عجیب ترین و غیرعادی ترین نظریه ها در مورد ساختار جهان هستی

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

علاوه بر مدل های کیهان شناسی کلاسیک، نسبیت عام امکان ایجاد جهان های خیالی بسیار بسیار بسیار عجیب و غریب را فراهم می کند.

چندین مدل کیهان‌شناسی کلاسیک وجود دارد که با استفاده از نسبیت عام ساخته شده‌اند که با همگنی و همسانگردی فضا تکمیل شده‌اند (به "PM" شماره 6'2012 مراجعه کنید). جهان بسته انیشتین دارای یک انحنای مثبت ثابت از فضا است که به دلیل وارد شدن به اصطلاح پارامتر کیهانی در معادلات نسبیت عام که به عنوان یک میدان ضد گرانشی عمل می کند، ایستا می شود.

در جهان شتاب دهنده دو سیتر با فضای غیر منحنی، ماده معمولی وجود ندارد، بلکه با میدان ضد گرانشی نیز پر شده است. جهان های بسته و باز الکساندر فریدمن نیز وجود دارد. جهان مرزی انیشتین - دو سیتر، که به تدریج نرخ انبساط را در طول زمان به صفر می رساند و در نهایت، جهان Lemaitre، مولد کیهان شناسی بیگ بنگ، از حالت اولیه فوق فشرده رشد می کند. همه آنها و به ویژه مدل لماتر، پیشگامان مدل استاندارد مدرن جهان ما شدند.

فضای جهان در مدل های مختلف دارای انحناهای متفاوتی است که می تواند منفی (فضای هذلولی)، صفر (فضای اقلیدسی مسطح، مربوط به جهان ما) یا مثبت (فضای بیضی) باشد. دو مدل اول جهان های باز هستند که بی پایان در حال گسترش هستند، مدل آخر بسته است که دیر یا زود فرو می ریزد. تصویر از بالا به پایین آنالوگ های دو بعدی چنین فضایی را نشان می دهد.

با این حال، جهان‌های دیگری نیز وجود دارند که با استفاده بسیار خلاقانه، همانطور که امروزه مرسوم است، از معادلات نسبیت عام ایجاد شده‌اند. آنها بسیار کمتر (یا اصلا مطابقت ندارند) با نتایج مشاهدات نجومی و اخترفیزیکی مطابقت دارند، اما اغلب بسیار زیبا و گاهی اوقات به طرز ظریفی متناقض هستند. درست است، ریاضیدانان و ستاره شناسان آنها را در مقادیری اختراع کردند که ما مجبوریم خود را به چند نمونه از جالب ترین نمونه های جهان های خیالی محدود کنیم.

از رشته تا پنکیک

پس از ظهور (در سال 1917) کار اساسی انیشتین و دی سیتر، بسیاری از دانشمندان شروع به استفاده از معادلات نسبیت عام برای ایجاد مدل های کیهانی کردند. یکی از اولین کسانی که این کار را انجام داد، ریاضیدان نیویورکی ادوارد کاسنر بود که راه حل خود را در سال 1921 منتشر کرد.

جهان او بسیار غیرعادی است. نه تنها ماده گرانشی، بلکه میدان ضد گرانشی نیز ندارد (به عبارت دیگر، هیچ پارامتر کیهانی اینشتین وجود ندارد). به نظر می رسد که در این دنیای ایده آل خالی هیچ اتفاقی نمی افتد. با این حال، کاسنر اعتراف کرد که جهان فرضی او به طور ناموزون در جهات مختلف تکامل یافته است. در امتداد دو محور مختصات منبسط می شود، اما در امتداد محور سوم منقبض می شود.

بنابراین، این فضا آشکارا ناهمسانگرد است و در خطوط هندسی شبیه یک بیضی است. از آنجایی که چنین بیضی در دو جهت کشیده می شود و در امتداد سوم منقبض می شود، به تدریج به یک پنکیک مسطح تبدیل می شود. در عین حال، جهان کاسنر به هیچ وجه وزن کم نمی کند، حجم آن متناسب با سن افزایش می یابد. در لحظه اولیه، این سن برابر با صفر است - و بنابراین، حجم نیز صفر است. با این حال، جهان‌های کاسنر از یک تکینگی نقطه‌ای مانند جهان لماتر زاده نمی‌شوند، بلکه از چیزی شبیه یک پرده بی‌نهایت نازک متولد می‌شوند - شعاع اولیه آن برابر است با بی‌نهایت در امتداد یک محور و صفر در امتداد دو محور دیگر.

چرا گوگل می کنیم

ادوارد کاسنر یک محبوب کننده درخشان علم بود - کتاب ریاضیات و تخیل او که با همکاری جیمز نیومن تالیف شده است، امروز بازنشر شده و خوانده می شود. در یکی از فصل ها عدد 10 ظاهر می شود¹⁰⁰… برادرزاده نه ساله کازنر نامی برای این شماره پیدا کرد - googol (Googol) و حتی یک عدد فوق العاده غول پیکر 10^گوگول- اصطلاح googolplex (Googolplex) نامگذاری شده است. زمانی که لری پیج و سرگئی برین دانشجویان فارغ التحصیل دانشگاه استنفورد در تلاش بودند تا نامی برای موتور جستجوی خود بیابند، دوستشان شان اندرسون Googolplex همه جانبه را توصیه کرد.

با این حال، پیج از Googol ساده‌تر خوشش آمد و اندرسون بلافاصله تصمیم گرفت تا بررسی کند که آیا می‌توان از آن به عنوان یک دامنه اینترنتی استفاده کرد یا خیر. او با عجله اشتباه تایپی کرد و درخواستی را نه به Googol.com، بلکه به Google.com ارسال کرد. معلوم شد که این نام رایگان است و برین آنقدر آن را دوست داشت که او و پیج بلافاصله آن را در 15 سپتامبر 1997 ثبت کردند. اگر طور دیگری اتفاق می افتاد، گوگل را نداشتیم!

راز تکامل این دنیای خالی چیست؟ از آنجایی که فضای آن به طرق مختلف در جهات مختلف "تغییر" می کند، نیروهای جزر و مدی گرانشی بوجود می آیند که دینامیک آن را تعیین می کنند. به نظر می رسد که می توان با برابر کردن نرخ های انبساط در امتداد هر سه محور و در نتیجه حذف ناهمسانگردی از شر آنها خلاص شد، اما ریاضیات چنین آزادی هایی را اجازه نمی دهد.

درست است، می توان دو سرعت از سه سرعت را برابر با صفر قرار داد (به عبارت دیگر، ابعاد جهان را در امتداد دو محور مختصات ثابت کنید). در این صورت، جهان کاسنر تنها در یک جهت و کاملاً متناسب با زمان رشد خواهد کرد (این به راحتی قابل درک است، زیرا حجم آن باید افزایش یابد)، اما این تمام چیزی است که ما می توانیم به دست آوریم.

جهان کاسنر تنها در شرایط پوچی کامل می تواند به تنهایی باقی بماند. اگر کمی ماده به آن اضافه کنید، به تدریج مانند جهان همسانگرد انیشتین دی سیتر شروع به تکامل خواهد کرد. به همین ترتیب، هنگامی که یک پارامتر غیر صفر اینشتین به معادلات آن اضافه می شود، آن (با یا بدون ماده) به طور مجانبی وارد رژیم انبساط همسانگرد نمایی شده و به جهان دی سیتر تبدیل می شود. با این حال، چنین "افزودنی" واقعاً فقط تکامل جهان موجود را تغییر می دهد.

در لحظه تولد او عملاً نقشی ندارند و جهان طبق همان سناریو تکامل می یابد.

اگرچه جهان کاسنر از نظر دینامیکی ناهمسانگرد است، انحنای آن در هر زمان در امتداد تمام محورهای مختصات یکسان است. با این حال، معادلات نسبیت عام وجود جهان‌هایی را تایید می‌کنند که نه تنها با سرعت‌های ناهمسانگرد تکامل می‌یابند، بلکه دارای انحنای ناهمسانگرد نیز هستند.

چنین مدل هایی در اوایل دهه 1950 توسط ریاضیدان آمریکایی آبراهام تاوب ساخته شد. فضاهای آن می توانند در برخی جهات مانند جهان های باز و در برخی جهات مانند جهان های بسته رفتار کنند. علاوه بر این، با گذشت زمان، آنها می توانند علامت را از مثبت به منفی و از منفی به مثبت تغییر دهند. فضای آنها نه تنها می تپد، بلکه به معنای واقعی کلمه از درون به بیرون تبدیل می شود. از نظر فیزیکی، این فرآیندها را می توان با امواج گرانشی مرتبط دانست که فضا را چنان به شدت تغییر شکل می دهد که هندسه آن را به صورت محلی از کروی به زینی و بالعکس تغییر می دهد. در مجموع، جهان های عجیب و غریب، هر چند از نظر ریاضی امکان پذیر است.

بر خلاف جهان ما که به صورت همسانگرد منبسط می شود (یعنی با همان سرعت بدون توجه به جهت انتخاب شده)، جهان کسنر به طور همزمان (در طول دو محور) منبسط می شود و (در امتداد محور سوم) منقبض می شود.

نوسانات عوالم

اندکی پس از انتشار کار کازنر، مقالاتی از الکساندر فریدمن ظاهر شد، اولین در سال 1922 و دوم در سال 1924. این مقالات راه‌حل‌های شگفت‌انگیزی برای معادلات نسبیت عام ارائه کردند که تأثیر بسیار سازنده‌ای بر توسعه کیهان‌شناسی داشت.

مفهوم فریدمن بر این فرض استوار است که به طور متوسط، ماده تا حد امکان به طور متقارن در فضای بیرونی توزیع شده است، یعنی کاملاً همگن و همسانگرد. این بدان معنی است که هندسه فضا در هر لحظه از یک زمان کیهانی واحد در تمام نقاط آن و در همه جهات یکسان است (به بیان دقیق، چنین زمانی هنوز باید به درستی تعیین شود، اما در این صورت این مشکل قابل حل است). نتیجه این است که سرعت انبساط (یا انقباض) جهان در هر لحظه معین دوباره مستقل از جهت است.

بنابراین جهان های فریدمن کاملاً بر خلاف مدل کاسنر هستند.

در مقاله اول، فریدمن مدلی از یک جهان بسته با انحنای مثبت ثابت فضا ساخت.این جهان از یک حالت نقطه اولیه با چگالی نامتناهی ماده بوجود می آید، تا شعاع حداکثر معینی (و بنابراین حداکثر حجم) منبسط می شود، پس از آن دوباره به همان نقطه منفرد فرو می ریزد (در زبان ریاضی، یک تکینگی).

با این حال، فریدمن به همین جا بسنده نکرد. به نظر او، راه حل کیهان شناختی یافت شده نباید با فاصله بین تکینگی های اولیه و نهایی محدود شود، می توان آن را در زمان هم به جلو و هم به عقب ادامه داد. نتیجه یک دسته بی پایان از جهان ها است که روی محور زمان قرار گرفته اند، که در نقاط تکینگی هم مرز هستند.

در زبان فیزیک، این بدان معنی است که جهان بسته فریدمن می تواند بی نهایت نوسان کند، پس از هر انقباض می میرد و در انبساط بعدی دوباره متولد می شود. این یک فرآیند کاملاً دوره ای است، زیرا تمام نوسانات برای مدت زمان مشابهی ادامه می یابند. بنابراین، هر چرخه ای از وجود جهان، کپی دقیقی از تمام چرخه های دیگر است.

این گونه است که فریدمن در کتاب خود «جهان به مثابه فضا و زمان» درباره این مدل توضیح می دهد: «بعلاوه، مواردی وجود دارد که شعاع انحنای به طور متناوب تغییر می کند: جهان به یک نقطه منقبض می شود (به هیچ)، سپس دوباره از یک نقطه منقبض می شود. شعاع آن را به مقدار معینی می رساند، سپس دوباره، با کاهش شعاع انحنای آن، به نقطه ای تبدیل می شود و غیره. فرد بی اختیار افسانه اساطیر هندو را در مورد دوره های زندگی به یاد می آورد. همچنین می توان در مورد "آفرینش جهان از هیچ" صحبت کرد، اما همه اینها را باید به عنوان حقایق عجیبی در نظر گرفت که با مواد تجربی ناکافی نجومی نمی توان به طور محکم تأیید کرد.

نمودار پتانسیل جهان Mixmaster بسیار غیر معمول به نظر می رسد - گودال بالقوه دارای دیوارهای بلندی است که بین آنها سه "دره" وجود دارد. در زیر منحنی های هم پتانسیل چنین "جهان در یک مخلوط کن" آمده است.

چند سال پس از انتشار مقالات فریدمن، مدل های او شهرت و شهرت یافتند. انیشتین به طور جدی به ایده یک جهان در حال نوسان علاقه مند شد و او تنها نبود. در سال 1932، ریچارد تولمن، استاد فیزیک ریاضی و شیمی فیزیک در کلتک، آن را تصاحب کرد. او نه یک ریاضیدان محض بود، مانند فریدمن، و نه یک ستاره شناس و اخترفیزیکدان، مانند دو سیتر، لماتر و ادینگتون. تولمن یک متخصص شناخته شده در فیزیک آماری و ترمودینامیک بود که ابتدا با کیهان شناسی ترکیب کرد.

نتایج بسیار بی اهمیت بود. تولمن به این نتیجه رسید که کل آنتروپی کیهان باید از چرخه ای به چرخه دیگر افزایش یابد. تجمع آنتروپی منجر به این واقعیت می شود که بیشتر و بیشتر انرژی جهان در تابش الکترومغناطیسی متمرکز می شود که از چرخه ای به چرخه دیگر به طور فزاینده ای بر پویایی آن تأثیر می گذارد. به همین دلیل، طول چرخه ها افزایش می یابد، هر چرخه بعدی طولانی تر از دوره قبلی می شود.

نوسانات ادامه دارند، اما دوره ای نیستند. علاوه بر این، در هر چرخه جدید، شعاع جهان تولمن افزایش می یابد. در نتیجه، در مرحله حداکثر انبساط، کمترین انحنا را دارد و هندسه آن بیشتر و بیشتر می شود و برای مدت زمان طولانی تری به هندسه اقلیدسی نزدیک می شود.

ریچارد تولمن هنگام طراحی مدل خود فرصت جالبی را از دست داد که جان بارو و ماریوس دامبروسکی در سال 1995 توجه را به آن جلب کردند. آنها نشان دادند که رژیم نوسانی جهان تولمن با معرفی یک پارامتر کیهانی ضد گرانشی به طور غیر قابل برگشتی از بین می رود.

در این حالت، جهان تولمن در یکی از چرخه‌ها دیگر به صورت تکینگی منقبض نمی‌شود، بلکه با افزایش شتاب منبسط می‌شود و به جهان دی سیتر تبدیل می‌شود که در وضعیت مشابهی توسط جهان کاسنر نیز انجام می‌شود. ضد جاذبه، مانند سخت کوشی، بر همه چیز غلبه می کند!

ضرب موجودیت

جان بارو، استاد ریاضیات دانشگاه کمبریج، به Popular Mechanics توضیح می‌دهد: «چالش طبیعی کیهان‌شناسی این است که به بهترین شکل ممکن منشأ، تاریخ و ساختار جهان خود را درک کنیم. - در عین حال، نسبیت عام، حتی بدون وام گرفتن از شاخه های دیگر فیزیک، محاسبه تقریباً نامحدودی از مدل های مختلف کیهان شناسی را ممکن می سازد.

البته انتخاب آنها بر اساس داده های نجومی و اخترفیزیکی انجام می شود که با کمک آنها نه تنها می توان مدل های مختلف را برای مطابقت با واقعیت آزمایش کرد، بلکه تصمیم گرفت که کدام یک از اجزای آنها را می توان برای مناسب ترین ترکیب کرد. توصیف دنیای ما اینگونه بود که مدل استاندارد کنونی کیهان به وجود آمد. بنابراین حتی به همین دلیل، تنوع مدل‌های کیهان‌شناسی توسعه‌یافته از لحاظ تاریخی بسیار مفید هستند.

اما فقط این نیست. بسیاری از مدل‌ها قبل از جمع‌آوری انبوهی از داده‌های امروزی توسط اخترشناسان ایجاد شده‌اند. به عنوان مثال، درجه واقعی همسانگردی جهان به لطف تجهیزات فضایی تنها در چند دهه گذشته مشخص شده است.

واضح است که در گذشته طراحان فضا محدودیت های تجربی بسیار کمتری داشتند. علاوه بر این، ممکن است حتی مدل‌های عجیب و غریب با استانداردهای امروزی در آینده برای توصیف آن بخش‌هایی از کیهان که هنوز برای رصد در دسترس نیستند، مفید باشند. و در نهایت، اختراع مدل‌های کیهان‌شناسی ممکن است به سادگی میل به یافتن راه‌حل‌های ناشناخته برای معادلات نسبیت عام را تحریک کند، و این نیز یک انگیزه قدرتمند است. به طور کلی، فراوانی چنین مدل هایی قابل درک و توجیه است.

اتحاد اخیر کیهان شناسی و فیزیک ذرات بنیادی به همین ترتیب توجیه می شود. نمایندگان آن اولین مرحله زندگی کیهان را آزمایشگاهی طبیعی می دانند که به طور ایده آل برای مطالعه تقارن های اساسی جهان ما که قوانین برهم کنش های اساسی را تعیین می کند، مناسب است. این اتحاد قبلاً پایه و اساس بسیاری از طرفداران مدل های کیهانی اساساً جدید و بسیار عمیق را گذاشته است. شکی نیست که در آینده نتایج به همان اندازه پربار خواهد داشت."

کیهان در میکسر

در سال 1967، اخترفیزیکدانان آمریکایی دیوید ویلکینسون و بروس پارتریج کشف کردند که تشعشعات مایکروویو باقیمانده از هر جهت که سه سال قبل کشف شده بود، تقریباً با همان دما به زمین می رسد. آنها با کمک یک رادیومتر بسیار حساس که توسط هموطن خود رابرت دیک اختراع شد، نشان دادند که نوسانات دمایی فوتون های باقی مانده از یک دهم درصد تجاوز نمی کند (طبق داده های مدرن، آنها بسیار کمتر هستند).

از آنجایی که این تشعشع زودتر از 400000 سال پس از بیگ بنگ سرچشمه گرفته است، نتایج ویلکینسون و پارتریج دلیلی بر این باورند که حتی اگر جهان ما در لحظه تولد تقریباً ایده آل همسانگرد نبود، بدون تأخیر زیادی این ویژگی را به دست آورد.

این فرضیه مشکل قابل توجهی برای کیهان شناسی ایجاد کرد. در اولین مدل های کیهان شناسی، همسانگردی فضا از همان ابتدا صرفاً به عنوان یک فرض ریاضی مطرح شد. با این حال، در اواسط قرن گذشته، مشخص شد که معادلات نسبیت عام امکان ساخت مجموعه ای از جهان های غیر همسانگرد را فراهم می کند. در زمینه این نتایج، ایزوتروپی تقریبا ایده آل CMB نیاز به توضیح داشت.

این توضیح تنها در اوایل دهه 1980 ظاهر شد و کاملاً غیرمنتظره بود. این بر اساس یک مفهوم نظری اساساً جدید از انبساط فوق سریع (که معمولاً می گویند تورم زا) جهان در اولین لحظات وجودش ساخته شده است (به "PM" شماره 7'2012 مراجعه کنید). در نیمه دوم دهه 1960، علم به سادگی برای چنین ایده های انقلابی آماده نبود. اما همانطور که می دانید در نبود کاغذ مهر شده به صورت ساده می نویسند.

