Turbulentní vesmíry

rubrika: Populárně naučný koutek


Po pojednání o horkém vesmíru dnes přicházím s vesmírem turbulentním. Tenhle model vesmíru je velmi zajímavý a dotýká se jednoho klasického fyzikálního problému, jenž se v samotné podstatě nepotýká ani s teorií relativity, ani s kvantovou mechanikou, a přesto je dodnes stále matematicky neuchopitelný. S turbulencí v kapalinách či plynech se setkáváte téměř na každém rohu, a když se podíváte moderními astronomickými přístroji do vesmíru, tak vám nemůže uniknout, že i on musí být nějak turbulentní. A tak není divu, že se mezi kosmology vynořila myšlenka vysvětlit všechny ty rotující a zploštělé spirální a eliptické galaxie na základě turbulentního modelu vesmíru. Tento model se nakonec ukázal nerealistický, ale něco v těch vesmírných turbulencích je přesto asi ukryto.

 

Lucifer


Až na několik výjimek se raný výzkum vesmírů vynořujících se z Einsteinovy teorie omezoval jen na ty hladké, pravidelné a rozpínající se ve všech směrech touž rychlostí. Taková diskriminace byla v souladu s astronomickými pozorováními. Nebyly totiž pozorovány žádné známky rozdílů v rychlosti expanze v různých směrech a rozmístění pozorovaných galaxií se zdálo náhodné po celém nebi, nenacházely se výrazné odchylky od průměru. Tomu tak bylo až do sedmdesátých let minulého století; tehdy se začalo pracovat s fotometrickými detektory založenými na CCD technologiích. S tímto vybavením bylo možné měřit velmi rychle. Detailně se zmapovaly polohy mnoha galaxií a z jejich rudých posuvů bylo možné usuzovat na jejich vzdálenost, takže vznikla velká trojrozměrná zobrazení jejich rozložení. Výsledné trojrozměrné hvězdné mapy byly velkým překvapením. Odhalily, že dosavadní představy založené na projekcích kosmických objektů na dvojrozměrnou nebeskou sféru byly v mnohém mylné a nedávaly jasnou představu o bohatství a jemných detailech kosmické „sítě“ galaxií.

 

Předpoklady o vysoké symetrii a hladkosti vesmíru byly velkým zjednodušením, díky němuž se dařilo Einsteinovy rovnice snadno řešit. Bylo třeba vydat se cestou realističtějšího popisu vesmíru – reálný vesmír přece obsahuje galaxie a jiné nepravidelnosti v rozložení hmoty. Jak tyto nepravidelnosti vznikly? Proč nabyly takových tvarů a rozměrů, jaké dnes pozorujeme? Nad původem galaxií se jako první zamýšlel Lemaître a Lifšicův článek o stabilitě rozpínajícího se vesmíru s malými odchylkami od dokonalé homogenity podal důležité vysvětlení, proč vesmír obsahuje tolik „kousků“ materiálu ve formě hvězd a galaxií, který je založený na procesu gravitační nestability s tím, že expanze zpomaluje rychlost narůstání nehomogenit. Kupení materiálu musí převážit nad obecným trendem expanze, která se snaží vznikající aglomerace rozptýlit, takže není divu, že proces probíhá pomaleji, než jak byl původně tento proces interpretován.

 

Mnohé kosmology však zajímalo, zda lze přítomnost galaxií ve vesmíru vysvětlit jen tímto jednoduchým mechanismem. Proč galaxie obsahují většinou 100 až 1 000 miliard hvězd? Proč mají spirální a eliptické tvary? A ta nejzajímavější otázka: Proč jich tolik rotuje?

 

Mezi lety 1944 a 1951 začal německý fyzik Carl von Weizsäcker uvažovat o tom, zda řada vesmírných struktur není pozůstatkem turbulence v rané historii vesmíru. S turbulencí se setkáváme skoro všude, možná vás ale překvapí, že tak běžný jev představuje téměř neřešitelný problém pro matematiky zabývající se prouděním kapalin. Je-li proud rychlý a vířící, je velmi obtížné dospět k jasnému pochopení toho, co se děje. Je-li proud pomalý a turbulence jsou jemné, pak je naděje, že numerický výpočet bude úspěšný, jinak ale složitost problému porazí naše počítače a jejich výpočetní možnosti. Jedna ze sedmi „Cen milénia“ Clayova matematického ústavu, jež mají být uděleny za vyřešení určitých matematických problémů (a činí milion dolarů), čeká na toho, kdo problém turbulence (Navierovu-Stokesovu rovnici) vyřeší.

 

Von Weizsäcker se především snažil vysvětlit vznik naší sluneční soustavy a pohyb hvězd v galaxiích. Zaujal ho vzhled spirálních galaxií; budil totiž dojem, že jejich podobnost víru je reziduem předchozí turbulentní historie vesmíru. Na jeho výpravě ho podporoval jeho krajan Werner Heisenberg, jeden z architektů kvantové mechaniky, který rozvinul matematickou teorii turbulence a zůstal tímto jevem fascinován po celou svou kariéru.

 

Je sice snadné si představit, že se galaxie vynořily z turbulentního chaosu, mnohem těžší je však přeměnit takovou koncepci v přesnou teorii. Turbulenci vědci nerozuměli ani v laboratoři, tím méně jí rozuměli v rozpínajícím se vesmíru, třebaže tam je výhodou, že děje probíhají pomaleji a hmotné víry se točí v prostoru volně bez omezujících stěn, trysek či výpustí, které dělají turbulenci v koupelně tak složitou. (Luciferova poznámka: A co třeba obří černé díry v centru většiny galaxií. Nejsou to něco jako „výpustě“, v nichž by po sice nesmírně dlouhé době, ale přece jenom mohla zmizet skoro všechna hmota našeho vesmíru? Viz kupříkladu Černé díry od Vojtěcha Ullmanna.)

 

Turbulence má jeden význačný rys: vzniká-li z velkých vírů v kapalině, pak se energie těchto vírů kaskádovitě přenáší na víry menší; nakonec budou víry tak malé, že zaniknou v důsledku tření. V roce 1941 vyslovil velký ruský matematik Andrej Kolmogorov hypotézu, že mezi nástupem turbulence z velikého víru a jejím zánikem v důsledku viskozity kapaliny má kapalina snahu přenášet energii z větších vírů na menší konstantní rychlostí. Proto je rotační rychlost vírů úměrná třetí odmocnině jejich průměrů a to platí pro širokou škálu měřítek, bez ohledu na to, jak turbulence původně vznikla a jak nakonec viskózním třením zanikne. Jenže historie turbulentního vesmíru je mnohem komplikovanější.

 

Během prvních 300 000 let rozpínání vesmíru je rychlost zvuku značně vysoká, a vířivý pohyb je proto subsonický. Když se ale elektrony spojí s protony a vytvoří atomy, elektromagnetické záření přestane interagovat s elektrony a v důsledku toho rychlost zvuku dramaticky poklesne. Následují kataklyzmatické události: vytvářejí se obrovské rázové vlny a ve vesmírné hmotě vznikají velké nepravidelnosti. Předpokládá se, že galaxie se vytvořily z těchto nahromadění hmoty vyvolaných rázovými vlnami. Když se vše zklidní, zůstanou velké rotující galaxie.

 

Dva velké problémy však nakonec celou myšlenku turbulentního vesmíru zabily. Zprvu se zdálo, že turbulentní víry celkové rozpínání vesmíru příliš neovlivní. Bohužel se ukázalo, že to není pravda. Přestože se rychlost vírů nemění, když je sledujeme zpět v čase, jejich gravitační účinek na celkovou expanzi vesmíru neustále roste. Před určitou konečnou dobou musel vesmír být podle turbulentního obrazu ve stavu chaotické turbulentní neuspořádanosti. Pokud měly mít víry dostatečnou rychlost, aby zformovaly takové galaxie, jaké dnes pozorujeme, stav totálního turbulentního chaosu by musel trvat příliš dlouho, což by se neslučovalo s pozorováním reliktního záření.

 

Druhým problémem těchto turbulentních scénářů byla radikální změna naší představy o rotujících galaxiích. Až do roku 1974 se astronomové domnívali, že eliptické galaxie rotují, a čím rychleji se otáčejí, tím jsou zploštělejší. Tehdy však jeden oxfordský postgraduální student ukázal, že zploštění eliptických galaxií není třeba vysvětlovat jejich rotací a že se hvězdy v těchto galaxiích pohybují po náhodných drahách a jejich celkový tvar je důsledkem procesu, kterým se utvářely. Jeho představu postupně potvrdila pozorování: rotační rychlost mnohých eliptických galaxií byla natolik nízká, že nemohla jejich zploštění vysvětlit, a některé z nich dokonce rotovaly kolem špatné osy.

 

Zdroj: John D. Barrow, Kniha vesmírů


komentářů: 47         



Komentáře (47)


Vložení nového příspěvku
Jméno
E-mail  (není povinné)
Název  (není povinné)
Příspěvek 
PlačícíÚžasnýKřičícíMrkajícíNerozhodnýS vyplazeným jazykemPřekvapenýUsmívající seMlčícíJe na prachySmějící seLíbajícíNevinnýZamračenýŠlápnul vedleRozpačitýOspalýAhojZamilovaný
Kontrolní kód_   

« strana 1 »

51 Problém?
mefi (neregistrovaný) 17.02.2015, 08:52:31

Za lineární velikost vesmíru je třeba dosadit rychlost světla * stáří vesmíru. Proč nevím. Je to ale ve shodě s rozborem velikosti Planckovy škály pro čas a délku.

Překvapený

Lucifer
46
Lucifer * 10.04.2014, 00:46:36
mefi, s nějakými překlepy a podobnými ptákovinami si nelámej hlavu, komentáře to snesou a důležitější je jejich obsah. Úžasný

45 Tož ještě omluva za gramatiku
mefi (neregistrovaný) 10.04.2014, 00:28:25

Já ty mé atentáty na četinu vidím, ale když zápasím s obsahem, tak forma jde stranou.

Berte to, prosím, tak, že jako blázen nezvládám dvě činnosti najednou.

U básniček, tam už si v blízké budoucnosti dám pozor.

Konec omluvy českém jazyce.

Mrkající

Lucifer
44
Lucifer * 10.04.2014, 00:23:03
Nápodobně mefi, ten odkaz je docela zajímavý, podrobněji si ho však prohlédnu až někdy po následném probuzení, teď už se mi mlží oči. Mrkající

43 Závěrečná poznámka
mefi (neregistrovaný) 10.04.2014, 00:13:52

Povšimněte si prosím, že výpočtem množství hmoty z Planckovi škály vychází téměř přesně dvojnásobek hodnoty, který bych mohl získat ze známé hodnoty hustoty hmotnosti vesmíru a velikosti pro případ koule o velikosti 13.82E9 ly.

Že by se mohlo jednat o námi postrádanou antihmotu, která může být lstně nepřístupna našemu pohledu díky vlastnostem topologie vesmíru mohu jenom spekulovat.

Možná, že Vás zujme i bilance energie při anihilaci, pak Vám mohu doporučit Oddíl Spor v blábolu:

www.procesing.cz/kosmos.pdf


Světlonoši, dík za spolupráci!

Usmívající se

42 Odhad relativní chyby
mefi (neregistrovaný) 09.04.2014, 22:52:37

Pokud počítáme hustotu vesmíru pomocí třírozměrné koule dostáváme se k hodnotě

1.9e-26 kg.m^-3

Použijeme-li dvanáctistěn pak hustota vychází asi

1.4e-26 kg.m^-3

Hodnota považovaná za správný odhad činí

9.9e-27 kg.m^-3

Což pro třírozměrnou kouli představuje relativní chybu

47%

a pro dvanáctistěn (lepší výsledek)

30%

pokud bychom počítali hustotu pomocí objemu čtyřrozměrné koule, pak pro hustotu dostáváme číslo

1.2e-52 kg.m^-4

Což představuje relativní chybu

9e27 %

Vztah pro výpočet hyperdodekahedronu se mi nepodařilo zatím nalézt, ale relativní chyby se pravděpodobně budou lišit jen v mantise, ne v charakteristice.

Tak se zdá, že zvyšováním počtů rozměrů pro náš vesmír, zlato nevznikne (pardon, vyfukováním kouře do umyvadla - Jára Cimrman).

V literatuře lze nalézt úvahu, že Planckovy jednotky se nemění už od času 10^-40 s od velkého třesku.

To, že vesmír ve svém historickém počátku (kvantová pěna) mohl mít vícerozměrů, včetně vícerozměrného času nelze zamítnout.

Ale dovoluji se domnívat, že v fyzika v této chvíli drží pevně v obou rukou slepeckou hůl.

Mrkající








Lucifer
41
Lucifer * 08.04.2014, 18:55:57
mefi, máš pravdu, je to ten první odkaz, nějak mi to uniklo.

40 Chyba není na straně NČ
mefi (neregistrovaný) 08.04.2014, 18:49:21

Světlonoši, chyba odkazu je v originálním bulletinu Petra Kulhánka, už jsem mu ji hlásil.

Dík za upozornění!

39 Výpočet objemu dodekahedronu
mefi (neregistrovaný) 08.04.2014, 18:34:42

http://en.wikipedia.org/wiki/Dodecahedron

A tu mezivýsledek na tři platné číslice:

7,66 * a^3

Vztah mezi poloměrem r opsané (vepsané) koule dodekahedronu a velikostí hrany a:

ru = 1.40 * a

ri = 1.11 * a

odvození např. zde.:

http://www.shlomifish.org/MathVentures/dodeca.html

Mrkající

Lucifer
38
Lucifer * 08.04.2014, 18:23:43
mefi, ten odkaz v komentáři [33] je aktivní, tvůj nový odkaz je o dvanáctistěnu, podobně jako ten předchozí, oba fungují.

37 Omluva za neplatný odkaz
mefi (neregistrovaný) 08.04.2014, 18:14:42

v komentáři #33 je už odkaz neplatný, ale článek lze dohledat na arxivu jako:

http://arxiv.org/pdf/astro-ph/0310253.pdf

Mrkající

36 A mnohé další dvanáctistěny...
mefi (neregistrovaný) 06.04.2014, 15:55:48

http://www.darius.cz/ag_nikola/cl_dvanacti.html

Díky za zpětnou vazbu, Světlonoši!

Mrkající


34 Tož fyzikální čtvrtek Petra K.
mefi (neregistrovaný) 06.04.2014, 03:03:40

Prof. RNDr. Petr Kulhánek, CSc, FEL ČVUT

Dodekahedron - žijeme v dvanáctistěnu?

http://www.avc-cvut.cz/akce/doc-rndr-petr-kulhanek-csc-fel-cvut-dodekahedron-zijeme-v-dvanactistenu

Mrkající

33 Tak nám zabili Ferdinanda!
mefi (neregistrovaný) 06.04.2014, 02:52:07

Tedy spíše zbalené dimenze!

A což takhle zkusit dodekahedron, paní Müllerová!

Není žádným tajemstvím, že výsledek počtu dimenzí se výrazně blíží n -> 3, tedy alespoň pro uvažovanou hyperkouli.

Ale my přeci víme, že vesmír v kosmologické krystalografii není n-rozměrná koule, ale spíše ve smyslu rozboru reliktního záření dodekahedron.

Pokusí se někdo z Vás provést výpočet počtu dimenzí pro hyperdodekahedron?

Inspirace:

Petr Kulhánek: Topologie vesmíru - může být vesmír jako ementál?

http://www.aldebaran.cz/bulletin/2003_43_top.html

Respektive první odkaz v seznamu literatury:

J. P. Luminet, J. R. Weeks, et al.: Dodecahedral space topology ...; Letters to Nature, Nature 425 (2003) 593

S vyplazeným jazykem




«     1    2  3  4   »