Para kosmolog telah lama berasumsi bahwa alam semesta tidak terbatas, tetapi bukan tanpa batas. Ini berarti bahwa ia memiliki dimensi yang terbatas, tetapi tidak mungkin untuk mencapai "akhir dunia". Bahkan jika ada seseorang yang mencoba melintasi Alam Semesta, dia akan kembali ke titik awal dia memulai - mirip dengan mereka yang melakukan perjalanan keliling dunia mengelilingi Bumi.

Hipotesis lama tentang keterbatasan alam semesta menjadi sangat populer sebagai hasil studi tentang latar belakang gelombang mikro kosmik, atau radiasi latar gelombang mikro kosmik yang tersisa di alam semesta setelah Big Bang. Para ilmuwan menyarankan bahwa jika alam semesta memiliki dimensi tak terbatas, akan mungkin untuk menemukan gelombang dengan semua kemungkinan panjang di dalamnya. Namun, kita semua tahu bahwa spektrum latar belakang gelombang mikro sangat terbatas - dan itulah mengapa disebut demikian.

“Alam semesta memiliki sifat seperti alat musik,” jelas Frank Steiner dari Universitas Ulm di Jerman. “Dan panjang gelombang di dalamnya tidak bisa melebihi panjang instrumen itu sendiri.

Sampai saat ini, para kosmolog telah mengajukan beberapa hipotesis tentang bentuk alam semesta. Yang paling populer adalah labu (atau bola sepak bola Amerika) dan bagel, serta tiga bagel, yang secara aneh terhubung satu sama lain. Beberapa fisikawan bahkan telah mengusulkan model yang indah, yang tampaknya dipinjam dari filsafat Timur, tentang Alam Semesta, yang merupakan koridor cermin dengan gambar berbagai objek yang diulang berkali-kali di langit. "Potret cahaya" ini dapat dipantulkan dari dugaan dinding alam semesta dan dengan demikian digandakan berkali-kali. Glen Starkman dari Case Western Reserve University di Cleveland (Ohio, AS) dan rekan-rekannya mulai mencoba menggabungkan model yang diusulkan dengan data eksperimen, tetapi belum memilih bentuk mana yang paling sesuai dengan Alam Semesta kita.

Pada saat yang sama, Steiner dan rekan-rekannya mulai menganalisis kembali data dari pesawat ruang angkasa NASA tahun 2003 yang dikenal sebagai Wilkinson Microwave Anisotropic Probe dan mencoba menggunakannya untuk mendukung hipotesis mereka bahwa alam semesta berbentuk seperti donat dan tiga donat. Para ilmuwan juga ingin menguji hipotesis luas tentang alam semesta tanpa batas dan "tanpa dimensi".

Ternyata data dari pesawat ruang angkasa paling mendukung teori alam semesta dalam bentuk donat. Para ilmuwan juga mencoba menebak kemungkinan ukuran alam semesta - menurut informasi yang diperoleh dengan menggunakan Probe, itu bisa mencapai 56 miliar tahun cahaya.

Jean-Pierre Luminet dari Observatorium Paris di Prancis berhipotesis bahwa alam semesta berbentuk seperti bola sepak Amerika atau labu. Namun, dia sangat menyukai karya Steiner.Menurut pendapatnya, analisis seorang rekan dari Jerman menunjukkan bahwa bagel adalah bentuk Semesta yang cukup mungkin, tetapi tetap tidak menolak gagasan tentang labu (bola sepak). “Saya pikir bola sepak saya masih hidup dan sehat,” canda Lumine.

Steiner sendiri percaya bahwa studi tentang radiasi peninggalan, yang sekarang dilakukan oleh satelit Planck Eropa, akan lebih akurat menentukan bentuk alam semesta. Glen Starkman juga menilai data yang ada belum cukup. “Dari sudut pandang filosofis, saya menyukai gagasan bahwa alam semesta itu terbatas,” katanya. "Namun, fisika tidak dapat dipercaya oleh filsafat, dan karena itu saya akan berhati-hati untuk tidak menarik kesimpulan sampai data eksperimen baru muncul."

Pada zaman kuno, orang mengira bumi itu datar dan berdiri di atas tiga paus, kemudian ternyata ecumene kita bulat dan jika Anda berlayar sepanjang waktu ke barat, maka setelah beberapa saat Anda akan kembali ke titik awal Anda dari timur. Pandangan alam semesta berubah dengan cara yang sama. Pada suatu waktu, Newton percaya bahwa ruang itu datar dan tak terbatas. Einstein membiarkan Dunia kita tidak hanya tidak terbatas dan bengkok, tetapi juga tertutup. Data terbaru yang diperoleh dalam proses mempelajari radiasi latar menunjukkan bahwa Semesta mungkin tertutup dengan sendirinya. Ternyata jika Anda terbang dari bumi sepanjang waktu, maka pada titik tertentu Anda akan mulai mendekatinya dan akhirnya kembali, melewati seluruh Semesta dan melakukan perjalanan keliling dunia, seperti salah satu kapal Magellan, setelah mengelilingi seluruh dunia, berlayar ke pelabuhan Spanyol Sanlúcar de Barrameda.

Hipotesis bahwa alam semesta kita lahir sebagai akibat dari Big Bang sekarang dianggap diterima secara umum. Materi pada mulanya sangat panas, padat dan mengembang dengan cepat. Kemudian suhu alam semesta turun hingga beberapa ribu derajat. Substansi pada saat itu terdiri dari elektron, proton, dan partikel alfa (inti helium), yaitu, gas yang sangat terionisasi - plasma, buram terhadap cahaya dan gelombang elektromagnetik apa pun. Rekombinasi (sambungan) inti dan elektron yang dimulai pada waktu itu, yaitu, pembentukan atom netral hidrogen dan helium, secara radikal mengubah sifat optik Semesta. Ini telah menjadi transparan bagi sebagian besar gelombang elektromagnetik.

Jadi, dengan mempelajari cahaya dan gelombang radio, seseorang hanya dapat melihat apa yang terjadi setelah rekombinasi, dan segala sesuatu yang terjadi sebelumnya tertutup bagi kita oleh semacam "dinding api" dari materi terionisasi. Adalah mungkin untuk melihat lebih dalam ke dalam sejarah Semesta hanya jika kita belajar bagaimana mendaftarkan neutrino peninggalan, yang materi panasnya menjadi transparan jauh lebih awal, dan gelombang gravitasi primer, yang materi dengan kepadatan apa pun bukanlah halangan, tetapi ini adalah masalah masa depan, dan jauh dari itu, yang terdekat.

Sejak pembentukan atom netral, Alam Semesta kita telah berkembang sekitar 1.000 kali, dan radiasi era rekombinasi saat ini diamati di Bumi sebagai latar belakang gelombang mikro peninggalan dengan suhu sekitar tiga derajat Kelvin. Latar belakang ini, pertama kali ditemukan pada tahun 1965 ketika menguji antena radio besar, hampir sama ke segala arah. Menurut data modern, ada seratus juta kali lebih banyak foton peninggalan daripada atom, jadi dunia kita hanya bermandikan aliran cahaya yang sangat merah yang dipancarkan pada menit-menit pertama kehidupan Semesta.

Topologi ruang klasik

Pada skala yang lebih besar dari 100 megaparsec, bagian Alam Semesta yang kita lihat cukup homogen. Semua rumpun materi yang padat - galaksi, kluster dan superklusternya - diamati hanya pada jarak yang lebih pendek. Selain itu, Semesta juga isotropik, yaitu, sifat-sifatnya sama di segala arah. Fakta eksperimental ini mendasari semua model kosmologi klasik yang mengasumsikan simetri bola dan homogenitas spasial dari distribusi materi.

Solusi kosmologis klasik dari persamaan relativitas umum (GR) Einstein, yang ditemukan pada tahun 1922 oleh Alexander Friedman, memiliki topologi paling sederhana. Bagian spasial mereka menyerupai bidang (untuk solusi tak terbatas) atau bola (untuk solusi terbatas). Tetapi alam semesta seperti itu, ternyata, memiliki alternatif: alam semesta tanpa tepi dan batas, alam semesta dengan volume terbatas tertutup dengan sendirinya.

