Kainatın quruluşunun ən qəribə və qeyri-adi nəzəriyyələri

2024 Müəllif: Seth Attwood | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2023-12-16 15:57

Klassik kosmoloji modellərlə yanaşı, ümumi nisbilik çox, çox, çox ekzotik xəyali dünyalar yaratmağa imkan verir.

Kosmosun homojenliyi və izotropiyası ilə tamamlanan ümumi nisbi nəzəriyyədən istifadə etməklə qurulmuş bir neçə klassik kosmoloji model mövcuddur (bax “PM” No. 6'2012). Eynşteynin qapalı kainatında kosmosun sabit müsbət əyriliyi var ki, bu da antiqravitasiya sahəsi kimi çıxış edən ümumi nisbilik nəzəriyyəsinin tənliklərinə kosmoloji parametr adlanan parametrin daxil edilməsi nəticəsində statik olur.

De Sitterin əyri olmayan fəzaya malik sürətlənən kainatında adi maddə yoxdur, lakin o, həm də cazibə əleyhinə sahə ilə doludur. Aleksandr Fridmanın qapalı və açıq kainatları da var; zaman keçdikcə genişlənmə sürətini tədricən sıfıra endirən Eynşteynin sərhəd dünyası - de Sitter və nəhayət, superkompakt ilkin vəziyyətdən böyüyən Big Bang kosmologiyasının əcdadı olan Lemaitre kainatı. Onların hamısı, xüsusən də Lemaitre modeli kainatımızın müasir standart modelinin qabaqcılları oldu.

Fərqli modellərdə kainatın fəzası mənfi (hiperbolik fəza), sıfır (kainatımıza uyğun gələn düz Evklid fəzası) və ya müsbət (elliptik fəza) ola bilən müxtəlif əyriliklərə malikdir. İlk iki model sonsuz genişlənən açıq kainatlardır, sonuncusu qapalıdır, gec-tez dağılacaq. Şəkildə yuxarıdan aşağıya belə bir məkanın ikiölçülü analoqları göstərilir.

Bununla belə, ümumi nisbilik tənliklərindən istifadə etməklə çox yaradıcı bir şəkildə yaradılan başqa kainatlar da var. Onlar astronomik və astrofiziki müşahidələrin nəticələrinə daha az uyğun gəlir (və ya heç uyğun gəlmir), lakin çox vaxt çox gözəl, bəzən də zərif paradoksal olurlar. Düzdür, riyaziyyatçılar və astronomlar onları elə miqdarda icad ediblər ki, biz özümüzü xəyali aləmlərin ən maraqlı bir neçə nümunəsi ilə məhdudlaşdırmalı olacağıq.

Simdən pancake qədər

Eynşteyn və de Sitterin fundamental işlərinin ortaya çıxmasından (1917-ci ildə) sonra bir çox elm adamları kosmoloji modellər yaratmaq üçün ümumi nisbi nəzəriyyənin tənliklərindən istifadə etməyə başladılar. Bunu ilk edənlərdən biri 1921-ci ildə öz həllini nəşr etdirən Nyu-York riyaziyyatçısı Edvard Kasner oldu.

Onun kainatı çox qeyri-adidir. Onun təkcə cazibə qüvvəsi yox, həm də anti-qravitasiya sahəsi yoxdur (başqa sözlə, Eynşteynin kosmoloji parametri yoxdur). Belə görünür ki, bu ideal boş dünyada heç nə baş verə bilməz. Bununla belə, Kasner onun hipotetik kainatının müxtəlif istiqamətlərdə qeyri-bərabər inkişaf etdiyini etiraf etdi. O, iki koordinat oxu boyunca genişlənir, lakin üçüncü ox boyunca daralır.

Buna görə də, bu boşluq açıq şəkildə anizotropikdir və həndəsi konturlarda ellipsoidə bənzəyir. Belə bir ellipsoid iki istiqamətdə uzandığından və üçüncüsü boyunca daraldığından, tədricən düz pancake çevrilir. Eyni zamanda, Kasner kainatı heç arıqlamır, onun həcmi yaşa uyğun olaraq artır. İlkin anda bu yaş sıfıra bərabərdir - və buna görə də həcm də sıfırdır. Bununla belə, Kasner kainatları Lemaitre dünyası kimi bir nöqtə təkliyindən deyil, sonsuz incə dişli kimi bir şeydən doğulur - onun ilkin radiusu bir ox boyunca sonsuzluğa, digər ikisi boyunca isə sıfıra bərabərdir.

