Yra keli klasikiniai kosmologiniai modeliai, sukurti naudojant bendrąją reliatyvumą, papildytą erdvės homogeniškumu ir izotropija.
Einšteino uždara visata turi nuolatinį teigiamą erdvės kreivumą, kuris tampa statiškas dėl to, kad į bendrąsias reliatyvumo lygtis įvedamas vadinamasis kosmologinis parametras, kuris veikia kaip antigravitacinis laukas.
- „Salik.biz“
Besiplečiant de Sitterio visatos pagreičiui su nelenkta erdve, nėra įprasto dalyko, bet jis taip pat užpildytas antigravitaciniu lauku.
Taip pat yra uždaros ir atviros Aleksandro Friedmano visatos; ribinis Einšteino - de Sitterio pasaulis, kuris laikui bėgant palaipsniui mažina išplėtimo greitį iki nulio, ir pagaliau Lemaitre'o visata, Didžiojo sprogimo kosmologijos palikuonė, auganti iš superkompaktinės pradinės būsenos. Visi jie, o ypač Lemaitre modelis, tapo šiuolaikinio standartinio mūsų visatos modelio pirmtakais.
Skirtinguose modeliuose esanti Visatos erdvė turi skirtingus kreivius, kurie gali būti neigiami (hiperbolinė erdvė), nulis (lygi Euklidinė erdvė, atitinkanti mūsų visatą) arba teigiami (elipsinė erdvė).
Pirmieji du modeliai yra atviros visatos, besiplečiančios be galo, paskutinis uždarytas, kuris anksčiau ar vėliau sugrius. Iliustracija iš viršaus į apačią parodo tokios erdvės dviejų matmenų analogus.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Tačiau yra ir kitų visatų, sukurtų labai kūrybingai, kaip sakoma dabar, naudojant bendrojo reliatyvumo lygtis. Jie daug mažiau (arba visai neatitinka) astronominių ir astrofizinių stebėjimų rezultatų, tačiau dažnai jie yra labai gražūs, o kartais ir elegantiškai paradoksalūs.
Tiesa, matematikai ir astronomai išrado juos tokiu kiekiu, kad turėsime apsiriboti tik keliais įdomiausiais įsivaizduojamų pasaulių pavyzdžiais.
Nuo stygos iki blyno
Pasirodžius (1917 m.) Pagrindiniam Einšteino ir de Sitterio darbui, daugelis mokslininkų pradėjo naudoti bendrojo reliatyvumo lygtis, norėdami sukurti kosmologinius modelius. Vienas pirmųjų tai padarė Niujorko matematikas Edwardas Kasneris, kuris 1921 m. Paskelbė savo sprendimą.
Jo visata yra labai neįprasta. Jam trūksta ne tik gravitacinių medžiagų, bet ir antigravitacinio lauko (kitaip tariant, nėra Einšteino kosmologinio parametro). Atrodytų, kad šiame idealiai tuščiame pasaulyje nieko negali atsitikti.
Tačiau Kasneris padarė prielaidą, kad jo hipotetinė visata įvairiomis kryptimis vystėsi nevienodai. Jis plečiasi išilgai dviejų koordinačių ašių, bet susitraukia išilgai trečiosios ašies. Todėl ši erdvė akivaizdžiai yra anizotropinė ir savo geometriniais kontūrais primena elipsę.
Kadangi toks elipsoidas driekiasi dviem kryptimis ir susitraukia išilgai trečiosios, jis pamažu virsta plokščiu blynu. Tuo pačiu metu Kasnerio visata visai neauga, jos tūris didėja proporcingai amžiui.
Pradiniu momentu šis amžius yra lygus nuliui, taigi ir tūris yra lygus nuliui. Tačiau Kasnerio visatos gimsta ne iš taškinio išskirtinumo, kaip Lemaitre pasaulis, bet iš kažko, kaip be galo plono stipino - jo pradinis spindulys yra lygus begalybei išilgai vienos ašies ir nulio išilgai kitų dviejų.
Kokia yra šio tuščio pasaulio evoliucijos paslaptis? Kadangi jos erdvė „pasislenka“skirtingais keliais skirtingomis kryptimis, atsiranda gravitacijos potvynio jėgos, kurios lemia jos dinamiką. Atrodytų, jūs galite jų atsikratyti, jei suvienodinate plėtimosi greitį visomis trimis ašimis ir taip pašalinate anizotropiją, tačiau matematika neleidžia tokių laisvių.
Tiesa, du iš trijų greičių galima nustatyti lygius nuliui (kitaip tariant, pritvirtinti Visatos matmenis išilgai dviejų koordinačių ašių). Šiuo atveju Kasnerio pasaulis augs tik viena kryptimi ir griežtai proporcingas laikui (tai nesunku suprasti, nes taip turi didėti jo apimtis), tačiau visa tai galime pasiekti.
Kasnerio visata gali išlikti savaime tik esant visiškajai tuštumai. Jei pridėsite prie jo šiek tiek reikalo, jis pamažu pradės vystytis kaip Einšteino-Sitterio izotropinė visata.
Tuo pačiu būdu, kai prie jo lygčių pridedamas nenulinis Einšteino parametras, jis (su materija ar be jos) asimptotiškai įeis į eksponentinio izotropinio plėtimosi režimą ir virsta de Sitterio visata.
Tačiau tokie „papildymai“tikrai keičia tik jau egzistuojančios visatos evoliuciją. Jos gimimo metu jie praktiškai nevaidina vaidmens, o visata vystosi pagal tą patį scenarijų.
Nors Kasnerio pasaulis yra dinamiškai anizotropinis, jo kreivė bet kuriuo metu yra vienoda visose koordinačių ašyse. Tačiau bendrojo reliatyvumo lygtys pripažįsta, kad egzistuoja visatos, kurios ne tik evoliucionuoja esant anizotropiniams greičiams, bet ir turi anizotropinį kreivumą.
Tokius modelius šeštojo dešimtmečio pradžioje sukūrė amerikiečių matematikas Abrahamas Taubas. Jo erdvės vienomis kryptimis gali elgtis kaip atviros visatos, o kitomis - kaip uždaros. Be to, laikui bėgant jie gali pakeisti savo ženklą iš pliuso į minusą ir iš minuso į pliusą.
Jų erdvė ne tik pulsuoja, bet tiesiogine prasme virsta į išorę. Fiziškai šie procesai gali būti siejami su gravitacinėmis bangomis, kurios taip stipriai deformuoja erdvę, kad jos keičia geometriją iš sferinės į balną ir atvirkščiai. Apskritai, keistai pasauliai, nors ir matematiškai įmanomi.
Skirtingai nuo mūsų Visatos, kuri plečiasi izotropiškai (tai yra tuo pačiu greičiu, nepriklausomai nuo pasirinktos krypties), Kasnerio visata kartu plečiasi (išilgai dviejų ašių) ir susitraukia (išilgai trečiosios).
Pasaulio svyravimai
Netrukus po Kasnerio kūrinio paskelbimo pasirodė Aleksandro Fridmano straipsniai: pirmasis 1922 m., Antrasis 1924 m. Šie straipsniai pateikė stebėtinai elegantiškus bendrojo reliatyvumo lygčių lygčių sprendimus, kurie turėjo ypač konstruktyvų poveikį kosmologijos raidai.
Friedmano samprata grindžiama prielaida, kad vidutiniškai materija pasiskirsto kosmose kaip įmanoma simetriškiau, tai yra, visiškai vienalytė ir izotropinė.
Tai reiškia, kad kosmoso geometrija kiekvienu vieno kosminio laiko momentu yra vienoda visuose jo taškuose ir visomis kryptimis (griežtai tariant, tokį laiką vis tiek reikia teisingai nustatyti, tačiau šiuo atveju ši problema yra išsprendžiama).
Iš to išplaukia, kad visatos išsiplėtimo (arba susitraukimo) greitis bet kuriuo momentu vėl nepriklauso nuo krypties. Taigi Friedmanno visatos visiškai nepanašios į Kasnerio modelį.
Pirmame straipsnyje Friedmanas sukūrė uždaros visatos modelį, turintį nuolatinį teigiamą erdvės kreivumą. Šis pasaulis kyla iš pradinės taškinės būsenos su begaliniu materijos tankiu, plečiasi iki tam tikro maksimalaus spindulio (taigi ir maksimalaus tūrio), po kurio jis vėl sugriūva į tą patį vienaskaitos tašką (matematine kalba - singuliarumas).
Tačiau Friedmanas tuo nesustojo. Jo manymu, rastas kosmologinis sprendimas neturi būti ribojamas intervalu tarp pradinio ir galutinio išskirtinumų, jį galima tęsti laiku tiek į priekį, tiek atgal.
Rezultatas yra nesibaigiantis visatų klasteris, pritvirtintas laiko ašyje, kurios ribojasi viena su kita išskirtinumo taškuose. Fizikos kalba tai reiškia, kad uždara Friedmano visata gali svyruoti be galo, mirti po kiekvieno susitraukimo ir atgimti naujam gyvenimui vėliau.
Tai griežtai periodiškas procesas, nes visi virpesiai tęsiasi tą patį laiką. Todėl kiekvienas Visatos egzistavimo ciklas yra tiksli visų kitų ciklų kopija.
Štai kaip Friedmanas pakomentavo šį modelį savo knygoje „Pasaulis kaip erdvė ir laikas“: „Be to, galimi atvejai, kai periodiškai keičiasi kreivio spindulys: visata susitraukia į tašką (į nieką), tada vėl iš taško priartina savo spindulį prie tam tikros vertės, tada vėl, sumažėjus jo kreivio spinduliui, jis virsta tašku ir kt.
Nevalingai primenama induizmo mitologijos legenda apie gyvenimo laikotarpius; taip pat galima kalbėti apie „pasaulio sukūrimą iš nieko“, tačiau visa tai reikėtų vertinti kaip keistus faktus, kurių negali tvirtai patvirtinti nepakankama astronominė eksperimentinė medžiaga.
„Mixmaster“visatos potencialo grafikas atrodo toks neįprastas - potencialo duobė turi aukštas sienas, tarp kurių yra trys „slėniai“. Žemiau pateikiamos tokios „visatos maišytuve“potencialinės kreivės.
Praėjus keleriems metams po Friedmano straipsnių paskelbimo, jo modeliai pelnė šlovę ir pripažinimą. Einšteinas rimtai susidomėjo svyruojančios visatos idėja ir jis nebuvo vienas. 1932 m. Jį perėmė Ričardas Tolmanas, „Caltech“matematinės fizikos ir fizinės chemijos profesorius.
Jis nebuvo nei grynas matematikas, kaip Friedmanas, nei astronomas ir astrofizikas, kaip de Sitteris, Lemaitre ir Eddingtonas. Tolmanas buvo pripažintas statistinės fizikos ir termodinamikos ekspertas, kurį pirmiausia derino su kosmologija.
Rezultatai buvo labai neobjektyvūs. Tolmanas padarė išvadą, kad bendra kosmoso entropija turėtų padidėti iš ciklo į ciklą. Entropijos kaupimasis lemia, kad vis daugiau Visatos energijos yra sutelkta elektromagnetinėje spinduliuotėje, kuri nuo ciklo iki ciklo vis labiau veikia jos dinamiką.
Dėl to ilgėja ciklų ilgis, kiekvienas kitas tampa ilgesnis už ankstesnį. Virpesiai išlieka, bet nustoja būti periodiški. Be to, kiekviename naujame cikle Tolmano visatos spindulys didėja.
Vadinasi, maksimalaus išsiplėtimo stadijoje jis turi mažiausią kreivę, o jo geometrija yra vis didesnė ir vis ilgesnį laiką artėja prie Euklido.
Richardas Tolmanas, kurdamas savo modelį, nepraleido įdomios progos, į kurią Johnas Barrowas ir Mariuszas Dombrowski atkreipė dėmesį 1995 m. Jie parodė, kad, įvedus antigravitacinį kosmologinį parametrą, Tolmano visatos osciliacinis režimas yra negrįžtamai sunaikinamas.
Tokiu atveju Tolmano visata viename iš ciklų nebesitraukia į išskirtinumą, bet plečiasi didėjančiu pagreičiu ir virsta de Sitterio visata, kuri panašioje situacijoje veikia ir Kasnerio visatą. Antigravitacija, kaip ir uolumas, viską įveikia!
Visata maišytuve
1967 m. Amerikiečių astrofizikai Davidas Wilkinsonas ir Bruce'as Partridge'as atrado, kad relikvinė mikrobangų spinduliuotė iš bet kurios krypties, aptikta trejais metais anksčiau, į Žemę patenka praktiškai vienoda temperatūra.
Pasitelkę labai jautrų radiometrą, kurį išrado savo tautietis Robertas Dicke, jie parodė, kad relikvijų fotonų temperatūros svyravimai neviršija dešimtosios procento (šiuolaikiniais duomenimis, jie yra daug mažesni).
Kadangi ši radiacija atsirado anksčiau nei po 4 000 000 metų po Didžiojo sprogimo, Wilkinsono ir Partridžo rezultatai suteikė pagrindo manyti, kad net jei mūsų visata gimimo metu nebuvo beveik idealiai izotropinė, ji šią savybę įgijo be didesnio delsimo.
Ši hipotezė buvo didelė kosmologijos problema. Pirmuosiuose kosmologiniuose modeliuose erdvės izotropija nuo pat pradžių buvo išdėstyta kaip matematinė prielaida. Tačiau praėjusio amžiaus viduryje tapo žinoma, kad bendrojo reliatyvumo lygtys leidžia sudaryti ne izotropinių visatų rinkinį. Šių rezultatų kontekste reikėjo paaiškinti beveik idealią CMB izotropiją.
