Există mai multe modele cosmologice clasice construite folosind relativitatea generală, completate de omogenitatea și izotropia spațiului.
Universul închis al lui Einstein are o curbură constantă pozitivă a spațiului, care devine statică datorită introducerii așa-numitului parametru cosmologic în ecuațiile relativității generale, care acționează ca un câmp antigravitațional.
În universul accelerat al lui De Sitter, cu spațiu non-curbat, nu există materie obișnuită, dar este umplut și cu un câmp anti-gravitație.
Există, de asemenea, universurile închise și deschise ale lui Alexander Friedman; lumea de graniță a lui Einstein - de Sitter, care reduce treptat rata de expansiune la zero în timp și, în final, universul Lemaitre, progenitorul cosmologiei Big Bang, crește dintr-o stare inițială supercompactă. Toate acestea, în special modelul Lemaitre, au devenit predecesorii modelului standard modern al universului nostru.
Spațiul universului din diferite modele are curburi diferite, care pot fi negative (spațiul hiperbolic), zero (spațiul euclidian plat, corespunzător universului nostru) sau pozitiv (spațiul eliptic).
Primele două modele sunt universuri deschise, care se extind la nesfârșit, ultimul este închis, care se va prăbuși mai devreme sau mai târziu. Ilustrația de sus în jos arată analogi bidimensionali ai unui astfel de spațiu.
Video promotional:
Există, totuși, și alte universuri, generate și de un foarte creativ, cum se spune acum, folosind ecuațiile relativității generale. Ele corespund mult mai puțin (sau nu corespund deloc) rezultatelor observațiilor astronomice și astrofizice, dar sunt adesea foarte frumoase și uneori elegant paradoxale.
Adevărat, matematicienii și astronomii le-au inventat în astfel de cantități încât va trebui să ne limităm doar la câteva dintre cele mai interesante exemple de lumi imaginare.
De la sfoară la clătite
După apariția (în 1917) a operei fundamentale a lui Einstein și de Sitter, mulți oameni de știință au început să folosească ecuațiile relativității generale pentru a crea modele cosmologice. Unul dintre primii care a făcut acest lucru a fost matematicianul New York, Edward Kasner, care și-a publicat soluția în 1921.
Universul său este foarte neobișnuit. Îi lipsesc nu numai materiile de gravitație, ci și un câmp anti-gravitativ (cu alte cuvinte, nu există un parametru cosmologic Einstein). S-ar părea că în această lume ideal ideală nu se poate întâmpla nimic deloc.
Cu toate acestea, Kasner a presupus că universul său ipotetic a evoluat inegal în direcții diferite. Se extinde de-a lungul a două axe de coordonate, dar se contractă de-a lungul celei de-a treia axe. Prin urmare, acest spațiu este evident anisotrop și seamănă cu un elipsoid în contururile sale geometrice.
Pe măsură ce un astfel de elipsoid se întinde în două direcții și se contractă de-a lungul celei de-a treia, se transformă treptat într-o clătită plată. În același timp, universul Kasner nu crește deloc subțire, volumul său crește proporțional cu vârsta.
În momentul inițial, această vârstă este egală cu zero - și, prin urmare, volumul este de asemenea zero. Totuși, universurile Kasner nu se nasc dintr-o singură punctualitate, ca lumea lui Lemaitre, ci dintr-un fel de vorbit infinit subțire - raza sa inițială este egală cu infinitul de-a lungul unei axe și zero de-a lungul celorlalte două.
Care este secretul evoluției acestei lumi goale? Deoarece spațiul său „se schimbă” în moduri diferite de-a lungul direcțiilor diferite, apar forțe de maree gravitaționale, care îi determină dinamica. S-ar părea că se poate scăpa de ele dacă egalizăm ratele de expansiune de-a lungul celor trei axe și eliminăm astfel anisotropia, dar matematica nu permite astfel de libertăți.
Este adevărat, se pot seta două dintre cele trei viteze egale cu zero (cu alte cuvinte, fixați dimensiunile universului de-a lungul a două axe de coordonate). În acest caz, lumea Kasner va crește într-o singură direcție și strict proporțională cu timpul (acest lucru este ușor de înțeles, deoarece așa trebuie să crească volumul său), dar acest lucru este tot ceea ce putem realiza.
Universul lui Kazner poate rămâne de la sine numai dacă este complet gol. Dacă adăugați un pic de materie, acesta va începe treptat să evolueze ca universul izotrop al Einstein-de Sitter.
În același mod, când se adaugă un parametru non-zero Einstein la ecuațiile sale, acesta (cu sau fără materie) va intra asimptotic în regimul expansiunii izotrope exponențiale și se va transforma în universul lui Sitter.
Totuși, astfel de „adăugări” schimbă într-adevăr doar evoluția universului deja existent. În momentul nașterii ei, practic nu joacă un rol, iar universul evoluează în funcție de același scenariu.
Deși lumea Kasner este anisotropă dinamic, curbura sa la un moment dat este aceeași de-a lungul tuturor axelor de coordonate. Cu toate acestea, ecuațiile relativității generale admit existența universurilor care nu numai că evoluează cu viteze anisotrope, dar au și curbura anisotropă.
Astfel de modele au fost construite la începutul anilor '50 de matematicianul american Abraham Taub. Spațiile sale se pot comporta în unele direcții precum universuri deschise, iar în altele - ca cele închise. Mai mult, în timp, își pot schimba semnul de la plus la minus și de la minus la plus.
Spațiul lor nu doar pulsează, ci literalmente se transformă în interior. Din punct de vedere fizic, aceste procese pot fi asociate cu unde gravitaționale, care deformează spațiul atât de puternic, încât își schimbă local geometria de la sferică la șa și invers. În general, lumi ciudate, deși matematic posibile.
Spre deosebire de Universul nostru, care se extinde izotrop (adică cu aceeași viteză indiferent de direcția aleasă), universul Kasner se extinde simultan (de-a lungul a două axe) și se contractă (de-a lungul celui de-al treilea).
Fluctuațiile lumilor
La scurt timp după publicarea operei lui Kasner, au apărut articole de Alexander Fridman, primul în 1922, al doilea în 1924. Aceste lucrări au prezentat soluții surprinzător de elegante la ecuațiile relativității generale, care au avut un efect extrem de constructiv asupra dezvoltării cosmologiei.
Conceptul lui Friedman se bazează pe presupunerea că, în medie, materia este distribuită în spațiul exterior cât mai simetric posibil, adică complet omogen și izotrop.
Acest lucru înseamnă că geometria spațiului în fiecare moment al unui singur timp cosmic este aceeași în toate punctele sale și în toate direcțiile (strict vorbind, un astfel de timp trebuie totuși determinat corect, dar în acest caz această problemă este rezolvabilă).
Rezultă că rata de expansiune (sau contracție) a universului la un moment dat este din nou independentă de direcție. Prin urmare, universurile lui Friedmann sunt foarte diferite de modelul lui Kasner.
În primul articol, Friedman a construit un model de univers închis cu o curbură constantă pozitivă a spațiului. Această lume se naște dintr-o stare inițială punctuală cu o densitate infinită a materiei, se extinde la o anumită rază maximă (și, prin urmare, volum maxim), după care se prăbușește din nou în același punct singular (în limbajul matematic, o singularitate).
Cu toate acestea, Friedman nu s-a oprit aici. În opinia sa, soluția cosmologică găsită nu trebuie să fie limitată de intervalul dintre singularitățile inițiale și cele finale, ci poate fi continuată în timp atât înainte, cât și înapoi.
Rezultatul este un grup infinit de universuri înfipt pe axa timpului, care se mărginesc reciproc în puncte de singularitate. În limbajul fizicii, acest lucru înseamnă că universul închis al lui Friedmann poate oscila la nesfârșit, murind după fiecare contracție și renăscând la o nouă viață în expansiunea ulterioară.
Acesta este un proces strict periodic, deoarece toate oscilațiile continuă pentru aceeași perioadă de timp. Prin urmare, fiecare ciclu al existenței universului este o copie exactă a tuturor celorlalte cicluri.
Așa a comentat Friedman asupra acestui model în cartea sa „Lumea ca spațiu și timp”: „Mai mult, sunt posibile cazuri când raza de curbură se schimbă periodic: universul se contractă într-un punct (în nimic), apoi din nou dintr-un punct își aduce raza la o anumită valoare, apoi din nou, scăzând raza curburii sale, se transformă într-un punct etc.
Unul își amintește involuntar legenda mitologiei hinduse despre perioadele vieții; este de asemenea posibil să vorbim despre „crearea lumii din nimic”, dar toate acestea ar trebui considerate fapte curioase care nu pot fi confirmate în mod solid de un material experimental astronomic insuficient.
Graficul potențialului universului Mixmaster arată atât de neobișnuit - groapa potențială are pereți înalți, între care există trei „văi” Mai jos sunt curbele echipotențiale ale unui astfel de „univers într-un mixer”.
La câțiva ani după publicarea articolelor lui Friedman, modelele sale au câștigat faimă și recunoaștere. Einstein a devenit serios interesat de ideea unui univers oscilant și nu era singur. În 1932, a fost preluat de Richard Tolman, profesor de fizică matematică și chimie fizică la Caltech.
Nu a fost nici un matematician pur, precum Friedman, nici un astronom și astrofizician, precum de Sitter, Lemaitre și Eddington. Tolman a fost un specialist recunoscut în fizica statistică și termodinamică, pe care a combinat-o prima dată cu cosmologia.
Rezultatele au fost foarte nesatisfăcătoare. Tolman a ajuns la concluzia că entropia totală a cosmosului ar trebui să crească de la ciclu la ciclu. Acumularea de entropie duce la faptul că din ce în ce mai multă energie a universului este concentrată în radiațiile electromagnetice, care de la ciclu la ciclu afectează din ce în ce mai mult dinamica acestuia.
Din această cauză, lungimea ciclurilor crește, fiecare următor devine mai lung decât precedentul. Oscilările persistă, dar încetează să mai fie periodice. Mai mult, în fiecare nou ciclu, raza universului lui Tolman crește.
În consecință, în stadiul de expansiune maximă, are cea mai mică curbură, iar geometria ei este din ce în ce mai multă și de mai mult timp se apropie de cea euclidiană.
Richard Tolman, în timp ce își proiecta modelul, a ratat o oportunitate interesantă, la care John Barrow și Mariusz Dombrowski au atras atenția în 1995. Ei au arătat că regimul oscilator al universului Tolman este distrus ireversibil atunci când este introdus un parametru cosmologic antigravitațional.
În acest caz, universul lui Tolman pe unul dintre cicluri nu se mai contractă într-o singularitate, ci se extinde cu accelerație crescândă și se transformă în universul lui Sitter, care într-o situație similară face și universul Kasner. Antigravitatea, ca zelul, învinge totul!
Univers în mixer
În 1967, astrofizicienii americani David Wilkinson și Bruce Partridge au descoperit că radiația cu microunde relicve din orice direcție, descoperită cu trei ani mai devreme, ajunge pe Pământ cu aceeași temperatură.
Cu ajutorul unui radiometru extrem de sensibil, inventat de compatriotul lor Robert Dicke, ei au arătat că fluctuațiile de temperatură ale fotonilor relict nu depășesc o zecime de procent (conform datelor moderne, sunt mult mai puține).
Întrucât această radiație a luat naștere mai devreme de 4000 de ani de la Big Bang, rezultatele lui Wilkinson și Partridge au dat motive să creadă că, chiar dacă universul nostru nu era aproape ideal izotrop în momentul nașterii, a dobândit această proprietate fără prea multă întârziere.
Această ipoteză a fost o mare problemă pentru cosmologie. În primele modele cosmologice, izotropia spațiului a fost pusă de la bun început doar ca o presupunere matematică. Cu toate acestea, la mijlocul secolului trecut a devenit cunoscut faptul că ecuațiile relativității generale fac posibilă construirea multor universuri neizotrope. În contextul acestor rezultate, izotropia aproape ideală a CMB a necesitat o explicație.
Această explicație a apărut abia la începutul anilor 1980 și s-a dovedit complet neașteptată. A fost construit pe un concept teoretic fundamental nou al extinderii superrap (cum se spune de obicei, inflaționist) a Universului în primele momente ale existenței sale. În a doua jumătate a anilor ’60, știința nu era pur și simplu plină de idei revoluționare. Dar, după cum știți, în absența hârtiei stampilate, ele scriu cu hârtie simplă.
Cunoscutul cosmolog american Charles Misner, imediat după publicarea articolului de Wilkinson și Partridge, a încercat să explice izotropia radiațiilor cu microunde folosind mijloace destul de tradiționale.
Conform ipotezei sale, neomogenitățile Universului timpuriu au dispărut treptat datorită „frecării” reciproce a părților sale datorită schimbului de neutrino și fluxuri de lumină (în prima sa publicație, Mizner a numit acest presupus efect de viscozitate neutrino).
Potrivit lui, o astfel de vâscozitate poate netezi rapid haosul inițial și face Universul aproape perfect omogen și izotrop.
Programul de cercetare al lui Misner arăta frumos, dar nu a adus rezultate practice. Motivul principal al eșecului său a fost din nou dezvăluit prin analiza cu microunde.
Orice procese care implică frecare generează căldură, aceasta este o consecință elementară a legilor termodinamicii. Dacă neomogenitățile primare ale Universului ar fi netezite datorită neutrino-ului sau a unei alte vâscozități, densitatea energetică a radiației relicve ar diferi semnificativ de valoarea observată.
Așa cum a arătat astrofizicistul american Richard Matzner și sus-numitul său coleg englez John Barrow, la sfârșitul anilor '70, procesele vâscoase pot elimina doar cele mai mici neomogenități cosmologice. Pentru „netezirea” completă a Universului, au fost necesare alte mecanisme și acestea au fost găsite în cadrul teoriei inflaționiste.
Cu toate acestea, Mizner a primit multe rezultate interesante. În special, în 1969 a publicat un nou model cosmologic, al cărui nume l-a împrumutat … de la un aparat de bucătărie, un mixer de casă realizat de Sunbeam Products! Universul Mixmaster bate constant în cele mai puternice convulsii, care, potrivit lui Mizner, fac ca lumina să circule pe căile închise, amestecând și omogenizând conținutul acesteia.
Cu toate acestea, analiza ulterioară a acestui model a arătat că, deși fotonii din lumea lui Mizner fac călătorii lungi, efectul lor de amestecare este foarte nesemnificativ.
Cu toate acestea, Universul Mixmaster este foarte interesant. La fel ca universul închis al lui Friedman, el apare din volumul zero, se extinde la un anumit maxim și se contractă din nou sub influența propriei sale gravitații. Dar această evoluție nu este lină, ca cea a lui Friedman, ci absolut haotică și, prin urmare, complet imprevizibilă în detaliu.
În tinerețe, acest univers oscilează intens, extinzându-se în două direcții și contractându-se într-o a treia - ca în Kasner. Cu toate acestea, orientările expansiunilor și contracțiilor nu sunt constante - schimbă loc haotic.
Mai mult, frecvența oscilațiilor depinde de timp și tinde la infinit atunci când se apropie de momentul inițial. Un astfel de univers suferă deformări haotice, ca jeleul tremurând pe o farfurie. Aceste deformări pot fi interpretate din nou ca o manifestare a undelor gravitaționale care se deplasează în direcții diferite, mult mai violente decât în modelul Kasner.
Universul Mixmaster a intrat în istoria cosmologiei ca fiind cel mai complex dintre universurile imaginare create pe baza relativității generale „pure”. De la începutul anilor 1980, cele mai interesante concepte de acest fel au început să folosească ideile și aparatul matematic al teoriei cuantice a câmpurilor și teoria particulelor elementare, și apoi, fără prea multă întârziere, și a teoriei superstringului.
