Evrenin yapısına ilişkin en tuhaf ve en sıra dışı teoriler

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Klasik kozmolojik modellere ek olarak, genel görelilik çok, çok, çok egzotik hayali dünyaların yaratılmasına izin verir.

Genel görelilik kullanılarak oluşturulmuş, uzayın homojenliği ve izotropisi ile desteklenen birkaç klasik kozmolojik model vardır (bkz. "PM" No. 6'2012). Einstein'ın kapalı evreni, uzayın sabit bir pozitif eğriliğine sahiptir ve bu, bir anti-yerçekimi alanı olarak hareket eden genel görelilik denklemlerine sözde kozmolojik parametrenin eklenmesi nedeniyle statik hale gelir.

De Sitter'in eğri olmayan uzaya sahip hızlanan evreninde sıradan bir madde yoktur, ancak aynı zamanda anti-yerçekimi alanı ile doludur. Alexander Friedman'ın kapalı ve açık evrenleri de vardır; Zaman içinde genişleme hızını kademeli olarak sıfıra indiren Einstein - de Sitter'in sınır dünyası ve son olarak, süper kompakt bir başlangıç durumundan büyüyen Big Bang kozmolojisinin atası olan Lemaitre evreni. Hepsi ve özellikle Lemaitre modeli, evrenimizin modern standart modelinin öncüleri oldu.

Farklı modellerde evrenin uzayı, negatif (hiperbolik uzay), sıfır (evrenimize karşılık gelen düz Öklid uzayı) veya pozitif (eliptik uzay) olabilen farklı eğriliklere sahiptir. İlk iki model, sonsuz bir şekilde genişleyen açık evrenlerdir, sonuncusu ise er ya da geç çökecek olan kapalıdır. Şekil, böyle bir uzayın yukarıdan aşağıya iki boyutlu analoglarını göstermektedir.

Bununla birlikte, genel görelilik denklemlerinin kullanımıyla, artık söylendiği gibi, çok yaratıcı bir şekilde oluşturulan başka evrenler de vardır. Astronomik ve astrofiziksel gözlemlerin sonuçlarına çok daha az karşılık gelirler (veya hiç uyuşmazlar), ancak genellikle çok güzeldirler ve bazen zarif bir şekilde paradoksaldırlar. Doğru, matematikçiler ve astronomlar onları öyle miktarlarda icat ettiler ki, kendimizi hayali dünyaların en ilginç örneklerinden sadece birkaçıyla sınırlamamız gerekecek.

İpten gözleme

Einstein ve de Sitter'in temel çalışmalarının ortaya çıkmasından (1917'de) sonra, birçok bilim adamı kozmolojik modeller oluşturmak için genel görelilik denklemlerini kullanmaya başladı. Bunu ilk yapanlardan biri, çözümünü 1921'de yayınlayan New Yorklu matematikçi Edward Kasner'dı.

Onun evreni çok sıradışı. Sadece yerçekimi yapan maddeden değil, aynı zamanda yerçekimine karşı bir alandan da yoksundur (başka bir deyişle, Einstein'ın kozmolojik parametresi yoktur). Görünüşe göre bu ideal olarak boş dünyada hiçbir şey olamaz. Ancak Kasner, varsayımsal evreninin farklı yönlerde eşit olmayan bir şekilde geliştiğini kabul etti. İki koordinat ekseni boyunca genişler, ancak üçüncü eksen boyunca daralır.

Bu nedenle, bu uzay açıkça anizotropiktir ve geometrik hatlarıyla bir elipsoidi andırır. Böyle bir elipsoid iki yönde uzandığından ve üçüncü boyunca daraldığından, yavaş yavaş düz bir gözleme haline gelir. Aynı zamanda Kasner evreni hiç kilo vermiyor, hacmi yaşla orantılı olarak artıyor. İlk anda, bu yaş sıfıra eşittir - ve bu nedenle hacim de sıfırdır. Bununla birlikte, Kasner evrenleri, Lemaitre dünyası gibi bir nokta tekilliğinden değil, sonsuz derecede ince bir çubuk gibi bir şeyden doğar - ilk yarıçapı bir eksen boyunca sonsuzluğa ve diğer ikisi boyunca sıfıra eşittir.

neden google'a bakıyoruz

Edward Kasner bilimin parlak bir popülerleştiricisiydi - James Newman ile birlikte yazdığı Matematik ve Hayal Gücü kitabı bugün yeniden yayımlandı ve okundu. Bölümlerden birinde 10 sayısı görünüyor¹⁰⁰… Kazner'ın dokuz yaşındaki yeğeni bu sayı için bir isim buldu - googol (Googol) ve hatta inanılmaz derecede devasa bir sayı 10^Googol- googolplex (Googolplex) terimini vaftiz etti. Stanford lisansüstü öğrencileri Larry Page ve Sergey Brin, arama motorları için bir isim bulmaya çalışırken, arkadaşları Sean Anderson, her şeyi kapsayan Googolplex'i önerdi.

