Nadharia za ajabu na zisizo za kawaida za muundo wa ulimwengu

2024 Mwandishi: Seth Attwood | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-16 16:17

Mbali na mifano ya kitamaduni ya ulimwengu, uhusiano wa jumla unaruhusu uundaji wa ulimwengu wa kufikiria sana, wa kigeni sana.

Kuna mifano kadhaa ya classical ya cosmological iliyojengwa kwa kutumia relativity ya jumla, inayoongezewa na homogeneity na isotropy ya nafasi (tazama "PM" No. 6'2012). Ulimwengu uliofungwa wa Einstein una mzingo mzuri wa mara kwa mara wa nafasi, ambayo huwa tuli kwa sababu ya kuanzishwa kwa kinachojulikana kama parameta ya ulimwengu katika milinganyo ya uhusiano wa jumla, ambayo hufanya kama uwanja wa antigravitational.

Katika ulimwengu unaoongeza kasi wa de Sitter wenye nafasi isiyopinda, hakuna jambo la kawaida, lakini pia umejaa uga wa kuzuia mvuto. Pia kuna ulimwengu uliofungwa na wazi wa Alexander Friedman; ulimwengu wa mpaka wa Einstein - de Sitter, ambao polepole hupunguza kiwango cha upanuzi hadi sifuri kwa wakati, na hatimaye, ulimwengu wa Lemaitre, mtangulizi wa Kosmolojia ya Big Bang, inayokua kutoka hali ya awali ya supercompact. Wote, na hasa mfano wa Lemaitre, wakawa watangulizi wa mfano wa kisasa wa ulimwengu wetu.

Nafasi ya ulimwengu katika mifano tofauti ina mikunjo tofauti, ambayo inaweza kuwa hasi (nafasi ya hyperbolic), sifuri (nafasi ya gorofa ya Euclidean, inayolingana na ulimwengu wetu) au chanya (nafasi ya elliptical). Mifano mbili za kwanza ni ulimwengu wazi, kupanua bila mwisho, moja ya mwisho imefungwa, ambayo mapema au baadaye itaanguka. Mchoro unaonyesha kutoka juu hadi chini analogi za pande mbili za nafasi kama hiyo.

Kuna, hata hivyo, ulimwengu mwingine, pia unaotokana na ubunifu sana, kama ilivyo kawaida kusema, matumizi ya hesabu za uhusiano wa jumla. Zinalingana kidogo (au hazihusiani kabisa) na matokeo ya uchunguzi wa unajimu na unajimu, lakini mara nyingi ni nzuri sana, na wakati mwingine ni za kushangaza. Ni kweli, wanahisabati na wanajimu walivivumbua kwa wingi hivi kwamba itabidi tujiwekee kikomo kwa mifano michache tu ya kuvutia zaidi ya ulimwengu wa kufikiria.

Kutoka kwa kamba hadi pancake

Baada ya kuonekana (mnamo 1917) kwa kazi ya kimsingi ya Einstein na de Sitter, wanasayansi wengi walianza kutumia hesabu za uhusiano wa jumla kuunda mifano ya ulimwengu. Mmoja wa wa kwanza kufanya hivi alikuwa mwanahisabati wa New York Edward Kasner, ambaye alichapisha suluhisho lake mnamo 1921.

Ulimwengu wake sio wa kawaida sana. Haina tu jambo la mvuto, lakini pia uwanja wa kupambana na mvuto (kwa maneno mengine, hakuna parameter ya cosmological ya Einstein). Inaweza kuonekana kuwa katika ulimwengu huu usio na kitu hakuna kinachoweza kutokea hata kidogo. Walakini, Kasner alikiri kwamba ulimwengu wake wa dhahania uliibuka kwa njia tofauti katika mwelekeo tofauti. Inapanuka pamoja na shoka mbili za kuratibu, lakini mikataba kwenye mhimili wa tatu.

Kwa hiyo, nafasi hii ni wazi ya anisotropic na inafanana na ellipsoid katika muhtasari wa kijiometri. Kwa kuwa ellipsoid kama hiyo inaenea kwa pande mbili na mikataba kando ya tatu, polepole inabadilika kuwa pancake ya gorofa. Wakati huo huo, ulimwengu wa Kasner haupotezi uzito hata kidogo, kiasi chake huongezeka kwa uwiano wa umri. Kwa wakati wa awali, umri huu ni sawa na sifuri - na, kwa hiyo, kiasi pia ni sifuri. Walakini, ulimwengu wa Kasner haujazaliwa kutoka kwa umoja wa uhakika, kama ulimwengu wa Lemaitre, lakini kutoka kwa kitu kama kizungumzo chembamba - radius yake ya awali ni sawa na infinity kando ya mhimili mmoja na sifuri pamoja na nyingine mbili.

Kwa nini tuna google

Edward Kasner alikuwa mtangazaji mahiri wa sayansi - kitabu chake cha Mathematics and the Imagination, kilichoandikwa pamoja na James Newman, kimechapishwa tena na kusomwa leo. Katika moja ya sura, nambari ya 10 inaonekana¹⁰⁰… Mpwa wa Kazner mwenye umri wa miaka tisa alikuja na jina la nambari hii - googol (Googol), na hata nambari kubwa sana 10.^Googol- alibatiza neno googolplex (Googolplex). Wanafunzi wahitimu wa Stanford, Larry Page na Sergey Brin walipokuwa wakijaribu kutafuta jina la injini yao ya utafutaji, rafiki yao Sean Anderson alipendekeza Googolplex inayojumuisha yote.

Hata hivyo, Page alipenda Googol ya kawaida zaidi, na Anderson mara moja aliamua kuangalia kama inaweza kutumika kama kikoa cha Intaneti. Kwa haraka, aliandika makosa na kutuma ombi si kwa Googol.com, bali kwa Google.com. Jina hili liligeuka kuwa la bure na Brin alilipenda sana hivi kwamba yeye na Page walilisajili mara moja mnamo Septemba 15, 1997. Kama ingetokea tofauti, tusingekuwa na Google!

Nini siri ya mageuzi ya dunia hii tupu? Kwa kuwa nafasi yake "inabadilika" kwa njia tofauti kwa mwelekeo tofauti, nguvu za mvuto wa mawimbi hutokea, ambayo huamua mienendo yake. Inaweza kuonekana kuwa mtu anaweza kuwaondoa kwa kusawazisha viwango vya upanuzi kwenye shoka zote tatu na kwa hivyo kuondoa anisotropy, lakini hisabati hairuhusu uhuru kama huo.

Kweli, mtu anaweza kuweka kasi mbili kati ya tatu sawa na sifuri (kwa maneno mengine, kurekebisha vipimo vya ulimwengu pamoja na axes mbili za kuratibu). Katika kesi hii, ulimwengu wa Kasner utakua kwa mwelekeo mmoja tu, na kwa uwiano wa wakati (hii ni rahisi kuelewa, kwa kuwa hii ni jinsi kiasi chake kinapaswa kuongezeka), lakini hii ndiyo yote tunaweza kufikia.

Ulimwengu wa Kasner unaweza kubaki peke yake chini ya hali ya utupu kamili. Ukiiongezea jambo dogo, itaanza kubadilika polepole kama ulimwengu wa isotropiki wa Einstein-de Sitter. Kwa njia hiyo hiyo, wakati parameta isiyo ya kawaida ya Einstein imeongezwa kwa milinganyo yake, (ikiwa na au bila jambo) itaingia bila dalili katika serikali ya upanuzi wa isotropiki ya kielelezo na kugeuka kuwa ulimwengu wa de Sitter. Walakini, "nyongeza" kama hizo hubadilisha tu mageuzi ya ulimwengu uliopo tayari.

Wakati wa kuzaliwa kwake, kwa kweli hawana jukumu, na ulimwengu unabadilika kulingana na hali hiyo hiyo.

Ingawa ulimwengu wa Kasner ni wa anisotropic kwa nguvu, mkunjo wake wakati wowote ni sawa kwenye shoka zote za kuratibu. Walakini, milinganyo ya uhusiano wa jumla inakubali kuwepo kwa malimwengu ambayo sio tu yanabadilika kwa kasi ya anisotropiki, lakini pia kuwa na curvature ya anisotropiki.

Mifano kama hizo zilijengwa mapema miaka ya 1950 na mwanahisabati wa Amerika Abraham Taub. Nafasi zake zinaweza kutenda kama ulimwengu ulio wazi katika pande fulani, na kama ulimwengu uliofungwa kwa zingine. Zaidi ya hayo, baada ya muda, wanaweza kubadilisha ishara kutoka plus hadi minus na kutoka minus hadi plus. Nafasi yao sio tu pulsates, lakini literally zamu ndani nje. Kimwili, michakato hii inaweza kuhusishwa na mawimbi ya uvutano, ambayo huharibu nafasi kwa nguvu sana hivi kwamba hubadilisha jiometri yake kutoka kwa duara hadi tandiko na kinyume chake. Yote kwa yote, ulimwengu wa ajabu, ingawa inawezekana kihisabati.

Tofauti na Ulimwengu wetu, ambao unakua isotropiki (yaani, kwa kasi sawa bila kujali mwelekeo uliochaguliwa), ulimwengu wa Kasner wakati huo huo unapanuka (pamoja na shoka mbili) na mikataba (pamoja na ya tatu).

Kushuka kwa thamani ya walimwengu

Mara tu baada ya kuchapishwa kwa kazi ya Kazner, nakala za Alexander Fridman zilionekana, ya kwanza mnamo 1922, ya pili mnamo 1924. Karatasi hizi ziliwasilisha masuluhisho ya kifahari ya kushangaza kwa milinganyo ya uhusiano wa jumla, ambayo ilikuwa na athari ya kujenga sana katika ukuzaji wa ulimwengu.

Wazo la Friedman linatokana na dhana kwamba, kwa wastani, maada husambazwa katika anga ya juu kwa ulinganifu iwezekanavyo, ambayo ni, homogeneous kabisa na isotropiki. Hii ina maana kwamba jiometri ya nafasi kwa kila wakati wa wakati mmoja wa cosmic ni sawa katika pointi zake zote na kwa pande zote (kwa kusema madhubuti, wakati huo bado unahitaji kuamua kwa usahihi, lakini katika kesi hii tatizo hili linatatuliwa). Inafuata kwamba kasi ya upanuzi (au kupunguzwa) ya ulimwengu wakati wowote haitegemei mwelekeo.

Kwa hivyo ulimwengu wa Friedmann ni tofauti kabisa na mfano wa Kasner.

Katika makala ya kwanza, Friedman aliunda mfano wa ulimwengu uliofungwa na curvature nzuri ya mara kwa mara ya nafasi. Ulimwengu huu huibuka kutoka kwa hali ya mwanzo yenye msongamano usio na kipimo wa jambo, hupanuka hadi eneo fulani la juu (na, kwa hivyo, kiwango cha juu), baada ya hapo huanguka tena katika sehemu ile ile ya umoja (katika lugha ya hisabati, umoja).

Walakini, Friedman hakuishia hapo. Kwa maoni yake, suluhisho lililopatikana la ulimwengu sio lazima lizuiliwe na muda kati ya umoja wa kwanza na wa mwisho; inaweza kuendelezwa kwa wakati mbele na nyuma. Matokeo yake ni kundi lisilo na kikomo la ulimwengu uliowekwa kwenye mhimili wa wakati, ambao unapakana katika sehemu za umoja.

Katika lugha ya fizikia, hii ina maana kwamba ulimwengu uliofungwa wa Friedmann unaweza kuzunguka bila kikomo, kufa baada ya kila mkazo na kuzaliwa upya kwa maisha mapya katika upanuzi unaofuata. Huu ni mchakato madhubuti wa mara kwa mara, kwani oscillations zote zinaendelea kwa urefu sawa wa muda. Kwa hiyo, kila mzunguko wa kuwepo kwa ulimwengu ni nakala halisi ya mizunguko mingine yote.

Hivi ndivyo Friedman alivyotoa maoni yake juu ya mtindo huu katika kitabu chake "The World as Space and Time": "Zaidi ya hayo, kuna matukio wakati radius ya curvature inabadilika mara kwa mara: ulimwengu unapungua kwa uhakika (bila kitu), kisha tena kutoka kwa uhakika. huleta radius yake kwa thamani fulani, basi tena, kupungua kwa radius ya curvature yake, inageuka kuwa hatua, nk Mtu anakumbuka kwa hiari hadithi ya mythology ya Hindu kuhusu vipindi vya maisha; Inawezekana pia kuzungumza juu ya "uumbaji wa ulimwengu kutoka kwa chochote", lakini yote haya yanapaswa kuzingatiwa kama ukweli wa kushangaza ambao hauwezi kuthibitishwa kwa nguvu na nyenzo za kutosha za majaribio ya unajimu.

Grafu ya uwezekano wa ulimwengu wa Mixmaster inaonekana isiyo ya kawaida - shimo la uwezo lina kuta za juu, kati ya ambayo kuna "mabonde" matatu. Chini ni curves equipotential ya vile "ulimwengu katika mchanganyiko".

Miaka michache baada ya kuchapishwa kwa nakala za Friedman, mifano yake ilipata umaarufu na kutambuliwa. Einstein alipendezwa sana na wazo la ulimwengu unaozunguka, na hakuwa peke yake. Mnamo 1932, ilichukuliwa na Richard Tolman, profesa wa fizikia ya hisabati na kemia ya mwili huko Caltech. Hakuwa mwanahisabati safi, kama Friedman, wala mnajimu na mwanaanga, kama de Sitter, Lemaitre na Eddington. Tolman alikuwa mtaalam anayetambulika katika fizikia ya takwimu na thermodynamics, ambayo kwanza aliichanganya na cosmology.

Matokeo yalikuwa yasiyo ya kawaida sana. Tolman alifikia hitimisho kwamba jumla ya entropy ya cosmos inapaswa kuongezeka kutoka mzunguko hadi mzunguko. Mkusanyiko wa entropy husababisha ukweli kwamba zaidi na zaidi ya nishati ya ulimwengu hujilimbikizia mionzi ya umeme, ambayo kutoka kwa mzunguko hadi mzunguko inazidi kuathiri mienendo yake. Kwa sababu ya hili, urefu wa mizunguko huongezeka, kila ijayo inakuwa ndefu zaidi kuliko ya awali.

Oscillations yanaendelea, lakini acha kuwa mara kwa mara. Zaidi ya hayo, katika kila mzunguko mpya, radius ya ulimwengu wa Tolman huongezeka. Kwa hivyo, katika hatua ya upanuzi wa kiwango cha juu, ina curvature ndogo zaidi, na jiometri yake ni zaidi na zaidi na kwa muda mrefu zaidi na zaidi inakaribia moja ya Euclidean.

Richard Tolman, wakati akiunda mfano wake, alikosa fursa ya kupendeza, ambayo John Barrow na Mariusz Dombrowski walivutiwa nayo mnamo 1995. Walionyesha kuwa mfumo wa oscillatory wa ulimwengu wa Tolman unaharibiwa kwa njia isiyoweza kutenduliwa wakati kigezo cha kikosmolojia cha kupambana na mvuto kinapoanzishwa.

Katika kesi hii, ulimwengu wa Tolman kwenye moja ya mizunguko hauingii tena katika umoja, lakini unapanuka na kuongeza kasi na kugeuka kuwa ulimwengu wa de Sitter, ambao katika hali kama hiyo pia hufanywa na ulimwengu wa Kasner. Antigravity, kama bidii, inashinda kila kitu!

Kuzidisha huluki

"Changamoto ya asili ya kosmolojia ni kuelewa vizuri iwezekanavyo asili, historia na muundo wa ulimwengu wetu wenyewe," anaelezea Mechanics Maarufu na profesa wa hesabu wa Chuo Kikuu cha Cambridge John Barrow. - Wakati huo huo, uhusiano wa jumla, hata bila kukopa kutoka kwa matawi mengine ya fizikia, inafanya uwezekano wa kuhesabu idadi isiyo na kikomo ya mifano mbalimbali ya cosmological.

Bila shaka, uchaguzi wao unafanywa kwa misingi ya data ya astronomia na astronomia, kwa msaada wa ambayo inawezekana si tu kupima mifano mbalimbali kwa kufuata ukweli, lakini pia kuamua ni vipengele gani vinaweza kuunganishwa kwa kutosha zaidi. maelezo ya ulimwengu wetu. Hivi ndivyo Muundo Sanifu wa sasa wa Ulimwengu ulivyotokea. Kwa hiyo hata kwa sababu hii pekee, aina mbalimbali za kihistoria zilizoendelea za mifano ya cosmological imeonekana kuwa muhimu sana.

Lakini si hivyo tu. Miundo mingi iliundwa kabla ya wanaastronomia kukusanya data nyingi walizonazo leo. Kwa mfano, kiwango cha kweli cha isotropi ya ulimwengu kimeanzishwa kutokana na vifaa vya anga katika miongo michache iliyopita.

Ni wazi kwamba katika siku za nyuma, wabunifu wa nafasi walikuwa na mapungufu kidogo sana. Kwa kuongeza, inawezekana kwamba hata mifano ya kigeni kwa viwango vya leo itakuwa muhimu katika siku zijazo kuelezea sehemu hizo za Ulimwengu ambazo bado hazipatikani kwa uchunguzi. Na hatimaye, uvumbuzi wa mifano ya cosmological inaweza tu kushinikiza tamaa ya kupata ufumbuzi haijulikani kwa equations ya relativity ujumla, na hii pia ni motisha yenye nguvu. Kwa ujumla, wingi wa mifano hiyo inaeleweka na kuhesabiwa haki.

Muungano wa hivi karibuni wa kosmolojia na fizikia ya chembe za msingi unahesabiwa haki kwa njia sawa. Wawakilishi wake wanaona hatua ya kwanza ya maisha ya Ulimwengu kama maabara ya asili, inafaa kwa kusoma ulinganifu wa kimsingi wa ulimwengu wetu, ambao huamua sheria za mwingiliano wa kimsingi. Muungano huu tayari umeweka msingi kwa shabiki mzima wa mifano mpya na ya kina sana ya ulimwengu. Hakuna shaka kwamba katika siku zijazo italeta matokeo yenye matunda sawa.

Ulimwengu katika Mchanganyiko

Mnamo mwaka wa 1967, wanajimu wa Marekani David Wilkinson na Bruce Partridge waligundua kwamba mionzi ya microwave ya relic kutoka upande wowote, iliyogunduliwa miaka mitatu mapema, hufika duniani na joto sawa. Kwa msaada wa radiometer nyeti sana, zuliwa na mtani wao Robert Dicke, walionyesha kuwa kushuka kwa joto kwa picha za relict hazizidi sehemu ya kumi ya asilimia (kulingana na data ya kisasa, ni kidogo sana).

Kwa kuwa mionzi hii ilianza mapema zaidi ya miaka 4,00,000 baada ya Big Bang, matokeo ya Wilkinson na Partridge yalitoa sababu ya kuamini kwamba hata kama ulimwengu wetu haukuwa karibu isotropic wakati wa kuzaliwa, ulipata mali hii bila kuchelewa sana.

Dhana hii ilileta tatizo kubwa kwa kosmolojia. Katika mifano ya kwanza ya ulimwengu, isotropi ya nafasi iliwekwa tangu mwanzo tu kama dhana ya hisabati. Hata hivyo, nyuma katikati ya karne iliyopita, ilijulikana kuwa equations ya relativity ya jumla hufanya iwezekanavyo kujenga seti ya ulimwengu usio wa isotropiki. Katika muktadha wa matokeo haya, isotropi karibu bora ya CMB ilidai maelezo.

Maelezo haya yalionekana mapema miaka ya 1980 tu na hayakutarajiwa kabisa. Ilijengwa juu ya dhana mpya ya kimsingi ya kinadharia ya upanuzi wa haraka sana (kama wanavyosema, mfumuko wa bei) wa Ulimwengu katika dakika za kwanza za uwepo wake (tazama "PM" No. 7'2012). Katika nusu ya pili ya miaka ya 1960, sayansi haikuwa tayari kwa maoni kama haya ya mapinduzi. Lakini, kama unavyojua, kwa kukosekana kwa karatasi iliyopigwa, wanaandika kwa moja wazi.

