أغرب نظريات بنية الكون وأكثرها غرابة

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

بالإضافة إلى النماذج الكونية الكلاسيكية ، تسمح النسبية العامة بإنشاء عوالم خيالية شديدة الغرابة.

هناك العديد من النماذج الكونية الكلاسيكية التي تم إنشاؤها باستخدام النسبية العامة ، مدعومة بالتجانس والتناحي للفضاء (انظر "PM" رقم 6'2012). الكون المغلق لأينشتاين لديه انحناء إيجابي ثابت للفضاء ، والذي يصبح ثابتًا بسبب إدخال ما يسمى المعلمة الكونية في معادلات النسبية العامة ، والتي تعمل كحقل مضاد للجاذبية.

في كون De Sitter المتسارع مع الفضاء غير المنحني ، لا توجد مادة عادية ، لكنها أيضًا مليئة بمجال مضاد للجاذبية. هناك أيضًا الأكوان المغلقة والمفتوحة لألكسندر فريدمان ؛ عالم حدود أينشتاين - دي سيتر ، الذي يقلل تدريجياً من معدل التوسع إلى الصفر بمرور الوقت ، وأخيرًا ، نشأ عالم Lemaitre ، سلف علم الكون Big Bang ، من حالة أولية فائقة الضغط. كلهم ، وخاصة نموذج Lemaitre ، أصبحوا رواد النموذج القياسي الحديث لكوننا.

يحتوي فضاء الكون في نماذج مختلفة على انحناءات مختلفة ، والتي يمكن أن تكون سالبة (مساحة زائدية) ، أو صفر (مساحة إقليدية مسطحة ، تتوافق مع كوننا) أو موجبة (فضاء إهليلجي). النموذجان الأولان هما أكوان مفتوحة ، تتوسع إلى ما لا نهاية ، وآخرها مغلق ، والتي ستنهار عاجلاً أم آجلاً. يُظهر الرسم التوضيحي نظائر ثنائية الأبعاد من أعلى إلى أسفل لمثل هذا الفضاء.

ومع ذلك ، هناك أكوان أخرى ، ولدت أيضًا من قبل مبدع جدًا ، كما هو معتاد الآن ، استخدام معادلات النسبية العامة. إنها تتوافق بشكل أقل (أو لا تتوافق على الإطلاق) مع نتائج الملاحظات الفلكية والفيزياء الفلكية ، لكنها غالبًا ما تكون جميلة جدًا ، وأحيانًا متناقضة بشكل أنيق. صحيح أن علماء الرياضيات وعلماء الفلك قد اخترعوها بكميات كبيرة لدرجة أننا سنضطر إلى حصر أنفسنا في عدد قليل فقط من الأمثلة الأكثر إثارة للاهتمام من العوالم الخيالية.

من الخيط إلى الفطيرة

بعد ظهور (عام 1917) العمل الأساسي لأينشتاين ودي سيتر ، بدأ العديد من العلماء في استخدام معادلات النسبية العامة لإنشاء نماذج كونية. كان عالم الرياضيات إدوارد كاسنر من نيويورك أول من فعل ذلك ، ونشر حله في عام 1921.

كونه غير عادي للغاية. إنها لا تفتقر إلى الجاذبية فحسب ، بل تفتقر أيضًا إلى مجال مضاد للجاذبية (بمعنى آخر ، لا يوجد معلمة كونية لأينشتاين). يبدو أنه في هذا العالم الخالي من الناحية المثالية لا يمكن أن يحدث شيء على الإطلاق. ومع ذلك ، اعترف كاسنر بأن كونه الافتراضي تطور بشكل غير متساوٍ في اتجاهات مختلفة. يتمدد على طول محوري إحداثيات ، لكنه يتقلص على طول المحور الثالث.

لذلك ، من الواضح أن هذا الفضاء متباين الخواص ويشبه الشكل الإهليلجي في الخطوط العريضة الهندسية. نظرًا لأن مثل هذا الشكل الإهليلجي يمتد في اتجاهين ويتقلص على طول الاتجاه الثالث ، فإنه يتحول تدريجياً إلى فطيرة مسطحة. في الوقت نفسه ، لا يفقد عالم Kasner وزنًا على الإطلاق ، ويزداد حجمه بما يتناسب مع العمر. في اللحظة الأولى ، هذا العمر يساوي صفرًا - وبالتالي ، الحجم أيضًا صفر. ومع ذلك ، فإن أكوان كاسنر لا تولد من نقطة تفرد ، مثل عالم Lemaitre ، ولكن من شيء مثل الكلام الرقيق اللامتناهي - نصف قطرها الأولي يساوي اللانهاية على طول محور واحد وصفر على طول المحورين الآخرين.

لماذا نحن جوجل

كان إدوارد كاسنر ناشرًا بارعًا للعلوم - فقد أعيد نشر كتابه "الرياضيات والخيال" ، الذي شارك في تأليفه جيمس نيومان ، وقراءته اليوم. يظهر الرقم 10 في أحد الفصول¹⁰⁰… جاء ابن أخ كازنر البالغ من العمر تسع سنوات باسم لهذا الرقم - Googol (Googol) ، وحتى الرقم 10 الهائل بشكل لا يصدق^Googol- تم تعميد مصطلح googolplex (Googolplex). عندما كان طلاب الدراسات العليا في جامعة ستانفورد ، لاري بيدج وسيرجي برين يحاولون العثور على اسم لمحرك البحث الخاص بهم ، أوصى صديقهم شون أندرسون باستخدام Googolplex الشامل.

ومع ذلك ، فقد أعجب Page بـ Googol الأكثر تواضعًا ، وشرع أندرسون على الفور في التحقق مما إذا كان يمكن استخدامه كمجال إنترنت. على عجل ، ارتكب خطأ إملائيًا وأرسل طلبًا ليس إلى Googol.com ، ولكن إلى Google.com. اتضح أن هذا الاسم مجاني وأحب برين كثيرًا لدرجة أنه هو وبيج سجله على الفور في 15 سبتمبر 1997. إذا حدث ذلك بشكل مختلف ، فلن يكون لدينا Google!

ما سر تطور هذا العالم الفارغ؟ نظرًا لأن فضاءه "يتغير" بطرق مختلفة على طول اتجاهات مختلفة ، تنشأ قوى المد الجاذبية ، والتي تحدد ديناميكياته. يبدو أنه يمكن للمرء التخلص منها عن طريق معادلة معدلات التوسع على طول المحاور الثلاثة وبالتالي القضاء على تباين الخواص ، لكن الرياضيات لا تسمح بمثل هذه الحريات.

صحيح أنه يمكن تعيين سرعتين من السرعات الثلاث مساوية للصفر (بعبارة أخرى ، إصلاح أبعاد الكون على محوري إحداثيات). في هذه الحالة ، سينمو عالم Kasner في اتجاه واحد فقط ، ويتناسب بشكل صارم مع الوقت (هذا سهل الفهم ، لأن هذه هي الطريقة التي يجب أن يزيد حجمها بها) ، ولكن هذا كل ما يمكننا تحقيقه.

يمكن لكون Kasner أن يبقى من تلقاء نفسه فقط في حالة الفراغ التام. إذا أضفت القليل من المادة إليها ، فسوف تبدأ بالتطور تدريجيًا مثل الكون الخواص لأينشتاين دي سيتر. بالطريقة نفسها ، عندما تتم إضافة معامل غير صفري لأينشتاين إلى معادلاته ، فإنه (مع أو بدون المادة) سوف يدخل بشكل مقارب في نظام التوسع الأسي المتناحي ويتحول إلى كون دي سيتر. ومع ذلك ، فإن مثل هذه "الإضافات" في الحقيقة فقط تغير من تطور الكون الموجود بالفعل.

في لحظة ولادتها ، لا يلعبون دورًا عمليًا ، ويتطور الكون وفقًا لنفس السيناريو.

على الرغم من أن عالم Kasner متباين الخواص ديناميكيًا ، إلا أن انحناءه في أي وقت هو نفسه على طول جميع محاور الإحداثيات. ومع ذلك ، فإن معادلات النسبية العامة تعترف بوجود أكوان لا تتطور بسرعات متباينة الخواص فحسب ، بل لها أيضًا انحناء متباين الخواص.

تم بناء هذه النماذج في أوائل الخمسينيات من القرن الماضي من قبل عالم الرياضيات الأمريكي أبراهام توب. يمكن لمساحاتها أن تتصرف مثل الأكوان المفتوحة في بعض الاتجاهات ، وأكوان مغلقة في أخرى. علاوة على ذلك ، بمرور الوقت ، يمكنهم تغيير الإشارة من زائد إلى ناقص ومن ناقص إلى زائد. ففضائهم لا ينبض فحسب ، بل يتحول حرفيًا من الداخل إلى الخارج. فيزيائيًا ، يمكن أن ترتبط هذه العمليات بموجات الجاذبية ، التي تشوه الفضاء بشدة لدرجة أنها تغير هندسته محليًا من كروي إلى سرج ، والعكس صحيح. الكل في الكل ، عوالم غريبة ، وإن كان ذلك ممكنًا رياضيًا.

على عكس كوننا ، الذي يتمدد بشكل متناحي (أي بنفس السرعة بغض النظر عن الاتجاه المختار) ، يتوسع كون كاسنر في نفس الوقت (على محورين) ويتقلص (على طول المحور الثالث).

تقلبات العوالم

بعد فترة وجيزة من نشر عمل كازنر ، ظهرت مقالات بقلم ألكسندر فريدمان ، الأولى في عام 1922 ، والثانية في عام 1924. قدمت هذه الأوراق حلولا رائعة بشكل مدهش لمعادلات النسبية العامة ، والتي كان لها تأثير بناء للغاية على تطور علم الكونيات.

يعتمد مفهوم فريدمان على افتراض أن المادة ، في المتوسط ، يتم توزيعها في الفضاء الخارجي بشكل متماثل قدر الإمكان ، أي متجانسة تمامًا ومتجانسة. هذا يعني أن هندسة الفضاء في كل لحظة من الزمن الكوني الواحد هي نفسها في جميع نقاطها وفي جميع الاتجاهات (بالمعنى الدقيق للكلمة ، لا يزال يتعين تحديد مثل هذا الوقت بشكل صحيح ، ولكن في هذه الحالة يمكن حل هذه المشكلة). ويترتب على ذلك أن معدل تمدد (أو تقلص) الكون في أي لحظة معينة يكون مرة أخرى مستقلًا عن الاتجاه.

لذلك فإن أكوان فريدمان تختلف تمامًا عن نموذج كاسنر.

في المقالة الأولى ، بنى فريدمان نموذجًا لكون مغلق مع انحناء إيجابي ثابت للفضاء.ينشأ هذا العالم من حالة نقطة أولية ذات كثافة لا نهائية للمادة ، ويتمدد إلى نصف قطر أقصى معين (وبالتالي ، الحجم الأقصى) ، وبعد ذلك ينهار مرة أخرى إلى نفس النقطة المفردة (في اللغة الرياضية ، التفرد).

ومع ذلك ، لم يتوقف فريدمان عند هذا الحد. في رأيه ، لا يجب أن يكون الحل الكوني الذي تم العثور عليه مقيدًا بالفاصل الزمني بين التفردات الأولية والنهائية ؛ يمكن أن يستمر في الوقت المناسب إلى الأمام والخلف. والنتيجة هي مجموعة لا نهاية لها من الأكوان المعلقة على محور الوقت ، والتي تحد بعضها البعض عند نقاط التفرد.

في لغة الفيزياء ، هذا يعني أن الكون المغلق لفريدمان يمكن أن يتأرجح بلا حدود ، ويموت بعد كل تقلص ويعود إلى حياة جديدة في التوسع اللاحق. هذه عملية دورية بشكل صارم ، حيث تستمر جميع التذبذبات لنفس المدة الزمنية. لذلك ، فإن كل دورة من دورات وجود الكون هي نسخة طبق الأصل من جميع الدورات الأخرى.