Ancak, Page daha mütevazı Googol'u beğendi ve Anderson hemen bunun bir İnternet etki alanı olarak kullanılıp kullanılamayacağını kontrol etmeye başladı. Aceleyle bir yazım hatası yaptı ve Googol.com'a değil, Google.com'a bir istek gönderdi. Bu isim ücretsiz çıktı ve Brin onu o kadar çok sevdi ki, o ve Page 15 Eylül 1997'de hemen kaydetti. Farklı olsaydı, Google olmazdı!

Bu boş dünyanın evriminin sırrı nedir? Uzayı farklı yönlerde farklı şekillerde "kaydığından", dinamiklerini belirleyen yerçekimi gelgit kuvvetleri ortaya çıkar. Üç eksen boyunca genişleme hızlarını eşitleyerek ve böylece anizotropiyi ortadan kaldırarak onlardan kurtulmak mümkün görünüyor, ancak matematik bu tür özgürlüklere izin vermiyor.

Doğru, üç hızdan ikisi sıfıra eşitlenebilir (başka bir deyişle, evrenin boyutlarını iki koordinat ekseni boyunca sabitleyebilirsiniz). Bu durumda, Kasner'ın dünyası yalnızca bir yönde ve zamanla kesinlikle orantılı olarak büyüyecektir (bunun anlaşılması kolaydır, çünkü hacminin bu şekilde artması gerekir), ancak elde edebileceğimiz tek şey bu.

Kasner evreni ancak tam boşluk durumunda kendi başına kalabilir. Buna biraz madde eklerseniz, Einstein-de Sitter'in izotropik evreni gibi yavaş yavaş gelişmeye başlayacaktır. Aynı şekilde, denklemlerine sıfır olmayan bir Einstein parametresi eklendiğinde, (maddeli veya maddesiz) asimptotik olarak üstel izotropik genişleme rejimine girecek ve de Sitter'in evrenine dönüşecektir. Ancak, bu tür "ilaveler" gerçekten yalnızca halihazırda var olan evrenin evrimini değiştirir.

Doğduğu anda pratikte bir rol oynamazlar ve evren aynı senaryoya göre gelişir.

Kasner dünyası dinamik olarak anizotropik olmasına rağmen, herhangi bir zamanda eğriliği tüm koordinat eksenleri boyunca aynıdır. Bununla birlikte, genel görelilik denklemleri, yalnızca anizotropik hızlarla değil, aynı zamanda anizotropik eğriliğe de sahip olan evrenlerin varlığını kabul eder.

Bu modeller 1950'lerin başında Amerikalı matematikçi Abraham Taub tarafından yapıldı. Uzayları bazı yönlerde açık evrenler gibi, diğerlerinde ise kapalı evrenler gibi davranabilir. Ayrıca, zamanla artıdan eksiye ve eksiden artıya işaret değiştirebilirler. Uzayları sadece titreşmekle kalmaz, aynı zamanda kelimenin tam anlamıyla tersine döner. Fiziksel olarak, bu süreçler, uzayı o kadar güçlü bir şekilde deforme eden yerçekimi dalgaları ile ilişkilendirilebilir ki, bunlar yerel olarak geometrisini küreselden eyere veya tam tersine değiştirirler. Sonuç olarak, matematiksel olarak mümkün olsa da garip dünyalar.

İzotropik olarak genişleyen (yani, seçilen yöne bakılmaksızın aynı hızda) Evrenimizin aksine, Kasner'ın evreni aynı anda genişler (iki eksen boyunca) ve büzülür (üçüncü eksen boyunca).

Dünyaların dalgalanmaları

Kazner'ın çalışmasının yayınlanmasından kısa bir süre sonra, ilki 1922'de, ikincisi 1924'te Alexander Fridman'ın makaleleri çıktı. Bu makaleler, kozmolojinin gelişimi üzerinde son derece yapıcı bir etkiye sahip olan genel görelilik denklemlerine şaşırtıcı derecede zarif çözümler sundu.