Šis paaiškinimas pasirodė tik devintojo dešimtmečio pradžioje ir pasirodė visiškai netikėtas. Jis buvo pastatytas remiantis iš esmės nauja teorine visuotinio greito (kaip paprastai sakoma, infliacinio) Visatos plėtimosi koncepcija pirmaisiais jos egzistavimo momentais. Septintojo dešimtmečio antroje pusėje mokslas tiesiog nebuvo subrendęs tokioms revoliucinėms idėjoms. Bet, kaip žinote, neturėdami antspaudo, jie rašo paprastu popieriumi.
Garsusis amerikiečių kosmologas Charlesas Misneris iškart po Wilkinsono ir Partridžo straipsnio publikavimo mėgino paaiškinti mikrobangų spinduliuotės izotropiją gana tradicinėmis priemonėmis.
Remiantis jo hipoteze, ankstyvosios Visatos nehomogeniškumas palaipsniui išnyko dėl abipusės jos dalių „trinties“dėl neutrinų ir šviesos srautų pasikeitimo (savo pirmame leidinyje Mizneris šį tariamą poveikį vadino neutrinos klampumu).
Anot jo, toks klampumas gali greitai išlyginti pradinį chaosą ir padaryti Visatą beveik tobulai vienalytę ir izotropinę.
Misnerio tyrimų programa atrodė gražiai, tačiau praktinių rezultatų nedavė. Pagrindinė nesėkmės priežastis vėl paaiškėjo atlikus mikrobangų analizę.
Bet kokie su trintimi susiję procesai generuoja šilumą, tai yra pagrindinė termodinamikos dėsnių pasekmė. Jei pirminiai Visatos nehomogeniškumai būtų išlyginti dėl neutrino ar kitokio klampumo, CMB energijos tankis reikšmingai skirtųsi nuo stebimos vertės.
Kaip aštuntojo dešimtmečio pabaigoje parodė amerikiečių astrofizikas Richardas Matzneris ir jo aukščiau paminėtas kolega iš Anglijos Johnas Barrowas, klampūs procesai gali pašalinti tik mažiausius kosmologinius nehomogeniškumus. Visiškam Visatos „išlyginimui“reikėjo kitų mechanizmų, kurie buvo rasti remiantis infliacijos teorija.
Nepaisant to, Mizner gavo daug įdomių rezultatų. Visų pirma, 1969 m. Jis paskelbė naują kosmologinį modelį, kurio pavadinimą jis pasiskolino … iš virtuvės prietaiso, namų maišytuvo, pagaminto „Sunbeam Products“! „Mixmaster Universe“nuolat plaka stipriausiomis konvulsijomis, kurios, pasak Miznerio, priverčia šviesą cirkuliuoti uždarais keliais, maišant ir homogenizuojant jos turinį.
Tačiau vėlesnė šio modelio analizė parodė, kad nors fotonai Miznerio pasaulyje daro tolimas keliones, jų maišymo poveikis yra labai nereikšmingas.
Nepaisant to, „Mixmaster Universe“yra labai įdomi. Kaip ir uždara Friedmano visata, ji kyla iš nulio tūrio, plečiasi iki tam tikro maksimumo ir vėl susitraukia veikdama savo pačios gravitacijos. Tačiau ši evoliucija nėra sklandi, kaip Friedmano, bet absoliučiai chaotiška ir todėl visiškai nenuspėjama detalėmis.
Jaunystėje ši visata intensyviai virpa, plečiasi dviem kryptimis ir trečdaliu traukiasi - kaip ir Kasnere. Tačiau išsiplėtimų ir susitraukimų orientacija nėra pastovi - jie keičia vietas chaotiškai.
Be to, virpesių dažnis priklauso nuo laiko ir artėja prie pradinio momento yra linkęs į begalybę. Tokia visata patiria chaotiškas deformacijas, kaip drebučiai dreba ant lėkštutės. Šios deformacijos vėl gali būti aiškinamos kaip gravitacinių bangų, judančių skirtingomis kryptimis, apraiška, daug žiauresnė nei pagal Kasnerio modelį.
Mixmasterio visata pateko į kosmologijos istoriją kaip sudėtingiausia iš įsivaizduojamų visatų, sukurtų remiantis „grynu“bendruoju reliatyvumu. Nuo devintojo dešimtmečio pradžios įdomiausiose tokio pobūdžio sąvokose buvo pradėtos naudoti kvantinio lauko teorijos ir elementariųjų dalelių teorijos idėjos ir matematiniai aparatai, o vėliau, be didelio delsimo, ir virpesių teorija.