Najpodivnejšie a najneobvyklejšie teórie o štruktúre vesmíru

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Okrem klasických kozmologických modelov umožňuje všeobecná relativita vytvárať veľmi, veľmi, veľmi exotické imaginárne svety.

Existuje niekoľko klasických kozmologických modelov skonštruovaných pomocou všeobecnej teórie relativity, doplnených o homogenitu a izotropiu priestoru (pozri „PM“č. 6'2012). Einsteinov uzavretý vesmír má neustále kladné zakrivenie priestoru, ktorý sa stáva statickým v dôsledku zavedenia takzvaného kozmologického parametra do rovníc všeobecnej relativity, ktorý pôsobí ako antigravitačné pole.

V de Sitterovom zrýchľujúcom sa vesmíre s nezakriveným priestorom neexistuje obyčajná hmota, ale je vyplnený aj antigravitačným poľom. Existujú aj uzavreté a otvorené vesmíry Alexandra Friedmana; hraničný svet Einstein - de Sitter, ktorý postupom času postupne znižuje rýchlosť expanzie na nulu, a napokon vesmír Lemaitre, predchodca kozmológie Veľkého tresku, vyrastajúci zo superkompaktného počiatočného stavu. Všetky z nich a najmä model Lemaitre sa stali predchodcami moderného štandardného modelu nášho vesmíru.

Priestor vesmíru v rôznych modeloch má rôzne zakrivenia, ktoré môžu byť negatívne (hyperbolický priestor), nulové (plochý euklidovský priestor, zodpovedajúci nášmu vesmíru) alebo pozitívne (eliptický priestor). Prvé dva modely sú otvorené vesmíry, donekonečna sa rozširujúce, posledný je uzavretý, ktorý sa skôr či neskôr zrúti. Obrázok ukazuje zhora nadol dvojrozmerné analógy takéhoto priestoru.

Existujú však aj iné vesmíry, ktoré sú tiež generované veľmi kreatívnym, ako sa dnes zvykne hovoriť, používaním rovníc všeobecnej relativity. Oveľa menej zodpovedajú (alebo vôbec nezodpovedajú) výsledkom astronomických a astrofyzikálnych pozorovaní, no často sú veľmi krásne a niekedy až elegantne paradoxné. Pravda, matematici a astronómovia ich vymysleli v takom množstve, že sa budeme musieť obmedziť len na niekoľko najzaujímavejších príkladov imaginárnych svetov.

Od šnúrky po palacinku

Po objavení sa (v roku 1917) základnej práce Einsteina a de Sittera mnohí vedci začali používať rovnice všeobecnej relativity na vytváranie kozmologických modelov. Jedným z prvých, komu sa to podarilo, bol newyorský matematik Edward Kasner, ktorý svoje riešenie zverejnil v roku 1921.

Jeho vesmír je veľmi nezvyčajný. Chýba mu nielen gravitačná hmota, ale aj antigravitačné pole (inými slovami, neexistuje žiadny Einsteinov kozmologický parameter). Zdalo by sa, že v tomto ideálne prázdnom svete sa nemôže stať vôbec nič. Kasner však priznal, že jeho hypotetický vesmír sa v rôznych smeroch vyvíjal nerovnomerne. Rozširuje sa pozdĺž dvoch súradnicových osí, ale sťahuje sa pozdĺž tretej osi.

Preto je tento priestor zjavne anizotropný a geometrickými obrysmi pripomína elipsoid. Keďže sa takýto elipsoid tiahne v dvoch smeroch a sťahuje sa v treťom, postupne sa mení na plochú placku. Kasnerov vesmír zároveň vôbec nechudne, jeho objem sa zväčšuje úmerne s vekom. V počiatočnom momente sa tento vek rovná nule - a teda aj objem je nula. Kasnerove vesmíry sa však nerodia z bodovej singularity ako svet Lemaitre, ale z niečoho ako nekonečne tenký lúč – jeho počiatočný polomer sa rovná nekonečnu pozdĺž jednej osi a nule pozdĺž ďalších dvoch.

