Az univerzum valójában egy fraktál?

A világegyetem hatalmas és bonyolult, tele olyan struktúrákkal, amelyek az emberi képzeletet is meghaladják. A legnagyobb galaxishalmazoktól...

A világegyetem hatalmas és bonyolult, tele olyan struktúrákkal, amelyek az emberi képzeletet is meghaladják. A legnagyobb galaxishalmazoktól a legkisebb szubatomi részecskékig egy lenyűgöző kérdés merül fel: mutat-e az univerzum fraktálszerű viselkedést?

Másképp fogalmazva, ha különböző skálákon belenagyítunk vagy eltávolodunk, találunk-e ismétlődő mintákat, amelyek ugyanazokat a statisztikai jellemzőket tartják fenn? Bár a kérdésre adott válasz összetett, úgy tűnik, hogy a világegyetem bizonyos köztes skálákon fraktálszerű tulajdonságokat mutat, de nem teljes mértékben. Nézzük meg közelebbről ennek az izgalmas témának a tudományos hátterét.

Mik azok a fraktálok?

A fraktál matematikai konstrukció, amelyben hasonló mintázatok ismétlődnek különböző skálákon. Matematikailag a fraktálok lehetnek önhasonlóak (azaz azonosak minden szinten) vagy kvázi-önhasonlóak (szinte azonosak, de apró különbségekkel). A Mandelbrot-halmaz a fraktálok legismertebb példája.

A Mandelbrot-halmaz a komplex számsíkon ábrázolható, ahol minden komplex szám, n, iteratív folyamaton megy keresztül:

n, n²+n, (n²+n)²+n, ((n²+n)²+n)²+n, ...

Ha a sorozat nem tart a végtelenbe, akkor n a Mandelbrot-halmaz része. Ha ezt grafikus formában ábrázoljuk, a halmaz bonyolult, ismétlődő mintázatokat mutat egyre kisebb és kisebb skálákon. A fizikában és a kozmológiában a fraktálok gondolata azért vonzó, mert hasonló folyamatok játszódhatnak le különböző skálákon, és olyan szerkezeteket hozhatnak létre, amelyek önhasonlóak.

Fraktálok a világegyetemben

A legnagyobb skálákon a világegyetemet a gravitáció uralja, és a hatalmas objektumok közötti kölcsönhatások figyelemre méltó mintázatokat hoznak létre. Amikor a kozmológusok például a sötét anyag eloszlását szimulálják, lenyűgöző konzisztenciát találnak a különböző skálák között. Az így létrejövő szerkezetek hasonló sűrűségeloszlási profilokat követnek:

• Központi régió, ahol a sűrűség magas.
• A sűrűség csökkenése egy adott sugárnál kiszámítható ütemben.
• Kisebb léptékű szerkezetek beágyazva nagyobbakba.

Ez a galaxisok, sötét anyag halók és filamentumok kozmikus hálózata fraktálszerűnek tűnhet. Azonban három kritikus tényező különbözteti meg a világegyetemet az igazi fraktáloktól: az anyagi részecskék jelenléte, a sugárzás szerepe és a sötét energia hatása.

A közönséges anyag szerepe

A közönséges anyag, ellentétben a sötét anyaggal, olyan módon lép kölcsönhatásba, amely megzavarja a fraktálszerű viselkedést. Az anyag ütközik, felmelegszik, csillagokat formál, és bonyolult folyamatokon, például nukleáris fúzión megy keresztül. Ezek a folyamatok véletlenszerűséget és összetettséget vezetnek be, ami megszakítja a sötét anyag szerkezetének önhasonlóságát.

Például bár a sötét anyag halókban egymásba ágyazott struktúrák alakulhatnak ki, a közönséges anyag - galaxisok, csillagok és bolygók formájában - olyan szintű komplexitást teremt, amely lehetetlenné teszi a pontos önhasonlóságot.

Sugárzás és a korai világegyetem

A sugárzás különösen fontos szerepet játszik a világegyetem szerkezetének kialakításában, különösen annak korai szakaszában. Az anyagtól eltérően a sugárzás energiája a hullámhosszától függ, és ahogy a világegyetem tágul, ez a hullámhossz megnövekszik, csökkentve a sugárzás hatását.

A korai világegyetemben a sugárzás uralta a dinamikát, és kiszűrte a kis léptékű sűrűségfluktuációkat. Ennek eredményeként az önhasonlóság a legkisebb skálákon elfojtásra került. Az elsőként kialakuló struktúrák tömege körülbelül 100 000 naptömeg volt, amely a gömbhalmazok és törpegalaxisok méretének felel meg. Az ennél kisebb struktúrák nem önhasonló gravitációs folyamatok, hanem inkább kaotikus kölcsönhatások révén jöttek létre.

Sötét energia és a legnagyobb skálák

A spektrum másik végén a sötét energia jelenléte alapvetően korlátozza a kozmikus struktúrák méretét. A sötét energia a világegyetem gyorsuló tágulását hajtja, hatékonyan megszakítva a gravitációs kölcsönhatásokat a legnagyobb skálákon.

Ha a világegyetem tisztán anyagvezérelt lenne, a struktúrák végtelenül nőhetnének, egyre nagyobb fraktálszerű mintákat alkotva. A sötét energia azonban egy határt szab, biztosítva, hogy a világegyetem legnagyobb koherens struktúrái legfeljebb néhány milliárd fényév átmérőjűek legyenek. Ez a véges határ megakadályozza, hogy a világegyetem a legnagyobb skálákon fraktálszerű legyen.

Köztes skálák: A fraktálok játszótere

A legígéretesebb terület a fraktálszerű viselkedés vizsgálatára a köztes skálákon található. Itt a sötét energia hatása elhanyagolható, és a sugárzás már nem dominál. Ehelyett a gravitáció viszonylag akadálytalanul működik, lehetővé téve az egymásba ágyazott struktúrák kialakulását:

• Sötét anyag halók: Gömb alakú sötét anyag régiók, amelyek sűrűbbek a középpontjuknál.
• Galaxisok és alhálók: Kisebb struktúrák nagyobb halókba ágyazva, amelyeket sötét anyag és gáz filamentumai kötnek össze.
• A kozmikus háló: Egy hatalmas, egymáshoz kapcsolódó filamentumokból, halmazokból és üregekből álló hálózat, amely egy pókhálóhoz hasonlít.

A szimulációk azt mutatják, hogy ez a kozmikus háló önhasonló tulajdonságokat mutat, ahol a kisebb skálák szerkezetei tükrözik a nagyobb mintákat.

Egy világegyetem a fraktálokon túl

Bár köztes skálákon fraktálszerű viselkedés figyelhető meg, a világegyetem egésze nem egy igazi fraktál. A legkisebb skálákon a közönséges anyag és a sugárzás fizikája, a legnagyobb skálákon pedig a sötét energia korlátozza az önhasonlóságot. Ez azt jelenti, hogy a világegyetem fraktál dimenziója a vizsgált skálától függően változik.

A kozmológusok továbbra is mérik a világegyetem fraktális tulajdonságait, gyakran egy "fraktális dimenziónak" nevezett matematikai fogalmat használva. Ez a paraméter azt kvantifikálja, hogy egy szerkezet bonyolultsága hogyan változik a skálával. A megfigyelések szerint a világegyetem fraktális dimenziója 3 felé közelít (ami egységességet jelez) a legnagyobb skálákon, de kisebb skálákon, ahol a halmozódás dominál, eltér ettől.

A fraktálkutatások jövője

Az olyan új teleszkópoknak és obszervatóriumoknak köszönhetően, mint a James Webb Űrteleszkóp és a következő generációs földi létesítmények, a tudósok most a világegyetem szerkezetét példátlan részletességgel tanulmányozhatják. Távoli objektumok nagy vöröseltolódású megfigyelésével - ahol a sötét energia hatása még elhanyagolható volt - kutatók remélik, hogy jobban megértik a kozmosz önhasonló tulajdonságait.

Ez a munka nem pusztán elméleti. A világegyetem fraktálszerű viselkedésének tanulmányozásával alapvető kérdésekre kaphatunk választ a sötét anyaggal, a gravitáció természetével és a világegyetem korai feltételeivel kapcsolatban.

Következtetés

A világegyetem a komplexitás mesterműve, amely bizonyos régiókban és skálákon fraktálszerű mintázatokat mutat. Köztes skálákon a gravitáció önhasonló struktúrákat hoz létre, amelyből kialakul az általunk ismert kozmikus háló. Ugyanakkor a közönséges anyag, a sugárzás és a sötét energia hatásai megakadályozzák, hogy a világegyetem valódi fraktál legyen.

E korlátok ellenére a világegyetem fraktálszerű viselkedésének tanulmányozása gazdag és izgalmas terület marad. E mintázatok felfedezésével nemcsak a kozmikus szerkezetek természetét tárhatjuk fel, hanem a valóságot irányító alapvető törvényeket is. A világegyetem talán nem tökéletes fraktál, de kvázi-önhasonló szépsége végtelen felfedezési lehetőséget kínál. (1)

(1) - https://bigthink.com/starts-with-a-bang/universe-fractal/