Terdapat beberapa model kosmologi klasik yang dibina menggunakan relativiti umum, ditambah dengan homogenitas dan isotropi ruang.
Alam semesta tertutup Einstein mempunyai kelengkungan positif ruang yang tetap, yang menjadi statik kerana pengenalan parameter kosmologi yang disebut ke dalam persamaan relativiti umum, yang bertindak sebagai medan antigravitasi.
Dalam memperluas dengan mempercepat alam semesta de Sitter dengan ruang yang tidak melengkung, tidak ada benda biasa, tetapi juga dipenuhi dengan medan anti gravitasi.
Terdapat juga alam semesta tertutup dan terbuka Alexander Friedman; dunia sempadan Einstein - de Sitter, yang secara beransur-ansur menurunkan kadar pengembangan menjadi sifar dari masa ke masa, dan akhirnya, alam semesta Lemaitre, nenek moyang kosmologi Big Bang, tumbuh dari keadaan awal superkompak. Kesemuanya, dan terutama model Lemaitre, menjadi pendahulu model standard moden alam semesta kita.
Ruang alam semesta dalam model yang berbeza mempunyai kelengkungan yang berbeza, yang boleh menjadi negatif (ruang hiperbolik), sifar (ruang Euclidean rata, sesuai dengan alam semesta kita) atau positif (ruang elips).
Dua model pertama adalah alam semesta terbuka, berkembang tanpa henti, yang terakhir ditutup, yang cepat atau lambat akan runtuh. Ilustrasi dari atas ke bawah menunjukkan analog dua dimensi ruang sedemikian.
Video promosi:
Ada, bagaimanapun, alam semesta lain, juga dihasilkan oleh yang sangat kreatif, seperti yang mereka katakan sekarang, menggunakan persamaan relativiti umum. Mereka lebih kurang sesuai (atau sama sekali tidak sesuai) dengan hasil pemerhatian astronomi dan astrofizik, tetapi mereka sangat cantik, dan kadang-kadang sangat paradoks.
Benar, ahli matematik dan ahli astronomi telah menciptanya dalam jumlah yang banyak sehingga kita harus membatasi diri kita hanya pada beberapa contoh dunia khayalan yang paling menarik.
Dari tali hingga pancake
Selepas kemunculan (pada tahun 1917) karya asas Einstein dan de Sitter, banyak saintis mula menggunakan persamaan relativiti umum untuk membuat model kosmologi. Salah satu yang pertama melakukan ini adalah ahli matematik New York Edward Kasner, yang menerbitkan penyelesaiannya pada tahun 1921.
Alam semesta-Nya sangat luar biasa. Ia tidak hanya memiliki bahan gravitasi, tetapi juga medan anti gravitasi (dengan kata lain, tidak ada parameter kosmologi Einstein). Nampaknya dalam dunia kosong yang ideal ini tidak ada yang dapat terjadi sama sekali.
Walau bagaimanapun, Kasner menganggap bahawa alam semesta hipotetisnya berkembang tidak sama ke arah yang berbeza. Ia mengembang di sepanjang dua paksi koordinat, tetapi berkontraksi di sepanjang paksi ketiga. Oleh itu, ruang ini jelas anisotropik dan menyerupai elipsoid dalam garis besar geometri.
Oleh kerana elipsoid membentang dalam dua arah dan berkontrak sepanjang ketiga, secara beransur-ansur berubah menjadi pancake rata. Pada masa yang sama, alam semesta Kasner sama sekali tidak tumbuh tipis, kelantangannya meningkat mengikut usia.
Pada masa awal, usia ini sama dengan sifar - dan, oleh itu, isipadu juga sifar. Walau bagaimanapun, alam semesta Kasner tidak dilahirkan dari sudut tunggal, seperti dunia Lemaitre, tetapi dari sesuatu yang seperti ujung tipis - radius awalnya sama dengan tak terhingga sepanjang satu paksi dan sifar sepanjang dua yang lain.
Apakah rahsia evolusi dunia kosong ini? Oleh kerana ruangnya "bergeser" dengan cara yang berbeza di sepanjang arah yang berlainan, gaya pasang surut graviti timbul, yang menentukan dinamika. Nampaknya seseorang dapat menyingkirkannya jika kita menyamakan kadar pengembangan pada ketiga-tiga paksi dan dengan itu menghilangkan anisotropi, tetapi matematik tidak membenarkan kebebasan tersebut.
Benar, seseorang dapat menetapkan dua dari tiga kelajuan sama dengan sifar (dengan kata lain, memperbaiki dimensi alam semesta di sepanjang dua paksi koordinat). Dalam kes ini, dunia Kasner akan berkembang hanya dalam satu arah, dan sebanding dengan waktu (ini mudah difahami, kerana inilah volumnya mesti meningkat), tetapi hanya ini yang dapat kita capai.
Alam semesta Kazner dapat kekal dengan sendirinya hanya jika ia benar-benar kosong. Sekiranya anda menambahkan sedikit perkara, ia secara beransur-ansur akan mula berkembang seperti alam semesta isotropik Einstein-de Sitter.
Dengan cara yang sama, apabila parameter Einstein bukan nol ditambahkan pada persamaannya, ia (dengan atau tanpa jirim) akan memasuki asimtotik rejim pengembangan isotropik eksponensial dan berubah menjadi alam semesta de Sitter.
Walau bagaimanapun, "penambahan" semacam itu hanya mengubah evolusi alam semesta yang sudah ada. Pada saat kelahirannya, mereka secara praktikal tidak berperanan, dan alam semesta berkembang mengikut senario yang sama.
Walaupun dunia Kasner bersifat anisotropik secara dinamik, kelengkungannya pada waktu tertentu sama di semua paksi koordinat. Walau bagaimanapun, persamaan relativiti umum mengakui adanya alam semesta yang tidak hanya berkembang dengan kecepatan anisotropik, tetapi juga mempunyai kelengkungan anisotropik.
Model sedemikian dibina pada awal 1950-an oleh ahli matematik Amerika Abraham Taub. Ruangnya boleh berkelakuan dalam beberapa arah seperti alam terbuka, dan di tempat lain - seperti yang tertutup. Lebih-lebih lagi, dari masa ke masa, mereka dapat menukar tanda mereka dari tambah menjadi tolak dan dari tolak menjadi tambah.
Ruang mereka tidak hanya berdenyut, tetapi secara harfiah bertukar ke dalam. Secara fizikal, proses-proses ini dapat dikaitkan dengan gelombang graviti, yang mengubah bentuk ruang dengan kuat sehingga mereka secara tempatan mengubah geometri dari sfera ke pelana dan sebaliknya. Secara umum, dunia pelik, walaupun secara matematik mungkin.
Tidak seperti Alam Semesta kita, yang mengembang secara isotropik (iaitu, pada kelajuan yang sama tanpa mengira arah yang dipilih), alam semesta Kasner secara bersamaan mengembang (sepanjang dua paksi) dan kontrak (sepanjang yang ketiga).
Fluktuasi Dunia
Segera setelah penerbitan karya Kasner, artikel oleh Alexander Fridman muncul, yang pertama pada tahun 1922, yang kedua pada tahun 1924. Makalah ini mengemukakan penyelesaian yang sangat elegan untuk persamaan relativiti umum, yang memberi kesan yang sangat membina terhadap perkembangan kosmologi.
Konsep Friedman didasarkan pada anggapan bahawa, rata-rata, bahan diedarkan di angkasa lepas secara simetri mungkin, iaitu sama sekali homogen dan isotropik.
Ini bermaksud bahawa geometri ruang pada setiap saat satu masa kosmik adalah sama pada semua titik dan ke semua arah (secara tegas, masa seperti itu masih perlu ditentukan dengan betul, tetapi dalam hal ini masalah ini dapat diselesaikan).
Ini menunjukkan bahawa kadar pengembangan (atau pengecutan) alam semesta pada waktu tertentu sekali lagi tidak bergantung kepada arah. Oleh itu, semesta Friedmann tidak seperti model Kasner.
Dalam artikel pertama, Friedman membina model alam semesta tertutup dengan kelengkungan positif ruang yang tetap. Dunia ini timbul dari keadaan titik awal dengan ketumpatan jirim yang tak terhingga, berkembang ke radius maksimum tertentu (dan, oleh itu, jumlah maksimum), setelah itu runtuh kembali ke titik tunggal yang sama (dalam bahasa matematik, satu singularitas).
Namun, Friedman tidak berhenti di situ. Pada pendapatnya, penyelesaian kosmologi yang dijumpai tidak harus dibatasi oleh selang antara singularitas awal dan akhir; ia dapat dilanjutkan pada masa ke depan dan ke belakang.
Hasilnya adalah sekumpulan alam semesta yang tidak berkesudahan yang digantung pada paksi masa, yang saling bersempadan pada titik tunggal. Dalam bahasa fizik, ini bermaksud bahawa alam semesta tertutup Friedmann dapat berayun tanpa henti, mati setelah setiap kontraksi dan dilahirkan kembali ke kehidupan baru dalam pengembangan selanjutnya.
Ini adalah proses berkala yang ketat, kerana semua ayunan berterusan untuk jangka masa yang sama. Oleh itu, setiap kitaran kewujudan alam semesta adalah salinan tepat dari semua kitaran yang lain.
Ini adalah bagaimana Friedman mengomentari model ini dalam bukunya "Dunia sebagai Ruang dan Waktu": "Selanjutnya, kes-kes mungkin terjadi apabila jari-jari kelengkungan berubah secara berkala: alam semesta berkontrak ke titik (menjadi tidak ada), dan sekali lagi dari satu titik membawa radiusnya ke nilai tertentu, sekali lagi, mengurangkan jejari kelengkungannya, ia berubah menjadi titik, dll.
Seseorang secara tidak sengaja mengingatkan legenda mitologi Hindu mengenai tempoh hidup; adalah mungkin juga untuk membicarakan "penciptaan dunia dari apa-apa", tetapi semua ini harus dianggap sebagai fakta ingin tahu yang tidak dapat disahkan dengan kukuh oleh bahan eksperimen astronomi yang tidak mencukupi."
Grafik potensi alam semesta Mixmaster kelihatan sangat luar biasa - lubang berpotensi mempunyai dinding tinggi, di antaranya terdapat tiga "lembah". Di bawah ini adalah lengkung-lengkung ekuivalen dari "alam semesta dalam pengadun".
Beberapa tahun selepas penerbitan artikel Friedman, modelnya mendapat kemasyhuran dan pengiktirafan. Einstein sangat berminat dengan idea tentang alam semesta berayun, dan dia tidak sendirian. Pada tahun 1932, ia diambil oleh Richard Tolman, profesor fizik matematik dan kimia fizikal di Caltech.
Dia bukan ahli matematik tulen, seperti Friedman, atau ahli astronomi dan astrofizik, seperti de Sitter, Lemaitre dan Eddington. Tolman adalah pakar yang diiktiraf dalam fizik statistik dan termodinamik, yang pertama kali digabungkannya dengan kosmologi.
Hasilnya sangat tidak biasa. Tolman sampai pada kesimpulan bahawa jumlah entropi kosmos harus meningkat dari satu kitaran ke satu kitaran. Pengumpulan entropi membawa kepada fakta bahawa semakin banyak tenaga alam semesta tertumpu pada sinaran elektromagnetik, yang dari satu kitaran ke satu kitaran mempengaruhi dinamika semakin kuat.
Oleh kerana itu, panjang kitaran bertambah, setiap kitaran menjadi lebih panjang daripada yang sebelumnya. Getaran berterusan, tetapi tidak berkala. Lebih-lebih lagi, dalam setiap kitaran baru, radius alam semesta Tolman meningkat.
Akibatnya, pada tahap pengembangan maksimum, ia mempunyai kelengkungan terkecil, dan geometrinya semakin banyak dan semakin lama semakin hampir dengan yang Euclidean.
Richard Tolman, ketika merancang modelnya, kehilangan peluang menarik, yang menarik perhatian John Barrow dan Mariusz Dombrowski pada tahun 1995. Mereka menunjukkan bahawa rejim berayun di alam semesta Tolman hancur tidak dapat dipulihkan ketika parameter kosmologi antigravitasi diperkenalkan.
Dalam kes ini, alam semesta Tolman pada salah satu kitaran tidak lagi berkontraksi menjadi singularitas, tetapi berkembang dengan percepatan yang semakin meningkat dan berubah menjadi alam semesta de Sitter, yang dalam situasi serupa juga berlaku di alam semesta Kasner. Antigraviti, seperti semangat, mengatasi segalanya!
Alam semesta dalam Pengadun
Pada tahun 1967, ahli astrofizik Amerika David Wilkinson dan Bruce Partridge mendapati bahawa peninggalan radiasi gelombang mikro dari arah mana pun, yang ditemui tiga tahun sebelumnya, tiba di Bumi dengan suhu yang hampir sama.
Dengan bantuan radiometer yang sangat sensitif yang diciptakan oleh rakan senegara mereka, Robert Dicke, mereka menunjukkan bahawa turun naik suhu foton relik tidak melebihi sepersepuluh peratus (menurut data moden, jauh lebih rendah).
Oleh kerana radiasi ini berasal lebih awal dari 4000 tahun selepas Big Bang, hasil Wilkinson dan Partridge memberi alasan untuk mempercayai bahawa walaupun alam semesta kita tidak hampir sama dengan isotropik semasa kelahiran, ia memperoleh harta ini tanpa banyak penangguhan.
Hipotesis ini merupakan masalah besar bagi kosmologi. Dalam model kosmologi pertama, isotropi ruang diletakkan sejak awal hanya sebagai anggapan matematik. Namun, pada pertengahan abad yang lalu, diketahui bahawa persamaan relativiti umum memungkinkan untuk membina satu set alam semesta bukan isotropik. Dalam konteks hasil ini, isotropi CMB yang hampir ideal memerlukan penjelasan.
Penjelasan ini muncul hanya pada awal 1980-an dan ternyata sama sekali tidak dijangka. Ia dibina berdasarkan konsep teoretis baru mengenai pengembangan cepat (seperti yang biasa mereka katakan, inflasi) Alam Semesta pada saat-saat pertama keberadaannya. Pada separuh kedua tahun 1960-an, sains tidak begitu matang untuk idea revolusi seperti itu. Tetapi, seperti yang anda ketahui, sekiranya tiada kertas yang dicop, mereka menulis dengan kertas biasa.
Ahli kosmologi Amerika yang terkenal Charles Misner, segera setelah penerbitan artikel oleh Wilkinson dan Partridge, berusaha menjelaskan isotropi radiasi gelombang mikro dengan cara yang cukup tradisional.
Menurut hipotesisnya, ketidakhomogenan Alam Semesta awal secara beransur-ansur hilang kerana "geseran" bahagian-bahagiannya kerana pertukaran neutrino dan fluks cahaya (dalam penerbitan pertamanya, Mizner menyebut ini sebagai kesan kelikatan neutrino).
Menurutnya, kelikatan seperti itu dapat dengan cepat menghilangkan kekacauan awal dan menjadikan Alam Semesta hampir sama homogen dan isotropik.
Program penyelidikan Misner kelihatan cantik, tetapi tidak membawa hasil praktikal. Sebab utama kegagalannya kembali dinyatakan melalui analisis gelombang mikro.
Sebarang proses yang melibatkan geseran menghasilkan haba, ini adalah akibat asas dari undang-undang termodinamik. Sekiranya ketidakhomogenan utama Alam Semesta dilancarkan kerana neutrino atau kelikatan lain, ketumpatan tenaga sinaran peninggalan akan berbeza dengan ketara dari nilai yang diperhatikan.
Seperti yang ditunjukkan oleh ahli astrofizik Amerika Richard Matzner dan rakan sejawatannya dari Inggeris, John Barrow pada akhir tahun 1970-an, proses likat dapat menghapuskan hanya inhomogene kosmologi terkecil. Untuk "melancarkan" Alam Semesta yang lengkap, diperlukan mekanisme lain, dan mekanisme ini dijumpai dalam kerangka teori inflasi.
Walaupun begitu, Mizner mendapat banyak keputusan menarik. Khususnya, pada tahun 1969 ia menerbitkan model kosmologi baru, yang namanya dipinjamnya … dari perkakas dapur, pengadun rumah yang dibuat oleh Sunbeam Products! Mixmaster Universe terus-menerus mengalahkan kejang terkuat, yang, menurut Mizner, membuat cahaya beredar di sepanjang jalan tertutup, mencampurkan dan menghomogenkan isinya.
Namun, analisis kemudian model ini menunjukkan bahawa, walaupun foton di dunia Mizner melakukan perjalanan jauh, kesan pencampurannya sangat tidak signifikan.
Walaupun begitu, Mixmaster Universe sangat menarik. Seperti alam semesta tertutup Friedman, ia muncul dari isipadu sifar, berkembang menjadi maksimum tertentu dan berkontrak lagi di bawah pengaruh graviti sendiri. Tetapi evolusi ini tidak lancar, seperti Friedman, tetapi benar-benar huru-hara dan oleh itu sama sekali tidak dapat diramalkan secara terperinci.
Pada masa muda, alam semesta ini bergetar secara intensif, berkembang ke dua arah dan berkontraksi di ketiga - seperti di Kasner. Walau bagaimanapun, orientasi pengembangan dan pengecutan tidak tetap - mereka berubah tempat secara kacau.
Lebih-lebih lagi, frekuensi ayunan bergantung pada masa dan cenderung tidak terhingga ketika menghampiri sekejap awal. Alam semesta seperti itu mengalami ubah bentuk yang kacau, seperti jeli yang gemetar di atas piring. Deformasi ini sekali lagi dapat ditafsirkan sebagai manifestasi gelombang graviti yang bergerak ke arah yang berbeza, jauh lebih ganas daripada model Kasner.
Mixmaster Universe memasukkan sejarah kosmologi sebagai yang paling kompleks dari alam semesta khayalan yang dibuat berdasarkan relativiti umum "murni". Sejak awal 1980-an, konsep yang paling menarik seperti ini mula menggunakan idea dan alat matematik teori medan kuantum dan teori unsur asas, dan kemudian, tanpa banyak penangguhan, dan teori superstring.