Niyə biz google

Edvard Kasner elmin parlaq populyarlaşdırıcısı idi - onun Ceyms Nyumanla həmmüəllifi olduğu Riyaziyyat və Təxəyyül kitabı bu gün yenidən nəşr olunur və oxunur. Fəsillərin birində 10 rəqəmi görünür¹⁰⁰… Kaznerin doqquz yaşlı qardaşı oğlu bu nömrə üçün bir ad - googol (Googol) və hətta inanılmaz dərəcədə nəhəng bir rəqəm 10 ilə gəldi.^Googol- googolplex (Googolplex) terminini vaftiz etdi. Stenford magistr tələbələri Larry Page və Sergey Brin axtarış sistemi üçün ad tapmağa çalışarkən, onların dostu Sean Anderson hər şeyi əhatə edən Googolplex-i tövsiyə etdi.

Bununla belə, Page daha təvazökar Googol-u bəyəndi və Anderson dərhal onun İnternet domeni kimi istifadə oluna biləcəyini yoxlamağa başladı. O, tələsik hərf səhvi edib və sorğunu Googol.com-a yox, Google.com-a göndərib. Bu adın pulsuz olduğu ortaya çıxdı və Brin onu o qədər bəyəndi ki, o, Peyclə birlikdə 15 sentyabr 1997-ci ildə onu dərhal qeydiyyatdan keçirdi. Əgər hər şey fərqli olsaydı, bizdə Google olmazdı!

Bu boş dünyanın təkamülünün sirri nədir? Onun kosmosu müxtəlif istiqamətlər üzrə müxtəlif yollarla “yerləşdiyindən” onun dinamikasını müəyyən edən qravitasiya gelgit qüvvələri yaranır. Belə görünür ki, hər üç ox boyunca genişlənmə sürətlərini bərabərləşdirmək və bununla da anizotropiyanı aradan qaldırmaqla onlardan xilas olmaq olar, lakin riyaziyyat belə azadlıqlara imkan vermir.

Düzdür, üç sürətdən ikisini sıfıra bərabər təyin etmək olar (başqa sözlə, kainatın ölçülərini iki koordinat oxu boyunca sabitləyin). Bu halda, Kasnerin dünyası yalnız bir istiqamətdə böyüyəcək və zamanla ciddi şəkildə mütənasib olacaq (bunu başa düşmək asandır, çünki onun həcmi belə artmalıdır), lakin əldə edə biləcəyimiz yeganə şey budur.

Kasner kainatı yalnız tam boşluq şəraitində öz başına qala bilər. Əgər ona bir az maddə əlavə etsəniz, o, Eynşteyn-de Sitterin izotrop kainatı kimi tədricən inkişaf etməyə başlayacaq. Eyni şəkildə, tənliklərinə sıfırdan fərqli bir Eynşteyn parametri əlavə edildikdə, o (maddə ilə və ya maddə olmadan) asimptotik şəkildə eksponensial izotrop genişlənmə rejiminə daxil olacaq və de Sitter kainatına çevriləcəkdir. Bununla belə, bu cür "əlavələr" həqiqətən yalnız artıq mövcud olan kainatın təkamülünü dəyişdirir.

Onun doğulduğu anda onlar praktiki olaraq heç bir rol oynamırlar və kainat eyni ssenari üzrə inkişaf edir.

Kasner aləmi dinamik anizotrop olsa da, istənilən vaxt onun əyriliyi bütün koordinat oxları boyunca eynidir. Bununla belə, ümumi nisbilik tənlikləri təkcə anizotrop sürətlərlə təkamül edən deyil, həm də anizotrop əyriliyə malik olan kainatların mövcudluğunu qəbul edir.

Belə modellər 1950-ci illərin əvvəllərində Amerika riyaziyyatçısı Abraham Taub tərəfindən qurulmuşdur. Onun məkanları bəzi istiqamətlərdə açıq kainatlar kimi, digərlərində isə qapalı kainatlar kimi davrana bilər. Üstəlik, zaman keçdikcə işarəni artıdan mənfiyə və mənfidən artıya dəyişə bilərlər. Onların məkanı təkcə pulsasiya etmir, həm də sanki içəriyə çevrilir. Fiziki olaraq, bu proseslər məkanı o qədər güclü şəkildə deformasiya edən qravitasiya dalğaları ilə əlaqələndirilə bilər ki, onlar yerli olaraq onun həndəsəsini sferikdən yəhərə və əksinə dəyişirlər. Ümumiyyətlə, riyazi olaraq mümkün olsa da, qəribə dünyalar.

İzotropik (yəni seçilmiş istiqamətdən asılı olmayaraq eyni sürətlə) genişlənən Kainatımızdan fərqli olaraq, Kasnerin kainatı eyni vaxtda genişlənir (iki ox boyunca) və daralır (üçüncü ox boyunca).

Dünyanın dalğalanmaları

Kaznerin əsərinin nəşrindən az sonra Aleksandr Fridmanın birincisi 1922-ci ildə, ikincisi 1924-cü ildə məqalələri çıxdı. Bu məqalələr kosmologiyanın inkişafına son dərəcə konstruktiv təsir göstərən ümumi nisbilik tənliklərinə təəccüblü dərəcədə zərif həllər təqdim etdi.

Fridmanın konsepsiyası orta hesabla maddənin kosmosda mümkün qədər simmetrik, yəni tamamilə homojen və izotropik paylanması fərziyyəsinə əsaslanır. Bu o deməkdir ki, vahid kosmik zamanın hər anında kosmosun həndəsəsi bütün nöqtələrində və bütün istiqamətlərində eynidir (doğru desək, belə bir vaxtı hələ də düzgün müəyyən etmək lazımdır, lakin bu halda bu problem həll edilə bilər). Buradan belə nəticə çıxır ki, kainatın istənilən andakı genişlənmə (və ya daralma) sürəti yenə istiqamətdən asılı deyil.

Buna görə də Fridmanın kainatları Kasnerin modelindən tamamilə fərqlidir.

Birinci məqalədə Fridman kosmosun sabit müsbət əyriliyi ilə qapalı kainatın modelini qurdu. Bu dünya maddənin sonsuz sıxlığına malik başlanğıc nöqtə vəziyyətindən yaranır, müəyyən maksimum radiusa (və deməli, maksimum həcmə) qədər genişlənir, bundan sonra yenidən eyni tək nöqtəyə (riyazi dildə desək, təklik) çökür.

Bununla belə, Fridman bununla da dayanmadı. Onun fikrincə, tapılan kosmoloji həlli ilkin və son təkliklər arasındakı intervalla məhdudlaşdırmaq lazım deyil, həm irəli, həm də geriyə doğru zamanda davam etdirilə bilər. Nəticə təklik nöqtələrində bir-biri ilə həmsərhəd olan zaman oxuna bağlı sonsuz bir dəstə kainatdır.

Fizikanın dili ilə desək, bu o deməkdir ki, Fridmanın qapalı kainatı sonsuz tərəddüd edə, hər büzülmədən sonra ölə və sonrakı genişlənmədə yeni həyata yenidən doğula bilər. Bu, ciddi dövri bir prosesdir, çünki bütün salınımlar eyni müddət ərzində davam edir. Buna görə də, kainatın mövcudluğunun hər bir dövrü bütün digər dövrlərin dəqiq surətidir.

Fridman “The World as Space and Time” kitabında bu modeli belə şərh etmişdir: “Bundan başqa, əyrilik radiusunun vaxtaşırı dəyişdiyi hallar var: kainat bir nöqtəyə (heçliyə), sonra yenidən bir nöqtədən büzülür. radiusunu müəyyən dəyərə gətirir, sonra yenidən əyrilik radiusunu azaldaraq nöqtəyə çevrilir və s. İnsan istər-istəməz hindu mifologiyasının həyat dövrləri haqqında əfsanəsini xatırladır; “Dünyanın yoxdan yaradılması” haqqında da danışmaq olar, lakin bütün bunlar qeyri-kafi astronomik eksperimental materialla qəti şəkildə təsdiqlənə bilməyən maraqlı faktlar kimi qəbul edilməlidir”.