Friedman'ın kavramı, ortalama olarak, maddenin uzayda olabildiğince simetrik, yani tamamen homojen ve izotropik olarak dağıldığı varsayımına dayanmaktadır. Bu, tek bir kozmik zamanın her anında uzay geometrisinin tüm noktalarında ve tüm yönlerde aynı olduğu anlamına gelir (kesin konuşmak gerekirse, böyle bir zamanın hala doğru bir şekilde belirlenmesi gerekir, ancak bu durumda bu sorun çözülebilir). Evrenin herhangi bir anda genişleme (veya daralma) hızının yine yönden bağımsız olduğu sonucu çıkar.

Friedmann'ın evrenleri bu nedenle Kasner'ın modelinden tamamen farklıdır.

İlk makalede, Friedman, uzayın sabit bir pozitif eğriliğine sahip kapalı bir evren modeli inşa etti. Bu dünya, sonsuz madde yoğunluğuna sahip bir ilk nokta durumundan doğar, belirli bir maksimum yarıçapa (ve dolayısıyla maksimum hacme) genişler, ardından tekrar aynı tekil noktaya (matematiksel dilde, bir tekillik) çöker.

Ancak Friedman burada durmadı. Ona göre, bulunan kozmolojik çözüm, ilk ve son tekillikler arasındaki aralıkla sınırlı olmak zorunda değildir; zamanda hem ileri hem de geriye doğru devam ettirilebilir. Sonuç, zaman ekseninde dizilmiş, tekillik noktalarında birbirini sınırlayan sonsuz bir evren demetidir.

Fizik dilinde bu, Friedmann'ın kapalı evreninin sonsuza kadar salınabileceği, her kasılmadan sonra ölebileceği ve sonraki genişlemede yeni bir hayata yeniden doğabileceği anlamına gelir. Tüm salınımlar aynı süre boyunca devam ettiğinden, bu kesinlikle periyodik bir süreçtir. Bu nedenle, evrenin varlığının her döngüsü, diğer tüm döngülerin bire bir kopyasıdır.

Friedman, "Uzay ve Zaman Olarak Dünya" adlı kitabında bu modeli şöyle yorumlamıştır: "Ayrıca, eğrilik yarıçapının periyodik olarak değiştiği durumlar vardır: evren bir noktaya (hiçliğe), sonra tekrar bir noktadan büzülür. yarıçapını belirli bir değere getirir, sonra yine eğriliğinin yarıçapını azaltır, bir noktaya dönüşür vb. İnsan ister istemez Hindu mitolojisinin yaşam dönemleriyle ilgili efsanesini hatırlatır; "Dünyanın yoktan var edilmesinden" de söz etmek mümkündür, ancak tüm bunlar, yetersiz astronomik deneysel malzeme ile kesin olarak doğrulanamayan ilginç gerçekler olarak kabul edilmelidir.

Mixmaster evreninin potansiyelinin grafiği çok sıradışı görünüyor - potansiyel çukurun arasında üç "vadi" bulunan yüksek duvarlar var. Aşağıda böyle bir “karıştırıcıdaki evren”in eş potansiyel eğrileri verilmiştir.

Friedman'ın makalelerinin yayınlanmasından birkaç yıl sonra, modelleri ün ve tanınırlık kazandı. Einstein, salınan bir evren fikriyle ciddi şekilde ilgilenmeye başladı ve yalnız değildi. 1932'de Caltech'te matematiksel fizik ve fiziksel kimya profesörü Richard Tolman tarafından devralındı. O ne Friedman gibi saf bir matematikçi ne de de Sitter, Lemaitre ve Eddington gibi bir astronom ve astrofizikçiydi. Tolman, ilk olarak kozmoloji ile birleştirdiği istatistiksel fizik ve termodinamik alanında tanınmış bir uzmandı.

Sonuçlar çok önemsizdi. Tolman, kozmosun toplam entropisinin döngüden döngüye artması gerektiği sonucuna vardı. Entropi birikimi, evrenin enerjisinin gitgide daha fazlasının elektromanyetik radyasyonda yoğunlaşmasına neden olur, bu da döngüden döngüye giderek dinamiklerini etkiler. Bu nedenle, döngülerin uzunluğu artar, her biri bir öncekinden daha uzun olur.

Salınımlar devam eder, ancak periyodik olmaktan çıkar. Ayrıca her yeni döngüde Tolman'ın evreninin yarıçapı artar. Sonuç olarak, maksimum genişleme aşamasında, en küçük eğriliğe sahiptir ve geometrisi giderek daha fazladır ve giderek daha uzun süre Öklid'e yaklaşır.

