaak is deur die uitruil van neutrino- en ligvloede (in sy eerste publikasie het Mizner hierdie veronderstelde effek neutrino-viskositeit genoem).

Volgens hom kan so 'n viskositeit vinnig die aanvanklike chaos glad maak en die Heelal byna perfek homogeen en isotroop maak.

Misner se navorsingsprogram het pragtig gelyk, maar het nie praktiese resultate gebring nie. Die hoofrede vir die mislukking daarvan is weer deur mikrogolfanalise aan die lig gebring. Enige prosesse wat wrywing behels genereer hitte, dit is 'n elementêre gevolg van die wette van termodinamika. As die primêre inhomogeniteite van die Heelal glad gemaak word as gevolg van neutrino of 'n ander viskositeit, sal die CMB-energiedigtheid aansienlik verskil van die waargenome waarde.

Soos die Amerikaanse astrofisikus Richard Matzner en sy reeds genoemde Engelse kollega John Barrow in die laat 1970's gewys het, kan viskeuse prosesse slegs die kleinste kosmologiese inhomogeniteite uitskakel. Vir die volledige "gladmaak" van die Heelal was ander meganismes nodig, en dit is gevind binne die raamwerk van die inflasionêre teorie.

Kwasar
Kwasar

Nietemin het Mizner baie interessante resultate gekry. Hy het veral in 1969 'n nuwe kosmologiese model gepubliseer, waarvan die naam hy geleen het … van 'n kombuistoestel, 'n tuismenger wat deur Sunbeam Products gemaak is! Die Mixmaster Heelal klop voortdurend in die sterkste stuiptrekkings, wat, volgens Mizner, die lig langs geslote paaie laat sirkuleer, en die inhoud daarvan meng en homogeniseer.

Latere ontleding van hierdie model het egter getoon dat, hoewel fotone in Mizner se wêreld wel lang reise maak, hul mengeffek baie onbeduidend is.

Nietemin, die Mixmaster Heelal is baie interessant. Soos Friedman se geslote heelal, ontstaan dit uit nul volume, brei dit uit tot 'n sekere maksimum en trek weer saam onder die invloed van sy eie swaartekrag. Maar hierdie evolusie is nie glad, soos Friedman s'n nie, maar absoluut chaoties en dus heeltemal onvoorspelbaar in detail.

In die jeug ossilleer hierdie heelal intensief, brei uit in twee rigtings en trek saam in 'n derde – soos Kasner s’n. Die oriëntasies van die uitbreidings en sametrekkings is egter nie konstant nie - hulle verander lukraak van plek. Boonop hang die frekwensie van die ossillasies af van tyd en neig dit na oneindig wanneer die aanvanklike oomblik nader. So 'n heelal ondergaan chaotiese vervormings, soos jellie wat op 'n piering bewe. Hierdie vervormings kan weer geïnterpreteer word as 'n manifestasie van gravitasiegolwe wat in verskillende rigtings beweeg, baie meer gewelddadig as in die Kasner-model.

Die Mixmaster Heelal het in die geskiedenis van kosmologie afgegaan as die mees komplekse van die denkbeeldige heelalle wat op grond van "suiwer" algemene relatiwiteit geskep is. Sedert die vroeë 1980's het die interessantste konsepte van hierdie soort die idees en wiskundige apparaat van kwantumveldteorie en elementêre deeltjieteorie begin gebruik, en toe, sonder veel vertraging, superstringteorie.

Aanbeveel: