Возможные три варианта изменения радиуса кривизны вселенной. Экзотические вселенные. Комбинации с тором
Знаете ли вы о том, что наблюдаемая нами Вселенная имеет довольно определённые границы? Мы привыкли ассоциировать Вселенную с чем-то бесконечным и непостижимым. Однако современная наука на вопрос о «бесконечности» Вселенной предлагает совсем другой ответ на столь «очевидный» вопрос.
Согласно современным представлениям, размер наблюдаемой Вселенной составляет примерно 45,7 миллиардов световых лет (или 14,6 гигапарсек). Но что означают эти цифры?
Первый вопрос, который приходит в голову обычному человеку – как Вселенная вообще не может быть бесконечной? Казалось бы, бесспорным является то, что вместилище всего сущего вокруг нас не должно иметь границ. Если эти границы и существуют, то что они вообще собой представляют?
Допустим, какой-нибудь астронавт долетел до границ Вселенной. Что он увидит перед собой? Твёрдую стену? Огненный барьер? А что за ней – пустота? Другая Вселенная? Но разве пустота или другая Вселенная могут означать, что мы на границе мироздания? Ведь это не означает, что там находится «ничего». Пустота и другая Вселенная – это тоже «что-то». А ведь Вселенная – это то, что содержит абсолютно всё «что-то».
Мы приходим к абсолютному противоречию. Получается, граница Вселенной должна скрывать от нас что-то, чего не должно быть. Или граница Вселенной должна отгораживать «всё» от «чего-то», но ведь это «что-то» должно быть также частью «всего». В общем, полный абсурд. Тогда как учёные могут заявлять о граничном размере, массе и даже возрасте нашей Вселенной? Эти значения хоть и невообразимо велики, но всё же конечны. Наука спорит с очевидным? Чтобы разобраться с этим, давайте для начала проследим, как люди пришли к современному понимаю Вселенной.
Расширяя границы
Человек с незапамятных времён интересовался тем, что представляет собой окружающий их мир. Можно не приводить примеры о трёх китах и прочие попытки древних объяснить мироздание. Как правило, в конечном итоге все сводилось к тому, что основой всего сущего является земная твердь. Даже во времена античности и средневековья, когда астрономы имели обширные познания в закономерностях движения планет по «неподвижной» небесной сфере, Земля оставалась центром Вселенной.
Естественно, ещё в Древней Греции существовали те, кто считал то, что Земля вращается вокруг Солнца. Были те, кто говорил о множестве миров и бесконечности Вселенной. Но конструктивные обоснования этим теориям возникли только на рубеже научной революции.
В 16 веке польский астроном Николай Коперник совершил первый серьёзный прорыв в познании Вселенной. Он твёрдо доказал, что Земля является лишь одной из планет, обращающихся вокруг Солнца. Такая система значительно упрощала объяснение столь сложного и запутанного движения планет по небесной сфере. В случае неподвижной Земли астрономам приходилось выдумывать всевозможные хитроумные теории, объясняющие такое поведение планет. С другой стороны, если Землю принять подвижной, то объяснение столь замысловатым движениям приходит, само собой. Так в астрономии укрепилась новая парадигма под названием «гелиоцентризм».
Множество Солнц
Однако даже после этого астрономы продолжали ограничивать Вселенную «сферой неподвижных звёзд». Вплоть до 19 века им не удавалось оценить расстояние до светил. Несколько веков астрономы безрезультатно пытались обнаружить отклонения положения звёзд относительно движения Земли по орбите (годичные параллаксы). Инструменты тех времён не позволяли проводить столь точные измерения.
Наконец, в 1837 году русско-немецкий астроном Василий Струве измерил параллакс . Это ознаменовало новый шаг в понимании масштабов космоса. Теперь учёные могли смело говорить о том, что звезды являют собой далекие подобия Солнца. И наше светило отныне не центр всего, а равноправный «житель» бескрайнего звёздного скопления.
Астрономы ещё больше приблизились к пониманию масштабов Вселенной, ведь расстояния до звёзд оказались воистину чудовищными. Даже размеры орбит планет казались по сравнению с этим чем-то ничтожным. Дальше нужно было понять, каким образом звёзды сосредоточены во .
Множество Млечных Путей
Известный философ Иммануил Кант ещё в 1755 предвосхитил основы современного понимания крупномасштабной структуры Вселенной. Он выдвинул гипотезу о том, что Млечный Путь является огромным вращающимся звёздным скоплением. В свою очередь, многие наблюдаемые туманности также являются более удалёнными «млечными путями» — галактиками. Не смотря на это, вплоть до 20 века астрономы придерживались того, что все туманности являются источниками звёздообразования и входят в состав Млечного Пути.
Ситуация изменилась, когда астрономы научились измерять расстояния между галактиками с помощью . Абсолютная светимость звёзд такого типа лежит в строгой зависимости от периода их переменности. Сравнивая их абсолютную светимость с видимой, можно с высокой точностью определить расстояние до них. Этот метод был разработан в начале 20 века Эйнаром Герцшрунгом и Харлоу Шелпи. Благодаря ему советский астроном Эрнст Эпик в 1922 году определил расстояние до Андромеды, которое оказалось на порядок больше размера Млечного Пути.
Эдвин Хаббл продолжил начинание Эпика. Измеряя яркости цефеид в других галактиках, он измерил расстояние до них и сопоставил его с красным смещением в их спектрах. Так в 1929 году он разработал свой знаменитый закон. Его работа окончательно опровергла укрепившееся мнение о том, что Млечный Путь является краем Вселенной. Теперь он был одной из множества галактик, которые ещё когда-то считали его составной частью. Гипотеза Канта подтвердилась почти через два столетия после её разработки.
В дальнейшем, открытая Хабблом связь расстояния галактики от наблюдателя относительно скорости её удаления от него, позволило составить полноценную картину крупномасштабной структуры Вселенной. Оказалось, галактики были лишь её ничтожной частью. Они связывались в скопления, скопления в сверхскопления. В свою очередь, сверхскопления складываются в самые большие из известных структур во Вселенной – нити и стены. Эти структуры, соседствуя с огромными сверхпустотами () и составляют крупномасштабную структуру, известной на данный момент, Вселенной.
Очевидная бесконечность
Из вышесказанного следует то, что всего за несколько веков наука поэтапно перепорхнула от геоцентризма к современному пониманию Вселенной. Однако это не даёт ответа, почему мы ограничиваем Вселенную в наши дни. Ведь до сих пор речь шла лишь о масштабах космоса, а не о самой его природе.
Первым, кто решился обосновать бесконечность Вселенной, был Исаак Ньютон. Открыв закон всемирного тяготения, он полагал, что будь пространство конечно, все её тела рано или поздно сольются в единое целое. До него мысль о бесконечности Вселенной если кто-то и высказывал, то исключительно в философском ключе. Без всяких на то научных обоснований. Примером тому является Джордано Бруно. К слову, он подобно Канту, на много столетий опередил науку. Он первым заявил о том, что звёзды являются далёкими солнцами, и вокруг них тоже вращаются планеты.
Казалось бы, сам факт бесконечности довольно обоснован и очевиден, но переломные тенденции науки 20 века пошатнули эту «истину».
Стационарная Вселенная
Первый существенный шаг на пути к разработке современной модели Вселенной совершил Альберт Эйнштейн. Свою модель стационарной Вселенной знаменитый физик ввёл в 1917 году. Эта модель была основана на общей теории относительности, разработанной им же годом ранее. Согласно его модели, Вселенная является бесконечной во времени и конечной в пространстве. Но ведь, как отмечалось ранее, согласно Ньютону Вселенная с конечным размером должна сколлапсироваться. Для этого Эйнштейн ввёл космологическую постоянную, которая компенсировала гравитационное притяжение далёких объектов.
Как бы это парадоксально не звучало, саму конечность Вселенной Эйнштейн ничем не ограничивал. По его мнению, Вселенная представляет собой замкнутую оболочку гиперсферы. Аналогией служит поверхность обычной трёхмерной сферы, к примеру – глобуса или Земли. Сколько бы путешественник ни путешествовал по Земле, он никогда не достигнет её края. Однако это вовсе не означает, что Земля бесконечна. Путешественник просто-напросто будет возвращаться к тому месту, откуда начал свой путь.
На поверхности гиперсферы
Точно также космический странник, преодолевая Вселенную Эйнштейна на звездолёте, может вернуться обратно на Землю. Только на этот раз странник будет двигаться не по двумерной поверхности сферы, а по трёхмерной поверхности гиперсферы. Это означает, что Вселенная имеет конечный объём, а значит и конечное число звёзд и массу. Однако ни границ, ни какого-либо центра у Вселенной не существует.
К таким выводам Эйнштейн пришёл, связав в своей знаменитой теории пространство, время и гравитацию. До него эти понятия считались обособленными, отчего и пространство Вселенной было сугубо евклидовым. Эйнштейн доказал, что само тяготение является искривлением пространства-времени. Это в корне меняло ранние представления о природе Вселенной, основанной на классической ньютоновской механике и евклидовой геометрии.
Расширяющаяся Вселенная
Даже сам первооткрыватель «новой Вселенной» не был чужд заблуждений. Эйнштейн хоть и ограничил Вселенную в пространстве, он продолжал считать её статичной. Согласно его модели, Вселенная была и остаётся вечной, и её размер всегда остаётся неизменным. В 1922 году советский физик Александр Фридман существенно дополнил эту модель. Согласно его расчётам, Вселенная вовсе не статична. Она может расширяться или сжиматься со временем. Примечательно то, Фридман пришёл к такой модели, основываясь на всё той же теории относительности. Он сумел более корректно применить эту теорию, минуя космологическую постоянную.
Альберт Эйнштейн не сразу принял такую «поправку». На помощь этой новой модели пришло, упомянутое ранее открытие Хаббла. Разбегание галактик бесспорно доказывало факт расширения Вселенной. Так Эйнштейну пришлось признать свою ошибку. Теперь Вселенная имела определённый возраст, который строго зависит от постоянной Хаббла, характеризующей скорость её расширения.
Дальнейшее развитие космологии
По мере того, как учёные пытались решить этот вопрос, были открыты многие другие важнейшие составляющие Вселенной и разработаны различные её модели. Так в 1948 году Георгий Гамов ввёл гипотезу «о горячей Вселенной», которая в последствие превратится в теорию большого взрыва. Открытие в 1965 году подтвердило его догадки. Теперь астрономы могли наблюдать свет, дошедший с того момента, когда Вселенная стала прозрачна.
Тёмная материя, предсказанная в 1932 году Фрицом Цвикки, получила своё подтверждение в 1975 году. Тёмная материя фактически объясняет само существование галактик, галактических скоплений и самой Вселенской структуры в целом. Так учёные узнали, что большая часть массы Вселенной и вовсе невидима.
Наконец, в 1998 в ходе исследования расстояния до было открыто, что Вселенная расширяется с ускорением. Этот очередной поворотный момент в науке породил современное понимание о природе Вселенной. Введённый Эйнштейном и опровергнутый Фридманом космологический коэффициент снова нашёл своё место в модели Вселенной. Наличие космологического коэффициента (космологической постоянной) объясняет её ускоренное расширение. Для объяснения наличия космологической постоянной было введено понятия – гипотетическое поле, содержащее большую часть массы Вселенной.
Современное представление о размере наблюдаемой Вселенной
Современная модель Вселенной также называется ΛCDM-моделью. Буква «Λ» означает присутствие космологической постоянной, объясняющей ускоренное расширение Вселенной. «CDM» означает то, что Вселенная заполнена холодной тёмной материей. Последние исследования говорят о том, что постоянная Хаббла составляет около 71 (км/с)/Мпк, что соответствует возрасту Вселенной 13,75 млрд. лет. Зная возраст Вселенной, можно оценить размер её наблюдаемой области.
Согласно теории относительности информация о каком-либо объекте не может достигнуть наблюдателя со скоростью большей, чем скорость света (299792458 м/c). Получается, наблюдатель видит не просто объект, а его прошлое. Чем дальше находится от него объект, тем в более далёкое прошлое он смотрит. К примеру, глядя на Луну, мы видим такой, какой он была чуть более секунды назад, Солнце – более восьми минут назад, ближайшие звёзды – годы, галактики – миллионы лет назад и т.д. В стационарной модели Эйнштейна Вселенная не имеет ограничения по возрасту, а значит и её наблюдаемая область также ничем не ограничена. Наблюдатель, вооружаясь всё более совершенными астрономическими приборами, будет наблюдать всё более далёкие и древние объекты.
Другую картину мы имеем с современной моделью Вселенной. Согласно ей Вселенная имеет возраст, а значит и предел наблюдения. То есть, с момента рождения Вселенной никакой фотон не успел бы пройти расстояние большее, чем 13,75 млрд световых лет. Получается, можно заявить о том, что наблюдаемая Вселенная ограничена от наблюдателя шарообразной областью радиусом 13,75 млрд. световых лет. Однако, это не совсем так. Не стоит забывать и о расширении пространства Вселенной. Пока фотон достигнет наблюдателя, объект, который его испустил, будет от нас уже в 45,7 миллиардах св. лет. Этот размер является горизонтом частиц, он и является границей наблюдаемой Вселенной.
За горизонтом
Итак, размер наблюдаемой Вселенной делится на два типа. Видимый размер, называемый также радиусом Хаббла (13,75 млрд. световых лет). И реальный размер, называемый горизонтом частиц (45,7 млрд. св. лет). Принципиально то, что оба эти горизонта совсем не характеризуют реальный размер Вселенной. Во-первых, они зависят от положения наблюдателя в пространстве. Во-вторых, они изменяются со временем. В случае ΛCDM-модели горизонт частиц расширяется со скоростью большей, чем горизонт Хаббла. Вопрос на то, сменится ли такая тенденция в дальнейшем, современная наука ответа не даёт. Но если предположить, что Вселенная продолжит расширяться с ускорением, то все те объекты, которые мы видим сейчас рано или поздно исчезнут из нашего «поля зрения».
На данный момент самым далёким светом, наблюдаемым астрономами, является реликтовое излучение. Вглядываясь в него, учёные видят Вселенную такой, какой она была через 380 тысяч лет после Большого Взрыва. В этот момент Вселенная остыла настолько, что смогла испускать свободные фотоны, которые и улавливают в наши дни с помощью радиотелескопов. В те времена во Вселенной не было ни звёзд, ни галактик, а лишь сплошное облако из водорода, гелия и ничтожного количества других элементов. Из неоднородностей, наблюдаемых в этом облаке, в последствие сформируются галактические скопления. Получается, именно те объекты, которые сформируются из неоднородностей реликтового излучения, расположены ближе всего к горизонту частиц.
Истинные границы
То, имеет ли Вселенная истинные, не наблюдаемые границы, до сих пор остаётся предметом псевдонаучных догадок. Так или иначе, все сходятся на бесконечности Вселенной, но интерпретируют эту бесконечность совсем по-разному. Одни считают Вселенную многомерной, где наша «местная» трёхмерная Вселенная является лишь одним из её слоёв. Другие говорят, что Вселенная фрактальна – а это означает, что наша местная Вселенная может оказаться частицей другой. Не стоит забывать и о различных моделях Мультивселенной с её закрытыми, открытыми, параллельными Вселенными, червоточинами. И ещё много-много различных версий, число которых ограничено лишь человеческой фантазией.
Но если включить холодный реализм или просто отстраниться от всех этих гипотез, то можно предположить, что наша Вселенная является бесконечным однородным вместилищем всех звёзд и галактик. Причем, в любой очень далёкой точке, будь она в миллиардах гигапарсек от нас, всё условия будут точно такими же. В этой точке будут точно такими же горизонт частиц и сфера Хаббла с таким же реликтовым излучением у их кромки. Вокруг будут такие же звёзды и галактики. Что интересно, это не противоречит расширению Вселенной. Ведь расширяется не просто Вселенная, а само её пространство. То, что в момент большого взрыва Вселенная возникла из одной точки говорит только о том, что бесконечно мелкие (практические нулевые) размеры, что были тогда, сейчас превратились в невообразимо большие. В дальнейшем будем пользоваться именно этой гипотезой для того, что наглядно осознать масштабы наблюдаемой Вселенной.
Наглядное представление
В различных источниках приводятся всевозможные наглядные модели, позволяющие людям осознать масштабы Вселенной. Однако нам мало осознать, насколько велик космос. Важно представлять, каким образом проявляют такие понятия, как горизонт Хаббла и горизонт частиц на самом деле. Для этого давайте поэтапно вообразим свою модель.
Забудем о том, что современная наука не знает о «заграничной» области Вселенной. Отбросив версии о мультивселенных, фрактальной Вселенной и прочих её «разновидностях», представим, что она просто бесконечна. Как отмечалось ранее, это не противоречит расширению её пространства. Разумеется, учтём то, что её сфера Хаббла и сфера частиц соответственно равны 13,75 и 45,7 млрд световых лет.
Масштабы Вселенной
Нажмите кнопку СТАРТ и откройте для себя новый, неизведанный мир!
Для начала попробуем осознать, насколько велики Вселенские масштабы. Если вы путешествовали по нашей планете, то вполне можете представить, насколько для нас велика Земля. Теперь представим нашу планету как гречневую крупицу, которая движется по орбите вокруг арбуза-Солнца размером с половину футбольного поля. В таком случае орбита Нептуна будет соответствовать размеру небольшого города, область – Луне, область границы воздействия Солнца – Марсу. Получается, наша Солнечная Система настолько же больше Земли, насколько Марс больше гречневой крупы! Но это только начало.
Теперь представим, что этой гречневой крупой будет наша система, размер которой примерно равен одному парсеку. Тогда Млечный Путь будет размером с два футбольных стадиона. Однако и этого нам будет не достаточно. Придётся и Млечный Путь уменьшить до сантиметрового размера. Она чем-то будет напоминать завёрнутую в водовороте кофейную пенку посреди кофейно-чёрного межгалактическое пространства. В двадцати сантиметрах от неё расположиться такая же спиральная «кроха» — Туманность Андромеды. Вокруг них будет рой малых галактик нашего Местного Скопления. Видимый же размер нашей Вселенной будет составлять 9,2 километра. Мы подошли к понимаю Вселенских размеров.
Внутри вселенского пузыря
Однако нам мало понять сам масштаб. Важно осознать Вселенную в динамике. Представим себя гигантами, для которых Млечный Путь имеет сантиметровым диаметр. Как отмечалось только что, мы окажемся внутри шара радиусом 4,57 и диаметром 9,24 километров. Представим, что мы способны парить внутри этого шара, путешествовать, преодолевая за секунду целые мегапарсеки. Что мы увидим в том случае, если наша Вселенная будет бесконечна?
Разумеется, пред нами предстанет бесчисленное множество всевозможных галактик. Эллиптические, спиральные, иррегулярные. Некоторые области будут кишить ими, другие – пустовать. Главная особенность будет в том, что визуально все они будут неподвижны, пока неподвижными будем мы. Но стоит нам сделать шаг, как и сами галактики придут в движение. К примеру, если мы будем способны разглядеть в сантиметровом Млечном Пути микроскопическую Солнечную Систему, то сможем пронаблюдать её развитие. Отдалившись от нашей галактики на 600 метров, мы увидим протозвезду Солнце и протопланетный диск в момент формирования. Приближаясь к ней, мы увидим, как появляется Земля, зарождается жизнь и появляется человек. Точно также мы будем видеть, как видоизменяются и перемещаются галактики по мере того, как мы будем удаляться или приближаться к ним.
Следовательно, чем в более далёкие галактики мы будем вглядываться, тем более древними они будут для нас. Так самые далёкие галактики будут расположены от нас дальше 1300 метров, а на рубеже 1380 метров мы будем видеть уже реликтовое излучение. Правда, это расстояние для нас будет мнимым. Однако, по мере того, как будем приближаться к реликтовому излучению, мы будем видеть интересную картину. Естественно, мы будем наблюдать то, как из первоначального облака водорода будут образовываться и развиваться галактики. Когда же мы достигнем одну из этих образовавшихся галактик, то поймем, что преодолели вовсе не 1,375 километров, а все 4,57.
Уменьшая масштабы
В качестве итога мы ещё больше увеличимся в размерах. Теперь мы можем разместить в кулаке целые войды и стены. Так мы окажемся в довольно небольшом пузыре, из которого невозможно выбраться. Мало того, что расстояние до объектов на краю пузыря будет увеличиваться по мере их приближения, так ещё и сам край будет бесконечно смещаться. В этом и заключается вся суть размера наблюдаемой Вселенной.
Какой бы Вселенная не была большой, для наблюдателя она всегда останется ограниченным пузырём. Наблюдатель всегда будет в центре этого пузыря, фактически он и есть его центр. Пытаясь добраться до какого-либо объекта на краю пузыря, наблюдатель будет смещать его центр. По мере приближения к объекту, этот объект всё дальше будет отходить от края пузыря и в тоже время видоизменяться. К примеру – от бесформенного водородного облачка он превратится в полноценную галактику или дальше галактическое скопление. Ко всему прочему, путь до этого объекта будет увеличиваться по мере приближения к нему, так как будет меняться само окружающее пространство. Добравшись до этого объекта, мы лишь сместим его с края пузыря в его центр. На краю Вселенной всё также будет мерцать реликтовое излучение.
Если предположить, что Вселенная и дальше будет расширяться ускоренно, то находясь в центре пузыря и мотая время на миллиарды, триллионы и даже более высокие порядки лет вперёд, мы заметим ещё более интересную картину. Хотя наш пузырь будет также увеличиваться в размерах, его видоизменяющиеся составляющие будут отдаляться от нас ещё быстрее, покидая край этого пузыря, пока каждая частица Вселенной не будет разрозненно блуждать в своём одиноком пузыре без возможности взаимодействовать с другими частицами.
Итак, современная наука не располагает сведениями о том, каковы реальные размеры Вселенной и имеет ли она границы. Но мы точно знаем о том, что наблюдаемая Вселенная имеет видимую и истинную границу, называемую соответственно радиусом Хаббла (13,75 млрд св. лет) и радиусом частиц (45,7 млрд. световых лет). Эти границы полностью зависят от положения наблюдателя в пространстве и расширяются со временем. Если радиус Хаббла расширяется строго со скоростью света, то расширение горизонта частиц носит ускоренный характер. Вопрос о том, будет ли его ускорение горизонта частиц продолжаться дальше и не сменится ли на сжатие, остаётся открытым.
Многие краем уха слышали, что Вселенная имеет форму бублика. Большинство не придает этому значения, потому что слишком странно: почему именно бублик? В каком именно месте тогда дырка? И прочие неизбежные вопросы в том же духе. А то вот еще есть поговорка, что мир имеет форму чемодана… Ну, про чемодан – просто идиотская поговорка, а вот насчет бублика в какой-то мере правда.
Другие читали, что Вселенная представляет собой кристалл. Этот образ популярен в ненаучной фантастике, он позволяет порассуждать о "переходах с грани на грань" при путешествиях в параллельные миры. Попытка совместить оба эти образа – кристалла и бублика – порой приводят к появлению в фановой голове химерических картин типа "граненого карандаша, замкнутого в кольцо" и других подобных ужасов, не имеющих ничего общего с реальностью. Меж тем образ Великого Кристалла – тоже к какой-то мере правдв.
Картинки и подписи к ним не имеют отношения к основной теме поста и скорее отвлекают от сути, хотя и не призваны делать это. Так что рекомендую, чтобы не запутаться, сначала прочитать одно, а затем другое. Изображенная же здесь галактика NGC 2683 очень похожа на нашу родную галактику Млечный Путь. Она находится на расстоянии в среднем 20 миллионов световых лет от нас в направлении на северное созвездие Кошки (Рыси). На заднем фоне разбросаны ещё более удалённые галактики, а яркие звезды – гораздо ближе к нам, это звезды нашего рукава Млечного пути. Ядро NGC 2683 составляют огромное число старых жёлтых звёзд. Темные облака – космическая пыль в спиральных рукавах, сквозь которую проглядывают голубые точки скоплений молодых звёзд.
Начнем с бублика. Нет никакого бублика. Ноги же у этого образа растут из того факта, что наша Вселенная имеет хоть и очень большой, но все же конечный объем, но при этом не имеет границ. Представить это довольно просто на двухмерном примере: в некоторых простых компьютерных играх объект, уходящий за правую границу игрового поля, появляется слева, а ушедший вниз – сверху. Еще более наглядный пример – трехмерный – можно узреть, если на любом из уровней игры "Quake" (во всяком случае, первой или второй игры серии; может, и других подобных 3D-шутеров, я просто не пробовал) воспользоваться одновременно читами, позволяющими проходить сквозь стены и летать, и прямиком двинуться в любую сторону: камера быстро выйдет за пределы локации, ваш виртуальный герой какое-то время будет лететь в черной пустоте, а потом перед ним появится оставшееся вроде бы сзади скопление коридоров и комнат, и герой вернется в ту же точку, откуда начал, но с противоположной стороны, как будто обошел вокруг земного шара – хотя летел-то он по прямой. Двигаться можно в любую сторону бесконечно долго – границ нет, но за пределы уровня не выйти, и ни в какое "другое пространство" не прилетишь – объем конечен и замкнут. Вот такова же и реальная Вселенная, только попросторнее.
Шаровые звёздные скопления – спутники галактик – путешествуют по гало Млечного Пути. Эти древние сферические образования из нескольких сотен тысяч звёзд связанных взаимным притяжением. Все они гораздо старше звёзд диска галактики. На самом деле, измерения возраста шаровых скоплений накладывают ограничения на возраст самой Вселенная (она должна быть старше, чем звёзды в ней!). Точные измерения расстояний до шаровых скоплений помогли создать одну из астрономических шкал расстояний во Вселенной. Шаровое звёздное скопление NGC 6934 находится на расстоянии около 50 000 световых лет от нас в направлении на созвездие Дельфина. Звезды скопления теснятся в области диаметром 150 световых лет, а вблизи ядра скопления в кубе со стороной в 3 световых года могут помещаться до ста звезд. Для сравнения – ближайшая к Солнцу звезда удалена от нас на 4 световых года.
Но это сейчас мне хорошо – есть компьютерные игры, поэтому можно быстро объяснить "конечность и безграничность в одном флаконе" на простом готовом примере, а раньше пришлось бы воспользоваться старым добрым способом – растолковывать особенности строения трехмерного пространства на примере двухмерного, например, листа бумаги. А пространство листа бумаги, обладающего конечной площадью, можно в нашем трехмерном мире сделать безграничным, не нарушая евклидовости геометрии (стобы нарисованные на нем параллельные прямые оставались параллельными), только одним способом: сначала свернуть лист в трубочку, соединив противоположные края по оси X, а потом склеить концы трубочки, сделав то же самое по оси Y. Вот вам и бублик!
Большая красивая спиральная галактика M66 находится на расстоянии всего лишь 35 млн. световых лет и простирается в ширину на 100 000 световых лет. Вдоль спиральных рукавов галактики расположились тёмные пылевые прожилки и ярко-голубые скопления молодых звёзд, а красные точки на рукавах - это свет от областей интенсивного звездообразования. Все яркие отдельные звёзды, что вы видите на этом космическом пейзаже, разумеется, принадлежат нашей Галактике. Однако на тёмном фоне неба можно разглядеть многочисленные другие далёкие галактики.
С трехмерным ограниченным пространством то же самое можно проделать, если в четвертом измерении попарно склеить противоположные грани кубика. Не ломайте мозг, пытаясь это представить наглядно – наши мозги предназначены для обработки информации о трехмерном пространстве и под такие фокусы не заточены в принципе, даже и пытаться не стоит. Но в любом случае это будет никакой не бублик, а некая хитровывернутая в четырех пространственных измерениях гиперфигура.
На этой не самой зрелищной с виду фотографии запечатлен грандиознейший катаклизм – на самом деле галактика NGC 7252 – это две галактики в процессе столкновения. Процесс длится сотни миллионов лет, так что на картинке он как бы застыл во времени. Получившееся звёздное столпотворение получило название галактика Мирный Атом. NGC 7252 имеет размер около 600 000 световых лет и находится на расстоянии почти 220 миллионов световых лет от нас в направлении на созвездие Водолея. Возможно, то же самое ждёт наш Млечный Путь – если через несколько миллиардов лет наша Галактика столкнётся с Туманностью Андромеды. Так как мы до сих пор не знаем, с какой скоростью Туманность Андромеды (М31) движется в бок (учёные могут измерить лишь ту составляющую часть скорости, которая направлена вдоль луча зрения) никто точно не знает, произойдет ли это.
Так что в действительности никакого "бублика" нет, и он в-общем-то не нужен и для примера с двухмерным пространством – правильней будет представить себе бесконечную плоскость, сплошь устланную одинаковыми листами – в точности повторяющими один другого, потому что на самом деле это один и тот же лист… это впрочем тоже слишком абстрактно (а некоторых, кто до сих пор не врубился, может потянуть поговорить об "отражениях" нашего мира), давайте лучше вернемся к примеру с "Quake" и на нем остановимся – это наиболее наглядная модель из здесь описанных, остальные только с панталыку сбивают. Тем более что геометрия такой модели остается евклидовой: параллельные линии не пересекаются, сумма углов треугольника равна 180o и т.д., а согласно наиболее авторитетной современной космологической модели Вселенной, наш мир не имеет глобальных пространственных искривлений.
Самая перва из открытых компактных групп галактик - Квинтет Стефана. Эта группа лежит на расстоянии около 300 миллионов световых лет от нас. Но только четыре из пяти галактики на самом деле находятся вместе в пространстве. Лишнюю галактику не трудно заметить: четыре взаимодействующие галактики (NGC 7319, 7318A, 7318B и 7317) выглядят более жёлтыми и имеют более искажённые структуры: петли и хвосты, появившиеся вследствие взаимных разрушительных гравитационных приливов. Галактика поголубее и побольше размером, NGC 7320, находится гораздо ближе к нам. От Земли её отделяют около 40 миллионов световых лет, так что она не является частью группы. На этом изображении можно даже увидеть отдельные звезды в NGC 7320, это как бы подтверждает, что она действительно гораздо ближе остальных галактик.
Теперь что касается кристалла. Каждый уровень той же 3D-игры прописывается программистами в виде параллелепипеда – то есть всё-таки имеет определенные границы, не существующие с точки зрения героя "внутри" уровня. Так вот можно сказать, что не имеющая границ вселенная игры тем не менее имеет форму параллелепипеда. При этом границы его можно будет произвольно провести через любую точку игрового пространства – они никак не будут ощущаться "обитателями" виртуального мирка. Однако если высота параллелепипеда будет меньше его длины – то, "летя" постоянно вверх, читер достигнет исходной точки быстрее, чем "летя" вперед. Даже если все грани будут одинаковы – куб – то и в этом случае путь по диагонали окажется длиннее, чем путь вдоль одной из сторон. Вот и получается, что виртуальная микровселенная, не имея границ, тем не менее имеет некую форму – в случае с игрой параллелепипед.
Спиральная галактика NGC 4216, которую мы видим с ребра, удалена от нас на 40 млн. световых лет, а ее диаметр – почти 100 тысяч световых лет, примерно такой же, как у нашего Млечного Пути. NGC 4216 окружена другими членами этого скопления – NGC 4206 (справа) и NGC 4222. Как и другие большие спиральные галактики, включая наш Млечный Путь, NGC 4216 растет, поглощая маленькие галактики-спутники. На фото эти галактики-спутники видны, и от них отходят слабые звездные потоки, растянувшиеся на тысячи световых лет к гало NGC 4216.
Какую же форму имеет наша Вселенная? Самый примитивный способ определить – пролететь ее всю из конца в конец в разных направлениях и замерить время, необходимое для возвращения с разных сторон в исходную точку. Лично я бы за этот эксперимент не взялся – лететь долгонько, а исходная точка за это время изменилась бы до неузнаваемости, да и сама Вселенная бы расширилась – всё насмарку. Хорошо бы было, если бы существовало нечто, уже проделавшее этот путь. И такая штука есть – это так называемое реликтовое излучение, пронизывающее весь космос и являющееся, грубо говоря, никуда не девающимся из Вселенной (потому что некуда) электромагнитным "эхом" Большого Взрыва.
Так вот при интерпретации параметров распределения этого излучения в 2003 были сделаны выводы (еще впрочем, окончательно не подтвержденные и подвергаемые сомнению), что "форма" нашей Вселенной может представлять собой додэкаэдр –правильный многогранник с 12 пятиугольными гранями – бесконечно (см выше) отраженный сам в себе. Ну или, опять же пользуясь предыдущими аналогиями, Вселенная – это бесконечное пространство, заполненное "виртуальными" додэкаэдрами, которые суть один и тот же додэкаэдр. Если еще вам встретится понятие "зеркальная Вселенная", "Вселенная как система заркал" – то как раз имеется в виду вот эта самозамкнутость, востпринимаемая внутренним наблюдателем как отражения (точнее, воспринимаемая БЫ, если бы диаметр Вселенной был гораздо меньше и свет возвращался бы в исходную точку не спустя десятки миллиардов лет).
Группа галактик NGC 7771 находится почти в 200 миллионов световых лет от Земли за созвездием Пегаса. Собствено NGC 7771 – самая большая, повернута несколько ребром – 75 000 световых лет в поперечнике. Красивая круглая галактика левее – NGC 7769.
Еще можно ставнить с мыльной пеной – множество сфер, вплотную прилегая друг к другу, образуют в местах смыкания плоскости. Только в случае с Мирозданием пена стстоит из одного и того же пузырька. И – еще раз – в отличие от мыльной пены, граней, границ этих как таковых нет: точнее, их можно провести в любом месте, а точкой отсчета, центром "пузыря"-многогранника является точка, где находится наблюдатель.
Вот как-то так оно. Понятно?
Звезды во вселенной сгруппированы в галактиках (в среднем в галактике 10 000 000 000 звезд).
Галактики собраны в скопления галактик (в среднем 100-1000 галактик).
Скопления - в сверхскопления (в среднем 100 скоплений)
Представьте себе очень большой мячик. Хотя он "извне" и кажется трехмерным, его поверхность - сфера -
двумерна, потому как есть только два независимых направления движения по сфере. Если бы Вы были
оченб маленькими и жили бы на поверхности этого шара, то вполне могли бы предположить, что Вы живете
вовсе не на сфере, а на большой плоской двумерной поверхности. Но если бы Вы при этом провели точные
измерения расстояний на сфере, то поняли бы, что живете не на плоской поверхности, а на поверхности
большой сферы (прим. перев.
лучше, наверное, провести аналогию с поверхностью земного шара).
Идею кривизны поверхности шара можно применить ко всей Вселенной. Это было
огромным прорывом в Эйнштейновской Общей теории относительности
. Пространство и время были
объединены в единую геометрическую единицу, названную пространством-временем
, и это
пространство-время обладало геометрией
, оно могло быть искривленным
, так же, как
искривлена поверхность огромного шара.
Когда Вы смотрите на поверхность большого шара как на единую вещь, то ощущаете
все пространство сферы целиком. Математики любят поверхность сферы так, чтобы это определение
описывало всю сферу целиком, а не только ее часть. Одним из ключевых аспектов описания геометрии
пространства-времени состоит в том, что нам необходимо описать все пространство и все время целиком.
Это означает, что надо описать "все" и "всегда" "в одном флаконе". Геометрия пространства-времени
это геометрия всего пространства плюс все время вместе как одна математическая единица
.
Что определяет геометрию пространства-времени?
В основном физики работают следующим образом - они ищут уравнения движения, решения которых наилучшим образом описывают систему, которую физики хотят описать. Уравнение Эйнштейна представляет собой классическое уравнение движения пространства-времени . Классическое оно потому, что квантовые эффекты при его получении не принимались во внимание. И, таким образом, геометрия пространства-времени трактуется как исключительно классическое понятие, лишенное каких-либо квантовых неопределенностей. Именно поэтому она и является наилучшим приближением к точной теории.Согласно уравнениям Эйнштейна кривизна пространства-времени в данном направлении непосредственно связана с энергией и импульсом всего во всем пространстве-времени, что не является пространством-временем. Иными словами, уравнения Эйнштейна связывают гравитацию с не-гравитацией и геометрию с не-геометрией. Кривизна - это гравитация, а все остальное - электроны и кварки, и которых состоят атомы, из которых, в свою очередь, состоит материя, электромагнитное излучение, каждая частица - переносчик взаимодействия (кроме гравитации) - "живет" в искривленном пространстве-времени и в то же самое время определяет эту кривизну согласно уравнениям Эйнштейна.
Какова геометрия нашего пространства-времени?
Как только что отмечалось, полное описание данного пространства-времени включает не только все пространство , но также и все время . Иными словами, пространство-время включает в себя все события, которые когда-либо происходили и которые когда-либо произойдут.Правда теперь, если мы будем слишком буквальны в таком понятии, то можем натолкнуться на проблемы, потому, как не сможем учесть все самые малые изменения в распределении плотности энергии и импульса во Вселенной, какие только происходили и еще произойду во Вселенной. Но, к счастью, человеческий разум способен оперировать с такими понятиями, как абстракция и приближение , таким образом, мы может построить абстрактную модель, которая примерно описывает наблюдаемую Вселенную достаточно хорошо на больших масштабах , скажем, на масштабах скоплений галактик.
Но для того, чтобы решить уравнения, этого мало. Необходимо также сделать определенные упрощающие предположения относительно кривизны пространства-времени. Первым предположением, которое мы сделаем, будет предположение о том, что пространство-время может быть аккуратно разделено на пространство и время . Это, правда, не всегда можно сделать, например, в некоторых случаях вращающихся черных дыр, пространство и время "вращаются" вместе и, таким образом, не могут быть аккуратно разделены. Однако не никаких указаний на то, что наша Вселенная может вращается подобным образом. Таким образом, мы вполне можем сделать предположение о том, что пространство-время можно описать как пространство, меняющееся со временем .
Следующим важным предположением, следующим из теории Большого Взрыва, является то, что пространство выглядит одинаково в любом направлении в любой точке . Свойство выглядеть одинаково в любом направлении называется изотропией, а выглядеть одинаково в любой точке - однородностью. Таким образом, мы предполагаем, что наше пространство однородно и изотропно . Космологи называют это предположение максимальной симметрией . Считается, что это достаточно резонное предположение на больших масштабах.
Решая уравнения Эйнштейна для геометрии пространства-времени нашей Вселенной, космологи рассматривают три основных типа энергии, которые могут искривить и искривляют пространство-время:
1. энергия вакуума
2. излучение
3. обычное вещество
Излучение и обычное вещество рассматриваются как однородный газ, заполняющий Вселенную, с некоторым уравнением состояния, связывающим давление с плотностью.
После того, как сделаны предположения об однородности источников энергии и о максимальной симметричности, уравнения Эйнштейна можно свести к двум дифференциальным уравнениям, которые несложно решить, используя простейшие методы вычислений. Из решений мы получаем две вещи: геометрию пространства и то, как размеры пространства меняются со временем .
Открытая, закрытая или плоская?
Если в каждый момент времени пространство в каждой точке выглядит одинаково во всех направлениях, то такое пространство обязано иметь постоянную кривизну . Если же кривизна меняется от точки к точке, то пространство будет выглядеть по-разному из разных точек и в разных направлениях. Следовательно, если пространство максимально симметричное, то кривизна во всех точках должна быть одинакова .Это требование несколько сужает возможные геометрии до трех: пространство с постоянной положительной, отрицательной и нулевой кривизной (плоское). В случае, когда нет энергии вакуума (лямбда-члена), есть только обычная материя и излучение, кривизна помимо всего также отвечает и на вопрос о времени эволюции:
Положительная кривизна : N-мерным пространством с постоянной положительной кривизной является N-мерная сфера. Космологическая модель, в которой пространство обладает постоянной положительной кривизной называется закрытой космологической моделью. В такой модели пространство расширяется от нулевого объема в момент Большого Взрыва, потом в некоторый момент времени достигает максимального объема и начинает сжиматься до "Большого Схлопывания" (Big Crunch).
Нулевая кривизна : Пространство с нулевой кривизной называется плоским пространством. Такое плоское пространство некомпактно, оно протягивается бесконечно во всех направлениях, точно также протяженно только открытое пространство. Такая Вселенная расширяется бесконечно во времени.
Отрицательная кривизна : N-мерным пространством с постоянной отрицательной кривизной является N-мерная псевдосфера. Единственное, с чем более-менее привычным можно сравнить такой уникальный мир, является гиперболоид, который является двумерной гиперсферой. Пространство с отрицательной кривизной бесконечно по объему. В пространстве с отрицательной кривизной реализуется открытая Вселенная. Она также, как и плоская, расширяется бесконечно во времени.
Что определяет, будет ли Вселенная открытой или закрытой? Для закрытой Вселенной полная плотность энергии должна быть больше плотности энергии, отвечающей плоской Вселенной, которая называется критической плотностью . Положим . Тогда в закрытой Вселенной w больше 1, в плоской Вселенной w=1, а в открытой Вселенной w меньше 1.
Все вышесказанное справедливо лишь в том случае, когда в рассмотрение берутся лишь обычные виды материи - пылевидная и излучение, и пренебрегается энергией вакуума , которая вполне может присутствовать. Плотность энергии вакуума постоянна, также ее называют космологической постоянной .
Откуда появляется темная материя?
Во Вселенной много разного вещества типа звезд или горячего газа или еще чего, что излучает видимый свет или излучение на других длинах волн. И все это можно либо увидеть глазами, или с помощью телескопов, либо какими-нибудь сложными инструментами. Однако это не далеко не все, что есть в нашей Вселенной - за последние два десятилетия астрономы обнаружили свидетельства того, что во Вселенной очень много невидимой материи.Например, оказалось, что видимой материи в виде звезд и межзвездного газа недостаточно для того, чтобы удерживать галактики гравитационно-связанными. Оценки того, сколько реально необходимо вещества средней галактике для того, чтобы не разлететься на части, привели физиков и астрономов к выводу, о том, что большая часть вещества во Вселенной невидима . Это вещество называют темной материей и оно очень важно для космологии.
Раз во Вселенной есть темная материя, то что она может из себя представлять? Из чего она может быть "сделана" ? Если бы она состояла из кварков, как и обычная материя, то в ранней Вселенной должно было быть произведено сильно больше гелия и дейтерия, чем сейчас есть в нашей Вселенной. Специалисты по физике элементарных частиц придерживаются мнения, что темная материя состоит из суперсимметричных частиц , которые очень тяжелые, но очень слабо взаимодействуют с обычными частицами, которые наблюдаются сейчас на ускорителях.
Видимого вещества во Вселенной, следовательно, значительно меньше, чем необходимо даже для плоской Вселенной. Следовательно, если во Вселенной больше ничего нет, то она обязана быть открытой. Однако хватит ли темной материи для того, чтобы "закрыть" Вселенную? Иными словами, если w B это плотность обычного вещества, а w D - плотность темной материи, то выполняется ли соотношение w B + w D = 1 ? Изучение движений в скоплений галактик говорит о том, что полная плотность составляет порядка 30% от критической, при этом видимое вещество составляет порядка 5%, а темная материя 25%.
Но это еще не конец - у нас остается еще один источник энергии во Вселенной - космологическая постоянная.
Что по поводу космологической постоянной?
Эйнштейну не понравились результаты его собственной работы. Согласно его уравнениям движения, Вселенная, заполненная обычной материей, должна расширяться. Но Эйнштейн хотел такой теории, в которой бы Вселенная всегда оставалась бы одного размера. И для этого он добавил в уравнения член, теперь известный как космологический член , который при добавлении к плотности энергии обычного вещества и излучения не позволял Вселенной никогда расширяться и никогда сжиматься, но вечно оставаться одинаковой.Однако после того, как Хаббл открыл, что наша Вселенная расширяется, Эйнштейновский космологический член был забыт и "заброшен". Однако, через некоторое время интерес к нему пробудился со стороны релятивистских квантовых теорий, в которых космологическая постоянная появляется естественным образом динамически из квантовых осцилляций виртуальных частиц и античастиц. Это называют квантовым нулевым уровнем энергии и это вполне возможный кандидат на энергию вакуума пространства-времени. Однако в квантовой теории есть свои "проблемы" - как бы не сделать эту энергию вакуума слишком большой, и это одна из причин почему физики исследуют суперсимметричные теории.
Космологическая постоянная может как ускорять, так и замедлять расширение Вселенной, в зависимости от того, положительна она или же отрицательна. И когда космологическая постоянная добавляется в пространство-время в довесок к обычному веществу и излучению, то картина становится значительно запутанней, чем простейшие случаи открытой или закрытой Вселенной, описанные выше.
Ну и каков же ответ?
Практически сразу за Большим Взрывом началась эра доминирования излучения , которая продолжалась первые десять - сто тысяч лет эволюции нашей Вселенной. Сейчас же доминирующими формами материи являются обычное вещество и энергия вакуума. Судя по последним наблюдениям астрономов,1. Наша Вселенная с хорошей точностью плоская :Космическое микроволновое фоновое излучение это реликт, доставшийся нам со времен, когда Вселенная была горячей и были заполнена горячим фотонным газом. С тех пор, правда, из-за расширения Вселенной эти фотоны охладились, и сейчас их температура составляет 2.73 К. Однако это излучение немного неоднородно, их угловой размер неоднородностей, видимый с нашего нынешнего положения, зависит от пространственной кривизны Вселенной. Так вот, наблюдения анизотропии реликтового излучения свидетельствуют как раз о том, что наша Вселенная плоская .
2.Во Вселенной присутствует космологическая постоянная : Во Вселенной присутствует энергия вакуума, или, по крайней мере, нечто, что действует как энергия вакуума, что приводит к ускоренному расширению Вселенной. Свидетельством ускоренного расширения Вселенной являются данные по красным смещениям далеких сверхновых.
3. Большая часть вещества во Вселенной находится в виде темной материи : Изучение движения галактик приводит к выводу, что обычное вещество в форме звезд, галактик, планет и межзвездного газа составляет лишь малую толику всего вещества во Вселенной.
По состоянию на нынешнюю эпоху
Так что сейчас во Вселенной плотность энергии вакуума более чем в два раза превосходит плотность энергии темной материи, и при этом вкладом барионной видимой материи можно просто пренебречь. Так что наша плоская Вселенная должна расширяться вечно.
<<
Сколько лет нашей Вселенной? |
Оглавление
|
Тур по истории Вселенной >>
В самом начале 2003 года появились первые данные наблюдений реликтового фона, выполненные на космическом зонде WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Впервые множество космологических параметров были измерены с необычайно высокой точностью. Но за несколько месяцев первые, самые важные результаты и предсказания были сделаны, восторги поутихли и любопытство ученых переместилось от полученных результатов к проблемам, оставшимся необъясненными.
Наблюдения
Одна из этих проблем - очень низкие амплитуды двух низших мультиполей (сферических гармоник) реликтового фона: квадруполя и октуполя. Эта проблема была известна и ранее, то только в очень точных данных WMAP она встала "во весь рост". На самом деле самой низкой сферической гармоникой является диполь. Он описывает поведение реликта на угловых масштабах равных 180 o: в одном полушарии небесной сферы температура и яркость микроволнового фона оказывается выше, а в другой - ниже. К сожалению эту гармонику невозможно отделить от влияния на фон эффекта Допплера, связанного с движением наблюдателя. Вторая гармоника (квадруполь) описывает распределение флуктуаций температуры реликта на угловых масштабах в 90 o , а третья гармоника (октуполь), соответственно на 60 o (см. Рис. 1). Оказалось, что наблюдаемая амплитуда квадруполя составляет только 1/7 от предсказываемого теорией уровня, а амплитуда октуполя - 72% (см. Рис. 2). Это отклонение слишком велико и его трудно объяснить случайными флуктуациями наблюдаемого микроволнового космического фона. Некоторые исследователи начали предлагать ввести для объяснения этого отклонения "новую физику" (см., например, препринт astro-ph/0306597), другие с ними не соглашались. Пока, однако, никто не предложил какой-либо физический механизм, который привел бы к уменьшению амплитуд двух низших гармоник.
 |
|
Рис. 2.
Спектр мощности угловых распределений флуктуаций реликтового фонового
излучения по данным WMAP и некоторых других экспериментов. По вертикали
отложена амплитуда флуктуаций, по горизонтали номера гармоник (начиная
с l=2) или угловые масштабы. Черные точки - наблюдательные
данные, красная линия - предсказания теоретической модели для плоской
Вселенной, лучше всего согласующиеся с наблюдениями, серая полоса -
допустимая ошибка теоретических предсказаний. Слишком низкие значения
двух низших гармоник показаны зеленым цветом.
Низкая амплитуда только одного октуполя (l=3) недостаточно значима, но вместе с очень низким значением второй гармоники они становятся важным наблюдательным фактом. |
Топология
Очень легко представить и противоположную ситуацию, когда размеры видимой части Вселенной меньше начальной фигуры. В этом случае наблюдаемая нами картина не будет отличаться от того, что мы бы увидели в бесконечной Вселенной с простой топологией (это отличие может появиться на более поздних - в космологических масштабах - временах).
На самом деле все более сложно. Когда мы наблюдаем другие галактики, то мы смотрим не только в даль, но и в прошлое. Это связано с конечность скорости света. Если бы размер нашей Вселенной составлял несколько мегапарсек, свет от копий нашей Галактики доходил бы к нам за несколько миллионов лет, за это время галактика изменяется не слишком сильно, и мы смогли бы "узнать себя" в этих "отражения", а может быть даже попытались отыскать в них Солнечную систему. Если увеличить размеры начального мира до сотен тысяч световых лет подобное опознание становится затруднительным, а узнать Млечный Путь за 2-3 миллиарда лет до нашей эры мы бы просто не смогли. Однако, все поиски периодической структуры с размерами от 1000 мегапарсек и меньше, которые проводились последние 10-20 лет, не дали положительного результата. Это означает, что если наша Вселенная и имеет ограниченный объем, то его размеры очень велики, если мы и видим самих себя, то в настолько далеком прошлом, что какое-либо отождествление с современными объектами становится практически невозможным.
Космология
Какие предсказания дает додекаэдральная модель Вселенной и как они соотносятся с наблюдениями?
В данной модели пространство должно обладать положительной кривизной (быть замкнутым), причем обладать строго определенным значением отношения средней плотности к критической $\Omega\simeq1.013$ (это значение - математическая константа, которую можно вычислить с любым числом знаков после запятой). И это значение попадает внутрь допустимого диапазона! Данные WMAP дают $\Omega=1.02\pm0.02$.
Как устроена такая Вселенная?
Для космологической модели с $\Omega=1.013$ радиус горизонта будет составлять 38% от радиуса кривизны Вселенной (R ), а границы додекаэдра будут лежать в интервале от 31% R (центры граней) до 39%R (вершины) от его центра. Объем такого многогранника будет составлять 83% от объема сферы горизонта. Отношение размеров додекаэдра к радиусу кривизны остается постоянным, поскольку при расширении Вселенной эти величины изменяются пропорционально друг другу. Горизонт Вселенной ведет себя по-другому. Его поведение зависит от закона расширения, более подробно это описано в (и ссылках приведенных в ней).
Пятна на небе
Сложная топология нашей Вселенной будет проявляться в наблюдения только в том случае, если размеры горизонта превосходят размеры исходного многогранника и в доступную нам область Вселенной хотя бы частично попадают участки его копий. Если же исходная фигура превосходит по размерам горизонт, но наблюдаемая картина не будет отличаться от вида бесконечной Вселенной. Схематически данное утверждение показано на Рис. 12.