Richard Tolman, modelini tasarlarken, 1995 yılında John Barrow ve Mariusz Dombrowski'nin dikkat çektiği ilginç bir fırsatı kaçırdı. Anti-yerçekimi kozmolojik bir parametre tanıtıldığında Tolman'ın evreninin salınım rejiminin geri döndürülemez bir şekilde yok edildiğini gösterdiler.

Bu durumda, döngülerden biri üzerindeki Tolman'ın evreni artık bir tekilliğe daralmaz, artan ivme ile genişler ve benzer bir durumda Kasner evreni tarafından yapılan de Sitter'in evrenine dönüşür. Anti-yerçekimi, çalışkanlık gibi, her şeyin üstesinden gelir!

varlık çarpma

Cambridge Üniversitesi matematik profesörü John Barrow tarafından Popular Mechanics'e “Kozmolojinin doğal zorluğu, kendi evrenimizin kökenini, tarihini ve yapısını olabildiğince iyi anlamaktır” diye açıklıyor. - Aynı zamanda, genel görelilik, fiziğin diğer dallarından ödünç almadan bile, neredeyse sınırsız sayıda çeşitli kozmolojik modellerin hesaplanmasını mümkün kılar.

Tabii ki, seçimleri astronomik ve astrofiziksel verilere dayanarak yapılır, bunun yardımıyla sadece çeşitli modelleri gerçeğe uygunluk açısından test etmek değil, aynı zamanda bileşenlerinden hangisinin en uygun şekilde birleştirilebileceğine karar vermek de mümkündür. dünyamızın açıklaması. Evrenin mevcut Standart Modeli bu şekilde ortaya çıktı. Dolayısıyla, yalnızca bu nedenle bile, tarihsel olarak geliştirilmiş kozmolojik model çeşitliliğinin çok faydalı olduğu kanıtlanmıştır.

Ama sadece bu değil. Modellerin çoğu, astronomlar bugün sahip oldukları veri zenginliğini toplamadan önce oluşturuldu. Örneğin, evrenin gerçek izotropi derecesi, ancak son birkaç on yılda uzay ekipmanı sayesinde tespit edildi.

Geçmişte uzay tasarımcılarının çok daha az deneysel sınırlamalara sahip olduğu açıktır. Ek olarak, bugünün standartlarına göre egzotik modellerin bile gelecekte Evrenin henüz gözlem için uygun olmayan kısımlarını tanımlamak için faydalı olması mümkündür. Ve son olarak, kozmolojik modellerin icadı, genel görelilik denklemlerine bilinmeyen çözümler bulma arzusunu basitçe zorlayabilir ve bu aynı zamanda güçlü bir teşviktir. Genel olarak, bu tür modellerin bolluğu anlaşılabilir ve haklıdır.

Son zamanlarda kozmoloji ve temel parçacık fiziğinin birliği aynı şekilde doğrulanıyor. Temsilcileri, Evrenin yaşamının en erken aşamasını, temel etkileşimlerin yasalarını belirleyen dünyamızın temel simetrilerini incelemek için ideal olan doğal bir laboratuvar olarak görüyor. Bu ittifak, temelde yeni ve çok derin kozmolojik modellerin bütün bir hayranının temelini şimdiden attı. Gelecekte de eşit derecede verimli sonuçlar getireceğine şüphe yok."

Karıştırıcıdaki Evren

1967'de Amerikalı astrofizikçiler David Wilkinson ve Bruce Partridge, üç yıl önce keşfedilen herhangi bir yönden kalıntı mikrodalga radyasyonunun Dünya'ya hemen hemen aynı sıcaklıkta geldiğini keşfettiler. Yurttaşları Robert Dicke tarafından icat edilen oldukça hassas bir radyometrenin yardımıyla, kalıntı fotonların sıcaklık dalgalanmalarının yüzde onda birini geçmediğini gösterdiler (modern verilere göre, çok daha azdır).

Bu radyasyon Big Bang'den 400.000 yıldan daha önce ortaya çıktığı için, Wilkinson ve Partridge'in sonuçları, evrenimizin doğum anında neredeyse ideal olarak izotropik olmasa bile, bu özelliği çok gecikmeden kazandığına inanmak için sebep verdi.

Bu hipotez, kozmoloji için önemli bir sorun teşkil ediyordu. İlk kozmolojik modellerde, uzayın izotropisi en başından basit bir matematiksel varsayım olarak ortaya konmuştu. Bununla birlikte, geçen yüzyılın ortalarında, genel görelilik denklemlerinin bir dizi izotropik olmayan evren inşa etmeyi mümkün kıldığı biliniyordu. Bu sonuçlar bağlamında, SPK'nın neredeyse ideal izotropisi bir açıklama talep etti.