Prečo googlime

Edward Kasner bol brilantným popularizátorom vedy – jeho kniha Mathematics and the Imagination, ktorú napísal spolu s Jamesom Newmanom, je dnes znovu publikovaná a čítaná. V jednej z kapitol sa objaví číslo 10¹⁰⁰… Kaznerov deväťročný synovec vymyslel pre toto číslo názov - googol (Googol), a dokonca aj neuveriteľne gigantické číslo 10^Googol- pokrstili termín googolplex (Googolplex). Keď sa postgraduálni študenti Stanfordu Larry Page a Sergey Brin snažili nájsť názov pre svoj vyhľadávací nástroj, ich kamarát Sean Anderson odporučil všeobjímajúci Googolplex.

Pageovi sa však zapáčil skromnejší Googol a Anderson sa hneď pustil do kontroly, či by sa dal použiť ako internetová doména. V zhone urobil preklep a poslal žiadosť nie na Googol.com, ale na Google.com. Ukázalo sa, že toto meno je voľné a Brinovi sa tak zapáčilo, že si ho 15. septembra 1997 s Page okamžite zaregistrovali. Keby sa to stalo inak, nemali by sme Google!

Aké je tajomstvo vývoja tohto prázdneho sveta? Keďže sa jeho priestor „posúva“rôznymi spôsobmi v rôznych smeroch, vznikajú gravitačné slapové sily, ktoré určujú jeho dynamiku. Zdalo by sa, že sa ich možno zbaviť vyrovnaním rýchlostí expanzie pozdĺž všetkých troch osí, čím sa odstráni anizotropia, ale matematika takéto slobody nepripúšťa.

Je pravda, že je možné nastaviť dve z troch rýchlostí na nulu (inými slovami, fixovať rozmery vesmíru pozdĺž dvoch súradnicových osí). V tomto prípade bude Kasnerov svet rásť len jedným smerom a presne úmerne času (to je ľahké pochopiť, pretože takto sa musí zväčšiť jeho objem), ale to je všetko, čo môžeme dosiahnuť.

Kasnerov vesmír môže zostať sám osebe iba pod podmienkou úplnej prázdnoty. Ak k tomu pridáte trochu hmoty, postupne sa začne vyvíjať ako izotropný vesmír Einsteina-de Sittera. Rovnakým spôsobom, keď sa do jej rovníc pridá nenulový Einsteinov parameter, vstúpi (s hmotou alebo bez nej) asymptoticky do režimu exponenciálnej izotropnej expanzie a zmení sa na de Sitterov vesmír. Takéto „prírastky“však v skutočnosti menia len vývoj už existujúceho vesmíru.

V momente jej narodenia prakticky nehrajú rolu a vesmír sa vyvíja podľa rovnakého scenára.

Hoci je Kasnerov svet dynamicky anizotropný, jeho zakrivenie je v každom okamihu rovnaké pozdĺž všetkých súradnicových osí. Rovnice všeobecnej relativity však pripúšťajú existenciu vesmírov, ktoré sa nielenže vyvíjajú anizotropnými rýchlosťami, ale majú aj anizotropné zakrivenie.

Takéto modely zostrojil začiatkom päťdesiatych rokov minulého storočia americký matematik Abraham Taub. Jeho priestory sa môžu v niektorých smeroch správať ako otvorené vesmíry a v iných ako uzavreté vesmíry. Navyše časom môžu zmeniť znamienko z plus na mínus a z mínus na plus. Ich priestor nielen pulzuje, ale doslova sa obracia naruby. Fyzicky môžu byť tieto procesy spojené s gravitačnými vlnami, ktoré deformujú priestor tak silno, že lokálne menia jeho geometriu z guľovej na sedlovú a naopak. Celkovo vzaté, zvláštne svety, aj keď matematicky možné.

Na rozdiel od nášho Vesmíru, ktorý sa rozpína izotropne (teda rovnakou rýchlosťou bez ohľadu na zvolený smer), Kasnerov vesmír sa súčasne rozpína (pozdĺž dvoch osí) a zmršťuje (pozdĺž tretej).

Výkyvy svetov

Čoskoro po zverejnení Kaznerovho diela sa objavili články Alexandra Fridmana, prvý v roku 1922, druhý v roku 1924. Tieto články predložili prekvapivo elegantné riešenia rovníc všeobecnej relativity, ktoré mali mimoriadne konštruktívny vplyv na vývoj kozmológie.

