Защо Вселената е плоска? Каква форма има нашата вселена? Класическа топология на пространството

Имаше друга Вселена преди нашата и тази, в която живеем, е плоска. Тези две открития през 2010 г. революционизираха разбирането на човека за еволюцията на космоса. Учените са доказали, че 70 процента от масата на Вселената се състои от мистериозна „тъмна енергия“, която ускорява нейното разширяване. Ако и двете теории се потвърдят, това може да е нова стъпка в разбирането на света.

Първото откритие е направено от един от най-гениалните физици на нашето време - Роджър Пенроуз от Оксфордския университет. Той се чудеше: какво предшества Големия взрив, в резултат на който според доминиращата теория са се образували времето, материята и пространството?

В резултат на своите изследвания Пенроуз открива доказателства за съществуването на друга вселена, предшестваща нашата. И като цяло, според учения, развитието на Вселената се случва циклично: вселените се раждат, умират и се раждат отново от собствената си пепел, преживявайки периоди, които физикът нарича "еони". Неговата теория помага да се обясни защо Вселената първоначално е била много подредена, позволявайки формирането на много сложни обекти.

Второто изследване, публикувано в Nature, е извършено от Кристиан Маринони и Едлайн Буци, френски физици от Университета на Прованс. Това ни връща към отдавна забравената теория на Алберт Айнщайн, че нашата Вселена е плоска. По едно време Айнщайн го изостави, смятайки го за погрешно. Но именно тази форма на Вселената позволява да се обясни съществуването на „тъмната енергия“ - основната движеща сила на Вселената. Френски изследователи са доказали, че 74 процента от масата на Вселената се състои от тази енергия, която ускорява нейното разширяване.

Днес доминиращата теория е, че Вселената е възникнала преди 13,7 милиарда години от една точка

плътност, която в резултат на Големия взрив в първите моменти на съществуване е била „гореща супа“ от свободни частици, несвързани в атоми. Температурата на тази „супа“ беше хиляди милиони градуси (тези условия наскоро бяха успешно възпроизведени в Големия адронен колайдер - LHC). След като се роди, Вселената започна бързо да се разширява и охлажда, частиците започнаха да образуват първите най-прости атоми (водород), а гравитационните сили работеха дълго време, за да комбинират атомите в материята на звездите и галактиките.
Един от най-належащите въпроси е защо след Големия взрив скоростта на разширяване на Вселената не само не се забави, а се увеличи? В резултат на това учените стигнаха до извода, че това до голяма степен зависи от масата на веществото, което се съдържа в него. Ако общата маса на материята във Вселената е достатъчна за силата на гравитацията (която е по-силна, колкото по-голяма е масата) да преодолее първичната центробежна сила на Големия взрив, тогава разширяването на Вселената ще бъде спряно и дори може да доведе до неговият колапс - колапс, който учените наричат ​​Big Crunch. Въпреки това, ако общата маса е недостатъчна, нищо няма да може да спре разширяването на Вселената, тя ще има тенденция да се превърне в голяма черна празнина, където последната звезда в крайна сметка ще изгасне.

Остава да се измери масата на Вселената, но тук науката е срещнала много изненади. Първият е, че обикновената материя, която изгражда галактиките, звездите и планетите и която съществува като светлина и друго измеримо лъчение, съставлява само 5 процента от общата маса на Вселената, което е абсолютно недостатъчно, за да забави движението й. нагоре. Останалите 25 процента съответстват на друг „вид материя“, която не може да бъде директно открита от нашите инструменти, тъй като не излъчва нищо. Тази материя е известна като "тъмна". Ние знаем къде се намира (наречено "черни дупки"), защото можем да измерим промените в гравитацията, но никой никога не е успял да го "види". Може само да се спекулира от какви частици може да се състои.

Наистина, какви свойства трябва да имат тези частици? Абсолютно очевидно е, че те не трябва да се разпадат на други, по-леки, иначе отдавна е трябвало да се разпаднат през цялото съществуване на Вселената. Самият този факт показва, че в природата действа нов, все още неоткрит закон за запазване, който забранява разпадането на тези частици. Аналогията тук е със закона за запазване на електрическия заряд: електронът е най-леката частица с електрически заряд и затова не се разпада на по-леки частици (например неутрино и фотони).

Освен това частиците на тъмната материя взаимодействат изключително слабо с нашата материя, в противен случай вече биха били открити в земни експерименти. В интерес на истината това е мястото, където знанията на учените за тези интересни частици свършват и започва едно отворено поле от догадки и предположения.

И така, с тъмната материя, която съставлява същите тези 25 процента, поне нещо е ясно. Но какви са останалите 70 процента? Учените все още не могат да дадат категоричен отговор на този въпрос и използват термина „тъмна енергия“. За него обаче се знае още по-малко, отколкото за тъмната материя.

Най-необичайното във всичко това е, че тъмната енергия в известен смисъл изпитва антигравитация. Именно благодарение на това разширяването на Вселената не се забавя, а се ускорява. Тази картина, най-общо казано, не противоречи на общата теория на относителността, но за това тъмната енергия трябва да има специално свойство - отрицателно налягане. Това рязко го отличава от обикновените форми на материята. Няма да е преувеличено да се каже, че природата на тъмната енергия е основната мистерия на фундаменталната физика на 21 век. Въпреки че вече има един кандидат за тази роля - обичайният, добре познат вакуум. Вярно е, че природата му все още остава много загадъчна.

Предполага се, че именно тази сила определя увеличаването на скоростта на Вселената. Именно тази тъмна енергия изследват Пенроуз и учени от Франция. Пенроуз анализира данни, получени от сателита WMAP (който измерва микровълновото лъчение, което прониква в цялата Вселена и е следа от Големия взрив). Той открива модели на разпространение под формата на концентрични кръгове, които могат да бъдат обяснени като следи от съществуването на други вселени (суперпозиция на старо излъчване върху ново). Това означава, че нашата Вселена е една в поредица от много и ще дойде време, когато тя ще умре и ще се роди отново в резултат на нов Голям взрив. Преди "смъртта" Вселената ще стане "гладка и линейна".

Това заключение се потвърждава от Бъзи и Маринони, които доказаха чрез измерване на изкривяванията на светлината, идваща от 500 двойки галактики, че живеем в плоска вселена, а не в извита или сферична, както мнозина си мислеха. Започвайки от постулата, че геометричните измервания могат да се използват за определяне на състава на Вселената, учените изследваха разпределението на относителната ориентация на двойки галактики, орбитиращи една около друга. Във Вселена без тъмна енергия това разпределение би било сферично симетрично, т.е. броят на двойките, ориентирани във всяка посока, би бил еднакъв.

Наблюденията показаха, че всъщност колкото по-далечни двойки галактики са от Земята, толкова по-асиметрично е разпределението на тяхната ориентация - повече двойки са разположени по линията на видимост от Земята. Освен това, ако Вселената беше сферична или извита, тогава бихме виждали изображението на галактиките деформирано, сякаш гледаме в метална топка и виждаме лицето си там изкривено. Няма изкривявания в плоското пространство, което беше отбелязано.

Какво е тъмна материя или скрита маса? Какво ще кажете за тъмната енергия?

Скритата маса (в космологията и астрофизиката също тъмна материя, тъмна материя) е общото наименование на набор от астрономически обекти, които са недостъпни за преки наблюдения чрез съвременните средства на астрономията (т.е. неизлъчващи електромагнитно или неутрино лъчение с достатъчен интензитет за наблюдения ), но могат да се наблюдават индиректно чрез гравитационните ефекти, упражнявани от видимите обекти.
Общият проблем със скритата маса се състои от два проблема:

* астрофизични, т.е. противоречието на наблюдаваната маса от гравитационно свързани обекти и техните системи, като галактики и техните клъстери, с техните наблюдавани параметри, определени от гравитационни ефекти;
* космологични - противоречия между наблюдаваните космологични параметри и средната плътност на Вселената, получена от астрофизични данни.

Същност и състав на латентната маса

В допълнение към преките наблюдения на гравитационните ефекти на скритата маса, има редица обекти, които е трудно да се наблюдават директно, но които могат да допринесат за състава на скритата маса. Понастоящем се разглеждат обекти с барионна и небарионна природа: ако първите включват доста добре известни астрономически обекти, тогава се разглеждат неутрино, страпели и хипотетични елементарни частици, произтичащи от класическата квантова хромодинамика (аксиони) и суперсиметрични разширения на квантовите теории на полето като кандидати за последния.
За да се обясни отклонението на скоростите на въртене на галактическите обекти от Кеплеровите, трябва да се приеме наличието на масивен тъмен ореол от галактики. Масивните обекти в ореола на галактиките включват слабо излъчващи компактни обекти, предимно звезди с малка маса - кафяви джуджета, подзвезди или много масивни планети, подобни на Юпитер, чиято маса е недостатъчна, за да инициира термоядрени реакции в техните ядра, охладени бели джуджета, неутрон звезди и черни дупки.

Какво е това?

Какво знаем днес за тъмната материя, която съставлява 95% от масата на Вселената? Почти нищо. Но все пак знаем нещо. На първо място, няма съмнение, че тъмната материя съществува - това неопровержимо се доказва от фактите, дадени по-горе. Също така знаем със сигурност, че тъмната материя съществува в няколко форми. След като в началото на 21 век в резултат на многогодишни наблюдения в експериментите SuperKamiokande (Япония) и SNO (Канада) беше установено, че неутриното имат маса, стана ясно, че от 0,3% до 3% от 95% от скритата маса се намира в неутрино, които отдавна са ни познати - дори ако тяхната маса е изключително малка, но броят им във Вселената е приблизително милиард пъти по-голям от броя на нуклоните: всеки кубичен сантиметър съдържа на средно 300 неутрино. Останалите 92–95% се състоят от две части – тъмна материя и тъмна енергия. Малка част от тъмната материя е обикновена барионна материя, изградена от нуклони; останалата част очевидно се дължи на някои неизвестни масивни слабо взаимодействащи частици (така наречената студена тъмна материя).