Bu açıklama sadece 1980'lerin başında ortaya çıktı ve tamamen beklenmedikti. Evrenin varlığının ilk anlarında (bkz. 1960'ların ikinci yarısında bilim, bu tür devrimci fikirler için yeterince olgun değildi. Ama bildiğiniz gibi, damgalı kağıt olmadığında düz bir kağıtla yazıyorlar.

Ünlü Amerikalı kozmolog Charles Misner, makalenin Wilkinson ve Partridge tarafından yayınlanmasından hemen sonra, mikrodalga radyasyonunun izotropisini oldukça geleneksel yöntemlerle açıklamaya çalıştı. Hipotezine göre, erken Evrenin homojen olmayanları, nötrino ve ışık akılarının değişiminin neden olduğu, parçalarının karşılıklı "sürtünmesi" nedeniyle yavaş yavaş ortadan kayboldu (ilk yayınında, Mizner bu sözde etkiye nötrino viskozitesi adını verdi).

Ona göre, böyle bir viskozite, başlangıçtaki kaosu hızla düzeltebilir ve Evreni neredeyse tamamen homojen ve izotropik hale getirebilir.

Misner'ın araştırma programı güzel görünüyordu, ancak pratik sonuçlar getirmedi. Başarısızlığının ana nedeni, mikrodalga analizi ile bir kez daha ortaya çıktı. Sürtünme içeren herhangi bir işlem ısı üretir, bu termodinamik yasalarının temel bir sonucudur. Evrenin birincil homojensizlikleri nötrino veya başka bir viskozite nedeniyle düzeltilseydi, CMB enerji yoğunluğu gözlemlenen değerden önemli ölçüde farklı olurdu.

Amerikalı astrofizikçi Richard Matzner ve daha önce adı geçen İngiliz meslektaşı John Barrow'un 1970'lerin sonlarında gösterdiği gibi, viskoz süreçler yalnızca en küçük kozmolojik homojensizlikleri ortadan kaldırabilir. Evrenin tamamen "düzleştirilmesi" için başka mekanizmalar gerekliydi ve bunlar enflasyon teorisi çerçevesinde bulundu.

Bununla birlikte, Mizner birçok ilginç sonuç aldı. Özellikle, 1969'da, adını bir mutfak aletinden ödünç aldığı yeni bir kozmolojik model yayınladı, Sunbeam Products tarafından yapılan bir ev mikseri! Mixmaster Evreni, Mizner'e göre ışığın kapalı yollar boyunca dolaşmasını, içeriğini karıştırıp homojenleştirmesini sağlayan en güçlü sarsıntılarda sürekli olarak atıyor.

Bununla birlikte, bu modelin daha sonraki analizi, Mizner'in dünyasındaki fotonların uzun yolculuklar yapmasına rağmen, karıştırma etkilerinin çok önemsiz olduğunu gösterdi.

Bununla birlikte, Mixmaster Evreni çok ilginç. Friedman'ın kapalı evreni gibi, sıfır hacimden doğar, belirli bir maksimuma kadar genişler ve kendi yerçekiminin etkisiyle tekrar büzülür. Ancak bu evrim, Friedman'ınki gibi pürüzsüz değil, kesinlikle kaotik ve bu nedenle ayrıntılı olarak tamamen öngörülemez.

Gençlikte, bu evren yoğun bir şekilde salınım yapar, iki yönde genişler ve Kasner'ınki gibi üçüncü bir yönde daralır. Ancak genişleme ve daralmaların yönelimleri sabit değildir - rastgele yer değiştirirler. Ayrıca salınımların frekansı zamana bağlıdır ve ilk ana yaklaşırken sonsuza kadar gitme eğilimindedir. Böyle bir evren, bir tabakta jölenin titremesi gibi kaotik deformasyonlara uğrar. Bu deformasyonlar yine farklı yönlerde hareket eden yerçekimi dalgalarının Kasner modelinden çok daha şiddetli bir tezahürü olarak yorumlanabilir.

Mixmaster Evreni, "saf" genel görelilik temelinde yaratılan hayali evrenlerin en karmaşıkı olarak kozmoloji tarihine geçti. 1980'lerin başından beri, bu türden en ilginç kavramlar, kuantum alan teorisinin ve temel parçacık teorisinin fikirlerini ve matematiksel aygıtını ve daha sonra çok gecikmeden süper sicim teorisini kullanmaya başladı.