Friedmanov koncept je založený na predpoklade, že v priemere je hmota vo vesmíre rozložená čo najsymetrickejšie, teda úplne homogénne a izotropne. To znamená, že geometria priestoru v každom okamihu jediného kozmického času je vo všetkých jeho bodoch a vo všetkých smeroch rovnaká (prísne vzaté, takýto čas treba ešte správne určiť, no v tomto prípade je tento problém riešiteľný). Z toho vyplýva, že rýchlosť rozpínania (alebo zmršťovania) vesmíru v danom momente je opäť nezávislá od smeru.

Friedmannove vesmíry sú teda úplne odlišné od Kasnerovho modelu.

V prvom článku Friedman zostrojil model uzavretého vesmíru s neustálym pozitívnym zakrivením priestoru. Tento svet vzniká z počiatočného bodového stavu s nekonečnou hustotou hmoty, expanduje do určitého maximálneho polomeru (a teda maximálneho objemu), po ktorom sa opäť zrúti do toho istého singulárneho bodu (v matematickom jazyku singularita).

Friedman však pri tom neskončil. Nájdené kozmologické riešenie podľa neho nemusí byť obmedzené intervalom medzi počiatočnou a konečnou singularitou, môže v ňom pokračovať v čase dopredu aj dozadu. Výsledkom je nekonečný zväzok vesmírov navlečených na časovej osi, ktoré sa navzájom ohraničujú v bodoch singularity.

V jazyku fyziky to znamená, že Friedmannov uzavretý vesmír môže nekonečne oscilovať, po každej kontrakcii umierať a v následnej expanzii sa znovuzrodí k novému životu. Ide o prísne periodický proces, pretože všetky oscilácie trvajú rovnako dlho. Preto je každý cyklus existencie vesmíru presnou kópiou všetkých ostatných cyklov.

Friedman vo svojej knihe „Svet ako priestor a čas“komentoval tento model takto: „Ďalej existujú prípady, keď sa polomer zakrivenia periodicky mení: vesmír sa zmršťuje do bodu (do ničoho), potom znova z bodu. privedie svoj polomer na určitú hodnotu, potom sa opäť zmenšovaním polomeru zakrivenia zmení na bod atď. Človek si mimovoľne vybaví legendu hinduistickej mytológie o obdobiach života; dá sa hovoriť aj o „stvorení sveta z ničoho“, ale toto všetko treba považovať za kuriózne fakty, ktoré nemožno spoľahlivo potvrdiť nedostatočným astronomickým experimentálnym materiálom.

Graf potenciálu vesmíru Mixmaster vyzerá tak nezvyčajne – potenciálna jama má vysoké steny, medzi ktorými sú tri „údolia“. Nižšie sú uvedené ekvipotenciálne krivky takéhoto „vesmíru v mixéri“.

Niekoľko rokov po publikovaní Friedmanových článkov získali jeho modely slávu a uznanie. Einstein sa začal vážne zaujímať o myšlienku oscilujúceho vesmíru a nebol sám. V roku 1932 ju prevzal Richard Tolman, profesor matematickej fyziky a fyzikálnej chémie na Caltech. Nebol ani čistý matematik ako Friedman, ani astronóm a astrofyzik ako de Sitter, Lemaitre a Eddington. Tolman bol uznávaným odborníkom na štatistickú fyziku a termodynamiku, ktorú najskôr spojil s kozmológiou.

Výsledky boli veľmi netriviálne. Tolman dospel k záveru, že celková entropia kozmu by sa mala z cyklu na cyklus zvyšovať. Hromadenie entropie vedie k tomu, že stále viac energie vesmíru sa sústreďuje v elektromagnetickom žiarení, ktoré z cyklu na cyklus čoraz viac ovplyvňuje jeho dynamiku. Z tohto dôvodu sa dĺžka cyklov zvyšuje, každý ďalší sa stáva dlhším ako predchádzajúci.

Oscilácie pretrvávajú, ale prestávajú byť periodické. Navyše v každom novom cykle sa polomer Tolmanovho vesmíru zväčšuje. V štádiu maximálnej expanzie má teda najmenšie zakrivenie a jeho geometria sa stále viac a viac a dlhší čas približuje k euklidovskej.