Барионна тъмна материя

Малка (4–5%) част от тъмната материя е обикновена материя, която излъчва малко или никаква собствена радиация и следователно е невидима. Съществуването на няколко класа такива обекти може да се счита за експериментално потвърдено. Най-сложните експерименти, базирани на същата гравитационна леща, доведоха до откриването на така наречените масивни компактни хало обекти, тоест разположени в периферията на галактическите дискове. Това изисква наблюдение на милиони далечни галактики в продължение на няколко години. Когато тъмно, масивно тяло преминава между наблюдател и далечна галактика, неговата яркост за кратко намалява (или се увеличава, тъй като тъмното тяло действа като гравитационна леща). В резултат на усърдни издирвания такива събития са идентифицирани. Природата на масивните компактни хало обекти не е напълно ясна. Най-вероятно това са или охладени звезди (кафяви джуджета), или подобни на планети обекти, които не са свързани със звезди и пътуват из галактиката сами. Друг представител на барионната тъмна материя е горещ газ, открит наскоро в галактически клъстери с помощта на рентгенови астрономически методи, който не свети във видимия диапазон.

Небарионна тъмна материя

Основните кандидати за небарионна тъмна материя са така наречените WIMP (съкратено от Weakly Interactive Massive Particles). Особеността на WIMPs е, че те не показват почти никакво взаимодействие с обикновената материя. Ето защо те са истинската невидима тъмна материя и защо са изключително трудни за откриване. Масата на WIMP трябва да бъде поне десетки пъти по-голяма от масата на протона. Търсенето на WIMP е извършено в много експерименти през последните 20-30 години, но въпреки всички усилия, те все още не са открити

Една идея е, че ако такива частици съществуват, тогава Земята, докато обикаля около Слънцето със Слънцето около галактическия център, трябва да лети през дъжд от WIMP. Въпреки факта, че WIMP е изключително слабо взаимодействаща частица, тя все още има много малка вероятност да взаимодейства с обикновен атом. В същото време в специални инсталации - много сложни и скъпи - може да се запише сигнал. Броят на тези сигнали трябва да се променя през годината, защото докато Земята се движи в орбита около Слънцето, тя променя скоростта и посоката си спрямо вятъра, който се състои от WIMP. Експерименталната група DAMA, работеща в италианската подземна лаборатория Гран Сасо, съобщава за наблюдавани годишни вариации в скоростта на преброяване на сигнала. Други групи обаче все още не са потвърдили тези резултати и въпросът по същество остава отворен.

Друг метод за търсене на WIMP се основава на предположението, че по време на милиарди години от своето съществуване различни астрономически обекти (Земята, Слънцето, центърът на нашата Галактика) трябва да уловят WIMP, които се натрупват в центъра на тези обекти и, унищожавайки взаимно, пораждат поток от неутрино. Опитите за откриване на излишен поток от неутрино от центъра на Земята към Слънцето и центъра на Галактиката бяха направени на подземни и подводни детектори за неутрино MACRO, LVD (лаборатория Гран Сасо), NT-200 (езерото Байкал, Русия), SuperKamiokande, AMANDA (Scott Station -Amundsen, Южен полюс), но все още не са довели до положителен резултат.

Експериментите за търсене на WIMP също се провеждат активно в ускорителите на частици. Според известното уравнение на Айнщайн E=mс2 енергията е еквивалентна на масата. Следователно, чрез ускоряване на частица (например протон) до много висока енергия и сблъсък с друга частица, може да се очаква създаването на двойки други частици и античастици (включително WIMP), чиято обща маса е равна на общата енергия на сблъскалите се частици. Но експериментите с ускорител все още не са довели до положителен резултат.

Тъмна енергия

Още по-малко може да се каже за тъмната енергия, отколкото за тъмната материя. Първо, тя е равномерно разпределена във Вселената, за разлика от обикновената материя и други форми на тъмна материя. Има толкова много от него в галактиките и галактическите купове, колкото и извън тях. Второ, той има няколко много странни свойства, които могат да бъдат разбрани само чрез анализиране на уравненията на теорията на относителността и тълкуване на техните решения. Например тъмната енергия изпитва антигравитация: поради нейното присъствие скоростта на разширяване на Вселената се увеличава. Тъмната енергия изглежда се отблъсква, ускорявайки разпръскването на обикновената материя, събрана в галактиките. Тъмната енергия също има отрицателно налягане, поради което в веществото възниква сила, която не му позволява да се разтяга.

Основният кандидат за ролята на тъмната енергия е вакуумът. Енергийната плътност на вакуума не се променя с разширяването на Вселената, което съответства на отрицателното налягане. Друг кандидат е хипотетично свръхслабо поле, наречено квинтесенция. Надеждите за изясняване природата на тъмната енергия се свързват преди всичко с нови астрономически наблюдения. Напредъкът в тази посока несъмнено ще донесе радикално нови знания на човечеството, тъй като във всеки случай тъмната енергия трябва да бъде напълно необичайна субстанция, напълно различна от това, с което физиката се е занимавала досега.

И така, 95% от нашия свят се състои от нещо, за което не знаем почти нищо. Човек може да има различно отношение към такъв факт, който не подлежи на съмнение. Може да предизвика безпокойство, което винаги съпътства среща с нещо непознато. Или разочарование, защото толкова дълъг и сложен път към изграждането на физическа теория, която описва свойствата на нашия свят, доведе до твърдението: по-голямата част от Вселената е скрита от нас и непозната за нас.

Доктор на физико-математическите науки А. МАДЕРА.

Какво е общото между лист хартия, повърхност на маса, поничка и чаша?

Двумерни аналози на евклидови, сферични и хиперболични геометрии.

Лента на Мьобиус с точка a на нейната повърхност, нормала към нея и малка окръжност с дадено направление v.

Плосък лист хартия може да бъде залепен в цилиндър и като свържете краищата му, можете да получите торус.

Тор с една дръжка е хомеоморфен на сфера с две дръжки - топологията им е една и съща.

Ако изрежете тази фигура и залепите куб от нея, ще стане ясно как изглежда триизмерен торус, безкрайно повтарящи се копия на зеления „червей“, който седи в центъра му.

Триизмерен торус може да бъде залепен заедно от куб, точно както двуизмерен торус може да бъде залепен заедно от квадрат. Многоцветните „червеи“, пътуващи вътре в него, ясно показват кои страни на куба са залепени заедно.

Кубът, основната област на триизмерен тор, е нарязан на тънки вертикални слоеве, които, когато са залепени заедно, образуват пръстен от двуизмерни тори.

Ако две страни на оригиналния куб са залепени заедно с 180-градусово завъртане, се създава 1/2-завъртяно кубично пространство.

Завъртането на две лица на 90 градуса дава 1/4-завъртано кубично пространство. Опитайте тези чертежи и подобни чертежи на страница 88 като обърнати стерео двойки. „Червеите“ на незавъртени ръбове ще придобият обем.

Ако вземем шестоъгълна призма като фундаментална област, залепим всяка от нейните страни директно към противоположната и завъртим шестоъгълните краища на 120 градуса, получаваме 1/3-завъртяно шестоъгълно призматично пространство.

Завъртането на шестоъгълната повърхност на 60 градуса преди залепването създава 1/6-завъртяно шестоъгълно призматично пространство.

Двойно кубично пространство.

Пространство за плоча възниква, когато горната и долната страна на безкрайна плоча са залепени заедно.

Тръбни пространства - прави (А) и завъртени (В), при които една от повърхностите е залепена за срещуположната със завъртане на 180 градуса.

Картата на разпределението на микровълновото фоново лъчение показва разпределението на плътността на материята преди 300 хиляди години (показано в цвят). Неговият анализ ще даде възможност да се определи каква топология има Вселената.

В древността хората са вярвали, че живеят на обширна равна повърхност, макар и покрита тук-там с планини и падини. Това вярване се запазва в продължение на много хиляди години до Аристотел през 4 век пр.н.е. д. Не забелязах, че кораб, излизащ в открито море, изчезва от поглед не защото, докато се отдалечава, се свива до размери, недостъпни за окото. Напротив, първо изчезва корпусът на кораба, след това платната и накрая мачтите. Това го накарало да заключи, че Земята трябва да е кръгла.

През последните хилядолетия са направени много открития и е натрупан огромен опит. И все пак фундаменталните въпроси все още остават без отговор: крайна или безкрайна ли е Вселената, в която живеем, и каква е нейната форма?

Неотдавнашни наблюдения на астрономи и изследвания на математици показват, че формата на нашата Вселена трябва да се търси сред осемнадесет така наречени триизмерни ориентируеми Евклидови многообразия и само десет могат да претендират за нея.

НАБЛЮДАЕМА ВСЕЛЕНА

Всички заключения относно възможната форма на нашата Вселена трябва да се основават на реални факти, получени от астрономически наблюдения. Без това дори най-красивите и правдоподобни хипотези са обречени на провал. Затова нека да видим какво казват резултатите от наблюденията за Вселената.

На първо място, отбелязваме, че независимо къде се намираме във Вселената, около всяка точка можем да очертаем сфера с произволен размер, съдържаща вътрешното пространство на Вселената. Тази донякъде изкуствена конструкция казва на космолозите, че пространството на Вселената е триизмерно многообразие (3-многообразие).

Веднага възниква въпросът: какъв вид разнообразие представлява нашата Вселена? Математиците отдавна са установили, че има толкова много от тях, че все още не съществува пълен списък. Дългосрочните наблюдения показват, че Вселената има редица физически свойства, които рязко намаляват броя на възможните кандидати за нейната форма. А едно от основните свойства на топологията на Вселената е нейната кривина.

Според възприетата днес концепция, приблизително 300 хиляди години след Големия взрив, температурата на Вселената е спаднала до ниво, достатъчно електрони и протони да се комбинират в първите атоми (виж „Наука и живот” № 11, 12, 1996 г. ). Когато това се случи, радиацията, която първоначално е била разпръсната от заредени частици, внезапно успя да премине безпрепятствено през разширяващата се Вселена. Това лъчение, сега известно като космически микровълнов фон или реликтово лъчение, е изненадващо еднородно и разкрива само много слаби отклонения (флуктуации) на интензитета от средната стойност (виж Наука и живот № 12, 1993 г.). Такава хомогенност може да съществува само във Вселената, чиято кривина е постоянна навсякъде.

Постоянството на кривината означава, че пространството на Вселената има една от трите възможни геометрии: плоска евклидова сферична с положителна кривина или хиперболична с отрицателна. Тези геометрии имат напълно различни свойства. Например в евклидовата геометрия сумата от ъглите на триъгълник е точно 180 градуса. Това не е така при сферичните и хиперболичните геометрии. Ако вземете три точки на сфера и начертаете прави линии между тях, тогава сумата от ъглите между тях ще бъде повече от 180 градуса (до 360). В хиперболичната геометрия тази сума е по-малка от 180 градуса. Има и други фундаментални различия.

И така, коя геометрия да изберем за нашата Вселена: Евклидова, сферична или хиперболична?

Немският математик Карл Фридрих Гаус разбира през първата половина на 19 век, че реалното пространство на околния свят може да бъде неевклидово. Извършвайки многогодишна геодезическа работа в Кралство Хановер, Гаус се заел да изследва геометричните свойства на физическото пространство, използвайки директни измервания. За целта той избира три отдалечени един от друг планински върха – Хоенхаген, Инселберг и Брокен. Застанал на един от тези върхове, той насочи отразените от огледалата слънчеви лъчи към другите два и измери ъглите между страните на огромен триъгълник от светлина. Така той се опита да отговори на въпроса: изкривени ли са траекториите на светлинните лъчи, преминаващи над сферичното пространство на Земята? (Между другото, горе-долу по същото време руският математик, ректор на Казанския университет Николай Иванович Лобачевски предложи експериментално да се изследва въпросът за геометрията на физическото пространство с помощта на звезден триъгълник.) Ако Гаус беше открил, че сумата от ъглите на светлинният триъгълник се различава от 180 градуса, тогава би следвало заключението, че страните на триъгълника са извити и реалното физическо пространство е неевклидово. Въпреки това, в границите на грешката на измерването, сумата от ъглите на „тестовия триъгълник Брокен - Хоенхаген - Инселберг“ беше точно 180 градуса.

Така че в малък (по астрономически стандарти) мащаб Вселената изглежда като Евклидова (въпреки че, разбира се, е невъзможно заключенията на Гаус да се екстраполират към цялата Вселена).

Скорошни проучвания, използващи балони на голяма надморска височина, летящи над Антарктика, също подкрепят това заключение. При измерване на ъгловия спектър на мощност на CMB беше открит пик, който според изследователите може да се обясни само със съществуването на студена черна материя - относително големи, бавно движещи се обекти - точно в Евклидовата Вселена. Други изследвания също подкрепят това заключение, което рязко намалява броя на вероятните кандидати за възможната форма на Вселената.

Още през тридесетте години на 20-ти век математиците доказаха, че има само 18 различни Евклидови триизмерни многообразия и следователно само 18 възможни форми на Вселената вместо безкраен брой. Разбирането на свойствата на тези многообразия помага експериментално да се определи истинската форма на Вселената, тъй като целенасоченото търсене винаги е по-ефективно от сляпото търсене.

Въпреки това, броят на възможните форми на Вселената може да бъде допълнително намален. Наистина, сред 18-те евклидови 3-многообразия има 10 ориентируеми и 8 неориентируеми. Нека обясним какво представлява понятието ориентираемост. За да направите това, помислете за интересна двуизмерна повърхност - лентата на Мьобиус. Може да се получи от правоъгълна лента хартия, усукана веднъж и залепена в краищата. Сега нека вземем точка от лентата на Мьобиус А, начертайте нормал (перпендикуляр) към нея, а около нормалата нарисувайте малък кръг с посока, обратна на часовниковата стрелка, когато се гледа от края на нормалата. Нека започнем да местим точката заедно с нормалата и насочената окръжност по лентата на Мьобиус. Когато точката обиколи целия лист и се върне в първоначалното си положение (визуално ще бъде от другата страна на листа, но в геометрията повърхността няма дебелина), посоката на нормалата ще се промени на противоположната и посоката на кръга ще се промени на противоположната. Такива траектории се наричат ​​пътища с обръщане на ориентацията. А повърхностите, които ги имат, се наричат ​​неориентируеми или едностранни. Повърхностите, върху които няма затворени пътища, обръщащи ориентацията, например сфера, тор и неусукана лента, се наричат ​​ориентируеми или двустранни. Забележете между другото, че лентата на Мьобиус е евклидово неориентируемо двумерно многообразие.

Ако приемем, че нашата Вселена е неориентируемо многообразие, то физически това би означавало следното. Ако летим от Земята по затворен кръг, който обръща ориентацията, тогава, разбира се, ще се върнем у дома, но ще се окажем в огледално копие на Земята. Ние няма да забележим никакви промени в себе си, но по отношение на нас останалите жители на Земята ще имат сърце отдясно, всички часовници ще вървят обратно на часовниковата стрелка и текстовете ще се появяват в огледален образ.

Едва ли живеем в такъв свят. Космолозите смятат, че ако нашата Вселена беше неориентируема, тогава енергията щеше да се излъчва от граничните зони, в които материята и антиматерията си взаимодействат. Нищо подобно обаче никога не е наблюдавано, въпреки че теоретично може да се предположи, че такива зони съществуват извън областта на Вселената, достъпна за нашия поглед. Следователно е разумно да изключим осем неориентируеми многообразия от разглеждане и да ограничим възможните форми на нашата Вселена до десет ориентируеми евклидови триизмерни многообразия.

ВЪЗМОЖНИ ФОРМИ НА ВСЕЛЕНАТА

Триизмерните колектори в четириизмерното пространство са изключително трудни за визуализиране. Въпреки това можем да се опитаме да си представим тяхната структура, ако приложим подхода, използван в топологията, за да визуализираме двумерни многообразия (2-многообразия) в нашето триизмерно пространство. Всички предмети в него се считат за направени от някакъв издръжлив еластичен материал като гума, позволяващ всякакви разтягания и изкривявания, но без разкъсвания, гънки и слепвания. В топологията фигурите, които могат да се трансформират от една в друга с помощта на такива деформации, се наричат ​​хомеоморфни; имат еднаква вътрешна геометрия. Следователно, от топологична гледна точка, поничка (торус) и обикновена чаша с дръжка са едно и също. Но е невъзможно да превърнете футболна топка в поничка. Тези повърхности са топологично различни, тоест имат различни вътрешни геометрични свойства. Ако обаче изрежете кръгла дупка на сфера и прикрепите една дръжка към нея, тогава получената фигура вече ще бъде хомеоморфна на тор.

Има много повърхности, които са топологично различни от тора и сферата. Например, като добавим дръжка към тора, подобна на тази, която виждаме на чашата, получаваме нов отвор и следователно нова фигура. Тор с дръжка ще бъде хомеоморфен на фигура с форма на геврек, която от своя страна е хомеоморфна на сфера с две дръжки. Добавянето на всяка нова дръжка създава нов отвор и следователно различна повърхност. По този начин можете да получите безкраен брой от тях.

Всички такива повърхности се наричат ​​двумерни многообразия или просто 2-многообразия. Това означава, че около всяка точка може да се начертае окръжност с произволен радиус. На повърхността на Земята можете да нарисувате кръг, съдържащ нейните точки. Ако видим само такава картина, разумно е да приемем, че тя представлява безкрайна равнина, сфера, тор или всякаква друга повърхност от безкраен брой тори или сфери с различен брой дръжки.

Тези топологични форми могат да бъдат доста трудни за разбиране. И за да си ги представим по-лесно и ясно, нека залепим цилиндър от квадратен лист хартия, свързвайки лявата и дясната му страна. Квадратът в този случай се нарича основна площ за тора. Ако сега мислено залепите основите на цилиндъра заедно (материалът на цилиндъра е еластичен), ще получите тор.

Нека си представим, че има някакво двуизмерно същество, да речем насекомо, чието движение по повърхността на тора трябва да се изследва. Това не е лесно да се направи и е много по-удобно да се наблюдава движението му в квадрат - пространство със същата топология. Тази техника има две предимства. Първо, позволява ви ясно да видите пътя на насекомото в триизмерното пространство, следвайки движението му в двуизмерното пространство, и второ, позволява ви да останете в рамките на добре развитата евклидова геометрия на равнина. Евклидовата геометрия съдържа постулат за успоредните прави: за всяка права линия и точка извън нея има уникална права линия, успоредна на първата и минаваща през тази точка. В допълнение, сумата от ъглите на плоския триъгълник е точно 180 градуса. Но тъй като квадратът е описан от евклидовата геометрия, можем да го разширим до тора и да твърдим, че торусът е евклидово 2-многообразие.

Неразличимостта на вътрешните геометрии за различни повърхности е свързана с тяхната важна топологична характеристика, наречена възможност за разгръщане. По този начин повърхностите на цилиндър и конус изглеждат напълно различни, но въпреки това техните геометрии са абсолютно еднакви. И двете могат да се разположат в равнина, без да се променят дължините на отсечките и ъглите между тях, следователно за тях е валидна евклидовата геометрия. Същото важи и за тора, тъй като той е повърхност, която се развива в квадрат. Такива повърхности се наричат ​​изометрични.

Безброй тори могат да бъдат оформени от други плоски фигури, например от различни успоредници или шестоъгълници, чрез залепване на противоположните им ръбове. Но не всеки четириъгълник е подходящ за това: дължините на залепените му страни трябва да са еднакви. Това изискване е необходимо, за да се избегнат при залепване удължения или компресии на краищата на зоната, които нарушават евклидовата геометрия на повърхността.

Сега нека да преминем към сортове с по-високи измерения.

ПРЕДСТАВЯНЕ НА ВЪЗМОЖНИТЕ ФОРМИ НА ВСЕЛЕНАТА

Нека се опитаме да си представим възможните форми на нашата Вселена, която, както вече видяхме, трябва да се търси сред десет ориентируеми Евклидови триизмерни многообразия.

За да представим евклидово 3-многообразие, прилагаме метода, използван по-горе за двумерни многообразия. Там използвахме квадрат като фундаментална област на тора, а за представяне на триизмерно многообразие ще вземем триизмерни обекти.

Нека вземем куб вместо квадрат и точно както залепихме противоположните ръбове на квадрата, залепим заедно противоположните страни на куба във всичките им точки.

Полученият триизмерен тор е евклидово 3-многообразие. Ако по някакъв начин се озовем в него и погледнем напред, щяхме да видим задната част на главите си, както и свои копия във всяка страна на куба - отпред, отзад, отляво, отдясно, отгоре и отдолу. Зад тях щяхме да видим безкрайно много други копия, все едно се намирахме в стая, където стените, подът и таванът са покрити с огледала. Но изображенията в триизмерния тор ще бъдат прави, а не огледални.

Важно е да се отбележи кръговият характер на този и много други колектори. Ако Вселената наистина имаше тази форма, тогава ако напуснем Земята и летим без никаква промяна в курса, в крайна сметка ще се върнем у дома. Нещо подобно се наблюдава на Земята: движейки се на запад по екватора, рано или късно ще се върнем към началната си точка от изток.

Като нарязваме куба на тънки вертикални слоеве, получаваме набор от квадрати. Противоположните ръбове на тези квадрати трябва да бъдат залепени заедно, защото те съставляват противоположните страни на куба. Така че триизмерният торус се оказва пръстен, състоящ се от двуизмерни тори. Спомнете си, че предният и задният квадрат също са залепени заедно и служат като лица на куба. Тополозите обозначават такова многообразие като T 2 xS 1, където T 2 означава двуизмерен тор, а S 1 означава пръстен. Това е пример за сноп или пакет от тори.

Триизмерни торове могат да бъдат получени не само с помощта на куб. Точно както паралелограмът образува 2-торус, чрез слепване на противоположни страни на паралелепипед (триизмерно тяло, ограничено от успоредници), ще създадем 3-торус. От различни паралелепипеди се образуват пространства с различни затворени пътеки и ъгли между тях.

Тези и всички други крайни многообразия са много просто включени в картината на разширяващата се Вселена. Ако основната област на разнообразието непрекъснато се разширява, пространството, образувано от нея, също ще се разширява. Всяка точка в разширяващото се пространство се отдалечава все повече и повече от останалите, което точно отговаря на космологичния модел. Трябва обаче да се има предвид, че точките в близост до едно лице винаги ще бъдат съседни на точки от противоположното лице, тъй като, независимо от размера на фундаменталната област, противоположните страни са залепени заедно.

Следващото триизмерно многообразие, подобно на триизмерен тор, се нарича 1/2 - завъртяно кубично пространство. В това пространство основната област отново е кубът или паралелепипедът. Четири ръба се залепват както обикновено, а останалите два, преден и заден, се залепват със завъртане на 180 градуса: горната част на предния ръб се залепва към долната част на гърба. Ако попаднем в такова многообразие и погледнем едно от тези лица, ще видим собственото си копие, но обърнато с главата надолу, последвано от обикновено копие и така до безкрайност. Подобно на триизмерен торус, фундаменталната област на 1/2-завъртано кубично пространство може да бъде нарязана на тънки вертикални слоеве, така че когато се залепят заедно, резултатът отново е пакет от двуизмерни тори, с изключение на този път предните и задните тори са залепени заедно със завъртане на 180 градуса.

1/4-завъртяно кубично пространство е същото като предишното, но завъртяно на 90 градуса. Но тъй като въртенето е само една четвърт, то не може да се получи от който и да е паралелепипед - предната и задната му част трябва да са квадрати, за да се избегне изкривяването и изкривяването на основната площ. В предната страна на куба ще видим друг зад нашето копие, завъртян на 90 градуса спрямо него.

1/3-ротирано шестоъгълно призматично пространство използва шестоъгълна призма, а не куб като основна област. За да го получите, трябва да залепите всяко лице, което е успоредник, с срещуположното лице и две шестоъгълни лица с ротация от 120 градуса. Всеки шестоъгълен слой на това многообразие е тор и по този начин пространството също е сноп от тори. Във всички шестоъгълни лица ще видим копия, завъртяни на 120 градуса спрямо предишното, а копията в успоредни лица са прави.

1/6-ротираното шестоъгълно призматично пространство е конструирано подобно на предишното, но с тази разлика, че предното шестоъгълно лице е залепено към гърба с 60-градусово завъртане. Както и преди, в получения пакет от тори останалите лица - успоредници - са залепени директно едно към друго.

Двойното кубично пространство е коренно различно от предишните колектори. Това ограничено пространство вече не е сноп от тори и има необичайна структура на залепване. Пространството с двоен куб обаче използва проста фундаментална зона, която представлява два куба, подредени един върху друг. При залепване не всички лица са директно свързани: горната предна и задна повърхност са залепени към лицата точно под тях. В това пространство щяхме да се видим в някаква перспектива - стъпалата на краката ни щяха да са точно пред очите ни.

Това завършва списъка с крайни ориентируеми евклидови триизмерни, така наречените компактни многообразия. Вероятно сред тях трябва да търсим формата на нашата Вселена.

Много космолози смятат, че Вселената е ограничена: трудно е да си представим физическия механизъм за появата на безкрайна Вселена. Независимо от това, ние ще разгледаме четирите оставащи ориентираеми некомпактни евклидови триизмерни многообразия, докато не бъдат получени реални данни, които изключват тяхното съществуване.

Първото и най-просто безкрайно триизмерно многообразие е Евклидовото пространство, което се изучава в гимназията (означава се с R 3). В това пространство трите оси на декартовите координати се простират до безкрайност. В него не виждаме никакви копия на себе си, нито прави, нито завъртяни, нито обърнати.

Следващият колектор е така нареченото пространство на плочата, чиято основна област е безкрайна плоча. Горната част на плочата, която е безкрайна равнина, се залепва директно към долната й част, също безкрайна равнина. Тези равнини трябва да са успоредни една на друга, но могат да се изместват произволно при залепване, което е маловажно, предвид тяхната безкрайност. В топологията това многообразие се записва като R 2 xS 1, където R 2 означава равнина, а S 1 пръстен.

Последните две 3-многообразия използват безкрайно дълги тръби като основни области. Тръбите имат четири страни, напречните им сечения са успоредници, нямат нито горна, нито долна част - четирите им страни се простират неограничено. Както и преди, естеството на залепването на фундаменталния домейн определя формата на колектора.

Тръбното пространство се образува чрез залепване на двете двойки противоположни страни. След залепването оригиналното сечение с форма на паралелограм се превръща в двуизмерен тор. В топологията това пространство се записва като произведението T 2 xR 1.

Чрез завъртане на една от свързаните повърхности на тръбното пространство на 180 градуса, получаваме завъртяно тръбно пространство. Това въртене, като се вземе предвид безкрайната дължина на тръбата, й придава необичайни характеристики. Например две точки, разположени много далеч една от друга, в различни краища на основния регион, след залепването ще бъдат наблизо.

Каква е все пак формата на нашата Вселена?

За да изберем едно от горните десет Евклидови 3-многообразия като форма на нашата Вселена, са необходими допълнителни данни от астрономически наблюдения.

Най-лесният начин би бил да открием копия на нашата Галактика в нощното небе. След като ги открием, ще можем да установим природата на слепването на фундаменталната област на Вселената. Ако се окаже, че Вселената е 1/4-завъртяно кубично пространство, тогава прави копия на нашата Галактика ще бъдат видими от четири страни и завъртяни на 90 градуса от останалите две. Но въпреки привидната си простота, този метод е малко полезен за установяване на формата на Вселената.

Светлината се движи с ограничена скорост, така че когато наблюдаваме Вселената, ние по същество гледаме в миналото. Дори един ден да открием изображение на нашата Галактика, няма да можем да я разпознаем, защото в „младите си години“ тя изглеждаше съвсем различно. Твърде трудно е да разпознаем нашето копие от огромния брой галактики.

В началото на статията беше казано, че Вселената има постоянна кривина. Хомогенността на космическото микровълново фоново излъчване директно показва това. Той обаче има леки пространствени вариации, приблизително 10 -5 келвина, което показва, че в ранната Вселена е имало незначителни колебания в плътността на материята. Докато разширяващата се Вселена се охлаждаше, материята в тези региони в крайна сметка създаде галактики, звезди и планети. Картата на микровълновото лъчение ви позволява да погледнете в миналото, във времето на първоначалните нехомогенности, за да видите очертанията на Вселената, която тогава е била хиляди пъти по-малка. За да разберете значението на тази карта, разгледайте хипотетичен пример: Вселената под формата на двуизмерен тор.

В триизмерната Вселена ние наблюдаваме небето във всички посоки, тоест в една сфера. Двуизмерните обитатели на двуизмерна Вселена биха могли да го наблюдават само в кръг. Ако този кръг беше по-малък от фундаменталната област на тяхната Вселена, те не биха могли да получат индикация за неговата форма. Ако обаче зрителният кръг на двуизмерните създания е по-голям от фундаменталния регион, те биха могли да видят пресичане и дори повторения на модели във Вселената и да се опитат да намерят точки със същите температури, които съответстват на същия регион . Ако имаше достатъчно такива точки в техния зрителен кръг, те биха могли да заключат, че живеят в торична Вселена.

Въпреки че живеем в триизмерна вселена и виждаме сферична област, ние сме изправени пред същия проблем като двуизмерните създания. Ако нашата зрителна сфера е по-малка от фундаменталната област на Вселената преди 300 000 години, няма да видим нищо необичайно. В противен случай сферата ще го пресича в кръгове. Като открият два кръга, които имат еднакви вариации в микровълновото излъчване, космолозите могат да сравнят техните ориентации. Ако кръговете са подредени на кръст, това ще означава, че има залепване, но без ротация. Някои от тях обаче могат да се комбинират на четвърт или половин оборот. Ако могат да бъдат открити достатъчно от тези кръгове, ще бъде разкрита мистерията на фундаменталния регион на Вселената и нейното слепване.

Въпреки това, докато не се появи точна карта на микровълновото лъчение, космолозите няма да могат да направят никакви заключения. През 1989 г. изследователи от НАСА се опитаха да създадат карта на космическото микровълново фоново лъчение. Ъгловата разделителна способност на сателита обаче беше около 10 градуса, което не позволи да се направят точни измервания, които да задоволят космолозите. През пролетта на 2002 г. НАСА направи втори опит и изстреля сонда, която картографира температурните колебания с ъглова резолюция от около 0,2 градуса. През 2007 г. Европейската космическа агенция планира да използва сателита Planck, който има ъглова разделителна способност от 5 дъгови секунди.

Ако изстрелванията са успешни, тогава в рамките на четири до десет години ще бъдат получени точни карти на флуктуациите на CMB. И ако размерът на сферата на нашето зрение се окаже достатъчно голям, а измерванията достатъчно точни и надеждни, най-накрая ще разберем каква е формата на нашата Вселена.

По материали от списанията "American Scientist" и "Popular Science".

Когато астрономите и физиците казват, че Вселената е плоска, те нямат предвид, че Вселената е плоска като лист. Говорим за свойството триизмерна плоскост - евклидова (неизвита) геометрия в три измерения. В евклидовата астрономия светът е удобен сравнителен модел на околното пространство. Материята в такъв свят е разпределена хомогенно, т.е. единица обем съдържа същото количество материя, и изотропно, т.е. разпределението на материята е еднакво във всички посоки. Освен това материята там не се развива (например радиоизточниците не светят и свръхновите не изригват), а пространството се описва с най-простата геометрия. Това е много удобен свят за описване, но не и за живеене, тъй като там няма еволюция.

Ясно е, че такъв модел не отговаря на фактите от наблюденията. Материята около нас е разпределена нехомогенно и анизотропно (някъде има звезди и галактики, а другаде ги няма), натрупванията на материя се развиват (променят се във времето), а пространството, както знаем от експериментално потвърдената теория на относителността, е изкривено. .

Какво е кривина в триизмерното пространство? В евклидовия свят сборът от ъглите на всеки триъгълник е 180 градуса - във всички посоки и във всеки обем. В неевклидовата геометрия - в извитото пространство - сумата от ъглите на триъгълника ще зависи от кривината. Два класически примера са триъгълник върху сфера, където кривината е положителна, и триъгълник върху повърхност с форма на седло, където кривината е отрицателна. В първия случай сборът от ъглите на триъгълника е по-голям от 180 градуса, а във втория случай е по-малък. Когато обикновено говорим за сфера или седло, мислим за извити двуизмерни повърхности, заобикалящи триизмерни тела. Когато говорим за Вселената, трябва да разберем, че преминаваме към концепцията за триизмерно извито пространство – например вече не говорим за двуизмерна сферична повърхност, а за триизмерна хиперсфера.

Така че защо Вселената е плоска в триизмерен смисъл, ако пространството е извито не само от клъстери от галактики, нашата Галактика и Слънцето, но дори и от Земята? В космологията Вселената се разглежда като цялостен обект. И като цялостен обект има определени свойства. Например, започвайки от някои много големи линейни мащаби (тук можем да разгледаме 60 мегапарсека [~180 милиона светлинни години] и 150 Mpc), материята във Вселената е разпределена равномерно и изотропно. В по-малки мащаби се наблюдават купове и суперкупове от галактики и кухини между тях - кухини, тоест нарушава се хомогенността.

Как можем да измерим плоскостта на Вселената като цяло, ако информацията за разпределението на материята в клъстерите е ограничена от чувствителността на нашите телескопи? Необходимо е да се наблюдават други обекти в различен диапазон. Най-доброто, което природата ни е дала, е космическият микровълнов фон, или , който, след като се е отделил от материята 380 хиляди години след Големия взрив, съдържа информация за разпространението на тази материя буквално от първите моменти от съществуването на Вселената.

Кривината на Вселената е свързана с критична плътност, равна на 3H 2 /8πG (където H е константата на Хъбъл, G е гравитационната константа), която определя нейната форма. Стойността на параметъра е много малка - около 9,3 × 10 -27 kg/m 3, или 5,5 водородни атома на кубичен метър. Този параметър отличава най-простите космологични модели, изградени върху уравненията на Фридман, които описват: ако плътността е по-висока от критичната, тогава пространството има положителна кривина и разширяването на Вселената в бъдеще ще бъде заменено от компресия; ако е под критичната, тогава пространството има отрицателна кривина и разширяването ще бъде вечно; ако критичната плътност е равна, разширяването също ще бъде вечно с преход в далечното бъдеще към евклидовия свят.

Космологичните параметри, които описват плътността на Вселената (а основните са плътността на тъмната енергия, плътността на тъмната материя и плътността на барионната [видима] материя) се изразяват като отношение към критичната плътност. Според , получено от измервания на космическото микровълново фоново лъчение, относителната плътност на тъмната енергия е Ω Λ = 0,6879 ± 0,0087, а относителната плътност на цялата материя (т.е. сумата от плътностите на тъмната и видимата материя) е Ω m = 0,3121 ± 0,0087.

Ако съберем всички енергийни компоненти на Вселената (плътности на тъмна енергия, цялата материя, както и по-малко значими плътности на радиация и неутрино в нашата ера и други), тогава получаваме плътността на цялата енергия, която се изразява чрез отношението към критичната плътност на Вселената и се обозначава като Ω 0. Ако тази относителна плътност е 1, тогава кривината на Вселената е 0. Отклонението Ω 0 от единица описва енергийната плътност на Вселената Ω K, свързана с кривината. Чрез измерване на нивото на нееднородностите (флуктуациите) в разпределението на реликтовия радиационен фон се определят всички параметри на плътността, тяхната обща стойност и, като следствие, параметърът на кривината на Вселената.

Въз основа на резултатите от наблюдението, като се вземат предвид само данните от CMB (температура, поляризация и лещи), беше определено, че параметърът на кривината е много близо до нула в рамките на малки грешки: Ω K = -0,004±0,015, - и като се вземе предвид данни за разпределението на галактическите клъстери и скорост на разширяване на измерванията според данни за свръхнови тип Ia, параметърът Ω K = 0,0008±0,0040. Тоест Вселената е плоска с висока точност.

Защо е важно? Плоскостта на Вселената е един от основните показатели на ерата на много бързи темпове, описана от инфлационния модел. Например, в момента на раждането Вселената може да е имала много голяма кривина, докато сега, според данните на CMB, се знае, че е плоска. Инфлационното разширяване го прави плоско в цялото наблюдаемо пространство (което разбира се означава големи мащаби, в които кривината на пространството от звезди и галактики не е значителна), точно както увеличаването на радиуса на окръжност изправя последната, а с безкраен радиус кръгът изглежда като права линия.

В древни времена хората смятали, че земята е плоска и стои на три кита, тогава се оказа, че нашата икумена е кръгла и ако плавате през цялото време на запад, след известно време ще се върнете в началната си точка от изток. Възгледите за Вселената се промениха по подобен начин. Някога Нютон вярваше, че пространството е плоско и безкрайно. Айнщайн позволи нашият свят да бъде не само безграничен и крив, но и затворен. Последните данни, получени по време на изследването на космическото микровълново фоново лъчение, показват, че Вселената може да е затворена сама по себе си. Оказва се, че ако летите далеч от земята през цялото време, тогава в един момент ще започнете да я приближавате и накрая ще се върнете обратно, обикаляйки цялата Вселена и обикаляйки света, точно както един от корабите на Магелан, обиколил цялото земно кълбо отплава до испанското пристанище Санлукар де Барамеда.

Хипотезата, че нашата Вселена се е родила в резултат на Големия взрив, сега се счита за общоприета. Материята първоначално беше много гореща, плътна и се разширяваше бързо. Тогава температурата на Вселената падна до няколко хиляди градуса. Веществото в този момент се състоеше от електрони, протони и алфа частици (хелиеви ядра), тоест това беше силно йонизиран газ - плазма, непрозрачна за светлина и всякакви електромагнитни вълни. Започналата по това време рекомбинация (комбинация) на ядра и електрони, т.е. образуването на неутрални водородни и хелиеви атоми, коренно промени оптичните свойства на Вселената. Той стана прозрачен за повечето електромагнитни вълни.

По този начин, изучавайки светлината и радиовълните, можете да видите само това, което се е случило след рекомбинацията, а всичко, което се е случило преди това, е покрито от един вид „огнена стена“ от йонизирана материя. Можем да погледнем много по-дълбоко в историята на Вселената, само ако се научим да регистрираме реликтови неутрино, за които горещата материя е станала прозрачна много по-рано, и първични гравитационни вълни, за които материята с всякаква плътност не е бариера, но това е въпрос на бъдещето и то далече от него.

От образуването на неутралните атоми нашата Вселена се е разширила приблизително 1000 пъти и радиацията от ерата на рекомбинацията днес се наблюдава на Земята като реликтов микровълнов фон с температура около три градуса по Келвин. Този фон, открит за първи път през 1965 г. по време на тестове на голяма радиоантена, е практически еднакъв във всички посоки. Според съвременните данни има сто милиона пъти повече реликтни фотони от атомите, така че нашият свят просто се къпе в потоци от силно зачервена светлина, излъчвана в първите минути от живота на Вселената.

Класическа топология на пространството

В мащаби, по-големи от 100 мегапарсека, видимата за нас част от Вселената е доста хомогенна. Всички плътни струпвания материя - галактики, техните клъстери и свръхкупове - се наблюдават само на по-къси разстояния. Освен това Вселената също е изотропна, тоест нейните свойства са еднакви във всяка посока. Тези експериментални факти са в основата на всички класически космологични модели, които предполагат сферична симетрия и пространствена хомогенност на разпределението на материята.

Класическите космологични решения на уравненията на общата теория на относителността (ОТО) на Айнщайн, открити през 1922 г. от Александър Фридман, имат най-простата топология. Техните пространствени сечения наподобяват равнини (за безкрайни решения) или сфери (за ограничени решения). Но такива вселени, оказва се, имат алтернатива: вселена с краен обем, която няма ръбове или граници, затворена сама по себе си.

Първите решения, открити от Фридман, описват вселени, изпълнени само с един вид материя. Различни картини възникват поради разликите в средната плътност на материята: ако тя превишава критично ниво, се получава затворена вселена с положителна пространствена кривина, крайни размери и продължителност на живота. Разширяването му постепенно се забави, спря и беше заменено от компресия до точка. Вселената с плътност под критичната имаше отрицателна кривина и се разширяваше неограничено, скоростта на нейното раздуване клонеше към някаква постоянна стойност. Този модел се нарича отворен. Плоската Вселена, междинен случай с плътност, точно равна на критичната, е безкрайна и нейните моментни пространствени сечения са плоско евклидово пространство с нулева кривина. Плоският, както и отвореният, се разширява безкрайно, но скоростта на неговото разширяване клони към нула. По-късно са изобретени по-сложни модели, в които една хомогенна и изотропна вселена е изпълнена с многокомпонентна материя, която се променя с времето.

Съвременните наблюдения показват, че Вселената сега се разширява с ускоряваща се скорост (вижте „Отвъд хоризонта на универсалните събития“, № 3, 2006 г.). Това поведение е възможно, ако пространството е изпълнено с някакво вещество (често наричано тъмна енергия) с високо отрицателно налягане, близко до енергийната плътност на това вещество. Това свойство на тъмната енергия води до появата на своеобразна антигравитация, която преодолява гравитационните сили на обикновената материя в големи мащаби. Първият такъв модел (с така наречения ламбда член) е предложен от самия Алберт Айнщайн.

Специален режим на разширяване на Вселената възниква, ако налягането на тази материя не остава постоянно, а се увеличава с времето. В този случай увеличаването на размера се увеличава толкова бързо, че Вселената става безкрайна за крайно време. Такава рязка инфлация на пространствените измерения, придружена от унищожаването на всички материални обекти, от галактики до елементарни частици, се нарича Big Rip.

Всички тези модели не предполагат никакви специални топологични свойства на Вселената и я представят като подобна на познатото ни пространство. Тази картина се съгласува добре с данните, които астрономите получават с помощта на телескопи, които записват инфрачервено, видимо, ултравиолетово и рентгеново лъчение. И само данните от радионаблюденията, а именно подробното изследване на космическия микровълнов фон, накара учените да се съмняват, че нашият свят е устроен толкова ясно.

Учените няма да могат да погледнат отвъд „огнената стена“, която ни разделя от събитията от първите хиляда години от живота на нашата Вселена. Но с помощта на лаборатории, изстреляни в космоса, всяка година научаваме все повече и повече за случилото се след трансформацията на гореща плазма в топъл газ

Орбитален радиоприемник

Първите резултати, получени от космическата обсерватория WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), която измерва мощността на космическото микровълново фоново излъчване, бяха публикувани през януари 2003 г. и съдържаха толкова много дългоочаквана информация, че нейното разбиране не е завършено днес. Физиката обикновено се използва за обяснение на нови космологични данни: уравнения на състоянието на материята, закони за разширение и спектри на първоначални смущения. Но този път природата на откритата ъглова нееднородност на излъчването изискваше съвсем друго обяснение - геометрично. По-точно топологично.

Основната цел на WMAP беше да се изгради подробна карта на температурата на космическото микровълново фоново лъчение (или, както още се нарича, микровълновия фон). WMAP е ултрачувствителен радиоприемник, който открива едновременно сигнали, идващи от две почти диаметрално противоположни точки в небето. Обсерваторията беше изстреляна през юни 2001 г. в особено спокойна и „тиха“ орбита, разположена в така наречената точка на Лагранж L2, на милион и половина километра от Земята. Този 840-килограмов спътник всъщност е в орбита около слънцето, но благодарение на комбинираното действие на гравитационните полета на Земята и Слънцето, неговият орбитален период е точно една година и той не отлита от Земята. Сателитът беше изстрелян в такава далечна орбита, така че смущенията от земна човешка дейност да не пречат на приемането на космическото микровълново фоново излъчване.

Въз основа на данните, получени от космическата радиообсерватория, беше възможно да се определят огромен брой космологични параметри с безпрецедентна точност. Първо, съотношението на общата плътност на Вселената към критичната плътност е 1,02±0,02 (тоест нашата Вселена е плоска или затворена с много малка кривина). Второ, константата на Хъбъл, която характеризира разширяването на нашия свят в големи мащаби, 72±2 km/s/Mpc. Трето, възрастта на Вселената е 13,4 ± 0,3 милиарда години, а червеното изместване, съответстващо на времето на рекомбинация, е 1088 ± 2 (това е средната стойност, дебелината на границата на рекомбинация е значително по-голяма от посочената грешка). Най-сензационният резултат за теоретиците беше ъгловият спектър на смущенията на реликтното излъчване, или по-точно, стойността на втория и третия хармоник беше твърде малка.

Такъв спектър се конструира чрез представяне на температурната карта като сума от различни сферични хармоници (мултиполи). В този случай от общата картина на смущенията се изолират променливи компоненти, които се побират върху сферата цял брой пъти: квадрупол 2 пъти, октупол 3 пъти и т.н. Колкото по-голям е броят на сферичната хармоника, толкова повече високочестотни фонови трептения описва и толкова по-малък е ъгловият размер на съответните „петна“. Теоретично броят на сферичните хармоници е безкраен, но за реална карта за наблюдение той е ограничен от ъгловата разделителна способност, с която са направени наблюденията.

За правилното измерване на всички сферични хармоници е необходима карта на цялата небесна сфера и WMAP получава своята проверена версия в рамките на една година. Първите такива не особено подробни карти са получени през 1992 г. в експериментите Relic и COBE (Cosmic Background Explorer).

Как багелът е подобен на чаша за кафе?
Има клон на математиката - топология, която изучава свойствата на телата, които се запазват при всякакви деформации без счупвания или залепвания. Представете си, че геометричното тяло, което ни интересува, е гъвкаво и лесно се деформира. В този случай, например, куб или пирамида може лесно да се трансформира в сфера или бутилка, тор („поничка“) в чаша за кафе с дръжка, но няма да е възможно да превърнете сфера в чаша с дръжка ако не късате и залепвате това лесно деформируемо тяло. За да разделите една сфера на две несвързани части, е достатъчно да направите един затворен разрез, но можете да направите същото с торус само като направите два разреза. Тополозите просто обожават всякакви екзотични конструкции като плосък торус, рогова сфера или бутилка на Клайн, които могат да бъдат правилно изобразени само в пространство с два пъти по-голям брой измерения. По същия начин нашата триизмерна Вселена, затворена сама по себе си, може лесно да си представим само като живеем в шестизмерно пространство. За известно време космическите тополози все още не са навлезли, оставяйки му възможността просто да тече линейно, без да бъде заключен в нищо. Така че способността да работим в пространството на седемте измерения днес е напълно достатъчна, за да разберем колко сложна е структурирана нашата додекаедрична Вселена.

Окончателната температурна карта на CMB е изградена от старателен анализ на карти, показващи интензитета на радиоизлъчването в пет различни честотни диапазона

Неочаквано решение

За повечето сферични хармоници получените експериментални данни съвпадат с моделните изчисления. Само два хармоника, квадруполен и октуполен, бяха ясно под нивото, очаквано от теоретиците. Освен това вероятността такива големи отклонения да възникнат случайно е изключително малка. Потискането на квадрупола и октупола беше отбелязано в данните на COBE. Получените през тези години карти обаче имаха лоша разделителна способност и голям шум, така че обсъждането на този въпрос беше отложено за по-добри времена. Поради каква причина амплитудите на двете най-големи флуктуации в интензитета на космическото микровълново фоново лъчение се оказаха толкова малки, първоначално беше напълно неясно. Все още не е възможно да се измисли физически механизъм за тяхното потискане, тъй като той трябва да действа в мащаба на цялата Вселена, която наблюдаваме, правейки я по-хомогенна, и в същото време да спре да работи в по-малки мащаби, позволявайки й се колебаят по-силно. Вероятно затова са започнали да търсят алтернативни пътища и са намерили топологичен отговор на възникналия въпрос. Математическото решение на физическия проблем се оказа изненадващо елегантно и неочаквано: достатъчно беше да приемем, че Вселената е додекаедър, затворен в себе си. Тогава потискането на нискочестотните хармоници може да се обясни с пространствена високочестотна модулация на фоновото излъчване. Този ефект възниква поради многократно наблюдение на една и съща област на рекомбинираща плазма през различни части на затворено додекаедрично пространство. Оказва се, че ниските хармоници изглежда се самоотменят поради преминаването на радиосигнала през различни аспекти на Вселената. В такъв топологичен модел на света събитията, протичащи в близост до една от страните на додекаедъра, се оказват близо до противоположната страна, тъй като тези области са идентични и всъщност са една и съща част от Вселената. Поради това реликтната светлина, идваща към Земята от диаметрално противоположни страни, се оказва излъчвана от една и съща област на първичната плазма. Това обстоятелство води до потискане на долните хармоници на спектъра на CMB дори във Вселена, която е само малко по-голяма по размер от видимия хоризонт на събитията.

Карта на анизотропията
Четириполюсът, споменат в текста на статията, не е най-ниският сферичен хармоник. В допълнение към него има монопол (нулев хармоник) и дипол (първи хармоник). Големината на монопола се определя от средната температура на космическото микровълново фоново лъчение, която днес е 2,728 K. След изваждането й от общия фон, най-голяма е диполната компонента, която показва колко по-висока е температурата в един от полукълба на заобикалящото ни пространство е, отколкото в другото. Наличието на този компонент се дължи главно на движението на Земята и Млечния път спрямо реликтния фон. Поради ефекта на Доплер температурата в посоката на движение се повишава, а в обратната посока намалява. Това обстоятелство ще позволи да се определи скоростта на всеки обект спрямо космическото микровълново фоново излъчване и по този начин ще се въведе дългоочакваната абсолютна координатна система, локално в покой спрямо цялата Вселена.

Големината на диполната анизотропия, свързана с движението на Земята, е 3,353*10-3 K. Това съответства на движението на Слънцето спрямо фона на CMB със скорост около 400 km/s. В същото време ние „летим“ по посока на границата на съзвездията Лъв и Чаша и „отлитаме“ от съзвездието Водолей. Нашата Галактика, заедно с местната група галактики, към която принадлежи, се движи спрямо реликвата със скорост около 600 km/s.

Всички други смущения (от квадрупола и по-горе) на фоновата карта са причинени от нехомогенности в плътността, температурата и скоростта на материята на границата на рекомбинация, както и от радиоизлъчването на нашата Галактика. След изваждане на диполния компонент, общата амплитуда на всички други отклонения се оказва само 18 * 10-6 K. За да се изключи собственото излъчване на Млечния път (основно концентрирано в равнината на галактическия екватор), наблюденията на микровълновия фон са извършва се в пет честотни ленти в диапазона от 22,8 GHz до 93,5 GHz.

Комбинации с тор

Най-простото тяло с топология, по-сложна от сфера или равнина, е тор. Всеки, който е държал франзела в ръцете си, може да си го представи. Друг по-правилен математически модел на плосък тор се демонстрира от екраните на някои компютърни игри: това е квадрат или правоъгълник, чиито противоположни страни са идентифицирани, и ако движещ се обект се спуска надолу, той се появява отгоре; пресичайки лявата граница на екрана, се появява зад дясната и обратно. Такъв тор е най-простият пример за свят с нетривиална топология, който има краен обем и няма никакви граници.

В триизмерното пространство подобна процедура може да се направи с куб. Ако идентифицираме противоположните му страни, се образува триизмерен тор. Ако погледнете от вътрешността на такъв куб към околното пространство, можете да видите безкраен свят, състоящ се от копия на неговата единствена и уникална (неповтаряща се) част, чийто обем е напълно краен. В такъв свят няма граници, но има три отделни посоки, успоредни на ръбовете на оригиналния куб, по протежение на които се наблюдават периодични редици от оригинални обекти. Тази картина е много подобна на това, което може да се види вътре в куб с огледални стени. Вярно е, че гледайки някое от лицата му, жител на такъв свят ще види задната част на главата си, а не лицето си, както в земна веселба. По-правилен модел би била стая, оборудвана с 6 телевизионни камери и 6 плоски LCD монитора, на които се показва изображението, заснето от филмовата камера, разположена отсреща. В този модел видимият свят се затваря в себе си благодарение на достъпа до друго телевизионно измерение.

Картината на потискане на нискочестотните хармоници, описана по-горе, е правилна, ако времето, необходимо на светлината да премине през първоначалния обем, е достатъчно кратко, тоест ако размерите на първоначалното тяло са малки в сравнение с космологичните мащаби. Ако размерите на наблюдаемата част от Вселената (т.нар. хоризонт на Вселената) се окажат по-малки от размерите на първоначалния топологичен обем, тогава ситуацията няма да се различава от това, което ще видим в обичайната безкрайност. Einstein Universe и няма да се наблюдават аномалии в спектъра на космическото микровълново фоново лъчение.

Максималният възможен пространствен мащаб в такъв кубичен свят се определя от размерите на оригиналното тяло; разстоянието между които и да е две тела не може да надвишава половината от главния диагонал на оригиналния куб. Светлината, идваща към нас от границата на рекомбинация, може да пресече оригиналния куб няколко пъти по пътя, сякаш се отразява в огледалните му стени, поради което ъгловата структура на излъчването се изкривява и нискочестотните флуктуации стават високочестотни. В резултат на това колкото по-малък е първоначалният обем, толкова по-силно е потискането на по-ниски мащабни ъглови колебания, което означава, че чрез изучаване на CMB можем да оценим размера на нашата Вселена.

3D мозайки

Плоска топологично сложна триизмерна Вселена може да бъде изградена само на базата на кубове, паралелепипеди и шестоъгълни призми. В случай на извито пространство, по-широк клас фигури има такива свойства. В същото време най-добрите ъглови спектри, получени в експеримента WMAP, са в съответствие с модел на Вселената с формата на додекаедър. Този правилен многостен, който има 12 петоъгълни лица, прилича на футболна топка, ушита от петоъгълни лепенки. Оказва се, че в пространство с лека положителна кривина правилните додекаедри могат да запълнят цялото пространство без дупки или взаимно пресичане. При определено съотношение между размера на додекаедъра и кривината, това изисква 120 сферични додекаедъра. Нещо повече, тази сложна структура от стотици „топки“ може да бъде сведена до топологично еквивалентна, състояща се само от един додекаедър, чиито противоположни страни са идентифицирани, завъртяни на 180 градуса.

Вселената, образувана от такъв додекаедър, има редица интересни свойства: тя няма предпочитани посоки и описва големината на най-ниските ъглови хармоници на CMB по-добре от повечето други модели. Такава картина възниква само в затворен свят със съотношение на действителната плътност на материята към критичната плътност от 1,013, което попада в обхвата на стойностите, допустими от днешните наблюдения (1,02 ± 0,02).

За обикновения жител на Земята всички тези топологични тънкости на пръв поглед нямат голямо значение. Но за физиците и философите това е съвсем различен въпрос. Както за светогледа като цяло, така и за единна теория, която обяснява структурата на нашия свят, тази хипотеза е от голям интерес. Следователно, след като откриха аномалии в спектъра на реликвата, учените започнаха да търсят други факти, които биха могли да потвърдят или опровергаят предложената топологична теория.

Звукова плазма
В спектъра на флуктуациите на CMB червената линия показва прогнозите на теоретичния модел. Сивият коридор около него са допустимите отклонения, а черните точки са резултатите от наблюдения. Повечето от данните са получени от експеримента WMAP и само за най-високите хармоници са добавени резултати от CBI (балон) и ACBAR (наземни антарктически) изследвания. Нормализираната графика на ъгловия спектър на флуктуациите на CMB показва няколко максимума. Това са така наречените „акустични пикове“ или „трептения на Сахаров“. Тяхното съществуване е теоретично предсказано от Андрей Сахаров. Тези пикове се дължат на ефекта на Доплер и са причинени от движението на плазмата в момента на рекомбинация. Максималната амплитуда на трептенията възниква в рамките на размера на причинно свързаната област (звуков хоризонт) в момента на рекомбинацията. В по-малки мащаби плазмените трептения бяха отслабени от фотонния вискозитет, а в големи мащаби смущенията бяха независими едно от друго и не бяха фазирани. Следователно максималните флуктуации, наблюдавани в съвременната епоха, възникват при ъглите, под които звуковият хоризонт е видим днес, тоест областта на първичната плазма, която е живяла един живот в момента на рекомбинация. Точното положение на максимума зависи от отношението на общата плътност на Вселената към критичната плътност. Наблюденията показват, че първият, най-висок пик се намира приблизително на 200-та хармоника, което според теорията отговаря с висока точност на плоска Евклидова Вселена.

Много информация за космологичните параметри се съдържа във втория и следващите акустични пикове. Самото им съществуване отразява факта, че акустичните трептения в плазмата са „фазирани“ по време на ерата на рекомбинация. Ако нямаше такава връзка, тогава би се наблюдавал само първият пик и флуктуациите във всички по-малки мащаби биха били еднакво вероятни. Но за да възникне такава причинно-следствена връзка между колебанията в различни мащаби, тези (много отдалечени един от друг) региони трябваше да могат да взаимодействат един с друг. Това е точно ситуацията, която естествено възниква в инфлационния модел на Вселената и увереното откриване на втория и следващите пикове в ъгловия спектър на флуктуациите на CMB е едно от най-значимите потвърждения на този сценарий.

Проведени са наблюдения на космическото микровълново фоново лъчение в областта, близка до максимума на топлинния спектър. За температура от 3K е при дължина на радио вълната от 1 мм. WMAP проведе своите наблюдения при малко по-дълги дължини на вълната: от 3 мм до 1,5 см. Този диапазон е доста близо до максимума и съдържа по-нисък шум от звездите на нашата Галактика.

Многостранен свят

В додекаедричния модел хоризонтът на събитията и рекомбинационната граница, разположена много близо до него, пресичат всяко от 12-те лица на додекаедъра. Пресечната точка на рекомбинационната граница и оригиналния полиедър образува 6 двойки кръгове на картата на микровълновия фон, разположени в противоположни точки на небесната сфера. Ъгловият диаметър на тези кръгове е 70 градуса. Тези кръгове лежат на противоположни страни на оригиналния додекаедър, тоест те съвпадат геометрично и физически. В резултат на това разпределението на колебанията на CMB по всяка двойка кръгове трябва да съвпада (като се вземе предвид завъртането на 180 градуса). Въз основа на наличните данни такива кръгове все още не са открити.

Но това явление, както се оказа, е по-сложно. Кръговете ще бъдат идентични и симетрични само за наблюдател, неподвижен спрямо реликтния фон. Земята се движи спрямо нея с доста висока скорост, поради което във фоновото излъчване се появява значителна диполна компонента. В този случай кръговете се превръщат в елипси, техните размери, местоположение в небето и средната температура по кръга се променят. Става много по-трудно да се открият идентични кръгове при наличието на такива изкривявания и точността на наличните днес данни става недостатъчна; необходими са нови наблюдения, които ще помогнат да се разбере дали те съществуват или не.

Множествено свързана инфлация

Може би най-сериозният проблем от всички топологично сложни космологични модели, а значителен брой от тях вече са възникнали, е предимно от теоретичен характер. Днес инфлационният сценарий за еволюцията на Вселената се счита за стандартен. Беше предложено да се обясни високата хомогенност и изотропност на наблюдаваната Вселена. Според него в началото Вселената, която се е родила, е била доста разнородна. След това, по време на процеса на инфлация, когато Вселената се разширява по закон, близък до експоненциалния, нейните първоначални размери се увеличават с много порядъци. Днес виждаме само малка част от Голямата Вселена, в която все още са останали нехомогенности. Вярно, те имат толкова голям пространствен обхват, че са невидими в рамките на достъпната за нас зона. Инфлационният сценарий е най-добре развитата космологична теория досега.

За многосвързана вселена такава последователност от събития не пасва. В него са достъпни за наблюдение цялата му уникална част и някои от най-близките му копия. В този случай не могат да съществуват структури или процеси, описани с мащаби, много по-големи от наблюдавания хоризонт.

Посоките, в които ще трябва да се развива космологията, ако се потвърди многосвързаността на нашата Вселена, вече са ясни: това са неинфлационни модели и така наречените модели със слаба инфлация, при които размерът на Вселената се увеличава само няколко пъти ( или десетки пъти) по време на инфлация. Все още няма такива модели и учените, опитвайки се да запазят познатата картина на света, активно търсят недостатъци в резултатите, получени с помощта на космически радиотелескоп.

Обработка на артефакти

Една от групите, които проведоха независими изследвания на данните от WMAP, обърнаха внимание на факта, че квадруполните и октуполните компоненти на CMB имат близка ориентация един към друг и лежат в равнина, почти съвпадаща с галактическия екватор. Заключението на тази група: възникнала е грешка при изваждането на галактическия фон от данните от наблюдението на микровълновия фон и реалната стойност на хармониците е напълно различна.

Наблюденията на WMAP бяха извършени на 5 различни честоти, специално за да се раздели правилно космологичният и локалният фон. И основният екип на WMAP вярва, че наблюденията са обработени правилно и отхвърля предложеното обяснение.