Mixmaster kainatının potensialının qrafiki o qədər qeyri-adi görünür - potensial çuxurun hündür divarları var, onların arasında üç "dərə" var. Aşağıda belə bir "qarışdıran kainatın" ekvipotensial əyriləri verilmişdir.

Fridmanın məqalələrinin dərcindən bir neçə il sonra onun modelləri şöhrət və tanınma qazandı. Eynşteyn salınan kainat ideyası ilə ciddi maraqlandı və o, tək deyildi. 1932-ci ildə Caltech-də riyazi fizika və fiziki kimya professoru Riçard Tolman tərəfindən ələ keçirildi. O, nə Fridman kimi saf riyaziyyatçı, nə de Sitter, Lemaitre və Eddinqton kimi astronom və astrofizik idi. Tolman ilk dəfə kosmologiya ilə birləşdirdiyi statistik fizika və termodinamika sahəsində tanınmış mütəxəssis idi.

Nəticələr çox qeyri-trivial idi. Tolman belə bir nəticəyə gəldi ki, kosmosun ümumi entropiyası dövrdən dövrə artmalıdır. Entropiyanın yığılması ona gətirib çıxarır ki, kainatın enerjisinin getdikcə daha çox hissəsi elektromaqnit şüalanmasında cəmləşir ki, bu da dövrandan dövrə onun dinamikasına getdikcə təsir edir. Buna görə dövrlərin uzunluğu artır, hər növbəti əvvəlkindən daha uzun olur.

Salınımlar davam edir, lakin dövri olmağı dayandırır. Üstəlik, hər yeni dövrədə Tolmanın kainatının radiusu artır. Nəticədə, maksimum genişlənmə mərhələsində ən kiçik əyriliyə malikdir və həndəsəsi getdikcə daha çox olur və getdikcə daha uzun müddət Evklid birinə yaxınlaşır.

Riçard Tolman öz modelini hazırlayarkən 1995-ci ildə Con Barrou və Mariuş Dombrovskinin diqqət çəkdiyi maraqlı fürsəti əldən verdi. Onlar göstərdilər ki, antiqravitasiya kosmoloji parametr daxil edildikdə, Tolman kainatının salınım rejimi dönməz şəkildə məhv olur.

Bu halda, dövrlərdən birində olan Tolmanın kainatı artıq təkliyə büzülmür, əksinə artan sürətlənmə ilə genişlənir və de Sitter kainatına çevrilir ki, bu da oxşar vəziyyətdə Kasner kainatı tərəfindən həyata keçirilir. Qravitasiya, çalışqanlıq kimi, hər şeyə qalib gəlir!

Müəssisənin çoxaldılması

Kembric Universitetinin riyaziyyat professoru Con Barrou Popular Mechanics-ə izah edir: “Kosmologiyanın təbii problemi öz kainatımızın mənşəyini, tarixini və quruluşunu mümkün qədər yaxşı başa düşməkdir”. - Eyni zamanda, ümumi nisbilik nəzəriyyəsi, hətta fizikanın digər sahələrindən borc almadan da, demək olar ki, qeyri-məhdud sayda müxtəlif kosmoloji modelləri hesablamağa imkan verir.

Əlbəttə ki, onların seçimi astronomik və astrofizik məlumatlar əsasında həyata keçirilir ki, onların köməyi ilə nəinki reallığa uyğunluq baxımından müxtəlif modelləri sınaqdan keçirmək, həm də onların hansı komponentlərinin ən adekvat şəkildə birləşdirilə biləcəyinə qərar vermək mümkündür. dünyamızın təsviri. Kainatın hazırkı Standart Modeli belə yarandı. Beləliklə, hətta bu səbəbdən tarixən inkişaf etdirilən müxtəlif kosmoloji modellərin çox faydalı olduğu sübut edilmişdir.