Richard Tolman pri navrhovaní svojho modelu premeškal zaujímavú príležitosť, na ktorú v roku 1995 upozornili John Barrow a Mariusz Dombrowski. Ukázali, že oscilačný režim Tolmanovho vesmíru je nenávratne zničený, keď sa zavedie antigravitačný kozmologický parameter.

V tomto prípade sa Tolmanov vesmír v jednom z cyklov už nezmršťuje do singularity, ale so zvyšujúcim sa zrýchlením sa rozpína a mení sa na de Sitterov vesmír, čo v podobnej situácii robí aj Kasnerov vesmír. Antigravitácia, rovnako ako pracovitosť, prekoná všetko!

Násobenie entít

„Prirodzenou výzvou kozmológie je čo najlepšie pochopiť pôvod, históriu a štruktúru nášho vlastného vesmíru,“vysvetľuje pre Popular Mechanics profesor matematiky z Cambridgeskej univerzity John Barrow. - Všeobecná relativita zároveň, aj bez výpožičiek z iných odvetví fyziky, umožňuje vypočítať takmer neobmedzený počet rôznych kozmologických modelov.

Samozrejme, ich výber prebieha na základe astronomických a astrofyzikálnych údajov, pomocou ktorých je možné nielen otestovať rôzne modely na zhodu s realitou, ale aj rozhodnúť, ktoré z ich komponentov je možné kombinovať pre najvhodnejšie popis nášho sveta. Takto vznikol súčasný Štandardný model vesmíru. Takže už len z tohto dôvodu sa historicky vyvinutá paleta kozmologických modelov ukázala ako veľmi užitočná.

Ale nie je to len tak. Mnohé z modelov boli vytvorené skôr, ako astronómovia nazhromaždili množstvo údajov, ktoré majú dnes. Napríklad skutočný stupeň izotropie vesmíru bol stanovený vďaka vesmírnemu vybaveniu až za posledných pár desaťročí.

Je jasné, že v minulosti mali vesmírni dizajnéri oveľa menšie empirické obmedzenia. Navyše je možné, že aj podľa dnešných štandardov exotické modely budú v budúcnosti užitočné na opis tých častí vesmíru, ktoré ešte nie sú dostupné na pozorovanie. A napokon, vynález kozmologických modelov môže jednoducho potlačiť túžbu nájsť neznáme riešenia rovníc všeobecnej relativity, a to je tiež silný stimul. Vo všeobecnosti je množstvo takýchto modelov pochopiteľné a opodstatnené.

Nedávne spojenie kozmológie a fyziky elementárnych častíc je odôvodnené rovnakým spôsobom. Jej predstavitelia považujú najranejšiu etapu života vesmíru za prirodzené laboratórium, ideálne vhodné na štúdium základných symetrií nášho sveta, ktoré určujú zákonitosti základných interakcií. Táto aliancia už položila základy celému fanúšikovi zásadne nových a veľmi hlbokých kozmologických modelov. Niet pochýb o tom, že v budúcnosti prinesie rovnako plodné výsledky."

Vesmír v mixéri

V roku 1967 americkí astrofyzici David Wilkinson a Bruce Partridge zistili, že reliktné mikrovlnné žiarenie z akéhokoľvek smeru, objavené o tri roky skôr, prichádza na Zem prakticky s rovnakou teplotou. Pomocou vysoko citlivého rádiometra, ktorý vynašiel ich krajan Robert Dicke, ukázali, že teplotné výkyvy reliktných fotónov nepresahujú desatinu percenta (podľa moderných údajov je ich oveľa menej).

Keďže toto žiarenie vzniklo skôr ako 4 00 000 rokov po Veľkom tresku, výsledky Wilkinsona a Partridgea dali dôvod domnievať sa, že aj keď náš vesmír nebol v momente narodenia takmer ideálne izotropný, túto vlastnosť nadobudol bez veľkého odkladu.

Táto hypotéza predstavovala pre kozmológiu značný problém. V prvých kozmologických modeloch bola izotropia priestoru stanovená od samého začiatku jednoducho ako matematický predpoklad. V polovici minulého storočia sa však ukázalo, že rovnice všeobecnej relativity umožňujú zostaviť súbor neizotropných vesmírov. V kontexte týchto výsledkov si takmer ideálna izotropia CMB vyžiadala vysvetlenie.

Toto vysvetlenie sa objavilo až začiatkom 80. rokov minulého storočia a bolo úplne neočakávané. Bol postavený na zásadne novom teoretickom koncepte superrýchleho (ako sa zvyčajne hovorí, inflačného) rozpínania vesmíru v prvých momentoch jeho existencie (pozri „PM“č. 7'2012). V druhej polovici 60. rokov veda jednoducho nebola zrelá na takéto prevratné myšlienky. Ale, ako viete, pri absencii opečiatkovaného papiera píšu obyčajným.

Významný americký kozmológ Charles Misner sa hneď po zverejnení článku Wilkinsona a Partridgea pokúsil vysvetliť izotropiu mikrovlnného žiarenia celkom tradičnými prostriedkami. Podľa jeho hypotézy nehomogenity raného Vesmíru postupne mizli v dôsledku vzájomného „trenia“jeho častí, spôsobeného výmenou neutrín a svetelných tokov (Mizner vo svojej prvej publikácii nazval tento domnelý efekt viskozita neutrín).

Takáto viskozita podľa neho dokáže rýchlo vyhladiť počiatočný chaos a urobiť Vesmír takmer dokonale homogénnym a izotropným.

Misnerov výskumný program vyzeral krásne, no nepriniesol praktické výsledky. Hlavný dôvod jeho zlyhania opäť odhalila mikrovlnná analýza. Akékoľvek procesy zahŕňajúce trenie vytvárajú teplo, to je elementárny dôsledok zákonov termodynamiky. Ak by boli primárne nehomogenity vesmíru vyhladené v dôsledku neutrína alebo inej viskozity, hustota energie CMB by sa výrazne líšila od pozorovanej hodnoty.

Ako koncom 70. rokov ukázali americký astrofyzik Richard Matzner a jeho už spomínaný anglický kolega John Barrow, viskózne procesy dokážu eliminovať len tie najmenšie kozmologické nehomogenity. Na úplné „vyhladenie“vesmíru boli potrebné iné mechanizmy, ktoré sa našli v rámci inflačnej teórie.

Napriek tomu Mizner získal mnoho zaujímavých výsledkov. Najmä v roku 1969 zverejnil nový kozmologický model, ktorého názov si požičal … od kuchynského spotrebiča, domáceho mixéra od Sunbeam Products! Mixmaster Universe neustále bije v najsilnejších kŕčoch, ktoré podľa Miznera spôsobujú, že svetlo cirkuluje po uzavretých dráhach, mieša a homogenizuje jeho obsah.

Neskoršia analýza tohto modelu však ukázala, že aj keď fotóny v Miznerovom svete robia dlhé cesty, ich zmiešavací efekt je veľmi nevýznamný.

Napriek tomu je Mixmaster Universe veľmi zaujímavý. Rovnako ako Friedmanov uzavretý vesmír vzniká z nulového objemu, rozpína sa do určitého maxima a vplyvom vlastnej gravitácie sa opäť sťahuje. Ale tento vývoj nie je plynulý, ako Friedmanov, ale absolútne chaotický, a preto úplne nepredvídateľný v detailoch.

V mladosti tento vesmír intenzívne osciluje, rozpína sa v dvoch smeroch a v treťom sa sťahuje – ako Kasnerov. Orientácie expanzií a kontrakcií však nie sú konštantné - menia miesta náhodne. Okrem toho frekvencia oscilácií závisí od času a má tendenciu k nekonečnu, keď sa blíži počiatočný okamih. Takýto vesmír prechádza chaotickými deformáciami, ako keď sa želé chveje na tanieriku. Tieto deformácie možno opäť interpretovať ako prejav gravitačných vĺn pohybujúcich sa rôznymi smermi, oveľa prudšie ako v Kasnerovom modeli.

Vesmír Mixmaster sa zapísal do dejín kozmológie ako najkomplexnejší z imaginárnych vesmírov vytvorených na základe „čistej“všeobecnej teórie relativity. Od začiatku 80. rokov 20. storočia najzaujímavejšie koncepty tohto druhu začali využívať myšlienky a matematický aparát kvantovej teórie poľa a teórie elementárnych častíc a potom bez veľkého odkladu aj teóriu superstrun.