Daftar Isi:

Teori paling aneh dan paling tidak biasa tentang struktur alam semesta
Teori paling aneh dan paling tidak biasa tentang struktur alam semesta

Video: Teori paling aneh dan paling tidak biasa tentang struktur alam semesta

Video: Teori paling aneh dan paling tidak biasa tentang struktur alam semesta
Video: Misteri Aneh di Bumi dan Alam Semesta yang Akan Mengejutkan Anda! 2024, Maret
Anonim

Selain model kosmologi klasik, relativitas umum memungkinkan terciptanya dunia imajiner yang sangat, sangat, sangat eksotis.

Ada beberapa model kosmologi klasik yang dibangun menggunakan relativitas umum, dilengkapi dengan homogenitas dan isotropi ruang (lihat "PM" No. 6'2012). Alam semesta tertutup Einstein memiliki kelengkungan ruang positif yang konstan, yang menjadi statis karena pengenalan apa yang disebut parameter kosmologis ke dalam persamaan relativitas umum, yang bertindak sebagai medan antigravitasi.

Di alam semesta de Sitter yang berakselerasi dengan ruang tidak melengkung, tidak ada materi biasa, tetapi juga diisi dengan medan anti-gravitasi. Ada juga alam semesta tertutup dan terbuka Alexander Friedman; dunia batas Einstein - de Sitter, yang secara bertahap mengurangi laju ekspansi menjadi nol seiring waktu, dan akhirnya, alam semesta Lemaitre, nenek moyang kosmologi Big Bang, tumbuh dari keadaan awal superkompak. Semuanya, dan terutama model Lemaitre, menjadi cikal bakal model standar modern alam semesta kita.

Ruang alam semesta dalam berbagai model
Ruang alam semesta dalam berbagai model

Ruang alam semesta dalam model yang berbeda memiliki kelengkungan yang berbeda, yang bisa negatif (ruang hiperbolik), nol (ruang Euclidean datar, sesuai dengan alam semesta kita) atau positif (ruang elips). Dua model pertama adalah alam semesta terbuka, mengembang tanpa henti, yang terakhir tertutup, yang cepat atau lambat akan runtuh. Ilustrasi menunjukkan dari atas ke bawah analog dua dimensi dari ruang seperti itu.

Namun, ada alam semesta lain, yang juga dihasilkan oleh penggunaan persamaan relativitas umum yang sangat kreatif, seperti yang biasa dikatakan sekarang. Mereka jauh lebih sedikit (atau tidak sesuai sama sekali) dengan hasil pengamatan astronomi dan astrofisika, tetapi mereka seringkali sangat indah, dan terkadang paradoks yang elegan. Benar, ahli matematika dan astronom menemukan mereka dalam jumlah sedemikian rupa sehingga kita harus membatasi diri hanya pada beberapa contoh paling menarik dari dunia imajiner.

Dari string ke pancake

Setelah kemunculan (pada tahun 1917) karya fundamental Einstein dan de Sitter, banyak ilmuwan mulai menggunakan persamaan relativitas umum untuk membuat model kosmologis. Salah satu yang pertama melakukan ini adalah matematikawan New York Edward Kasner, yang menerbitkan solusinya pada tahun 1921.

nebula
nebula

Alam semestanya sangat tidak biasa. Ia tidak hanya kekurangan materi gravitasi, tetapi juga medan anti-gravitasi (dengan kata lain, tidak ada parameter kosmologis Einstein). Tampaknya di dunia yang idealnya kosong ini tidak ada yang bisa terjadi sama sekali. Namun, Kasner mengakui bahwa alam semesta hipotetisnya berevolusi secara tidak merata ke arah yang berbeda. Ini mengembang di sepanjang dua sumbu koordinat, tetapi berkontraksi di sepanjang sumbu ketiga.

Oleh karena itu, ruang ini jelas anisotropik dan menyerupai elipsoid dalam garis geometris. Karena ellipsoid seperti itu membentang dalam dua arah dan berkontraksi di sepanjang yang ketiga, secara bertahap berubah menjadi panekuk datar. Pada saat yang sama, alam semesta Kasner tidak kehilangan berat sama sekali, volumenya meningkat sebanding dengan usia. Pada saat awal, usia ini sama dengan nol - dan, oleh karena itu, volumenya juga nol. Namun, alam semesta Kasner tidak lahir dari singularitas titik, seperti dunia Lemaitre, tetapi dari sesuatu seperti jari-jari yang sangat tipis - jari-jari awalnya sama dengan tak terhingga sepanjang satu sumbu dan nol di sepanjang dua lainnya.

Mengapa kita google

widget-minat
widget-minat

Edward Kasner adalah seorang pempopuler sains yang brilian - bukunya Mathematics and the Imagination, yang ditulis bersama James Newman, diterbitkan ulang dan dibaca hari ini. Di salah satu bab, angka 10 muncul100… Keponakan Kazner yang berusia sembilan tahun datang dengan nama untuk nomor ini - googol (Googol), dan bahkan nomor 10 yang sangat besargoogol- membaptis istilah googolplex (Googolplex). Ketika mahasiswa pascasarjana Stanford, Larry Page dan Sergey Brin mencoba menemukan nama untuk mesin pencari mereka, teman mereka Sean Anderson merekomendasikan Googolplex yang mencakup segalanya.

Namun, Page menyukai Googol yang lebih sederhana, dan Anderson segera memeriksa apakah itu dapat digunakan sebagai domain Internet. Terburu-buru, dia salah ketik dan mengirim permintaan bukan ke Googol.com, tapi ke Google.com. Nama ini ternyata gratis dan Brin sangat menyukainya sehingga ia dan Page langsung mendaftarkannya pada 15 September 1997. Jika itu terjadi secara berbeda, kami tidak akan memiliki Google!

Apa rahasia evolusi dunia kosong ini? Karena ruangnya "bergeser" dengan cara yang berbeda di sepanjang arah yang berbeda, gaya pasang surut gravitasi muncul, yang menentukan dinamikanya. Tampaknya seseorang dapat menghilangkannya dengan menyamakan laju ekspansi di sepanjang ketiga sumbu dan dengan demikian menghilangkan anisotropi, tetapi matematika tidak mengizinkan kebebasan seperti itu.

Benar, seseorang dapat menetapkan dua dari tiga kecepatan sama dengan nol (dengan kata lain, menetapkan dimensi alam semesta di sepanjang dua sumbu koordinat). Dalam hal ini, dunia Kasner akan tumbuh hanya dalam satu arah, dan sangat proporsional dengan waktu (ini mudah dipahami, karena volumenya harus meningkat), tetapi hanya ini yang dapat kami capai.

Alam semesta Kasner dapat tetap dengan sendirinya hanya dalam kondisi kekosongan total. Jika Anda menambahkan sedikit materi ke dalamnya, secara bertahap ia akan mulai berevolusi seperti alam semesta isotropik Einstein-de Sitter. Dengan cara yang sama, ketika parameter Einstein yang bukan nol ditambahkan ke persamaannya, ia (dengan atau tanpa materi) akan secara asimtotik memasuki rezim ekspansi isotropik eksponensial dan berubah menjadi alam semesta de Sitter. Namun, "penambahan" seperti itu sebenarnya hanya mengubah evolusi alam semesta yang sudah ada.

Pada saat kelahirannya, mereka praktis tidak berperan, dan alam semesta berkembang sesuai dengan skenario yang sama.

Semesta
Semesta

Meskipun dunia Kasner secara dinamis anisotropik, kelengkungannya setiap saat adalah sama di sepanjang semua sumbu koordinat. Namun, persamaan relativitas umum mengakui keberadaan alam semesta yang tidak hanya berevolusi dengan kecepatan anisotropik, tetapi juga memiliki kelengkungan anisotropik.

Model seperti itu dibangun pada awal 1950-an oleh matematikawan Amerika Abraham Taub. Ruang-ruangnya dapat berperilaku seperti alam semesta terbuka di beberapa arah, dan seperti alam semesta tertutup di tempat lain. Selain itu, seiring waktu, mereka dapat mengubah tanda dari plus ke minus dan dari minus ke plus. Ruang mereka tidak hanya berdenyut, tetapi benar-benar berubah menjadi luar. Secara fisik, proses ini dapat diasosiasikan dengan gelombang gravitasi, yang mengubah bentuk ruang dengan sangat kuat sehingga secara lokal mengubah geometrinya dari sferis ke pelana dan sebaliknya. Secara keseluruhan, dunia yang aneh, meskipun secara matematis mungkin.

alam semesta Kazner
alam semesta Kazner

Tidak seperti Alam Semesta kita, yang mengembang secara isotropis (yaitu, pada kecepatan yang sama terlepas dari arah yang dipilih), alam semesta Kasner mengembang secara bersamaan (sepanjang dua sumbu) dan menyusut (sepanjang sumbu ketiga).

Fluktuasi dunia

Segera setelah publikasi karya Kazner, artikel oleh Alexander Fridman muncul, yang pertama pada tahun 1922, yang kedua pada tahun 1924. Makalah ini menyajikan solusi yang sangat elegan untuk persamaan relativitas umum, yang memiliki efek yang sangat konstruktif pada perkembangan kosmologi.

Konsep Friedman didasarkan pada asumsi bahwa, rata-rata, materi didistribusikan di luar angkasa secara simetris mungkin, yaitu, benar-benar homogen dan isotropik. Ini berarti bahwa geometri ruang pada setiap momen waktu kosmik tunggal adalah sama di semua titik dan di semua arah (tepatnya, waktu seperti itu masih perlu ditentukan dengan benar, tetapi dalam kasus ini masalah ini dapat dipecahkan). Oleh karena itu, laju ekspansi (atau kontraksi) alam semesta pada saat tertentu sekali lagi tidak bergantung pada arah.

Oleh karena itu, alam semesta Friedmann sama sekali tidak seperti model Kasner.

Dalam artikel pertama, Friedman membangun model alam semesta tertutup dengan kelengkungan ruang positif yang konstan. Dunia ini muncul dari keadaan titik awal dengan kepadatan materi yang tak terbatas, meluas ke radius maksimum tertentu (dan, karenanya, volume maksimum), setelah itu ia runtuh lagi ke titik tunggal yang sama (dalam bahasa matematika, singularitas).

Fluktuasi dunia
Fluktuasi dunia

Namun, Friedman tidak berhenti di situ. Menurutnya, solusi kosmologis yang ditemukan tidak harus dibatasi oleh interval antara singularitas awal dan akhir, tetapi dapat dilanjutkan dalam waktu baik ke depan maupun ke belakang. Hasilnya adalah sekumpulan alam semesta tanpa akhir yang dirangkai pada sumbu waktu, yang berbatasan satu sama lain pada titik singularitas.

Dalam bahasa fisika, ini berarti bahwa alam semesta tertutup Friedmann dapat berosilasi tanpa batas, mati setelah setiap kontraksi dan terlahir kembali ke kehidupan baru dalam ekspansi berikutnya. Ini adalah proses periodik yang ketat, karena semua osilasi berlanjut untuk jangka waktu yang sama. Oleh karena itu, setiap siklus keberadaan alam semesta adalah salinan persis dari semua siklus lainnya.

Beginilah cara Friedman mengomentari model ini dalam bukunya "Dunia sebagai Ruang dan Waktu": "Selanjutnya, ada kasus ketika jari-jari kelengkungan berubah secara berkala: alam semesta berkontraksi ke suatu titik (menjadi tidak ada), kemudian lagi dari suatu titik membawa jari-jarinya ke nilai tertentu, sekali lagi, mengurangi jari-jari kelengkungannya, itu berubah menjadi titik, dll. Seseorang tanpa sadar mengingat legenda mitologi Hindu tentang periode kehidupan; mungkin juga untuk berbicara tentang "penciptaan dunia dari ketiadaan", tetapi semua ini harus dianggap sebagai fakta aneh yang tidak dapat dikonfirmasi secara kuat oleh bahan eksperimental astronomi yang tidak mencukupi.

Plot Potensi Alam Semesta Mixmaster
Plot Potensi Alam Semesta Mixmaster

Grafik potensi alam semesta Mixmaster terlihat sangat tidak biasa - lubang potensial memiliki dinding tinggi, di antaranya ada tiga "lembah". Di bawah ini adalah kurva ekuipotensial dari "alam semesta dalam mixer" semacam itu.

Beberapa tahun setelah publikasi artikel Friedman, modelnya mendapatkan ketenaran dan pengakuan. Einstein menjadi sangat tertarik pada gagasan tentang alam semesta yang berosilasi, dan dia tidak sendirian. Pada tahun 1932, diambil alih oleh Richard Tolman, profesor fisika matematika dan kimia fisik di Caltech. Dia bukan ahli matematika murni, seperti Friedman, atau astronom dan astrofisikawan, seperti de Sitter, Lemaitre dan Eddington. Tolman adalah seorang ahli yang diakui dalam fisika statistik dan termodinamika, yang pertama kali ia gabungkan dengan kosmologi.

Hasilnya sangat nontrivial. Tolman sampai pada kesimpulan bahwa total entropi kosmos harus meningkat dari siklus ke siklus. Akumulasi entropi mengarah pada fakta bahwa semakin banyak energi alam semesta terkonsentrasi pada radiasi elektromagnetik, yang dari siklus ke siklus semakin memengaruhi dinamikanya. Karena itu, panjang siklus meningkat, setiap siklus berikutnya menjadi lebih panjang dari yang sebelumnya.

Osilasi tetap ada, tetapi berhenti menjadi periodik. Selain itu, dalam setiap siklus baru, radius alam semesta Tolman meningkat. Akibatnya, pada tahap ekspansi maksimum, ia memiliki kelengkungan terkecil, dan geometrinya semakin lama semakin mendekati geometri Euclidean.

Gelombang gravitasi
Gelombang gravitasi

Richard Tolman, saat merancang modelnya, melewatkan kesempatan menarik, yang menarik perhatian John Barrow dan Mariusz Dombrowski pada tahun 1995. Mereka menunjukkan bahwa rezim osilasi alam semesta Tolman dihancurkan secara permanen ketika parameter kosmologis anti-gravitasi diperkenalkan.

Dalam hal ini, alam semesta Tolman pada salah satu siklus tidak lagi berkontraksi menjadi singularitas, tetapi mengembang dengan percepatan yang meningkat dan berubah menjadi alam semesta de Sitter, yang dalam situasi serupa juga dilakukan oleh alam semesta Kasner. Antigravitasi, seperti ketekunan, mengatasi segalanya!

perkalian entitas

widget-minat
widget-minat

“Tantangan alami kosmologi adalah untuk memahami sebaik mungkin asal usul, sejarah, dan struktur alam semesta kita sendiri,” jelas profesor matematika Universitas Cambridge John Barrow kepada Popular Mechanics. - Pada saat yang sama, relativitas umum, bahkan tanpa meminjam dari cabang fisika lain, memungkinkan untuk menghitung jumlah model kosmologis yang hampir tak terbatas.

Tentu saja, pilihan mereka dibuat berdasarkan data astronomi dan astrofisika, yang dengannya dimungkinkan tidak hanya untuk menguji berbagai model untuk kesesuaian dengan kenyataan, tetapi juga untuk memutuskan komponen mana yang dapat digabungkan untuk yang paling memadai. deskripsi dunia kita. Inilah bagaimana Model Standar Alam Semesta saat ini muncul. Jadi bahkan untuk alasan ini saja, berbagai model kosmologis yang dikembangkan secara historis telah terbukti sangat berguna.

Tapi bukan hanya itu. Banyak model dibuat sebelum para astronom mengumpulkan kekayaan data yang mereka miliki saat ini. Misalnya, derajat isotropi alam semesta yang sebenarnya telah ditetapkan berkat peralatan luar angkasa hanya selama beberapa dekade terakhir.

Jelas bahwa di masa lalu, perancang ruang memiliki keterbatasan empiris yang jauh lebih sedikit. Selain itu, mungkin saja model-model eksotis menurut standar saat ini akan berguna di masa depan untuk menggambarkan bagian-bagian Alam Semesta yang belum tersedia untuk observasi. Dan akhirnya, penemuan model kosmologis mungkin hanya mendorong keinginan untuk menemukan solusi yang tidak diketahui untuk persamaan relativitas umum, dan ini juga merupakan insentif yang kuat. Secara umum, banyaknya model seperti itu dapat dimengerti dan dibenarkan.

Penyatuan kosmologi dan fisika partikel elementer baru-baru ini dibenarkan dengan cara yang sama. Perwakilannya menganggap tahap paling awal kehidupan Semesta sebagai laboratorium alam, yang cocok untuk mempelajari simetri dasar dunia kita, yang menentukan hukum interaksi fundamental. Aliansi ini telah meletakkan dasar bagi seluruh penggemar model kosmologis yang secara fundamental baru dan sangat dalam. Tidak ada keraguan bahwa di masa depan itu akan membawa hasil yang sama-sama bermanfaat.”

Alam Semesta di Mixer

Pada tahun 1967, astrofisikawan Amerika David Wilkinson dan Bruce Partridge menemukan bahwa radiasi gelombang mikro peninggalan dari segala arah, ditemukan tiga tahun sebelumnya, tiba di Bumi dengan suhu yang hampir sama. Dengan bantuan radiometer yang sangat sensitif, ditemukan oleh rekan senegaranya Robert Dicke, mereka menunjukkan bahwa fluktuasi suhu foton peninggalan tidak melebihi sepersepuluh persen (menurut data modern, mereka jauh lebih sedikit).

Karena radiasi ini berasal lebih awal dari 4.00.000 tahun setelah Big Bang, hasil Wilkinson dan Partridge memberi alasan untuk percaya bahwa bahkan jika alam semesta kita hampir tidak ideal isotropik pada saat lahir, ia memperoleh sifat ini tanpa banyak penundaan.

Hipotesis ini merupakan masalah yang cukup besar bagi kosmologi. Dalam model kosmologis pertama, isotropi ruang diletakkan sejak awal hanya sebagai asumsi matematis. Namun, pada pertengahan abad terakhir, diketahui bahwa persamaan relativitas umum memungkinkan untuk membangun satu set alam semesta non-isotropik. Dalam konteks hasil ini, isotropi CMB yang hampir ideal menuntut penjelasan.

Pencampur Alam Semesta
Pencampur Alam Semesta

Penjelasan ini baru muncul pada awal 1980-an dan sama sekali tidak terduga. Itu dibangun di atas konsep teoretis baru yang fundamental tentang ekspansi alam semesta supercepat (seperti yang biasa mereka katakan, inflasioner) pada saat-saat pertama keberadaannya (lihat "PM" No. 7'2012). Pada paruh kedua tahun 1960-an, sains sama sekali tidak matang untuk ide-ide revolusioner semacam itu. Tapi, seperti yang Anda tahu, dengan tidak adanya kertas bermaterai, mereka menulis dengan kertas biasa.