Solusi pertama yang ditemukan oleh Friedman menggambarkan alam semesta yang diisi hanya dengan satu jenis materi. Gambar yang berbeda muncul karena perbedaan kepadatan rata-rata materi: jika melebihi tingkat kritis, alam semesta tertutup dengan kelengkungan spasial positif, dimensi terbatas, dan masa hidup diperoleh. Ekspansinya secara bertahap melambat, berhenti dan digantikan oleh kontraksi ke suatu titik. Alam semesta dengan kepadatan di bawah yang kritis memiliki kelengkungan negatif dan mengembang tanpa batas, tingkat inflasinya cenderung ke beberapa nilai konstan. Model ini disebut terbuka. Alam Semesta yang datar, sebuah kasus peralihan dengan kerapatan yang persis sama dengan yang kritis, tidak terbatas dan bagian spasialnya yang seketika adalah ruang Euclidean datar dengan kelengkungan nol. Yang datar, seperti yang terbuka, mengembang tanpa batas, tetapi laju ekspansinya cenderung nol. Kemudian, model yang lebih kompleks ditemukan, di mana alam semesta yang homogen dan isotropik dipenuhi dengan materi multi-komponen yang berubah seiring waktu.

Pengamatan modern menunjukkan bahwa Alam Semesta sekarang mengembang dengan percepatan (lihat "Melampaui Cakrawala Peristiwa Alam Semesta", No. 3, 2006). Perilaku seperti itu dimungkinkan jika ruang diisi dengan beberapa zat (sering disebut energi gelap) dengan tekanan negatif tinggi yang dekat dengan kerapatan energi zat ini. Sifat energi gelap ini mengarah pada munculnya semacam anti-gravitasi, yang mengatasi gaya tarik menarik materi biasa dalam skala besar. Model pertama (dengan apa yang disebut istilah lambda) diusulkan oleh Albert Einstein sendiri.

Mode khusus ekspansi Semesta muncul jika tekanan materi ini tidak tetap konstan, tetapi meningkat seiring waktu. Dalam hal ini, peningkatan ukuran menumpuk begitu cepat sehingga alam semesta menjadi tak terbatas dalam waktu yang terbatas. Inflasi dimensi spasial yang begitu tajam, disertai dengan penghancuran semua objek material, dari galaksi hingga partikel elementer, disebut Big Rip.

Semua model ini tidak mengasumsikan sifat topologi khusus Semesta dan mewakilinya mirip dengan ruang kita yang biasa. Gambar ini sesuai dengan data yang diterima para astronom dengan bantuan teleskop yang merekam radiasi inframerah, sinar tampak, ultraviolet, dan sinar-X. Dan hanya data pengamatan radio, yaitu studi rinci tentang latar belakang peninggalan, membuat para ilmuwan ragu bahwa dunia kita diatur begitu lugas.

Para ilmuwan tidak akan dapat melihat di balik "dinding api" yang memisahkan kita dari peristiwa seribu tahun pertama kehidupan Semesta kita. Tetapi dengan bantuan laboratorium yang diluncurkan ke luar angkasa, setiap tahun kita belajar lebih banyak tentang apa yang terjadi setelah transformasi plasma panas menjadi gas hangat.

Penerima radio orbital

Hasil pertama yang diperoleh oleh observatorium ruang angkasa WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), yang mengukur kekuatan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik, diterbitkan pada Januari 2003 dan berisi begitu banyak informasi yang telah lama ditunggu-tunggu sehingga pemahamannya belum selesai bahkan hingga hari ini. Biasanya, fisika digunakan untuk menjelaskan data kosmologis baru: persamaan keadaan materi, hukum ekspansi, dan spektrum gangguan awal. Tapi kali ini, sifat ketidakhomogenan sudut yang terdeteksi dari radiasi membutuhkan penjelasan yang sama sekali berbeda - penjelasan geometris. Lebih tepatnya - topologi.

Tujuan utama dari WMAP adalah untuk membangun peta rinci suhu latar belakang gelombang mikro kosmik (atau, seperti yang juga disebut, latar belakang gelombang mikro). WMAP adalah penerima radio ultra-sensitif yang secara bersamaan mencatat sinyal yang datang dari dua titik yang hampir berseberangan di langit. Observatorium diluncurkan pada Juni 2001 ke orbit yang sangat tenang dan "tenang", yang terletak di titik Lagrangian L2, satu setengah juta kilometer dari Bumi. Satelit seberat 840 kg ini sebenarnya berada di orbit mengelilingi Matahari, tetapi karena aksi gabungan medan gravitasi Bumi dan Matahari, periode revolusinya tepat satu tahun, dan ia tidak terbang jauh dari Bumi ke mana pun. Satelit diluncurkan ke orbit yang begitu jauh sehingga interferensi dari aktivitas buatan manusia terestrial tidak akan mengganggu penerimaan emisi radio relik.

Berdasarkan data yang diperoleh oleh observatorium radio ruang angkasa, dimungkinkan untuk menentukan sejumlah besar parameter kosmologis dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya. Pertama, rasio kepadatan total Semesta dengan yang kritis adalah 1,02 ± 0,02 (yaitu, Semesta kita datar atau tertutup dengan kelengkungan yang sangat kecil). Kedua, konstanta Hubble, yang mencirikan perluasan Dunia kita dalam skala besar, adalah 72±2 km/s/Mpc. Ketiga, usia Semesta adalah 13,4 ± 0,3 miliar tahun dan pergeseran merah yang sesuai dengan waktu rekombinasi adalah 1088 ± 2 (ini adalah nilai rata-rata, ketebalan batas rekombinasi jauh lebih besar daripada kesalahan yang ditunjukkan). Hasil yang paling sensasional bagi para ahli teori adalah spektrum sudut gangguan radiasi peninggalan, lebih tepatnya, nilai harmonik kedua dan ketiga yang terlalu kecil.

Spektrum seperti itu dibangun dengan mewakili peta suhu sebagai jumlah dari berbagai harmonik bola (multipol). Dalam hal ini, komponen variabel dibedakan dari gambaran umum gangguan yang sesuai dengan bola beberapa kali bilangan bulat: segi empat - 2 kali, segi delapan - 3 kali, dan seterusnya. Semakin tinggi jumlah harmonik bola, semakin banyak osilasi frekuensi tinggi dari latar belakang yang digambarkannya dan semakin kecil ukuran sudut dari "titik" yang sesuai. Secara teoritis, jumlah harmonik bola tidak terbatas, tetapi untuk peta pengamatan nyata dibatasi oleh resolusi sudut yang digunakan untuk pengamatan.

Untuk pengukuran yang benar dari semua harmonik bola, peta seluruh bola langit diperlukan, dan WMAP menerima versi terverifikasinya hanya dalam setahun. Peta pertama yang tidak terlalu detail diperoleh pada tahun 1992 dalam eksperimen Relic and COBE (Cosmic Background Explorer).

Bagaimana bagel terlihat seperti cangkir kopi?
Ada cabang matematika seperti itu - topologi, yang mengeksplorasi sifat-sifat benda yang diawetkan di bawah deformasi apa pun tanpa celah dan perekatan. Bayangkan bahwa tubuh geometris yang kita minati fleksibel dan mudah berubah bentuk. Dalam hal ini, misalnya, kubus atau piramida dapat dengan mudah diubah menjadi bola atau botol, torus ("donat") menjadi cangkir kopi dengan pegangan, tetapi tidak mungkin mengubah bola menjadi cangkir. cangkir dengan pegangan jika Anda tidak merobek dan merekatkan tubuh yang mudah berubah bentuk ini. Untuk membagi bola menjadi dua bagian yang tidak terhubung, cukup membuat satu potongan tertutup, dan untuk melakukan hal yang sama dengan torus, Anda hanya dapat membuat dua potongan. Para topolog sangat menyukai semua jenis konstruksi eksotis seperti torus datar, bola bertanduk, atau botol Klein, yang hanya dapat digambarkan dengan benar di ruang dengan dimensi dua kali lebih banyak. Jadi Semesta tiga dimensi kita, tertutup dengan sendirinya, dapat dengan mudah dibayangkan hanya dengan hidup di ruang enam dimensi. Topologi kosmik belum melanggar batas waktu, membiarkannya dengan kesempatan mengalir secara linier, tanpa mengunci apa pun. Jadi kemampuan untuk bekerja di ruang tujuh dimensi saat ini cukup untuk memahami betapa kompleksnya alam semesta dodecahedral kita.

Peta suhu CMB akhir didasarkan pada analisis peta yang cermat yang menunjukkan intensitas emisi radio dalam lima rentang frekuensi yang berbeda.

Keputusan yang tidak terduga

Untuk sebagian besar harmonik bola, data eksperimen yang diperoleh bertepatan dengan perhitungan model. Hanya dua harmonik, quadrupole dan octupole, ternyata jelas di bawah tingkat yang diharapkan oleh para ahli teori. Terlebih lagi, kemungkinan terjadinya penyimpangan sebesar itu secara kebetulan sangatlah kecil. Penekanan quadrupole dan octupole dicatat pada awal data COBE. Namun, peta yang diperoleh pada tahun-tahun tersebut memiliki resolusi yang buruk dan noise yang besar, sehingga pembahasan masalah ini ditunda hingga waktu yang lebih baik. Untuk alasan apa amplitudo dari dua fluktuasi skala terbesar dalam intensitas latar belakang gelombang mikro kosmik ternyata sangat kecil, pada awalnya itu benar-benar tidak dapat dipahami. Belum mungkin untuk menemukan mekanisme fisik untuk penindasan mereka, karena ia harus bertindak pada skala seluruh Alam Semesta yang dapat diamati, membuatnya lebih homogen, dan pada saat yang sama berhenti bekerja pada skala yang lebih kecil, memungkinkannya berfluktuasi. lebih kuat. Ini mungkin mengapa mereka mulai mencari cara alternatif dan menemukan jawaban topologi atas pertanyaan yang muncul. Solusi matematis dari masalah fisik ternyata sangat elegan dan tidak terduga: cukup untuk mengasumsikan bahwa Semesta adalah dodecahedron yang tertutup dengan sendirinya. Kemudian penekanan harmonik frekuensi rendah dapat dijelaskan dengan modulasi frekuensi tinggi spasial dari radiasi latar. Efek ini muncul karena pengamatan berulang pada daerah yang sama dari plasma rekombinasi melalui bagian yang berbeda dari ruang dodecahedral tertutup. Ternyata harmonik rendah, seolah-olah, padam sendiri karena lewatnya sinyal radio melalui berbagai aspek Alam Semesta. Dalam model topologi dunia seperti itu, peristiwa yang terjadi di dekat salah satu wajah dodecahedron ternyata dekat dan di wajah yang berlawanan, karena wilayah ini identik dan sebenarnya adalah satu dan bagian yang sama dari Semesta. Karena itu, cahaya sisa yang datang ke Bumi dari sisi yang berlawanan secara diametris ternyata dipancarkan oleh daerah yang sama dari plasma primer. Keadaan ini menyebabkan penekanan harmonik yang lebih rendah dari spektrum CMB bahkan di Alam Semesta yang hanya sedikit lebih besar dari cakrawala peristiwa yang terlihat.

Peta anisotropi
Kuadrupol yang disebutkan dalam teks artikel bukanlah harmonik bola terendah. Selain itu, ada monopole (harmonik nol) dan dipol (harmonik pertama). Besarnya monopole ditentukan oleh suhu rata-rata radiasi latar, yang hari ini adalah 2,728 K. Setelah dikurangi dari latar belakang umum, komponen dipol ternyata menjadi yang terbesar, menunjukkan berapa banyak suhu di salah satu belahan. ruang di sekitar kita lebih tinggi daripada yang lain. Kehadiran komponen ini terutama disebabkan oleh pergerakan Bumi dan Bima Sakti relatif terhadap CMB. Karena efek Doppler, suhu naik ke arah gerak dan menurun ke arah yang berlawanan. Keadaan ini akan memungkinkan untuk menentukan kecepatan objek apa pun sehubungan dengan CMB dan dengan demikian memperkenalkan sistem koordinat absolut yang telah lama ditunggu-tunggu, yang secara lokal diam sehubungan dengan seluruh Semesta.

Besarnya anisotropi dipol yang terkait dengan gerakan Bumi adalah 3,353*10-3 K. Ini sesuai dengan gerakan Matahari relatif terhadap radiasi latar dengan kecepatan sekitar 400 km/s. Pada saat yang sama, kami "terbang" ke arah perbatasan rasi bintang Leo dan Chalice, dan "terbang menjauh" dari rasi bintang Aquarius. Galaksi kita, bersama dengan kelompok galaksi lokal, tempatnya berada, bergerak relatif terhadap relik tersebut dengan kecepatan sekitar 600 km/s.

Semua gangguan lain (mulai dari kuadrupol ke atas) pada peta latar belakang disebabkan oleh ketidakhomogenan dalam kepadatan, suhu, dan kecepatan materi pada batas rekombinasi, serta emisi radio dari Galaksi kita. Setelah mengurangi komponen dipol, amplitudo total semua penyimpangan lainnya ternyata hanya 18 * 10-6 K. Untuk mengecualikan radiasi Bima Sakti sendiri (terutama terkonsentrasi di bidang ekuator galaksi), pengamatan gelombang mikro latar belakang dilakukan di lima pita frekuensi dalam kisaran dari 22,8 GHz hingga 93,5 GHz.

Kombinasi dengan Thor

Tubuh paling sederhana dengan topologi yang lebih kompleks daripada bola atau bidang adalah torus. Siapa pun yang memegang donat di tangan mereka dapat membayangkannya. Model matematika lain yang lebih benar dari torus datar ditunjukkan oleh layar beberapa permainan komputer: itu adalah persegi atau persegi panjang, sisi yang berlawanan diidentifikasi, dan jika objek bergerak turun, itu muncul dari atas; melintasi batas kiri layar, layar muncul dari belakang kanan, dan sebaliknya. Torus seperti itu adalah contoh paling sederhana dari dunia dengan topologi non-trivial yang memiliki volume terbatas dan tidak memiliki batas.

Dalam ruang tiga dimensi, prosedur serupa dapat dilakukan dengan kubus. Jika Anda mengidentifikasi wajah yang berlawanan, maka torus tiga dimensi terbentuk. Jika Anda melihat ke dalam kubus seperti itu di ruang sekitarnya, Anda dapat melihat dunia tak terbatas yang terdiri dari salinan satu-satunya dan bagian unik (tidak berulang), yang volumenya cukup terbatas. Di dunia seperti itu, tidak ada batas, tetapi ada tiga arah yang dipilih sejajar dengan tepi kubus asli, di mana baris periodik objek asli diamati. Gambar ini sangat mirip dengan apa yang dapat dilihat di dalam kubus dengan dinding cermin. Benar, melihat salah satu aspeknya, penghuni dunia seperti itu akan melihat kepalanya, dan bukan wajahnya, seperti di ruang tawa duniawi. Model yang lebih tepat adalah ruangan yang dilengkapi dengan 6 kamera TV dan 6 monitor LCD datar, yang menampilkan gambar yang diambil oleh kamera film yang terletak di seberangnya. Dalam model ini, dunia yang terlihat menutup dengan sendirinya karena pintu keluar ke dimensi televisi lain.

Gambar penekanan harmonik frekuensi rendah yang dijelaskan di atas adalah benar jika waktu cahaya melintasi volume awal cukup kecil, yaitu, jika dimensi benda awal kecil dibandingkan dengan skala kosmologis. Jika dimensi bagian Semesta yang dapat diakses untuk pengamatan (yang disebut cakrawala Semesta) ternyata lebih kecil dari dimensi volume topologi awal, maka situasinya tidak akan berbeda dari apa yang kita lihat di alam semesta Einstein tak terbatas yang biasa, dan tidak ada anomali dalam spektrum CMB yang akan diamati.

Skala spasial maksimum yang mungkin dalam dunia kubik seperti itu ditentukan oleh ukuran benda asli - jarak antara dua benda tidak boleh melebihi setengah diagonal utama kubus asli. Cahaya yang datang kepada kita dari batas rekombinasi dapat melintasi kubus asli beberapa kali di sepanjang jalan, seolah-olah dipantulkan di dinding cerminnya, karena ini, struktur sudut radiasi terdistorsi dan fluktuasi frekuensi rendah menjadi frekuensi tinggi. Akibatnya, semakin kecil volume awal, semakin kuat penekanan fluktuasi sudut skala besar terendah, yang berarti bahwa dengan mempelajari latar belakang relik, seseorang dapat memperkirakan ukuran Alam Semesta kita.

Mosaik 3D

Semesta tiga dimensi yang kompleks secara topologi datar hanya dapat dibangun atas dasar kubus, paralelepiped, dan prisma heksagonal. Dalam kasus ruang lengkung, kelas yang lebih luas dari sosok-sosok memiliki sifat-sifat seperti itu. Dalam hal ini, spektrum sudut yang diperoleh dalam eksperimen WMAP paling sesuai dengan model alam semesta dodecahedral. Polihedron biasa ini, yang memiliki 12 wajah segi lima, menyerupai bola sepak yang dijahit dari bidang segi lima. Ternyata dalam ruang dengan kelengkungan positif kecil, dodecahedron beraturan dapat mengisi seluruh ruang tanpa lubang dan saling berpotongan. Dengan rasio tertentu antara ukuran dodecahedron dan kelengkungan, diperlukan 120 dodecahedron bulat untuk ini. Selain itu, struktur kompleks dari ratusan "bola" ini dapat direduksi menjadi struktur yang setara secara topologis, yang hanya terdiri dari satu dodecahedron, di mana wajah-wajah berlawanan yang diputar 180 derajat diidentifikasi.

Alam semesta yang terbentuk dari dodecahedron semacam itu memiliki sejumlah sifat menarik: ia tidak memiliki arah yang disukai, dan lebih baik daripada kebanyakan model lain yang menggambarkan besarnya harmonik sudut terendah CMB. Gambaran seperti itu hanya muncul di dunia tertutup dengan rasio kepadatan materi yang sebenarnya dengan yang kritis 1,013, yang berada dalam kisaran nilai yang diizinkan oleh pengamatan hari ini (1,02±0,02).

Untuk penghuni Bumi biasa, semua seluk-beluk topologi ini pada pandangan pertama tidak memiliki banyak arti. Tetapi bagi fisikawan dan filsuf - masalah yang sama sekali berbeda. Baik untuk pandangan dunia secara keseluruhan maupun untuk teori terpadu yang menjelaskan struktur dunia kita, hipotesis ini sangat menarik. Oleh karena itu, setelah menemukan anomali dalam spektrum peninggalan, para ilmuwan mulai mencari fakta lain yang dapat mengkonfirmasi atau menyangkal teori topologi yang diusulkan.

Suara Plasma
Pada spektrum fluktuasi CMB, garis merah menunjukkan prediksi model teoritis. Koridor abu-abu di sekitarnya merupakan penyimpangan yang diperbolehkan, dan titik-titik hitam merupakan hasil pengamatan. Sebagian besar data diperoleh dalam percobaan WMAP, dan hanya untuk harmonik tertinggi hasil studi CBI (balon) dan ACBAR (tanah antartika) ditambahkan. Pada plot normal dari spektrum sudut fluktuasi radiasi peninggalan, beberapa maxima terlihat. Inilah yang disebut "puncak akustik", atau "osilasi Sakharov". Keberadaan mereka secara teoritis diprediksi oleh Andrei Sakharov. Puncak ini disebabkan oleh efek Doppler dan disebabkan oleh pergerakan plasma pada saat rekombinasi. Amplitudo maksimum osilasi jatuh pada ukuran wilayah yang terkait secara kausal (horison suara) pada saat rekombinasi. Pada skala yang lebih kecil, osilasi plasma dilemahkan oleh viskositas foton, sedangkan pada skala besar, gangguan tidak tergantung satu sama lain dan tidak dalam fase. Oleh karena itu, fluktuasi maksimum yang diamati di era modern jatuh pada sudut di mana cakrawala suara terlihat hari ini, yaitu, wilayah plasma primer yang menjalani kehidupan tunggal pada saat rekombinasi. Posisi yang tepat dari maksimum tergantung pada rasio kepadatan total Semesta dengan yang kritis. Pengamatan menunjukkan bahwa puncak tertinggi pertama terletak kira-kira pada harmonik ke-200, yang, menurut teori, sesuai dengan akurasi tinggi dengan Alam Semesta Euclidean yang datar.

Banyak informasi tentang parameter kosmologis terkandung dalam puncak akustik kedua dan selanjutnya. Keberadaan mereka mencerminkan fakta "pentahapan" osilasi akustik dalam plasma di era rekombinasi. Jika tidak ada hubungan seperti itu, maka hanya puncak pertama yang akan diamati, dan fluktuasi pada semua skala yang lebih kecil akan sama mungkinnya. Tetapi agar hubungan sebab akibat fluktuasi pada skala yang berbeda terjadi, wilayah ini (sangat jauh satu sama lain) harus dapat berinteraksi satu sama lain. Situasi inilah yang secara alami muncul dalam model Semesta inflasi, dan deteksi meyakinkan dari puncak kedua dan selanjutnya dalam spektrum sudut fluktuasi CMB adalah salah satu konfirmasi paling penting dari skenario ini.

Radiasi peninggalan diamati di daerah dekat dengan maksimum spektrum termal. Untuk suhu 3K, itu adalah pada panjang gelombang radio 1mm. WMAP melakukan pengamatannya pada panjang gelombang yang sedikit lebih panjang: dari 3 mm hingga 1,5 cm. Rentang ini cukup dekat dengan maksimum, dan memiliki noise yang lebih rendah dari bintang-bintang di Galaksi kita.

Dunia multifaset

Dalam model dodecahedral, cakrawala peristiwa dan batas rekombinasi yang terletak sangat dekat dengannya berpotongan masing-masing dari 12 wajah dodecahedron. Perpotongan batas rekombinasi dan polihedron asli membentuk 6 pasang lingkaran pada peta latar belakang gelombang mikro yang terletak di titik berlawanan dari bola langit. Diameter sudut lingkaran ini adalah 70 derajat. Lingkaran-lingkaran ini terletak di permukaan yang berlawanan dari dodecahedron asli, yaitu, mereka bertepatan secara geometris dan fisik. Akibatnya, distribusi fluktuasi radiasi latar gelombang mikro kosmik di sepanjang setiap pasangan lingkaran harus bertepatan (dengan mempertimbangkan rotasi 180 derajat). Berdasarkan data yang tersedia, lingkaran tersebut belum terdeteksi.

Tetapi fenomena ini, ternyata, lebih kompleks. Lingkaran akan sama dan simetris hanya untuk pengamat yang diam relatif terhadap latar belakang. Bumi, di sisi lain, bergerak relatif terhadapnya dengan kecepatan yang cukup tinggi, karena itu komponen dipol yang signifikan muncul di radiasi latar. Dalam hal ini, lingkaran berubah menjadi elips, ukurannya, lokasinya di langit, dan suhu rata-rata di sepanjang lingkaran berubah. Menjadi jauh lebih sulit untuk mendeteksi lingkaran identik dengan adanya distorsi semacam itu, dan keakuratan data yang tersedia saat ini menjadi tidak mencukupi - pengamatan baru diperlukan untuk membantu mengetahui apakah lingkaran itu ada atau tidak.

Inflasi multilink

Mungkin masalah paling serius dari semua model kosmologis yang kompleks secara topologi, dan sejumlah besar dari mereka telah muncul, sebagian besar bersifat teoretis. Saat ini, skenario inflasi evolusi Semesta dianggap standar. Itu diusulkan untuk menjelaskan homogenitas dan isotropi yang tinggi dari alam semesta yang dapat diamati. Menurutnya, pada awalnya Alam Semesta yang lahir agak tidak homogen. Kemudian, dalam proses inflasi, ketika Alam Semesta mengembang menurut hukum yang mendekati eksponensial, dimensi awalnya meningkat beberapa kali lipat. Hari ini kita hanya melihat sebagian kecil dari Alam Semesta Besar, di mana heterogenitas masih ada. Benar, mereka memiliki jangkauan spasial yang sangat besar sehingga mereka tidak terlihat di dalam area yang dapat diakses oleh kita. Skenario inflasi sejauh ini merupakan teori kosmologis yang paling berkembang.

Untuk alam semesta yang terhubung berlipat ganda, urutan peristiwa seperti itu tidak cocok. Di dalamnya, semua bagian uniknya dan beberapa salinan terdekatnya tersedia untuk diamati. Dalam hal ini, struktur atau proses yang dijelaskan oleh skala yang jauh lebih besar daripada cakrawala yang diamati tidak dapat eksis.