کیهان شناس برجسته آمریکایی، چارلز میسنر، بلافاصله پس از انتشار مقاله ویلکینسون و پارتریج، سعی کرد همسانگردی تشعشعات مایکروویو را با استفاده از ابزارهای کاملاً سنتی توضیح دهد. طبق فرضیه او، ناهمگنی های جهان اولیه به تدریج به دلیل "اصطکاک" متقابل اجزای آن، ناشی از تبادل نوترینو و شارهای نوری ناپدید شدند (میزنر در اولین انتشار خود این اثر فرضی را ویسکوزیته نوترینو نامید).

به گفته وی، چنین ویسکوزیته ای می تواند به سرعت آشفتگی اولیه را هموار کند و جهان را تقریباً کاملاً همگن و همسانگرد کند.

برنامه تحقیقاتی Misner زیبا به نظر می رسید، اما نتایج عملی به همراه نداشت. دلیل اصلی شکست آن دوباره از طریق آنالیز مایکروویو آشکار شد. هر فرآیندی که شامل اصطکاک باشد گرما تولید می کند، این یک نتیجه اولیه قوانین ترمودینامیک است. اگر ناهمگونی های اولیه کیهان به دلیل نوترینو یا برخی ویسکوزیته های دیگر هموار شوند، چگالی انرژی CMB به طور قابل توجهی با مقدار مشاهده شده متفاوت خواهد بود.

همانطور که ریچارد ماتزنر اخترفیزیکدان آمریکایی و همکار انگلیسی اش جان بارو در اواخر دهه 1970 نشان دادند، فرآیندهای چسبناک می توانند تنها کوچکترین ناهمگونی های کیهانی را از بین ببرند. برای "هموارسازی" کامل کیهان، مکانیسم های دیگری لازم بود که در چارچوب نظریه تورم یافت شدند.

با این وجود، میزنر نتایج جالب زیادی دریافت کرد. به طور خاص، او در سال 1969 یک مدل کیهان شناسی جدید منتشر کرد که نام آن را از یک دستگاه آشپزخانه، یک همزن خانگی ساخته شده توسط Sunbeam Products قرض گرفت! Mixmaster Universe دائماً در شدیدترین تشنج‌ها می‌تپد، که به گفته میزنر، نور را در مسیرهای بسته به گردش در می‌آورد و محتویات آن را مخلوط و همگن می‌کند.

با این حال، تجزیه و تحلیل بعدی این مدل نشان داد، اگرچه فوتون‌ها در دنیای میزنر سفرهای طولانی را انجام می‌دهند، اما اثر اختلاط آنها بسیار ناچیز است.

با این وجود، Mixmaster Universe بسیار جالب است. مانند جهان بسته فریدمن، از حجم صفر به وجود می آید، تا حداکثر معینی منبسط می شود و دوباره تحت تأثیر گرانش خود منقبض می شود. اما این تکامل مانند فریدمن صاف نیست، بلکه کاملاً آشفته است و بنابراین در جزئیات کاملاً غیرقابل پیش بینی است.

در جوانی، این جهان به شدت نوسان می کند، در دو جهت منبسط می شود و در جهت سوم منقبض می شود - مانند کاسنر. با این حال، جهت گیری انبساط و انقباض ثابت نیست - آنها به طور تصادفی مکان را تغییر می دهند. علاوه بر این، فرکانس نوسانات به زمان بستگی دارد و هنگام نزدیک شدن به لحظه اولیه به بی نهایت میل می کند. چنین جهانی دستخوش تغییر شکل های هرج و مرج می شود، مانند لرزش ژله ای روی نعلبکی. این تغییر شکل ها را می توان دوباره به عنوان تجلی امواج گرانشی در حال حرکت در جهات مختلف، بسیار شدیدتر از مدل کاسنر تفسیر کرد.

جهان Mixmaster در تاریخ کیهان شناسی به عنوان پیچیده ترین جهان های خیالی که بر اساس نسبیت عام "خالص" ایجاد شده اند، ثبت شد. از اوایل دهه 1980، جالب‌ترین مفاهیم از این دست، شروع به استفاده از ایده‌ها و دستگاه ریاضی نظریه میدان کوانتومی و نظریه ذرات بنیادی و سپس، بدون تأخیر زیادی، از نظریه ابر ریسمان کردند.