هذه هي الطريقة التي علق بها فريدمان على هذا النموذج في كتابه "العالم كمكان وزمان": "علاوة على ذلك ، هناك حالات يتغير فيها نصف قطر الانحناء بشكل دوري: يتقلص الكون إلى نقطة (إلى لا شيء) ، ثم مرة أخرى من نقطة يصل نصف قطره إلى قيمة معينة ، ثم مرة أخرى ، يقلل نصف قطر انحناءه ، ويتحول إلى نقطة ، إلخ. يتذكر المرء بشكل لا إرادي أسطورة الأساطير الهندوسية حول فترات الحياة ؛ من الممكن أيضًا التحدث عن "خلق العالم من لا شيء" ، ولكن يجب اعتبار كل هذا حقائق غريبة لا يمكن تأكيدها بقوة من خلال عدم كفاية المواد التجريبية الفلكية."

يبدو الرسم البياني لإمكانيات كون Mixmaster غير عادي - للحفرة المحتملة جدران عالية ، يوجد بينها ثلاثة "وديان". فيما يلي منحنيات متساوية الجهد لمثل هذا "الكون في الخلاط".

بعد سنوات قليلة من نشر مقالات فريدمان ، اكتسبت نماذجه شهرة وتقديرًا. أصبح أينشتاين مهتمًا بشكل جدي بفكرة الكون المتذبذب ، ولم يكن وحيدًا. في عام 1932 ، تم الاستيلاء عليها من قبل ريتشارد تولمان ، أستاذ الفيزياء الرياضية والكيمياء الفيزيائية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. لم يكن عالم رياضيات خالصًا ، مثل فريدمان ، ولا عالم فلك أو عالم فيزياء فلكية ، مثل دي سيتر ، ولميتر وإدينجتون. كان تولمان خبيرًا معترفًا به في الفيزياء الإحصائية والديناميكا الحرارية ، والتي جمعها أولاً مع علم الكونيات.

كانت النتائج غير بديهية للغاية. توصل تولمان إلى استنتاج مفاده أن الانتروبيا الكلية للكون يجب أن تزداد من دورة إلى أخرى. يؤدي تراكم الإنتروبيا إلى حقيقة أن المزيد والمزيد من طاقة الكون تتركز في الإشعاع الكهرومغناطيسي ، والذي يؤثر بشكل متزايد على دينامياته من دورة إلى أخرى. وبسبب هذا ، يزداد طول الدورات ، وتصبح كل دورة تالية أطول من السابقة.

تستمر التذبذبات ، لكنها تتوقف عن أن تكون دورية. علاوة على ذلك ، في كل دورة جديدة ، يزيد نصف قطر كون تولمان. وبالتالي ، في مرحلة التوسع الأقصى ، يكون لها أصغر انحناء ، وتكون هندستها أكثر فأكثر ، ولفترة طويلة تقترب من الإقليدية.

أضاع ريتشارد تولمان ، أثناء تصميم نموذجه ، فرصة مثيرة للاهتمام ، لفت الانتباه إليها جون بارو وماريوس دومبروفسكي في عام 1995. لقد أظهروا أن النظام التذبذب لكون تولمان يتم تدميره بشكل لا رجعة فيه عند إدخال معامل كوني مضاد للجاذبية.

في هذه الحالة ، لم يعد عالم تولمان في إحدى الدورات يتقلص إلى حالة فردية ، بل يتوسع مع تسارع متزايد ويتحول إلى كون دي سيتر ، والذي يحدث أيضًا في وضع مماثل بواسطة كون كاسنر. مضاد الجاذبية ، مثل الاجتهاد ، يتغلب على كل شيء!

تكاثر الكيان

"التحدي الطبيعي لعلم الكونيات هو أن نفهم على أفضل وجه ممكن أصل وتاريخ وبنية كوننا ،" يشرح جون بارو أستاذ الرياضيات بجامعة كامبريدج لميكانيكا الشعبية. - في الوقت نفسه ، فإن النسبية العامة ، حتى بدون الاقتراض من فروع الفيزياء الأخرى ، تجعل من الممكن حساب عدد غير محدود تقريبًا من النماذج الكونية المختلفة.

بالطبع ، يتم اختيارهم على أساس البيانات الفلكية والفيزياء الفلكية ، والتي من خلالها يمكن ليس فقط اختبار نماذج مختلفة للامتثال للواقع ، ولكن أيضًا لتحديد أي من مكوناتها يمكن دمجها للحصول على أفضل النتائج. وصف عالمنا. هذه هي الطريقة التي ظهر بها النموذج القياسي الحالي للكون. لذلك ، حتى لهذا السبب وحده ، فقد أثبتت مجموعة متنوعة من النماذج الكونية المطورة تاريخيًا أنها مفيدة جدًا.

لكن ليس هذا فقط. تم إنشاء العديد من النماذج قبل أن يجمع علماء الفلك ثروة البيانات التي لديهم اليوم. على سبيل المثال ، تم تحديد الدرجة الحقيقية لتناحي الكون بفضل المعدات الفضائية فقط خلال العقدين الماضيين.

من الواضح أنه في الماضي ، كان لدى مصممي الفضاء قيود تجريبية أقل بكثير. بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن أن تكون النماذج الغريبة وفقًا لمعايير اليوم مفيدة في المستقبل لوصف تلك الأجزاء من الكون التي لم تتوفر بعد للمراقبة. وأخيرًا ، قد يدفع اختراع النماذج الكونية ببساطة الرغبة في إيجاد حلول غير معروفة لمعادلات النسبية العامة ، وهذا أيضًا حافز قوي. بشكل عام ، فإن وفرة هذه النماذج مفهومة ومبررة.

الاتحاد الحديث لعلم الكونيات وفيزياء الجسيمات الأولية له ما يبرره بنفس الطريقة. يعتبر ممثلوها المرحلة الأولى من حياة الكون كمختبر طبيعي ، ومناسب بشكل مثالي لدراسة التناظرات الأساسية لعالمنا ، والتي تحدد قوانين التفاعلات الأساسية. لقد وضع هذا التحالف بالفعل الأساس لمحبي كامل للنماذج الكونية الجديدة والعميقة جدًا. لا شك في أنه سيحقق في المستقبل نتائج مثمرة بنفس القدر.

الكون في الخلاط

في عام 1967 ، اكتشف عالما الفيزياء الفلكية الأمريكيان ديفيد ويلكنسون وبروس بارتريدج أن بقايا إشعاع الميكروويف من أي اتجاه ، والتي تم اكتشافها قبل ثلاث سنوات ، تصل إلى الأرض بنفس درجة الحرارة تقريبًا. بمساعدة مقياس إشعاع شديد الحساسية ، اخترعه مواطنهم روبرت ديك ، أظهروا أن تقلبات درجات الحرارة للفوتونات المعلقة لا تتجاوز عُشر بالمائة (وفقًا للبيانات الحديثة ، فهي أقل بكثير).

نظرًا لأن هذا الإشعاع نشأ قبل 400000 عام بعد الانفجار العظيم ، فقد أعطت نتائج ويلكنسون وبارتريدج سببًا للاعتقاد بأنه حتى لو لم يكن كوننا متناحي الخواص بشكل مثالي في لحظة الولادة ، فقد اكتسب هذه الخاصية دون تأخير كبير.

شكلت هذه الفرضية مشكلة كبيرة لعلم الكونيات. في النماذج الكونية الأولى ، وُضِع التناظر في الفضاء منذ البداية على أنه افتراض رياضي. ومع ذلك ، في منتصف القرن الماضي ، أصبح معروفًا أن معادلات النسبية العامة تجعل من الممكن بناء مجموعة من الأكوان غير المتناحرة. في سياق هذه النتائج ، تطلبت الخواص شبه المثالية لإشعاع الخلفية الكونية تفسيراً.

ظهر هذا التفسير فقط في أوائل الثمانينيات وكان غير متوقع تمامًا. لقد تم بناؤه على أساس مفهوم نظري جديد بشكل أساسي للتوسع الفائق السرعة (كما يقولون عادة ، التضخم) للكون في اللحظات الأولى من وجوده (انظر "PM" رقم 7'2012). في النصف الثاني من الستينيات ، لم يكن العلم ببساطة ناضجًا لمثل هذه الأفكار الثورية. لكن ، كما تعلم ، في حالة عدم وجود ورق مختوم ، يكتبون بخط عادي.

حاول عالم الكونيات الأمريكي البارز تشارلز ميسنر ، بعد نشر مقال ويلكينسون وبارتريدج مباشرة ، شرح الخواص المتناظرة لإشعاع الميكروويف باستخدام وسائل تقليدية تمامًا. وفقًا لفرضيته ، اختفت عدم التجانس في الكون المبكر تدريجيًا بسبب "الاحتكاك" المتبادل بين أجزائه ، الناجم عن تبادل النيوترينو وتدفق الضوء (في منشوره الأول ، أطلق ميزنر على هذا التأثير المفترض لزوجة النيوترينو).

ووفقًا له ، يمكن لمثل هذه اللزوجة أن تهدئ بسرعة الفوضى الأولية وتجعل الكون متجانسًا تمامًا وخواص الخواص.

بدا برنامج بحث ميسنر جميلاً ، لكنه لم يحقق نتائج عملية. تم الكشف عن السبب الرئيسي لفشلها مرة أخرى من خلال تحليل الميكروويف. أي عمليات تنطوي على الاحتكاك تولد الحرارة ، وهذه نتيجة أولية لقوانين الديناميكا الحرارية. إذا تم تخفيف عدم التجانس الأولي للكون بسبب النيوترينو أو بعض اللزوجة الأخرى ، فإن كثافة طاقة CMB ستختلف بشكل كبير عن القيمة المرصودة.

كما أوضح عالم الفيزياء الفلكية الأمريكي ريتشارد ماتزنر وزميله الإنجليزي الذي سبق ذكره جون بارو في أواخر السبعينيات ، يمكن للعمليات اللزجة أن تقضي فقط على أصغر حالات عدم التجانس الكوني. من أجل "تجانس" الكون بالكامل ، كانت هناك حاجة إلى آليات أخرى ، وقد تم العثور عليها في إطار النظرية التضخمية.

ومع ذلك ، تلقى Mizner العديد من النتائج المثيرة للاهتمام. على وجه الخصوص ، في عام 1969 نشر نموذجًا كونيًا جديدًا ، استعار اسمه … من جهاز مطبخ ، خلاط منزلي من صنع Sunbeam Products! ينبض عالم Mixmaster باستمرار في أقوى التشنجات ، والتي ، وفقًا لميزنر ، تجعل الضوء يدور على طول المسارات المغلقة ، ويمزج محتوياته ويجانسها.

ومع ذلك ، أظهر التحليل اللاحق لهذا النموذج أنه على الرغم من أن الفوتونات في عالم ميزنر تقوم برحلات طويلة ، فإن تأثير المزج لها ضئيل للغاية.

ومع ذلك ، فإن عالم Mixmaster ممتع للغاية. مثل كون فريدمان المغلق ، فإنه ينشأ من الحجم الصفري ، ويتمدد إلى حد أقصى معين ويتقلص مرة أخرى تحت تأثير جاذبيته. لكن هذا التطور ليس سلسًا ، مثل تطور فريدمان ، ولكنه فوضوي تمامًا وبالتالي لا يمكن التنبؤ به بالتفصيل تمامًا.

عند الشباب ، يتأرجح هذا الكون بشكل مكثف ، ويتمدد في اتجاهين وينكمش في اتجاه ثالث - مثل عالم كاسنر. ومع ذلك ، فإن توجهات التوسعات والانكماشات ليست ثابتة - فهي تغير الأماكن بشكل عشوائي. علاوة على ذلك ، فإن تواتر التذبذبات يعتمد على الوقت ويميل إلى اللانهاية عند الاقتراب من اللحظة الأولية. يخضع مثل هذا الكون لتشوهات فوضوية ، مثل ارتعاش الهلام على طبق. يمكن تفسير هذه التشوهات مرة أخرى على أنها مظهر من مظاهر تحرك موجات الجاذبية في اتجاهات مختلفة ، أكثر عنفًا من نموذج كاسنر.

نزل عالم Mixmaster في تاريخ علم الكونيات باعتباره أكثر الأكوان الخيالية تعقيدًا التي تم إنشاؤها على أساس النسبية العامة "النقية". منذ أوائل الثمانينيات من القرن الماضي ، بدأت أكثر المفاهيم إثارة للاهتمام من هذا النوع في استخدام الأفكار والأجهزة الرياضية لنظرية المجال الكمومي ونظرية الجسيمات الأولية ، ثم ، دون تأخير كبير ، نظرية الأوتار الفائقة.