Arah di mana kosmologi harus dikembangkan jika keterhubungan berlipat ganda dari Semesta kita dikonfirmasi sudah jelas: ini adalah model non-inflasi dan yang disebut model dengan inflasi lemah, di mana ukuran alam semesta selama inflasi hanya meningkat beberapa kali (atau puluhan kali). Belum ada model seperti itu, dan para ilmuwan, yang berusaha melestarikan gambaran umum dunia, secara aktif mencari kekurangan dalam hasil yang diperoleh dengan menggunakan teleskop radio ruang angkasa.

Memproses artefak

Salah satu kelompok yang melakukan studi independen terhadap data WMAP menarik perhatian pada fakta bahwa komponen kuadrupol dan oktupol dari radiasi latar gelombang mikro kosmik memiliki orientasi yang dekat satu sama lain dan terletak pada bidang yang hampir bertepatan dengan ekuator galaksi. Kesimpulan dari kelompok ini adalah terjadi kesalahan saat mengurangkan latar belakang Galaksi dari data pengamatan latar belakang gelombang mikro dan besaran harmonik yang sebenarnya sama sekali berbeda.

Pengamatan WMAP dilakukan pada 5 frekuensi yang berbeda khusus untuk memisahkan latar belakang kosmologis dan lokal dengan benar. Dan tim inti WMAP percaya bahwa pemrosesan pengamatan dilakukan dengan benar dan menolak penjelasan yang diajukan.

Data kosmologis yang tersedia, diterbitkan kembali pada awal 2003, diperoleh setelah memproses hasil pengamatan WMAP pada tahun pertama saja. Untuk menguji hipotesis yang diajukan, seperti biasa, diperlukan peningkatan akurasi. Pada awal tahun 2006, WMAP telah melakukan pengamatan terus menerus selama empat tahun, yang seharusnya cukup untuk melipatgandakan akurasi, tetapi data ini belum dipublikasikan. Kita perlu menunggu sebentar, dan mungkin asumsi kita tentang topologi dodecahedral Semesta akan menjadi benar-benar konklusif.

Mikhail Prokhorov, Doktor Ilmu Fisika dan Matematika

Selain model kosmologi klasik, relativitas umum memungkinkan Anda untuk menciptakan dunia imajiner yang sangat, sangat, sangat eksotis.

Ada beberapa model kosmologi klasik yang dibangun dengan bantuan relativitas umum, dilengkapi dengan homogenitas dan isotropi ruang (lihat “PM” No. 6, 2012, Bagaimana perluasan alam semesta ditemukan). Alam semesta tertutup Einstein memiliki kelengkungan ruang positif yang konstan, yang menjadi statis karena pengenalan apa yang disebut parameter kosmologis ke dalam persamaan GR, 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 antigravitasi. 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 tumbuh dari keadaan awal ultra-kompak, nenek moyang kosmologi Big Bang. Semuanya, dan terutama model Lemaitre, menjadi pendahulu model standar modern Alam Semesta kita.

Namun, ada alam semesta lain, yang juga dihasilkan oleh penggunaan persamaan GR yang sangat kreatif, seperti yang biasa dikatakan sekarang. Mereka jauh lebih sedikit (atau tidak sesuai sama sekali) dengan hasil pengamatan astronomi dan astrofisika, tetapi seringkali sangat indah, dan kadang-kadang bahkan paradoks yang elegan. Benar, ahli matematika dan astronom telah 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 mani 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.

Alam semestanya sangat tidak biasa. Ia tidak hanya tidak memiliki materi gravitasi, tetapi juga tidak memiliki medan antigravitasi (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 menyempit di sepanjang sumbu ketiga. Oleh karena itu, ruang ini jelas anisotropik dan secara geometris mirip dengan ellipsoid. Karena ellipsoid seperti itu diregangkan dalam dua arah dan dikontraksi di sepanjang yang ketiga, secara bertahap berubah menjadi panekuk datar. Pada saat yang sama, alam semesta Kasner tidak berarti semakin tipis; volumenya meningkat sebanding dengan usia. Pada saat awal, usia ini sama dengan nol - dan, oleh karena itu, volumenya juga nol. Namun, alam semesta Kasner lahir bukan dari singularitas titik, seperti dunia Lemaitre, tetapi dari sesuatu seperti jari-jari yang sangat tipis - jari-jari awalnya sama dengan tak terhingga di sepanjang satu sumbu dan nol di sepanjang dua sumbu lainnya.

Apa rahasia evolusi dunia yang kosong ini? Karena ruangnya "bergeser" secara berbeda di sepanjang arah yang berbeda, gaya pasang surut gravitasi muncul, yang menentukan dinamikanya. Tampaknya mereka dapat dihilangkan 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 Kazner dapat tetap menjadi dirinya sendiri hanya dalam kondisi kekosongan total. Jika Anda menambahkan sedikit materi ke dalamnya, ia akan berkembang secara bertahap seperti alam semesta Einstein-de Sitter yang isotropik. Dengan cara yang sama, ketika parameter Einstein yang bukan nol ditambahkan ke persamaannya, ia (dengan atau tanpa materi) secara asimtotik akan memasuki mode ekspansi isotropik eksponensial dan berubah menjadi alam semesta de Sitter. Namun, "aditif" semacam itu benar-benar hanya mengubah evolusi alam semesta yang sudah muncul. Pada saat kelahirannya, mereka praktis tidak berperan, dan alam semesta berevolusi menurut skenario yang sama.

Meskipun dunia Kasner secara dinamis anisotropik, kelengkungannya pada waktu tertentu adalah sama di sepanjang semua sumbu koordinat. Namun, persamaan GR memungkinkan keberadaan alam semesta yang tidak hanya berevolusi pada tingkat 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 sebagai alam semesta tertutup di arah lain. Selain itu, seiring waktu, mereka dapat mengubah tanda dari plus ke minus dan dari minus ke plus. Ruang mereka tidak hanya berdenyut, tetapi secara harfiah 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 bulat menjadi berbentuk pelana dan sebaliknya. Secara umum, dunia aneh, meskipun secara matematis mungkin.

Dunia berfluktuasi

Tak lama setelah publikasi karya Kazner, artikel oleh Alexander Friedman muncul, yang pertama pada tahun 1922, yang kedua pada tahun 1924. Makalah ini menyajikan solusi yang sangat elegan untuk persamaan GR, yang memiliki dampak yang sangat konstruktif pada perkembangan kosmologi. Konsep Friedman didasarkan pada asumsi bahwa, rata-rata, materi didistribusikan di luar angkasa secara simetris, yaitu, benar-benar homogen dan isotropik. Ini berarti bahwa geometri ruang pada setiap momen waktu kosmik tunggal adalah sama di semua titiknya dan ke segala arah (tepatnya, waktu tersebut 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 sangat berbeda dengan 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, akibatnya, volume maksimum), setelah itu runtuh lagi ke titik khusus yang sama (dalam bahasa matematika, singularitas).

Namun, Friedman tidak berhenti di situ. Menurutnya, solusi kosmologis yang ditemukan tidak berarti terbatas pada interval antara singularitas awal dan akhir, tetapi dapat berlanjut 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-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.

Berikut adalah bagaimana Friedman mengomentari model ini dalam bukunya The World as Space and Time: “Selain itu, kasus-kasus mungkin terjadi ketika jari-jari kelengkungan berubah secara berkala: alam semesta menyusut ke suatu titik (menjadi tidak ada), kemudian lagi dari titik yang dibawanya jari-jarinya ke nilai tertentu, sekali lagi, mengurangi jari-jari kelengkungannya, itu berubah menjadi titik, dll. Tanpa sadar, legenda mitologi Hindu tentang periode kehidupan diingat kembali; mungkin juga untuk berbicara tentang "penciptaan dunia dari ketiadaan", tetapi untuk saat ini semua ini harus dianggap sebagai fakta aneh yang tidak dapat dikonfirmasi secara kuat oleh bahan eksperimental astronomi yang tidak memadai.

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. Richard Tolman, profesor fisika matematika dan kimia fisik di Caltech, mengambil alih pada tahun 1932. Dia bukan ahli matematika murni, seperti Friedman, atau astronom dan astrofisikawan, seperti de Sitter, Lemaitre, dan Eddington. Tolman adalah seorang spesialis 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 bagian yang meningkat dari energi alam semesta terkonsentrasi pada radiasi elektromagnetik, yang dari siklus ke siklus mempengaruhi dinamikanya semakin kuat. Karena itu, panjang siklus meningkat, setiap siklus berikutnya menjadi lebih panjang dari yang sebelumnya. Osilasi tetap ada, tetapi berhenti menjadi periodik. Selain itu, di setiap siklus baru, radius alam semesta Tolman meningkat. Akibatnya, pada tahap ekspansi maksimum, ia memiliki kelengkungan terkecil, dan geometrinya semakin lama semakin mendekati Euclidean.

Richard Tolman, dalam membangun modelnya, melewatkan kemungkinan menarik yang menarik perhatian John Barrow dan Mariusz Dąbrowski pada tahun 1995. Mereka menunjukkan bahwa rezim osilasi alam semesta Tolman dihancurkan secara permanen oleh pengenalan parameter kosmologis antigravitasi. 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 dilakukan alam semesta Kazner dalam situasi yang sama. Anti-gravitasi, seperti ketekunan, mengatasi segalanya!

Alam Semesta di Mixer

Pada tahun 1967, astrofisikawan Amerika David Wilkinson dan Bruce Partridge menemukan bahwa radiasi gelombang mikro peninggalan yang ditemukan tiga tahun sebelumnya dari segala arah datang ke Bumi dengan suhu yang hampir sama. Dengan bantuan radiometer yang sangat sensitif yang ditemukan oleh rekan senegaranya Robert Dicke, mereka menunjukkan bahwa fluktuasi suhu foton latar belakang gelombang mikro kosmik tidak melebihi sepersepuluh persen (menurut data modern, jumlahnya jauh lebih sedikit). Karena radiasi ini muncul lebih awal dari 400.000 tahun setelah Big Bang, hasil Wilkinson dan Partridge menyarankan bahwa bahkan jika alam semesta kita hampir tidak isotropik sempurna pada saat lahir, ia memperoleh sifat ini tanpa banyak penundaan.

Hipotesis ini merupakan masalah besar bagi kosmologi. Dalam model kosmologis pertama, isotropi ruang diasumsikan sejak awal hanya sebagai asumsi matematis. Namun, pada awal pertengahan abad terakhir, diketahui bahwa persamaan GR memungkinkan untuk membangun banyak alam semesta non-isotropik. Dalam konteks hasil ini, isotropi yang hampir ideal dari latar belakang gelombang mikro kosmik memerlukan penjelasan.

Penjelasan seperti itu hanya muncul pada awal 1980-an dan ternyata sama sekali tidak terduga. Itu dibangun di atas konsep teoritis baru yang fundamental tentang ekspansi Semesta yang supercepat (seperti yang biasanya mereka katakan, inflasioner) pada saat-saat pertama keberadaannya (lihat "PM" No. 7, 2012, inflasi Mahakuasa). 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 polos.

Seorang kosmolog Amerika terkemuka, Charles Mizner, 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, karena 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 Mizner tampak indah, tetapi tidak membawa hasil yang praktis. Alasan utama kegagalannya, sekali lagi, diungkapkan oleh analisis radiasi 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, kepadatan energi radiasi latar gelombang mikro kosmik 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 "pemulusan" Semesta yang lengkap, diperlukan mekanisme lain, dan mekanisme tersebut ditemukan dalam kerangka teori inflasi.

Meski demikian, Mizner memperoleh banyak hasil menarik. Secara khusus, pada tahun 1969 ia menerbitkan model kosmologis baru, yang namanya ia pinjam ... dari peralatan dapur, mixer rumah yang diproduksi oleh perusahaan. Produk Sinar Matahari! Alam Semesta Mixmaster sepanjang waktu berdetak dalam kejang terkuat, yang, menurut Mizner, memaksa cahaya untuk bersirkulasi di sepanjang jalur tertutup, mencampur dan menghomogenkan isinya. Namun, analisis selanjutnya dari model ini menunjukkan bahwa meskipun foton di dunia Misner melakukan perjalanan jauh, efek pencampurannya sangat kecil.

Namun Alam Semesta Mixmaster sangat menarik. Seperti alam semesta tertutup Friedmann, ia muncul dari volume nol, mengembang hingga maksimum tertentu, dan berkontraksi lagi di bawah 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 intens, mengembang dalam dua arah dan menyusut di sepertiga - seperti di Kasner. Namun, orientasi ekspansi dan kontraksi tidak konstan - mereka secara acak mengubah tempat. Selain itu, frekuensi osilasi tergantung pada waktu dan cenderung tak terhingga ketika saat awal didekati. 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 memasuki 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.

Jangan mencoba menghapus masa lalu. Itu membentuk Anda hari ini dan membantu Anda menjadi diri Anda yang akan datang.

Ziad K. Abdelnoir

Alam semesta, bahkan lebih dari Anda dan saya, dibentuk oleh kondisi yang ada pada saat kelahirannya. Tapi apa bentuknya? Saya memilih pertanyaan dari pembaca Tom Berry yang bertanya:

Saya mengerti bahwa alam semesta memiliki bentuk pelana. Saya bertanya-tanya mengapa, pada saat Big Bang, semua materi tidak terbang terpisah secara merata ke segala arah dan tidak memberi alam semesta bentuk bola?

Mari kita mulai dengan menghilangkan satu dimensi, dan berbicara tentang apa yang membentuk permukaan dua dimensi. Anda mungkin membayangkan sebuah pesawat - seperti selembar kertas. Itu bisa digulung menjadi silinder, dan meskipun permukaannya akan terikat sendiri - Anda bisa pergi dari satu sisi ke sisi lain, itu akan tetap menjadi permukaan yang rata.

Apa artinya? Misalnya, Anda dapat menggambar segitiga dan menjumlahkan dimensi sudut interior. Jika kita mendapatkan 180 derajat, maka permukaannya datar. Jika Anda menggambar dua garis paralel, mereka akan tetap begitu.

Tapi ini hanya salah satu pilihan.

Permukaan bola adalah dua dimensi, tetapi tidak datar. Setiap garis mulai membulat, dan jika Anda menambahkan sudut segitiga, Anda akan mendapatkan nilai yang lebih besar dari 180 derajat. Dengan menggambar garis paralel (garis yang awalnya sejajar), Anda akan melihat bahwa pada akhirnya mereka akan bertemu dan berpotongan. Permukaan seperti itu memiliki kelengkungan positif.

Permukaan pelana, di sisi lain, mewakili jenis lain dari permukaan dua dimensi non-planar. Itu cekung di satu arah dan cembung di arah lain, tegak lurus, dan merupakan permukaan dengan kelengkungan negatif. Jika Anda menggambar segitiga di atasnya, Anda mendapatkan jumlah sudut kurang dari 180 derajat. Dua garis sejajar akan menyimpang dalam arah yang berbeda.

Anda juga dapat membayangkan selembar kertas bulat datar. Jika Anda memotong irisan dan merekatkannya kembali, Anda mendapatkan permukaan dengan kelengkungan positif. Jika Anda memasukkan irisan ini ke bagian lain yang serupa, Anda akan mendapatkan permukaan kelengkungan negatif, seperti pada gambar.

Permukaan dua dimensi cukup mudah direpresentasikan dari ruang tiga dimensi. Tapi di alam semesta tiga dimensi kita, segalanya agak lebih rumit.

Adapun kelengkungan alam semesta, kami memiliki tiga opsi:

Kelengkungan positif, seperti bola di dimensi yang lebih tinggi
- negatif, seperti pelana di dimensi yang lebih tinggi
- nol (datar) - seperti kisi tiga dimensi

Orang akan berpikir bahwa kehadiran Big Bang menunjukkan opsi bola pertama, karena Semesta tampaknya sama di semua arah - tetapi ini tidak benar. Ada alasan yang sangat menarik mengapa alam semesta sama ke segala arah - dan itu tidak ada hubungannya dengan kelengkungan.

Fakta bahwa Semesta adalah sama di semua tempat (homogen) dan arah (isotropik) membuktikan keberadaan Big Bang, hipotesis yang mengatakan bahwa segala sesuatu dimulai dari keadaan homogen yang panas dan padat di mana kondisi awal dan hukum alam yang sama di mana-mana.

Seiring waktu, penyimpangan kecil menyebabkan munculnya struktur - bintang, galaksi, cluster, dan kekosongan besar. Tetapi alasan homogenitas alam semesta adalah bahwa segala sesuatu memiliki awal yang sama, dan tidak dalam kelengkungan.

Tapi kita bisa mengukur jumlah kelengkungan.

Gambar menunjukkan pola fluktuasi yang ditangkap dalam radiasi kosmik latar belakang. Puncak fluktuasi, tempat terpanas dan terdingin pada skala sudut tertentu, bergantung pada bagaimana Semesta bekerja dan terbuat dari apa. Jika Semesta memiliki kelengkungan negatif (pelana), Semesta cenderung ke skala yang lebih kecil, jika positif - ke skala yang lebih besar.

Alasannya sama seperti yang kami jelaskan - bagaimana garis lurus berperilaku pada permukaan ini.

Oleh karena itu, kita hanya perlu mempelajari fluktuasi radiasi gelombang mikro kosmik latar belakang, dan kita akan dapat mengukur kelengkungan Alam Semesta yang dapat diamati.

Dan apa yang akan kita dapatkan?

Dan kami mendapatkan bahwa jumlah kelengkungan yang ditunjukkan pada lingkaran biru adalah sekitar 0,5%. Ini menunjukkan bahwa kelengkungan alam semesta tidak dapat dibedakan dari sebuah bidang.

Itu benar-benar meluas secara merata ke segala arah, tetapi ini tidak ada hubungannya dengan kelengkungan. Tentu saja, pada skala yang jauh lebih besar daripada yang dapat kita amati, kelengkungan Alam Semesta mungkin bukan nol. Proses inflasi yang terjadi setelah Big Bang secara eksponensial meningkatkan setiap bagian alam semesta.

Artinya, ada kemungkinan kelengkungan alam semesta positif atau negatif, terlihat seperti pelana atau bola, dapat mengikat diri, dan kita dapat keluar dari satu ujung dan sampai ke ujung lainnya. Ini tidak dapat dikesampingkan - tetapi di bagian yang diamati tidak. Dan bagi kami, Semesta tidak bisa dibedakan dari yang datar. Namun, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bagian D, Anda dapat berasumsi bahwa ruang Anda datar, tetapi alam semesta mungkin tidak datar. Demikian kesimpulan dari informasi yang kami peroleh.

Bayangkan sebuah bola yang sangat besar. Meskipun "dari luar" tampaknya tiga dimensi, permukaannya - bola - adalah dua dimensi, karena hanya ada dua arah gerakan independen pada bola. Jika Anda sangat kecil dan tinggal di permukaan bola ini, Anda bisa berasumsi bahwa Anda tidak hidup di atas bola sama sekali, tetapi di permukaan dua dimensi yang datar dan besar. Tetapi jika pada saat yang sama Anda membuat pengukuran jarak yang akurat pada bola, Anda akan memahami bahwa Anda tidak hidup di permukaan yang datar, tetapi di permukaan bola besar ( kira-kira terjemahan Mungkin lebih baik menggambar analogi dengan permukaan bola dunia).
Ide kelengkungan permukaan bola dapat diterapkan ke seluruh alam semesta. Ini adalah terobosan besar dalam Teori Relativitas Umum Einstein. Ruang dan waktu digabungkan menjadi satu kesatuan geometris yang disebut ruang waktu, dan ruang-waktu ini memiliki geometri, bisa jadi bengkok, seperti permukaan bola besar yang melengkung.
Ketika Anda melihat permukaan bola besar sebagai satu hal, Anda merasakan seluruh ruang bola secara keseluruhan. Matematikawan menyukai permukaan bola sehingga definisi ini menggambarkan seluruh bola, bukan hanya sebagian saja. Salah satu aspek kunci untuk menggambarkan geometri ruang-waktu adalah bahwa kita perlu menggambarkan semua ruang dan waktu secara keseluruhan. Ini berarti bahwa perlu untuk menggambarkan "semuanya" dan "selalu" "dalam satu botol." Geometri ruang-waktu adalah geometri semua ruang ditambah semua waktu bersama-sama sebagai satu unit matematika.

Apa yang menentukan geometri ruang-waktu?

Pada dasarnya, fisikawan bekerja dengan cara berikut - mereka mencari persamaan gerak yang solusinya paling menggambarkan sistem yang ingin dijelaskan oleh fisikawan. persamaan Einstein mewakili persamaan klasik gerak ruang-waktu. Ini klasik karena efek kuantum tidak diperhitungkan saat diperoleh. Dan dengan demikian, geometri ruang-waktu diperlakukan sebagai konsep klasik eksklusif, tanpa ketidakpastian kuantum. Itulah mengapa itu adalah pendekatan terbaik untuk teori yang tepat.
Menurut persamaan Einstein, kelengkungan ruang-waktu dalam arah tertentu berhubungan langsung dengan energi dan momentum segala sesuatu di semua ruang-waktu yang bukan ruang-waktu. Dengan kata lain, persamaan Einstein menghubungkan gravitasi dengan non-gravitasi dan geometri dengan non-geometri. Kelengkungan adalah gravitasi, dan segala sesuatu yang lain adalah elektron dan quark, dan yang terdiri dari atom, yang, pada gilirannya, terdiri dari materi, radiasi elektromagnetik, setiap partikel - pembawa interaksi (kecuali gravitasi) - "hidup" dalam ruang melengkung- waktu dan pada saat yang sama menentukan kelengkungan ini menurut persamaan Einstein.

Apa geometri ruang-waktu kita?

Seperti yang baru saja dicatat, deskripsi lengkap dari ruang-waktu tertentu tidak hanya mencakup semua ruang, tetapi juga sepanjang waktu. Dengan kata lain, ruang-waktu mencakup semua peristiwa yang pernah dan akan terjadi.
Benar, sekarang, jika kita terlalu literal dalam konsep seperti itu, kita dapat mengalami masalah, karena kita tidak dapat memperhitungkan semua perubahan terkecil dalam distribusi energi dan kerapatan momentum di alam semesta yang baru saja terjadi dan akan tetap terjadi di alam semesta. alam semesta. Tapi, untungnya, pikiran manusia mampu beroperasi dengan konsep-konsep seperti abstraksi dan perkiraan, sehingga kita dapat membangun model abstrak yang secara kasar menggambarkan alam semesta yang dapat diamati dengan cukup baik pada skala besar, katakanlah, skala gugus galaksi.
Tetapi untuk menyelesaikan persamaan, ini tidak cukup. Juga perlu untuk membuat asumsi penyederhanaan tertentu tentang kelengkungan ruang-waktu. Asumsi pertama yang kita buat adalah ruangwaktu dapat dengan rapi dibagi menjadi ruang dan waktu. Namun, ini tidak selalu mungkin, misalnya, dalam beberapa kasus lubang hitam yang berputar, ruang dan waktu "berputar" bersama dan dengan demikian tidak dapat dipisahkan dengan rapi. Namun, tidak ada indikasi bahwa alam semesta kita dapat berotasi dengan cara ini. Dengan demikian, kita dapat membuat asumsi bahwa ruang-waktu dapat digambarkan sebagai ruang yang berubah seiring waktu.
Asumsi penting berikutnya yang mengikuti teori Big Bang adalah bahwa ruang terlihat sama ke segala arah di titik mana pun. Sifat terlihat sama ke segala arah disebut isotropi, dan terlihat sama di sembarang titik disebut keseragaman. Jadi, kita asumsikan bahwa ruang kita homogen dan isotropik. Ahli kosmologi menyebut asumsi ini simetri maksimum. Diyakini bahwa ini adalah asumsi yang cukup masuk akal dalam skala besar.
Dalam memecahkan persamaan Einstein untuk geometri ruang-waktu alam semesta kita, ahli kosmologi mempertimbangkan tiga jenis energi utama yang dapat dan membelokkan ruang-waktu:
1. energi vakum
2. radiasi
3. hal biasa
Radiasi dan materi biasa dianggap sebagai gas homogen yang mengisi Semesta, dengan beberapa persamaan keadaan yang menghubungkan tekanan dengan kepadatan.
Setelah membuat asumsi tentang homogenitas sumber energi dan tentang simetri maksimum, persamaan Einstein dapat direduksi menjadi dua persamaan diferensial yang mudah diselesaikan menggunakan metode perhitungan paling sederhana. Dari solusi kita mendapatkan dua hal: geometri ruang lalu bagaimana dimensi ruang berubah dari waktu ke waktu.

Terbuka, tertutup atau datar?

Jika pada setiap saat ruang pada setiap titik terlihat sama ke segala arah, maka ruang seperti itu pasti memiliki kelengkungan konstan. Jika kelengkungan berubah dari titik ke titik, maka ruang akan terlihat berbeda dari titik yang berbeda dan arah yang berbeda. Oleh karena itu, jika ruang simetris maksimal, maka kelengkungan di semua titik harus sama.
Persyaratan ini agak mempersempit kemungkinan geometri menjadi tiga: ruang dengan kelengkungan positif, negatif, dan nol konstan (datar). Dalam kasus ketika tidak ada energi vakum (istilah lambda), hanya ada materi dan radiasi biasa, kelengkungan, selain segalanya, juga menjawab pertanyaan tentang waktu evolusi:
kelengkungan positif: Ruang berdimensi-N dengan kelengkungan positif konstan adalah bola berdimensi-N. Model kosmologi di mana ruang memiliki kelengkungan positif yang konstan disebut tertutup model kosmologi. Dalam model seperti itu, ruang mengembang dari volume nol pada saat Big Bang, kemudian pada suatu saat mencapai volume maksimumnya dan mulai menyusut hingga "Big Crunch".
kelengkungan nol: Ruang dengan kelengkungan nol disebut datar ruang angkasa. Ruang datar seperti itu tidak kompak, meluas tanpa batas ke segala arah, sama seperti hanya diperpanjang membuka ruang angkasa. Alam semesta seperti itu mengembang tanpa batas dalam waktu.
kelengkungan negatif: Ruang berdimensi-N dengan kelengkungan negatif konstan adalah pseudosfer berdimensi-N. Satu-satunya hal yang dapat dibandingkan dengan dunia unik seperti itu adalah hiperboloid, yang merupakan hipersfer dua dimensi. Ruang dengan kelengkungan negatif volumenya tak terhingga. Dalam ruang dengan kelengkungan negatif, membuka Semesta. Itu juga, seperti yang datar, mengembang tanpa batas dalam waktu.
Apa yang menentukan apakah alam semesta akan terbuka atau tertutup? Untuk Semesta tertutup, kerapatan energi total harus lebih besar dari kerapatan energi yang sesuai dengan Alam Semesta yang datar, yang disebut kepadatan kritis. Membiarkan . Kemudian di alam semesta tertutup w lebih besar dari 1, di alam semesta yang datar w=1, dan di alam semesta terbuka w kurang dari 1.
Semua hal di atas benar hanya dalam kasus ketika hanya jenis materi biasa yang dipertimbangkan - berdebu dan radiasi, dan diabaikan energi vakum, yang mungkin ada. Kerapatan energi vakum adalah konstan, juga disebut konstanta kosmologis.

Dari mana materi gelap berasal?

Ada banyak hal di alam semesta seperti bintang atau gas panas atau apa pun yang memancarkan cahaya tampak atau radiasi pada panjang gelombang lain. Dan semua ini dapat dilihat baik dengan mata, atau dengan bantuan teleskop, atau dengan beberapa instrumen yang rumit. Namun, ini tidak semua yang ada di Semesta kita - selama dua dekade terakhir, para astronom telah menemukan bukti bahwa ada banyak materi tak terlihat di Semesta.
Misalnya, ternyata materi tampak dalam bentuk bintang dan gas antarbintang tidak cukup untuk membuat galaksi terikat secara gravitasi. Perkiraan berapa banyak materi yang benar-benar dibutuhkan untuk sebuah galaksi rata-rata agar tidak terbang terpisah membuat fisikawan dan astronom berkesimpulan bahwa sebagian besar materi di alam semesta tidak terlihat. Zat ini disebut materi gelap dan itu sangat penting bagi kosmologi.
Karena ada materi gelap di alam semesta, apakah itu? Itu bisa dibuat dari apa? Jika terdiri dari quark, seperti materi biasa, maka seharusnya lebih banyak helium dan deuterium diproduksi di Alam Semesta awal daripada yang ada sekarang di Alam Semesta kita. Fisikawan partikel berpendapat bahwa materi gelap terdiri dari: partikel supersimetris, yang sangat berat, tetapi berinteraksi sangat lemah dengan partikel biasa, yang sekarang diamati pada akselerator.
Materi yang terlihat di Alam Semesta, oleh karena itu, jauh lebih sedikit daripada yang diperlukan bahkan untuk Alam Semesta yang datar. Karena itu, jika tidak ada yang lain di Semesta, maka itu harus terbuka. Namun, apakah ada cukup materi gelap untuk "menutup" Alam Semesta? Dengan kata lain, jika w B adalah kerapatan materi biasa, dan w D adalah kerapatan materi gelap, maka apakah hubungan w B + w D = 1 berlaku? Studi tentang pergerakan di gugus galaksi menunjukkan bahwa kepadatan total sekitar 30% dari yang kritis, sedangkan materi yang terlihat sekitar 5%, dan materi gelap 25%.
Tapi ini bukan akhir - kita masih memiliki satu sumber energi lagi di Semesta - konstanta kosmologis.

Bagaimana dengan konstanta kosmologis?

Einstein tidak menyukai hasil karyanya sendiri. Menurut persamaan geraknya, alam semesta yang dipenuhi materi biasa harus mengembang. Tetapi Einstein menginginkan sebuah teori di mana alam semesta akan selalu berukuran sama. Dan untuk melakukan ini, dia menambahkan ke persamaan istilah yang sekarang dikenal sebagai istilah kosmologis, yang, ketika ditambahkan ke kerapatan energi materi biasa dan radiasi, mencegah alam semesta mengembang dan tidak pernah menyusut, tetapi tetap sama selamanya.
Namun, setelah Hubble menemukan bahwa alam semesta kita mengembang, istilah kosmologis Einstein dilupakan dan "ditinggalkan". Namun, setelah beberapa waktu, minatnya dibangkitkan oleh teori kuantum relativistik, di mana konstanta kosmologis muncul secara dinamis secara alami dari osilasi kuantum partikel virtual dan antipartikel. Ini disebut tingkat energi nol kuantum dan merupakan kandidat yang sangat mungkin untuk energi vakum ruang waktu. Namun, teori kuantum memiliki "masalah" sendiri - bagaimana tidak membuat energi vakum ini terlalu besar, dan ini adalah salah satu alasan mengapa fisikawan mengeksplorasi teori supersimetris.
Konstanta kosmologis dapat mempercepat atau memperlambat perluasan alam semesta, tergantung apakah itu positif atau negatif. Dan ketika konstanta kosmologis ditambahkan ke ruang-waktu selain materi biasa dan radiasi, gambarannya menjadi jauh lebih membingungkan daripada kasus paling sederhana dari Semesta terbuka atau tertutup yang dijelaskan di atas.

Nah, apa jawabannya?

Hampir segera setelah Big Bang, era dominasi radiasi, yang berlangsung selama sepuluh hingga seratus ribu tahun pertama evolusi Alam Semesta kita. Sekarang bentuk materi yang dominan adalah materi biasa dan energi vakum. Menurut pengamatan baru-baru ini oleh para astronom,
1. Alam Semesta kita datar dengan akurasi yang baik: Radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik adalah peninggalan dari masa ketika alam semesta masih panas dan dipenuhi dengan gas foton panas. Namun, sejak itu, karena perluasan Semesta, foton-foton ini telah mendingin, dan sekarang suhunya menjadi 2,73 K. Namun, radiasi ini sedikit tidak homogen, ukuran sudut ketidakhomogenannya, terlihat dari posisi kita saat ini, tergantung pada ruang kelengkungan alam semesta. Jadi, pengamatan anisotropi dari latar belakang gelombang mikro kosmik menunjukkan bahwa Alam semesta itu datar.
2. Ada konstanta kosmologis di Semesta: Ada energi vakum di alam semesta, atau setidaknya sesuatu yang bertindak seperti energi vakum, menyebabkan alam semesta mengembang dengan cepat. Data tentang pergeseran merah supernova jauh adalah bukti percepatan ekspansi Semesta.
3. Sebagian besar materi di alam semesta berbentuk materi gelap: Studi tentang pergerakan galaksi mengarah pada kesimpulan bahwa materi biasa berupa bintang, galaksi, planet, dan gas antarbintang hanyalah sebagian kecil dari semua materi di alam semesta.
Pada era saat ini


Jadi sekarang di Semesta, kerapatan energi vakum lebih dari dua kali kerapatan energi materi gelap, dan kontribusi materi tampak baryon dapat diabaikan begitu saja. Jadi alam semesta kita yang datar seharusnya mengembang selamanya.

<< Berapa umur alam semesta kita? | Daftar Isi | Tur Sejarah Alam Semesta >>