Наличните космологични данни, публикувани в началото на 2003 г., са получени след обработка на резултатите само от първата година наблюдения на WMAP. За да се тестват предложените хипотези, както обикновено, е необходимо повишаване на точността. До началото на 2006 г. WMAP е наблюдавал непрекъснато в продължение на четири години, което трябва да е достатъчно, за да удвои точността му, но данните все още не са публикувани. Трябва да изчакаме малко и може би нашите предположения за додекаедричната топология на Вселената ще станат напълно демонстративни.

Михаил Прохоров, доктор на физико-математическите науки

Екология на живота. Наука и открития: Хората са обсъждали защо Вселената съществува от хиляди години. В почти всяка древна култура хората са измислили свои собствени...

Някои физици смятат, че могат да обяснят как се е формирала нашата Вселена. Ако се окажат прави, тогава нашият космос може да възникне от нищото.

Хората обсъждат защо Вселената съществува от хиляди години. В почти всяка древна култура хората излязоха със собствена теория за сътворението - повечето от тях включваха божествен замисъл - и философите написаха много томове за това. Но науката може да каже само толкова много за създаването на Вселената.

Наскоро обаче някои физици и космолози започнаха да обсъждат този въпрос. Те отбелязват, че сега имаме добро разбиране за историята на Вселената и законите на физиката, които обясняват как тя работи. Учените смятат, че тази информация ще ни позволи да разберем как и защо съществува космосът.
Според тях Вселената, от Големия взрив до нашия многозвезден космос, който съществува днес, е възникнала от нищото. Това трябваше да се случи, казват учените, защото „нищо“ всъщност е вътрешно нестабилно.

Тази идея може да изглежда странна или просто страхотна. Но физиците казват, че това идва от две от най-мощните и успешни теории: квантовата физика и общата теория на относителността.

И така, как може всичко да произлезе от нищото?

Частици от празното пространство

Като начало трябва да се обърнем към областта на квантовата физика. Това е клон на физиката, който изучава много малки частици: атоми и дори по-малки обекти. Квантовата физика е изключително успешна теория и е в основата на повечето днешни електронни джаджи.

Квантовата физика ни казва, че празно пространство изобщо не съществува. Дори най-идеалният вакуум е изпълнен с вълнообразен облак от частици и античастици, които се появяват от нищото и след това се превръщат в нищо. Тези така наречени „виртуални частици“ съществуват за кратко време и затова не можем да ги видим. Ние обаче знаем, че те са там поради ефектите, които причиняват.

Към пространството и времето от липсата на пространство и време

Нека сега преместим фокуса си от най-малките обекти - като атоми - към много големи неща - като галактики. Нашата най-добра теория за обяснение на такива големи неща е общата теория на относителността, коронното постижение на Алберт Айнщайн. Тази теория обяснява как пространството, времето и гравитацията са взаимосвързани.

Общата теория на относителността е много различна от квантовата физика и досега никой не е успял да ги сглоби в един пъзел. Някои теоретици обаче са успели да използват внимателно подбрани прилики, за да доближат двете теории една до друга в конкретни проблеми. Например, този подход е използван от Стивън Хокинг от университета в Кеймбридж, когато описва черни дупки.

Физиците са открили, че когато квантовата теория се приложи към пространството в малки мащаби, пространството става нестабилно. Пространството и времето, вместо да останат гладки и непрекъснати, започват да кипят и да се пенят, приемайки формата на пукащи се мехурчета.

С други думи, малки мехурчета от време и пространство могат да се образуват спонтанно. „В квантовия свят времето и пространството са нестабилни“, казва астрофизикът Лорънс Максуел Краус от Държавния университет на Аризона. „Така че можете да оформите виртуално пространство-време по същия начин, по който оформяте виртуални частици.“

Освен това, ако тези мехурчета могат да се появят, можете да сте сигурни, че ще се появят. „В квантовата физика, ако нещо не е забранено, то определено ще се случи с известна степен на вероятност“, казва Александър Виленкин от университета Тъфтс в Масачузетс.

Вселена от балон

И така, не само частиците и античастиците могат да идват от нищото и да се превръщат в нищо: мехурчетата от пространство-времето могат да направят същото. Съществува обаче голяма празнина между безкрайно малкия балон пространство-време и огромната Вселена, състояща се от повече от 100 милиарда галактики. Наистина, защо балонът, който току-що се е появил, да не изчезне с мига на окото?

И се оказва, че има начин балонът да оцелее. Това изисква друг трик, наречен космическа инфлация.

Повечето съвременни физици смятат, че Вселената е започнала с Големия взрив. Първоначално цялата материя и енергия в космоса бяха компресирани в невероятно малка точка, която след това започна бързо да се разширява. Учените научиха, че нашата Вселена се разширява през 20 век. Те видяха, че всички галактики отлитат една от друга, което означава, че някога са били разположени близо една до друга.

Според инфлационния модел на Вселената, веднага след Големия взрив, Вселената се разширява много по-бързо, отколкото днес. Тази необикновена теория се появява през 80-те години на миналия век благодарение на Алън Гут от Масачузетския технологичен институт и е усъвършенствана от съветския физик Андрей Линде, сега в Станфордския университет.

Идеята зад инфлационния модел на Вселената е, че веднага след Големия взрив малък балон пространство се разширява с огромна скорост. За невероятно кратък период от време, от точка, по-малка по размер от ядрото на атома, той достигна обема на песъчинка. Когато разширяването в крайна сметка се забави, силата, която го причини, се трансформира в материята и енергията, които изпълват Вселената днес.

Въпреки привидната си странност, инфлационният модел на Вселената отговаря добре на фактите. По-специално, това обяснява защо космическото микровълново фоново лъчение - космическото микровълново фоново лъчение, останало от Големия взрив - е равномерно разпределено в небето. Ако Вселената не се разширяваше толкова бързо, тогава най-вероятно радиацията щеше да бъде по-хаотична в разпространението, отколкото виждаме днес.

Вселената е плоска и защо този факт е важен

Инфлацията също помага на космолозите да определят геометрията на нашата Вселена. Оказа се, че познаването на геометрията е необходимо, за да се разбере как космосът може да възникне от нищото.

Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн казва, че пространство-времето, в което живеем, може да приеме три различни форми. Може да е плоска, като повърхността на маса. Тя може да бъде извита, като площта на сфера, и следователно, ако започнете да се движите от определена точка, определено ще се върнете към нея. Накрая може да се обърне навън, като седло. И така, в каква форма на пространство-време живеем?

Това може да се обясни по следния начин. Може би си спомняте от уроците по математика в училище, че сборът на ъглите на триъгълника е 180 градуса. Това е вярно само когато триъгълникът е в плоско пространство. Ако начертаете триъгълник върху повърхността на балон, сумата от трите ъгъла ще бъде повече от 180 градуса. Ако начертаете триъгълник върху повърхност като седло, сборът от трите ъгъла ще бъде по-малък от 180 градуса.

За да разберем, че нашата Вселена е плоска, трябва да измерим ъглите на гигантски триъгълник. И тук влиза в действие инфлационният модел на Вселената. Той определя средните размери на студените и горещите точки в космическия микровълнов фон. Тези петна бяха измерени през 2003 г. и именно тях астрономите успяха да използват като аналози на триъгълника. В резултат на това знаем, че най-големите наблюдаеми скали в нашата Вселена са плоски.

Така се оказва, че плоската Вселена е необходимост. Това е вярно, защото само плоска Вселена може да се е образувала от нищото.

Всичко, което съществува във Вселената, от звездите и галактиките до светлината, която произвеждат, трябва да е образувано от нещо. Вече знаем, че частиците възникват на квантово ниво, така че можем да очакваме, че има някои малки неща във Вселената. Но образуването на всички тези звезди и планети изисква огромно количество енергия.

Но откъде Вселената е взела цялата тази енергия? Звучи странно, разбира се, но енергията не трябваше да идва отнякъде. Факт е, че всеки обект в нашата Вселена има гравитация и привлича други обекти към себе си. И това балансира енергията, необходима за създаване на първата материя.

Прилича малко на стар кантар. Можете да поставите произволно тежък предмет върху една част от везната и везната ще бъде в равновесие, ако има предмет със същата маса на другия край. В случая на Вселената материята е разположена в единия край, а гравитацията я „балансира“.

Физиците са изчислили, че в плоската Вселена енергията на материята е точно равна на гравитационната енергия, която тази материя създава. Но това работи само за плоска Вселена. Ако Вселената беше извита, нямаше да има баланс.

Вселена или мултивселена?

Сега "готвенето" на Вселената изглежда доста просто. Квантовата физика ни казва, че „нищо“ е нестабилно и следователно преходът от „нищо“ към „нещо“ трябва да е почти неизбежен. Освен това, благодарение на инфлацията, масивна, плътна Вселена може да се образува от малък балон пространство-време. Както пише Краус, „Законите на физиката, както ги разбираме днес, допускат, че нашата вселена се е формирала от нищото – не е имало време, пространство, частици, нищо, което да осъзнаваме.“

Но защо тогава Вселената се е формирала само веднъж? Ако един балон се е надул до размера на нашата Вселена, защо други мехурчета да не могат да направят същото?
Линде предлага прост, но психеделичен отговор. Той вярва, че Вселените са възниквали и възникват непрекъснато и този процес ще продължи вечно.
Когато инфлацията на Вселената приключи, смята Линде, тя все още продължава да бъде заобиколена от пространство, в което съществува инфлация. Той предизвиква появата на още повече Вселени, а около тях се образува още повече пространство, в което се случва инфлация. След като започне инфлацията, тя ще продължи безкрайно дълго. Линде нарече това вечна инфлация. Нашата Вселена може да е просто песъчинка на безкраен пясъчен плаж.

Други вселени може да са много различни от нашата. Съседната вселена може да има пет пространствени измерения, докато нашата има само три - дължина, ширина и височина. Силата на гравитацията в него може да бъде 10 пъти по-силна или 1000 пъти по-слаба. Или може изобщо да няма гравитация. Материята може да се състои от напълно различни частици.

Следователно може да има разнообразие от вселени, което не се вписва в нашето съзнание. Линде вярва, че вечната инфлация не е просто „напълно безплатен обяд“, но е и единственият обяд, при който има всички възможни ястия. публикувани

Превод: Екатерина Шутова