Ahli kosmologi Amerika terkemuka Charles Misner, segera setelah publikasi artikel oleh Wilkinson dan Partridge, mencoba menjelaskan isotropi radiasi gelombang mikro menggunakan cara yang cukup tradisional. Menurut hipotesisnya, ketidakhomogenan Alam Semesta awal secara bertahap menghilang karena "gesekan" timbal balik dari bagian-bagiannya, yang disebabkan oleh pertukaran neutrino dan fluks cahaya (dalam publikasi pertamanya, Mizner menyebut ini sebagai efek viskositas neutrino).

Menurutnya, kekentalan seperti itu dapat dengan cepat menghaluskan kekacauan awal dan membuat Semesta hampir homogen sempurna dan isotropik.

Program penelitian Misner tampak indah, tetapi tidak membawa hasil yang praktis. Alasan utama kegagalannya kembali terungkap melalui analisis gelombang mikro. Setiap proses yang melibatkan gesekan menghasilkan panas, ini adalah konsekuensi dasar dari hukum termodinamika. Jika ketidakhomogenan utama Semesta dihaluskan karena neutrino atau viskositas lain, densitas energi CMB akan berbeda secara signifikan dari nilai yang diamati.

Seperti yang ditunjukkan oleh astrofisikawan Amerika Richard Matzner dan rekan Inggrisnya yang telah disebutkan, John Barrow pada akhir 1970-an, proses kental hanya dapat menghilangkan ketidakhomogenan kosmologis terkecil. Untuk "penghalusan" Semesta yang lengkap, diperlukan mekanisme lain, dan mekanisme tersebut ditemukan dalam kerangka teori inflasi.

Quasar
Quasar

Meski demikian, Mizner mendapatkan banyak hasil menarik. Secara khusus, pada tahun 1969 ia menerbitkan model kosmologis baru, yang namanya ia pinjam … dari peralatan dapur, mixer rumah yang dibuat oleh Sunbeam Products! Mixmaster Universe terus-menerus berdenyut dalam kejang-kejang terkuat, yang, menurut Mizner, membuat cahaya bersirkulasi di sepanjang jalur tertutup, mencampur dan menghomogenkan isinya.

Namun, analisis selanjutnya dari model ini menunjukkan bahwa, meskipun foton di dunia Mizner melakukan perjalanan jauh, efek pencampurannya sangat tidak signifikan.

Meskipun demikian, Mixmaster Universe sangat menarik. Seperti alam semesta tertutup Friedman, ia muncul dari volume nol, mengembang hingga maksimum tertentu dan berkontraksi lagi di bawah pengaruh gravitasinya sendiri. Tetapi evolusi ini tidak mulus, seperti yang dialami Friedman, tetapi benar-benar kacau dan karenanya sama sekali tidak dapat diprediksi secara detail.

Di masa muda, alam semesta ini berosilasi secara intensif, mengembang dalam dua arah dan menyusut di sepertiga - seperti milik Kasner. Namun, orientasi ekspansi dan kontraksi tidak konstan - mereka mengubah tempat secara acak. Selain itu, frekuensi osilasi tergantung pada waktu dan cenderung tak terhingga ketika mendekati instan awal. Alam semesta seperti itu mengalami deformasi kacau, seperti jeli yang bergetar di atas piring. Deformasi ini sekali lagi dapat ditafsirkan sebagai manifestasi gelombang gravitasi yang bergerak ke arah yang berbeda, jauh lebih ganas daripada model Kasner.

Alam Semesta Mixmaster tercatat dalam sejarah kosmologi sebagai alam semesta imajiner paling kompleks yang diciptakan berdasarkan relativitas umum "murni". Sejak awal 1980-an, konsep-konsep yang paling menarik dari jenis ini mulai menggunakan ide-ide dan peralatan matematika dari teori medan kuantum dan teori partikel elementer, dan kemudian, tanpa banyak penundaan, teori superstring.

Direkomendasikan: