Ada beberapa model kosmologi klasik yang dibangun dengan menggunakan relativitas umum, ditambah dengan homogenitas dan isotropi ruang.
Alam semesta tertutup Einstein memiliki kelengkungan ruang positif yang konstan, yang menjadi statis karena dimasukkannya apa yang disebut parameter kosmologis ke dalam persamaan relativitas umum, yang bertindak sebagai medan antigravitasi.
Dalam mengembang dengan percepatan alam semesta de Sitter dengan ruang non-lengkung, tidak ada materi biasa, tetapi juga diisi dengan medan anti-gravitasi.
Ada juga alam semesta tertutup dan terbuka dari Alexander Friedman; dunia batas Einstein - de Sitter, yang secara bertahap menurunkan laju ekspansi ke nol seiring waktu, dan akhirnya, alam semesta Lemaitre, nenek moyang kosmologi Big Bang, tumbuh dari keadaan awal superkompak. Semuanya, dan terutama model Lemaitre, menjadi pendahulu model standar modern alam semesta kita.
Ruang alam semesta dalam model yang berbeda memiliki kelengkungan yang berbeda, yang bisa berupa negatif (ruang hiperbolik), nol (ruang Euclidean datar, sesuai dengan alam semesta kita) atau positif (ruang elips).
Dua model pertama adalah alam semesta terbuka, mengembang tanpa akhir, yang terakhir tertutup, yang cepat atau lambat akan runtuh. Ilustrasi dari atas ke bawah menunjukkan analog dua dimensi dari ruang seperti itu.
Video promosi:
Namun, ada alam semesta lain, juga dihasilkan oleh yang sangat kreatif, seperti yang mereka katakan sekarang, menggunakan persamaan relativitas umum. Mereka kurang sesuai (atau tidak sesuai sama sekali) dengan hasil pengamatan astronomi dan astrofisika, tetapi seringkali sangat indah, dan terkadang dengan elegan paradoks.
Benar, ahli matematika dan astronom telah menemukannya dalam jumlah yang sedemikian rupa sehingga kita harus membatasi diri hanya pada beberapa contoh dunia khayalan yang paling menarik.
Dari string ke pancake
Setelah kemunculan (tahun 1917) karya fundamental Einstein dan de Sitter, banyak ilmuwan mulai menggunakan persamaan relativitas umum untuk membuat model kosmologis. Salah satu yang pertama melakukan ini adalah ahli matematika New York Edward Kasner, yang menerbitkan solusinya pada tahun 1921.
Semesta nya sangat tidak biasa. Ia tidak hanya kekurangan materi gravitasi, tetapi juga medan anti-gravitasi (dengan kata lain, tidak ada parameter kosmologis Einstein). Tampaknya di dunia yang idealnya kosong ini tidak ada yang bisa terjadi sama sekali.
Namun, Kasner berasumsi bahwa alam semesta hipotetisnya berevolusi secara tidak merata ke arah yang berbeda. Ini meluas di sepanjang dua sumbu koordinat, tetapi berkontraksi di sepanjang sumbu ketiga. Oleh karena itu, ruang ini jelas anisotropik dan menyerupai elipsoid dalam garis geometrisnya.
Karena ellipsoid seperti itu membentang ke dua arah dan berkontraksi di sepanjang yang ketiga, secara bertahap berubah menjadi pancake datar. Pada saat yang sama, alam semesta Kasner tidak menipis sama sekali, volumenya meningkat seiring bertambahnya usia.
Pada saat awal, usia ini sama dengan nol - dan, karenanya, volumenya juga nol. Namun, alam semesta Kasner tidak lahir dari titik singularitas, seperti dunia Lemaitre, tetapi dari sesuatu seperti jeruji yang sangat tipis - jari-jari awalnya sama dengan tak terhingga di sepanjang satu sumbu dan nol di sepanjang dua lainnya.
Apa rahasia evolusi dunia kosong ini? Karena ruangnya “bergeser” dengan cara berbeda di sepanjang arah yang berbeda, gaya pasang surut gravitasi muncul, yang menentukan dinamikanya. Tampaknya Anda dapat menyingkirkannya jika Anda menyamakan laju ekspansi sepanjang ketiga sumbu dan dengan demikian menghilangkan anisotropi, tetapi matematika tidak mengizinkan kebebasan semacam itu.
Benar, seseorang dapat menyetel 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 volume harus bertambah), tetapi hanya ini yang dapat kita capai.
Alam semesta Kasner dapat tetap dengan sendirinya hanya dalam kondisi kekosongan total. Jika Anda menambahkan sedikit materi padanya, ia secara bertahap akan mulai berkembang seperti alam semesta isotropik Einstein-de Sitter.
Dengan cara yang sama, ketika parameter Einstein bukan nol ditambahkan ke persamaannya, ia (dengan atau tanpa materi) akan secara asimtotik memasuki rezim ekspansi isotropik eksponensial dan berubah menjadi alam semesta de Sitter.
Namun, "penambahan" seperti itu benar-benar hanya mengubah evolusi alam semesta yang sudah ada. Pada saat kelahirannya, mereka praktis tidak berperan, dan alam semesta berevolusi menurut skenario yang sama.
Meskipun dunia Kasner secara dinamis bersifat anisotropik, kelengkungannya pada waktu tertentu sama di sepanjang sumbu koordinat. Namun, persamaan relativitas umum mengakui keberadaan alam semesta yang tidak hanya berevolusi dengan kecepatan anisotropik, tetapi juga memiliki kelengkungan anisotropik.
Model semacam itu dibangun pada awal 1950-an oleh matematikawan Amerika Abraham Taub. Ruangnya dapat berperilaku di beberapa arah seperti alam semesta terbuka, dan di tempat lain - seperti alam semesta tertutup. Selain itu, seiring waktu, mereka dapat mengubah tandanya dari plus ke minus dan dari minus ke plus.
Ruang mereka tidak hanya berdenyut, tetapi secara harfiah berputar ke luar. Secara fisik, proses ini dapat dikaitkan dengan gelombang gravitasi, yang sangat merusak ruang sehingga mereka secara lokal mengubah geometrinya dari sferis ke sadel dan sebaliknya. Secara umum, dunia yang aneh, meskipun mungkin secara matematis.
Tidak seperti alam semesta kita, yang mengembang secara isotropis (yaitu, dengan kecepatan yang sama terlepas dari arah yang dipilih), alam semesta Kasner secara bersamaan mengembang (sepanjang dua sumbu) dan berkontraksi (sepanjang yang ketiga).
Fluktuasi Dunia
Segera setelah publikasi karya Kasner, artikel oleh Alexander Fridman muncul, yang pertama pada tahun 1922, yang kedua pada tahun 1924. Makalah ini menyajikan solusi yang sangat elegan untuk persamaan relativitas umum, yang memiliki efek yang sangat konstruktif pada perkembangan kosmologi.
Konsep Friedman didasarkan pada asumsi bahwa, rata-rata, materi terdistribusi di luar angkasa sesimetris mungkin, yaitu homogen dan isotropik sepenuhnya.
Ini berarti geometri ruang pada setiap momen dalam satu waktu kosmik adalah sama di semua titik dan semua arahnya (secara tegas, waktu seperti itu masih perlu ditentukan dengan benar, tetapi dalam hal ini masalah ini dapat diselesaikan).
Oleh karena itu, laju pemuaian (atau kontraksi) alam semesta pada saat tertentu lagi-lagi tidak bergantung pada arah. Oleh karena itu, alam semesta Friedmann sangat berbeda dengan model Kasner.
Di artikel pertama, Friedman membangun model alam semesta tertutup dengan kelengkungan ruang positif yang konstan. Dunia ini muncul dari keadaan titik awal dengan kepadatan materi tak terhingga, mengembang hingga radius maksimum tertentu (dan, karenanya, volume maksimum), setelah itu runtuh lagi menjadi titik tunggal yang sama (dalam bahasa matematika, singularitas).
Namun, Friedman tak berhenti sampai di situ. Menurutnya, solusi kosmologis yang ditemukan tidak harus dibatasi oleh interval antara singularitas awal dan akhir, tetapi dapat dilanjutkan dalam waktu baik maju maupun mundur.
Hasilnya adalah sekelompok alam semesta tak berujung yang dirangkai pada sumbu waktu, yang berbatasan satu sama lain pada titik singularitas. Dalam bahasa fisika, ini berarti bahwa alam semesta tertutup Friedmann dapat berosilasi tanpa henti, mati setelah setiap kontraksi dan terlahir kembali ke kehidupan baru dalam ekspansi berikutnya.
Ini adalah proses yang sangat periodik, karena semua osilasi berlanjut untuk jangka waktu yang sama. Oleh karena itu, setiap siklus keberadaan alam semesta adalah salinan persis dari semua siklus lainnya.
Beginilah komentar Friedman tentang model ini dalam bukunya "The World as Space and Time": "Lebih lanjut, ada kasus ketika jari-jari kelengkungan berubah secara berkala: alam semesta berkontraksi ke suatu titik (menjadi ketiadaan), kemudian dari satu titik membawa radiusnya ke nilai tertentu, sekali lagi, mengurangi jari-jari kelengkungannya, berubah menjadi titik, dll.
Seseorang tanpa sadar mengingat legenda mitologi Hindu tentang periode kehidupan; adalah mungkin juga untuk berbicara tentang "penciptaan dunia dari ketiadaan", tetapi semua ini harus dianggap sebagai fakta aneh yang tidak dapat secara kokoh dikonfirmasi oleh bahan eksperimen astronomi yang tidak mencukupi."
Grafik potensi alam semesta Mixmaster terlihat sangat tidak biasa - lubang potensial memiliki dinding yang tinggi, di antaranya terdapat tiga "lembah". Di bawah ini adalah kurva ekuipotensial dari “alam semesta dalam pencampur” semacam itu.
Beberapa tahun setelah publikasi artikel Friedman, modelnya mendapatkan ketenaran dan pengakuan. Einstein menjadi sangat tertarik dengan gagasan tentang alam semesta yang berosilasi, dan dia tidak sendiri. Pada tahun 1932, itu diambil oleh Richard Tolman, profesor fisika matematika dan kimia fisik di Caltech.
Dia bukanlah 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 tidak sepele. Tolman sampai pada kesimpulan bahwa total entropi kosmos harus meningkat dari siklus ke siklus. Akumulasi entropi mengarah pada fakta bahwa semakin banyak energi alam semesta terkonsentrasi dalam radiasi elektromagnetik, yang dari siklus ke siklus semakin mempengaruhi dinamikanya.
Karena itu, panjang siklus bertambah, setiap siklus berikutnya menjadi lebih panjang dari siklus sebelumnya. Osilasi tetap ada, tetapi tidak lagi berkala. Selain itu, dalam setiap siklus baru, jari-jari alam semesta Tolman meningkat.
Akibatnya, pada tahap muai maksimum, ia memiliki kelengkungan terkecil, dan geometrinya semakin lama semakin mendekati geometri Euclidean.
Richard Tolman, saat merancang modelnya, melewatkan kesempatan menarik, yang menjadi perhatian John Barrow dan Mariusz Dombrowski pada tahun 1995. Mereka menunjukkan bahwa rezim osilasi alam semesta Tolman dihancurkan secara permanen ketika parameter kosmologis antigravitasi dimasukkan.
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 dalam situasi serupa juga terjadi pada alam semesta Kasner. Anti-gravitasi, seperti semangat, mengatasi segalanya!
Universe di Mixer
Pada tahun 1967, ahli astrofisika Amerika David Wilkinson dan Bruce Partridge menemukan bahwa radiasi gelombang mikro peninggalan dari segala arah, yang ditemukan tiga tahun sebelumnya, tiba di Bumi dengan suhu yang praktis sama.
Dengan bantuan radiometer yang sangat sensitif yang ditemukan oleh rekan mereka Robert Dicke, mereka menunjukkan bahwa fluktuasi suhu foton relik tidak melebihi sepersepuluh persen (menurut data modern, fluktuasi suhu jauh lebih sedikit).
Karena radiasi ini berasal lebih awal dari 4000 tahun setelah Big Bang, hasil dari Wilkinson dan Partridge memberi alasan untuk percaya bahwa bahkan jika alam semesta kita hampir tidak isotropik pada saat kelahiran, ia memperoleh sifat ini tanpa banyak penundaan.
Hipotesis ini adalah masalah besar bagi kosmologi. Dalam model kosmologis pertama, isotropi ruang diletakkan sejak awal hanya sebagai asumsi matematis. Namun, pada pertengahan abad yang lalu diketahui bahwa persamaan relativitas umum memungkinkan untuk membangun himpunan alam semesta non-isotropik. Dalam konteks hasil ini, isotropi CMB yang hampir ideal memerlukan penjelasan.
Penjelasan ini baru muncul di awal 1980-an dan ternyata sama sekali tidak terduga. Itu dibangun di atas konsep teoritis baru yang fundamental dari perluasan alam semesta supercepat (seperti yang biasanya mereka katakan, inflasi) pada saat-saat pertama keberadaannya. Pada paruh kedua 1960-an, sains belum matang untuk ide-ide revolusioner semacam itu. Tapi, seperti yang Anda tahu, dengan tidak adanya kertas bermaterai, mereka menulis di kertas biasa.
Kosmolog Amerika terkemuka Charles Misner, segera setelah artikel oleh Wilkinson dan Partridge diterbitkan, mencoba menjelaskan isotropi radiasi gelombang mikro dengan menggunakan cara yang cukup tradisional.
Menurut hipotesisnya, ketidakhomogenan alam semesta awal secara bertahap menghilang karena adanya "gesekan" timbal balik dari bagian-bagiannya karena pertukaran neutrino dan fluks cahaya (dalam publikasi pertamanya, Mizner menyebut ini sebagai efek viskositas neutrino).
Menurutnya, viskositas seperti itu dapat dengan cepat memuluskan kekacauan awal dan membuat Semesta hampir homogen dan isotropik sempurna.
Program penelitian Misner tampak indah, tetapi tidak membawa hasil yang praktis. Alasan utama kegagalannya kembali terungkap melalui analisis gelombang mikro.
Setiap proses yang melibatkan gesekan menghasilkan panas, ini adalah konsekuensi dasar dari hukum termodinamika. Jika ketidakhomogenan primer Semesta dihaluskan karena neutrino atau viskositas lain, kerapatan energi CMB akan berbeda secara signifikan dari nilai yang diamati.
Seperti yang ditunjukkan oleh astrofisikawan Amerika Richard Matzner dan rekan Inggrisnya John Barrow pada akhir 1970-an, proses kental hanya dapat menghilangkan ketidakhomogenan kosmologis terkecil. Untuk "merapikan" alam semesta secara lengkap, diperlukan mekanisme lain, dan mekanisme itu ditemukan dalam kerangka teori inflasi.
Meski demikian, Mizner mendapat banyak hasil menarik. Secara khusus, pada tahun 1969 ia menerbitkan model kosmologis baru, yang namanya ia pinjam … dari peralatan dapur, mixer rumah yang dibuat oleh Sunbeam Products! Mixmaster Universe terus berdetak dalam kejang terkuat, yang, menurut Mizner, membuat cahaya bersirkulasi di sepanjang jalur tertutup, mencampur dan menghomogenkan isinya.
Namun, analisis selanjutnya dari model ini menunjukkan bahwa, meskipun foton di dunia Mizner melakukan perjalanan jauh, efek pencampurannya sangat tidak signifikan.
Meskipun demikian, Mixmaster Universe sangat menarik. Seperti alam semesta tertutup Friedman, ia muncul dari volume nol, mengembang ke maksimum tertentu dan berkontraksi lagi di bawah pengaruh gravitasinya sendiri. Tetapi evolusi ini tidak mulus, seperti Friedman, tetapi benar-benar kacau dan karenanya sangat tidak dapat diprediksi secara detail.
Di masa muda, alam semesta ini berosilasi secara intensif, mengembang ke dua arah dan menyusut ke arah ketiga - seperti di Kasner. Namun, orientasi ekspansi dan kontraksi tidak konstan - mereka mengubah tempat secara kacau.
Selain itu, frekuensi osilasi bergantung pada waktu dan cenderung tak terbatas ketika mendekati momen awal. Alam semesta seperti itu mengalami deformasi yang kacau, seperti jeli yang gemetar di atas piring. Deformasi ini sekali lagi dapat diartikan sebagai manifestasi gelombang gravitasi yang bergerak ke berbagai arah, jauh lebih ganas daripada model Kasner.
Alam Semesta Mixmaster memasuki sejarah kosmologi sebagai alam semesta imajiner paling kompleks yang diciptakan atas dasar relativitas umum yang "murni". Sejak awal 1980-an, konsep paling menarik dari jenis ini mulai menggunakan ide dan peralatan matematika dari teori medan kuantum dan teori partikel elementer, dan kemudian, tanpa banyak penundaan, dan teori superstring.