Mwanakosmolojia mashuhuri wa Amerika Charles Misner, mara baada ya kuchapishwa kwa nakala na Wilkinson na Partridge, alijaribu kuelezea isotropy ya mionzi ya microwave kwa kutumia njia za kitamaduni. Kulingana na nadharia yake, utofauti wa Ulimwengu wa mapema ulitoweka polepole kwa sababu ya "msuguano" wa pande zote wa sehemu zake, uliosababishwa na ubadilishaji wa neutrino na fluxes nyepesi (katika uchapishaji wake wa kwanza, Mizner aliita hii inayodhaniwa kuwa mnato wa neutrino).

Kulingana na yeye, mnato kama huo unaweza kusuluhisha haraka machafuko ya awali na kufanya Ulimwengu kuwa karibu sawa na isotropiki.

Mpango wa utafiti wa Misner ulionekana mzuri, lakini haukuleta matokeo ya vitendo. Sababu kuu ya kushindwa kwake ilifunuliwa tena kupitia uchambuzi wa microwave. Michakato yoyote inayohusisha msuguano hutoa joto, hii ni matokeo ya msingi ya sheria za thermodynamics. Ikiwa inhomogeneities za kimsingi za Ulimwengu zililainishwa kwa sababu ya neutrino au mnato mwingine wowote, msongamano wa nishati ya CMB ungetofautiana kwa kiasi kikubwa na thamani inayozingatiwa.

Kama vile mwanasayansi wa nyota wa Marekani Richard Matzner na mwenzake wa Kiingereza aliyetajwa tayari John Barrow walionyesha mwishoni mwa miaka ya 1970, michakato ya viscous inaweza kuondoa tu inhomogeneities ndogo zaidi ya cosmological. Kwa "laini" kamili ya Ulimwengu, mifumo mingine ilihitajika, na ilipatikana ndani ya mfumo wa nadharia ya mfumuko wa bei.

Walakini, Mizner alipata matokeo mengi ya kupendeza. Hasa, mwaka wa 1969 alichapisha mtindo mpya wa cosmological, jina ambalo alikopa … kutoka kwa kifaa cha jikoni, mchanganyiko wa nyumbani uliofanywa na Bidhaa za Sunbeam! Ulimwengu wa Mixmaster unapiga mara kwa mara katika mishtuko yenye nguvu zaidi, ambayo, kulingana na Mizner, hufanya mwanga kuzunguka kwenye njia zilizofungwa, kuchanganya na homogenizing yaliyomo yake.

Hata hivyo, uchambuzi wa baadaye wa modeli hii ulionyesha kwamba, ingawa fotoni katika ulimwengu wa Mizner hufanya safari ndefu, athari yao ya kuchanganya ni ndogo sana.

Walakini, Ulimwengu wa Mixmaster unavutia sana. Kama ulimwengu uliofungwa wa Friedman, hutoka kwa kiasi cha sifuri, hupanuka hadi kiwango cha juu na mikataba tena chini ya ushawishi wa mvuto wake mwenyewe. Lakini mageuzi haya sio laini, kama ya Friedman, lakini ya machafuko kabisa na kwa hivyo haitabiriki kabisa kwa undani.

Katika ujana, ulimwengu huu unazunguka sana, ukipanuka kwa pande mbili na kuambukizwa kwa theluthi - kama ya Kasner. Walakini, mwelekeo wa upanuzi na mikazo sio mara kwa mara - hubadilisha mahali kwa nasibu. Zaidi ya hayo, mzunguko wa oscillations hutegemea wakati na huwa na infinity inapokaribia papo hapo awali. Ulimwengu kama huo hupitia mabadiliko ya machafuko, kama jeli inayotetemeka kwenye sahani. Upungufu huu unaweza kufasiriwa tena kama dhihirisho la mawimbi ya mvuto yanayosonga katika mwelekeo tofauti, mkali zaidi kuliko mfano wa Kasner.

Ulimwengu wa Mixmaster ulishuka katika historia ya Kosmolojia kama ulimwengu tata zaidi wa ulimwengu wa kufikiria ulioundwa kwa msingi wa uhusiano "safi" wa jumla. Tangu miaka ya mapema ya 1980, dhana za kuvutia zaidi za aina hii zilianza kutumia mawazo na vifaa vya hisabati vya nadharia ya uwanja wa quantum na nadharia ya msingi ya chembe, na kisha, bila kuchelewa sana, nadharia ya superstring.