Amma təkcə bu deyil. Modellərin bir çoxu astronomlar bu gün sahib olduqları zəngin məlumatı toplamamışdan əvvəl yaradılmışdır. Məsələn, kainatın həqiqi izotropiya dərəcəsi yalnız son bir neçə onillikdə kosmik avadanlıqlar sayəsində müəyyən edilmişdir.

Aydındır ki, keçmişdə kosmik dizaynerlərin empirik məhdudiyyətləri daha az idi. Bundan əlavə, bugünkü standartlara uyğun ekzotik modellərin belə Kainatın hələ müşahidə üçün mümkün olmayan hissələrini təsvir etmək üçün gələcəkdə faydalı olacağı mümkündür. Və nəhayət, kosmoloji modellərin ixtirası sadəcə olaraq ümumi nisbilik tənliklərinə naməlum həllər tapmaq istəyini sövq edə bilər və bu həm də güclü stimuldur. Ümumiyyətlə, bu cür modellərin bolluğu başa düşüləndir və əsaslandırılır.

Kosmologiya ilə elementar hissəciklər fizikasının son birliyi də eyni şəkildə əsaslandırılır. Onun nümayəndələri Kainatın həyatının ən erkən mərhələsini dünyamızın fundamental qarşılıqlı qanunauyğunluqlarını müəyyən edən əsas simmetriyalarını öyrənmək üçün ideal olan təbii laboratoriya hesab edirlər. Bu ittifaq artıq prinsipcə yeni və çox dərin kosmoloji modellərin bütöv bir pərəstişkarının əsasını qoyub. Gələcəkdə də eyni dərəcədə səmərəli nəticələr verəcəyinə şübhə yoxdur”.

Mikserdə Kainat

1967-ci ildə amerikalı astrofiziklər David Wilkinson və Bruce Partridge üç il əvvəl kəşf edilmiş istənilən istiqamətdən relikt mikrodalğalı şüalanmanın Yerə demək olar ki, eyni temperaturda gəldiyini aşkar etdilər. Həmyerliləri Robert Dikkin ixtira etdiyi yüksək həssas radiometrin köməyi ilə onlar göstərdilər ki, relikt fotonların temperatur dəyişmələri faizin onda birindən çox deyil (müasir məlumatlara görə, onlar xeyli azdır).

Bu radiasiya Böyük Partlayışdan 4,00,000 il sonra yarandığı üçün, Wilkinson və Partridge-in nəticələri belə güman etməyə əsas verirdi ki, kainatımız doğulduğu anda demək olar ki, ideal izotrop olmasa da, bu xüsusiyyəti çox gecikmədən əldə edib.

Bu fərziyyə kosmologiya üçün əhəmiyyətli bir problem yaratdı. İlk kosmoloji modellərdə kosmosun izotropiyası lap əvvəldən sadəcə riyazi fərziyyə kimi qoyulmuşdur. Lakin hələ keçən əsrin ortalarında məlum oldu ki, ümumi nisbilik tənlikləri izotrop olmayan kainatlar toplusunu qurmağa imkan verir. Bu nəticələr kontekstində QMİ-nin demək olar ki, ideal izotropiyası izahat tələb edirdi.

Bu izahat yalnız 1980-ci illərin əvvəllərində ortaya çıxdı və tamamilə gözlənilməz oldu. O, mövcudluğunun ilk anlarında Kainatın super sürətli (adətən dedikləri kimi, inflyasiya yolu ilə) genişlənməsinin prinsipcə yeni nəzəri konsepsiyası üzərində qurulmuşdu (bax: "PM" No. 7'2012). 1960-cı illərin ikinci yarısında elm bu cür inqilabi ideyalar üçün sadəcə olaraq yetişməmişdi. Amma, bildiyiniz kimi, möhürlənmiş kağız olmayanda, düz bir şəkildə yazırlar.

Görkəmli amerikalı kosmoloq Çarlz Misner Wilkinson və Partridge tərəfindən məqalə dərc edildikdən dərhal sonra olduqca ənənəvi vasitələrdən istifadə edərək mikrodalğalı şüalanmanın izotropiyasını izah etməyə çalışdı. Onun fərziyyəsinə görə, ilkin Kainatın qeyri-homogenliyi onun hissələrinin neytrino və işıq axınlarının mübadiləsi nəticəsində yaranan qarşılıqlı “sürtünməsi” səbəbindən tədricən yox oldu (Mizner ilk nəşrində bu güman edilən effekti neytrino özlülük adlandırdı).

Onun fikrincə, belə bir özlülük ilkin xaosu tez bir zamanda hamarlaya və Kainatı demək olar ki, mükəmməl homojen və izotrop edə bilər.

Misnerin tədqiqat proqramı gözəl görünürdü, lakin praktiki nəticə vermədi. Onun uğursuzluğunun əsas səbəbi yenidən mikrodalğalı analizlər vasitəsilə üzə çıxdı. Sürtünmə ilə əlaqəli hər hansı bir proses istilik yaradır, bu termodinamika qanunlarının elementar nəticəsidir. Kainatın ilkin qeyri-bərabərliyi neytrino və ya hər hansı digər özlülük səbəbindən hamarlansaydı, CMB enerji sıxlığı müşahidə edilən dəyərdən əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənərdi.

Amerikalı astrofizik Riçard Matzner və onun artıq adı çəkilən ingilis həmkarı Con Barrounun 1970-ci illərin sonunda göstərdiyi kimi, özlü proseslər yalnız ən kiçik kosmoloji qeyri-bərabərliyi aradan qaldıra bilər. Kainatın tam "hamarlanması" üçün başqa mexanizmlər tələb olunurdu və onlar inflyasiya nəzəriyyəsi çərçivəsində tapıldı.

Buna baxmayaraq, Mizner bir çox maraqlı nəticələr əldə etdi. Xüsusilə, 1969-cu ildə o, adını … mətbəx texnikasından, Sunbeam Products tərəfindən hazırlanmış ev mikserindən götürdüyü yeni bir kosmoloji modeli nəşr etdi! Mixmaster Kainatı davamlı olaraq ən güclü qıcolmalarda döyünür, Miznerə görə, işığın qapalı yollar boyunca dövranını təmin edir, məzmununu qarışdırır və homogenləşdirir.

Lakin bu modelin sonrakı təhlili göstərdi ki, Mizner dünyasındakı fotonlar uzun səyahətlər etsə də, onların qarışdırma effekti çox əhəmiyyətsizdir.

Buna baxmayaraq, Mixmaster Kainatı çox maraqlıdır. Fridmanın qapalı kainatı kimi, öz cazibə qüvvəsinin təsiri ilə sıfır həcmdən yaranır, müəyyən maksimuma qədər genişlənir və yenidən büzülür. Ancaq bu təkamül Fridman kimi hamar deyil, tamamilə xaotik və buna görə də təfərrüatları ilə tamamilə gözlənilməzdir.

Gənclikdə bu kainat intensiv olaraq yellənir, iki istiqamətdə genişlənir və üçüncü istiqamətdə büzülür - Kasnerinki kimi. Bununla belə, genişlənmələrin və büzülmələrin istiqamətləri sabit deyil - yerləri təsadüfi olaraq dəyişirlər. Üstəlik, salınımların tezliyi zamandan asılıdır və başlanğıc anına yaxınlaşdıqda sonsuzluğa meyllidir. Belə bir kainat nəlbəki üzərində titrəyən jele kimi xaotik deformasiyalara məruz qalır. Bu deformasiyaları yenə də Kasner modelindən qat-qat şiddətli, müxtəlif istiqamətlərdə hərəkət edən qravitasiya dalğalarının təzahürü kimi şərh etmək olar.

Mixmaster Kainatı kosmologiya tarixinə “saf” ümumi nisbilik əsasında yaradılmış xəyali kainatların ən mürəkkəbi kimi daxil olmuşdur. 1980-ci illərin əvvəllərindən etibarən bu cür ən maraqlı konsepsiyalar kvant sahə nəzəriyyəsi və elementar hissəciklər nəzəriyyəsinin ideyalarından və riyazi aparatlarından, sonra isə çox gecikmədən superstring nəzəriyyəsindən istifadə etməyə başladı.