Для указанного выше размера горизонта (0.38R ) наличие копий Вселенной будет проявляться в виде шести пар расположенных в противоположных направлениях на небесной сфере кругов диаметром 70 o . Они образуются при пересечении сферы последнего рассеяния с гранями додекаэдра. Сфера последнего рассеяния (граница рекомбинации) по данным WMAP расположена на среднем красном смещении z=1089$\pm$1, т.е. слегка меньше горизонта. Температура реликтового излучения в каждом из кругов такой пары будет одинаковым образом отличаться от среднего ее значения, т.к. регистрируемое от кругов излучение испускается областями Вселенной, заполненных одним и тем же веществом (см. Рис. 13).
Теоретические аспекты
То, что наша Вселенная может оказаться замкнутой, ставит определенные вопросы перед , который сегодня успешно объясняет большинство свойств окружающей нас Вселенной. Полной ясности в этой проблеме (инфляция в замкнутой Вселенной) пока нет, но, кажется, космологи готовы к ее решению.
Заключение
Как подтвердить или опровергнуть модель, описанную в данной статье? Она предсказывает два следствия, которые допускают экспериментальную проверку, причем в ближайшее время:
- Вселенная должна быть замкнутой с $\Omega=1.013$;
- На небе должны наблюдаться 6 пар кругов диаметром 70 o (центры которых соответствуют серединам граней правильного додекаэдра) распределение возмущений реликтового излучения в которых должно попарно кореллировать друг с другом.
И, конечно, остается возможность, что для приведенных в начале данной статьи фактов найдутся совсем другие объяснения. (Этого вполне можно ожидать, так как указаний в пользу именно такой топологически сложной модели Вселенной очень мало. Пока ими являются только низкие амплитуды двух первых гармоник спектра мощности реликтового излучения. Этого достаточно, чтобы начать обсуждать данную модель, но чтобы убедить научную общественность в ее "серьезности" нужны дополнительные аргументы.)
М. Е. Прохоров ГАИШ, Москва
Комментарии (12):
Хорошая статья.
Есть над чем подумать.
Вот в начале раздела
Топология
упоминается конструкция бесконечного Евклидово пространство с конечным обЪёмом. С такими конструкциями надо обращаться оч. аккуратно.
Именно при таких допущениях возникают софистические эффекты, заводящие мысль в тупик. В этой схеме в завуалированной форме применяется такая мат. абстракция как Нуль_пространство (напомню Нуль_пространство есть пространство без протяжённости и времени).
Лет эдак 30, а то и все 50 назад все научные и около научные журналы в той или иной форме обЪигрывали свойства сей мат.субстанции. А уж фантасты... так практически применяли её под названиями "Нуль_скачёк","Нуль_переход"...
Как вдруг оказалось что у этой субстанции есть одно , но крайне неприятное свойство:
"Возникнув" где-нить в соседстве_контакте с более_менее реальной консистенцией
Нуль_пространство неизменно начинает поглащать эту консистенцию и, поглотив её, самоуничтожается.
Сегодня даже фантасты от неё отказались, заменив её на чевоточины или кротовы норы.
Вселенная может иметь форму не какого-нибудь там шара или додекаэдра, а... рожка или горна. Точнее говоря весь наш космос оказывается вытянут в этакую длинную трубку, с узким концом с одной стороны и "раструбом" с другой. Такая "конструкция" нашей Вселенной кроме всего прочего подразумевает, что она конечна, а в каких-то ее местах встречаются области, где можно увидеть собственный затылок. Возможно, для "здравомыслящих" людей все это прозвучит как полный бред или мечта сюрреалиста, однако выкладки математика Франка Штайнера (Frank Steiner) из германского Университета Ульма (Universität Ulm) и его коллег основаны на авторитетных экспериментальных данных, полученных в 2003 году все тем же знаменитым зондом WMAP (NASA"s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).
Новая диковинная модель призвана объяснить два загадочных обстоятельства, так озадачивающих астрофизиков: во-первых, необычный характер распределения "горячих" и "холодных" пятен в космическом микроволновом излучении, а во-вторых, "глушение" сигнала при больших масштабах (обнаружено отсутствие каких-либо ясно выраженных "горячих" или "холодных" участков при углах свыше примерно 60 градусов). Текущий объем Вселенной по Штайнеру составляет около 10 32 кубических световых лет. Когда же Вселенной было только 380 тысяч лет, то она была столь мала, что в ней просто не могли возникнуть достаточно большие флуктуации.
В новой модели, определяемой так называемой топологией Пикара (Picard topology), Вселенная изогнута весьма прихотливым образом. Один ее конец бесконечно удлинен, но зато столь сужен, что имеет в результате конечный объем. С другой стороны "раструб" резко расширяется, однако отнюдь не бесконечно, и если бы мы летели к "вспухшему" концу на космическом корабле, то в некоторый момент вернулись бы обратно с другой стороны "дудки" (см. верхний рисунок). Эмиль Пикар (1856-1941) - это французский математик, занимавшийся исследованием дифференциальных уравнений, особых точек, асимптотических решений, теорией функций и пр.,кстати говоря, он иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (1895), и иностранный почетный член АН СССР (1925).
Имеющая форму "рога" модель были предложена еще в 1990-х годах, чтобы правильно описать аномалии, которые выявились при анализе данных спутника COBE (Cosmic Background Explorer - Исследователь космического фона) - предшественника WMAP, однако группа Штайнера первая показала, что эта идея соответствует и данным WMAP тоже. В 2003 году уже выдвигалась другая модель, призванная соответствовать результатам WMAP, и согласно ей Вселенная также оказывалась конечной, однако форма мира была иная (додекаэдр, в прессе ошибочно именовавшийся "футбольным мячом"). Другие варианты возможной формы Вселенной - "пончик" (тороидальная форма) или же сплюснутая сфера (предложенная несколько месяцев назад учеными из американского штата Пенсильвания).
Классическое представление о физическом пространстве наделяет его таким фундаментальным топологическим свойством как связность. Физическое пространство - суть трехмерное связное многообразие - объединяется с временем в единое четырехмерное пространство-время. Если теперь рассмотреть модель связного, но не односвязного пространства-времени, то вполне можно обнаружить несвязные трехмерные пространственно-подобные сечения. Более того, несвязное сечение $M_1$ может получиться из связного $M_0$ с помощью сферической перестройки, и, следовательно, связное и несвязное сечения можно рассматривать как начальное и конечное состояния некоторого геометродинамического процесса (лоренцев кобордизм). В ходе этого процесса 3-геометрия претерпевает переход через некоторое критическое состояние $M_{1/2}$, которое отвечает нарушению связности пространственно-подобного сечения.
Было бы интересно выяснить, при каких условиях происходит нарушение связности пространственно-подобных сечений, или, если оставить в стороне конкретную дифференциально-топологическую модель, выяснить - возможно ли, что в ходе некоторого физического процесса трехмерное простран- ство $M_0$ становится несвязным. Допуская вольность в словах, можно сказать, что нарушение связности означает отрывание области $D_0$ от $M_0.$
По сути это популярная статья по топологии Вселенной. Люмине известен как автор нашумевшей статьи, в которой данные по реликтовому излучению интерпретировались в рамках модели в нетривиальной топологией. В данном обзоре рассказано о том, как такие модели выглядят, как их можно проверять по имеющимся данным и тп.
Современное состояние Вселенной еще очень плохо изучено. Однако, вероятно уже существует ответ на вопрос: Какова современная форма вселенной? Многолетние наблюдения показали, что Вселенная обладает рядом физических свойств, которые резко сокращают число возможных претендентов на ее форму.
И одно из главных таких свойств топологии Вселенной - ее кривизна. Согласно принятой на сегодняшний день концепции, примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва температура Вселенной упала до уровня, достаточного для объединения электронов и протонов в первые атомы.
Когда это произошло, излучение, которое вначале рассеивалось заряженными частицами, внезапно получило возможность беспрепятственно проходить через расширяющуюся Вселенную. Это известное ныне как космическое микроволновое фоновое, или реликтовое, излучение удивительно однородно и обнаруживает только очень слабые отклонения (флуктуации) интенсивности от среднего значения. Такая однородность может быть только во Вселенной, кривизна которой всюду постоянна.
Постоянство кривизны означает, что пространство Вселенной имеет одну из трех возможных геометрий: плоскую евклидову сферическую с положительной кривизной или гиперболическую с отрицательной.
Немецкий математик Карл Фридрих Гаусс еще в первой половине XIX задался целью ответить на вопрос: искривляются ли траектории световых лучей, проходящих над сферическим пространством Земли? Оказалось, что в малых (по астрономическим меркам) масштабах Вселенная предстает, как евклидова. Недавние исследования, проведенные с помощью высотных аэростатов, поднятых над Антарктидой, также подтверждают этот вывод.
При измерении углового спектра мощности реликтового излучения был зарегистрирован пик, который, как полагают исследователи, может быть объяснен только существованием холодной черной материи - относительно больших, медленно движущихся объектов - именно в евклидовой Вселенной. То есть, ученые довольно уверенно говорят о том, что пространство нашей Вселенной должно удовлетворительно описываться геометрией Евклида, как трехмерное пространство очень малой кривизны.
“Из общей теории относительности вытекает новое представление о Вселенной, новая космология. Эйнштейн рассматривал гравитационные поля различных тел как искривления пространства-времени в областях, окружающих эти тела…возьмем четырехмерное пространство-время, т.е. совокупность мировых линий всех тел природы. Эти мировые линии сильнее искривляются вблизи центров тяготения. Но не обладают ли они в целом некоторой общей кривизной?...
Эйнштейн предположил, что искривлено только пространство, а время не искривлено. Поэтому, отправившись из данного географического пункта по кратчайшему пути в путешествие по Вселенной, мы опишем замкнутую пространственную траекторию и вернемся в тот же пункт в иное время, скажем в триллионном году н. э. Значит мировое пространство конечно (в том же смысле, в котором конечно двумерное пространство-поверхность нашей Земли), а время бесконечно. Мы можем найти по аналогии двумерное пространство - поверхность, кривую и конечную в одном измерении, но прямую и бесконечную в другом измерении, такова поверхность цилиндра.
Если мы проведем (по кратчайшему пути) линию вокруг цилиндра бесконечной длины, мы вернемся в ту же точку. Если мы проведем черту вдоль цилиндра, она будет прямой и бесконечной. Исходя из этой аналогии гипотеза Эйнштейна об искривленном мировом пространстве и неискривлённом времени была названа гипотезой цилиндрического мира.
В 1922 г. А.А. Фридман высказал предположение о том, что кривизна мирового пространства меняется с течением времени. По – видимому, Вселенная расширяется”.
Что означает утверждение о трехмерности пространства? Как возникли современные представления о размерности пространства в физике и математике? Какую роль играет трехмерность пространства в фундаментальных законах физики? Этим вопросам посвящена книга. Рассматривается роль понятия размерности в физике микро- и мегамира, соотношение различных подходов к понятию размерности, взаимосвязь физики и геометрии. Вместе с историей создания современных представлений о размерности пространства рассказывается о творчестве замечательных ученых - физиков и математиков: А. Эйнштейна, П. Эренфеста, А. Пуанкаре, П. С. Урысона и других.
Важной проблемой современной дифференциальной геометрии является построение и исследование примеров конкретных пространств с заданными геометрическими свойствами. Одной из подобных задач является поиск римановых многообразий с заданной группой голономии и изучение их топологических свойств. Зная группу голономии многообразия, можно многое сказать о его кривизне - основной характеристике римановых многообразий; с другой стороны, исследование голономии является технически более простой задачей.
Хотя константа тонкой структуры была введена немецким физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом (Arnold Sommerfeld) еще в 1916 году, на вопрос о том, является ли она действительно постоянной, окончательного ответа нет и сегодня. "Судя по результатам наших измерений, нет, не является!" - говорит австралийский физик Джон Уэбб (John Webb), профессор Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее. Еще десять лет назад руководимая им группа ученых проанализировала с помощью американского телескопа Кек (Keck Telescope) на Гаваях те изменения, которые претерпевает свет далеких квазаров при прохождении сквозь межгалактические газопылевые облака, и обнаружила, что спектры поглощения несколько отличаются от предсказанных. Этот феномен мог иметь лишь одно объяснение: несколько миллиардов лет назад значение константы тонкой структуры было чуть-чуть меньшим, чем сегодня.
Исследование на границе топологии и квантовой механики предполагает существование совершенно новой формы материи.
Еще в 1970 году молодой советский физик сделал необычное предположение. Виталий Ефимов, который в настоящее время работает в Университете штата Вашингтон (США), показал, что квантовые объекты, которые не могут образовывать между собой пары, могут формировать тройки.
В 2006 году группа австралийских ученых обнаружила первый пример этого так называемого «состояния Ефимова» в холодном газе, состоящем из атомов цезия.
На первый взгляд это может показаться нелогичным. Ведь связи, удерживающие вместе тройку объектов, точно такие же, как и в паре. Но на самом деле это не так, между ними существует тонкое, но важное различие.
Для вывода формул можно пользоваться окружением "$$" и \TeX разметкой.
> Какая форма у Вселенной?
В какой форме существует Вселенная : исследование бесконечного пространства, карта реликтового излучения WMAP, геометрия Вселенной и предполагаемые формы с фото.
Стоит ли вообще размышлять над тем, какой формы Вселенная? С чем мы имеем дело? Сфера? Конус? Плоская? И как это определить?
Вселенная - это единственное место, в котором мы существуем и за пределы которого не вырваться (потому что их нет). Благодаря физическим законам, природным постоянным и извергающимся тяжелым металлам, нам удалось создать жизнь на небольшом скалистом шаре, затерянном в одной из множества галактик.
Но разве вам не хочется узнать, где вы живете? Просто получить возможность посмотреть на все со стороны, как мы сделали это с родной планетой Землей. Чтобы вы увидели? Бесконечная темнота? Множество пузырьков? Снежный шар? Крысиный лабиринт в руках инопланетян или что-то еще? Какая форма у Вселенной?
Что же, ответ намного проще, но также и страннее. О форме Вселенной начали задумываться еще в древние времена. И люди, в силу нехватки информации, предлагали довольно чудные вещи. В индуистских текстах это было яйцо в форме человека. Греки видели остров, плавающий в пустоте. Аристотель говорит, что Вселенная имеет форму бесконечной сферы или же просто черепахи.
Интересно, что вклад Альберта Эйнштейна помогает проверить каждую из этих моделей. Ученые выдвинули три любимейших формы: положительно-изогнутая, отрицательно-изогнутая и плоская. Мы понимаем, что Вселенная существует в 4-х измерениях и любая из фигур граничит с безумной геометрией Лавкрафта. Поэтому включите максимальное воображение и поехали!
При положительно-изогнутом варианте мы получаем четырехмерную сферу. У этой разновидности есть конец, но не выделяется четкая граница. Если точнее, то две частицы пересекли бы ее, прежде чем вернуться на старт. Вы можете даже протестировать это в домашних условиях. Возьмите воздушный шар и проведите прямую линию, пока она не вернется в начальную точку.
Этот вид вписывается в три измерения и появляется, если в космосе есть огромное количество энергии. Чтобы полностью изогнуться или замкнуться, пространству пришлось бы остановить расширение. Это произойдет, если появится масштабный энергетический запас, способный создать край. Современные данные показывают, что расширение – бесконечный процесс. Так что этот сценарий отпадает.
Отрицательно-изогнутая форма Вселенной – четырехмерное седло. Она открыта, лишена границ в пространстве и времени. Здесь мало энергии, поэтому Вселенная не перестанет расширяться. Если пустить две частицы по ровным линиям, то они никогда не встретятся, а просто будут расходиться, пока не уйдут в разные стороны.
Если критическое количество энергии будет колебаться между крайностями, то спустя бесконечность расширение прекратится. Это плоская Вселенная. Здесь две частицы будут путешествовать параллельно, но никогда не разойдутся и не встретятся.
Легко представить эти три формы, но есть еще множество вариантов. Футбольный мяч напоминает идею со сферической Вселенной. Пончик – технически плоская, но связанная в определенных точках. Некоторые считают, что в пользу этого варианта говорят огромные теплые и прохладные пятна. Можете рассмотреть предполагаемые формы Вселенной на фото.
И вот мы подошли к трубе. Это еще один вид отрицательного искривления. Один ее конец будет зауженный, а второй – широкий. В первой половине все казалось бы узким и существовало в двух измерениях. А в широком можно было бы путешествовать на максимальные расстояния, но возвращаться приходилось бы в обратную сторону (в изгибе меняется направление).
Тогда что? С чем мы имеем дело? Рогалик? Духовой инструмент? Гигантская сырная голова? Ученые все еще не исключили варианты с трубой и седлом.
Ворчуны будут утверждать, что все это бессмысленно и нам никогда не узнать правду. Но давайте не будем столь категоричны. Последние данные Планка показывают, что наша Вселенная… плоская! Бесконечно конечная, совершенно не изогнутая и с точным критическим количеством энергии.
Немыслимо, что мы можем не только узнать, как Вселенная выглядит, но есть и люди, которые постоянно пытаются найти еще больше информации. Если «плоская» кажется вам скучной, то не забывайте, что у нас еще нет достаточной информации. Поэтому вполне вероятно, что все мы можем существовать в гигантском пончике.
