Каква форма има нашата вселена? Каква форма има Вселената? Класическа топология на пространството

> Каква е формата на Вселената?

В каква форма съществува Вселената?: изследване на безкрайното пространство, WMAP космическа микровълнова фонова карта, геометрия на Вселената и прогнозни форми със снимки.

Струва ли си изобщо да мислим каква е формата на Вселената? С какво си имаме работа? Сфера? Конус? Апартамент? И как да се определи това?

Вселената е единственото място, в което съществуваме и отвъд което не можем да избягаме (защото ги няма). Благодарение на физичните закони, природните константи и изригващите тежки метали, успяхме да създадем живот върху малка скалиста топка, изгубена в една от многото галактики.

Но не искаш ли да знаеш къде живееш? Просто вземете възможността да погледнете всичко отвън, както направихме с нашата родна планета Земя. За да видите? Безкраен мрак? Много мехурчета? снежна топка? Лабиринт от плъхове в ръцете на извънземни или нещо друго? Каква е формата на Вселената?

Е, отговорът е много по-прост, но и по-странен. Хората започнаха да мислят за формата на Вселената още в древни времена. И хората, поради липса на информация, предложиха доста прекрасни неща. В индуистките текстове това беше яйце във формата на човек. Гърците видели остров, плаващ в празнотата. Аристотел казва, че Вселената има формата на безкрайна сфера или просто костенурка.

Интересното е, че приносът на Алберт Айнщайн помага да се тества всеки от тези модели. Учените са измислили три любими форми: положително извита, отрицателно извита и плоска. Разбираме, че Вселената съществува в 4 измерения и всяка от фигурите граничи с лудата Лъвкрафтова геометрия. Така че използвайте максимално въображението си и да тръгваме!

С положително извитата версия получаваме четириизмерна сфера. Този сорт има край, но няма ясна граница. По-точно, две частици ще го пресекат, преди да се върнат на старта. Можете дори да го тествате у дома. Вземете балон и начертайте права линия, докато се върне в началната точка.

Този вид се вписва в три измерения и се появява, ако в космоса има огромно количество енергия. За да се огъне или затвори напълно, пространството трябва да спре да се разширява. Това ще се случи, ако се появи голям енергиен резерв, който може да създаде предимство. Настоящите доказателства показват, че разширяването е безкраен процес. Така че този сценарий е изключен.

Отрицателно извитата форма на Вселената е четириизмерно седло. Тя е отворена, без граници в пространството и времето. Тук има малко енергия, така че Вселената няма да спре да се разширява. Ако изпратите две частици по права линия, те никога няма да се срещнат, а просто ще се разминават, докато тръгнат в различни посоки.

Ако критично количество енергия варира между крайностите, тогава след безкрайност разширяването ще спре. Това е плоска Вселена. Тук двете частици ще пътуват успоредно, но никога няма да се разделят или срещнат.

Лесно е да си представите тези три форми, но има много повече опции. Футболната топка напомня идеята за сферична вселена. Поничката е технически плоска, но свързана в определени точки. Някои смятат, че огромни топли и хладни места говорят в полза на тази опция. Можете да видите предполагаемите форми на Вселената на снимката.

И сега стигаме до тръбата. Това е друг вид отрицателна кривина. Единият край ще бъде стеснен, а другият ще бъде широк. През първото полувреме всичко изглеждаше стеснено и съществуваше в две измерения. И в широк ще можете да изминете максимални разстояния, но ще трябва да се върнете в обратната посока (посоката се променя на завоя).

Какво тогава? С какво си имаме работа? багел? Духов инструмент? Гигантска глава сирене? Учените все още не са изключили варианти с тръба и седло.

Мрънкащите ще спорят, че всичко това е безсмислено и никога няма да разберем истината. Но да не сме толкова категорични. Последните данни на Планк показват, че нашата Вселена е... плоска! Безкрайно ограничен, напълно неизвит и с точно определено критично количество енергия.

Немислимо е, че не само можем да разберем как изглежда Вселената, но има хора, които непрекъснато се опитват да намерят още повече информация. Ако „плоският“ ви се струва скучен, тогава не забравяйте, че все още нямаме достатъчно информация. Така че е напълно възможно всички ние да съществуваме в гигантска поничка.

Представете си много голяма топка. Въпреки че изглежда триизмерна отвън, нейната повърхност - сфера - е двуизмерна, защото има само две независими посоки на движение по дължината на сферата. Ако бяхте много малки и живеехте на повърхността на тази топка, бихте могли да приемете, че изобщо не живеете на сфера, а на голяма плоска двуизмерна повърхност. Но ако измервате точно разстоянията върху сфера, ще разберете, че живеете не на равна повърхност, а на повърхността на голяма сфера ( прибл. преводВероятно е по-добре да се направи аналогия с повърхността на земното кълбо).
Идеята за кривината на повърхността на топката може да се приложи към цялата Вселена. Това беше огромен пробив в Общата теория на относителността на Айнщайн. Пространството и времето бяха обединени в една геометрична единица, наречена космическо време, и това пространство-време имаше геометрия, може да бъде усукана, точно както повърхността на огромна топка е извита.
Когато погледнете повърхността на голяма топка като едно нещо, усещате цялото пространство на сферата като цяло. Математиците обичат повърхността на сферата, така че това определение описва цялата сфера, а не само част от нея. Един от ключовите аспекти на описанието на геометрията на пространство-времето е, че трябва да опишем цялото пространство и цялото време. Това означава, че трябва да опишем „всичко“ и „винаги“ „в една бутилка“. Геометрията на пространство-времето е геометрията на цялото пространство плюс цялото време заедно като една математическа единица.

Какво определя геометрията на пространство-времето?

По принцип физиците работят така - те търсят уравнения на движението, чиито решения най-добре описват системата, която физиците искат да опишат. Уравнението на Айнщайнпредставлява класическо уравнение за движение на пространство-времето. Той е класически, тъй като при получаването му не са взети предвид квантовите ефекти. И по този начин геометрията на пространство-времето се тълкува като изключително класическа концепция, лишена от всякакви квантови несигурности. Ето защо тя е най-доброто приближение до точната теория.
Според уравненията на Айнщайн, кривината на пространство-времето в дадена посока е пряко свързана с енергията и импулса на всичко в цялото пространство-време, което не е пространство-време. С други думи, уравненията на Айнщайн свързват гравитацията с негравитацията и геометрията с негеометрията. Кривината е гравитация, а всичко останало са електрони и кварки, които изграждат атомите, които от своя страна изграждат материята, електромагнитното излъчване, всяка частица - носител на взаимодействие (с изключение на гравитацията) - "живее" в изкривено пространство-време и в същото време определя тази кривина според уравненията на Айнщайн.

Каква е геометрията на нашето пространство-време?

Както току-що беше отбелязано, пълното описание на дадено пространство-време включва не само цялото пространство, но също през цялото време. С други думи, пространство-времето включва всички събития, които някога са се случили и които някога ще се случат.
Вярно е, че сега, ако сме твърде буквални в тази концепция, може да се сблъскаме с проблеми, защото няма да можем да вземем предвид всички най-малки промени в разпределението на енергийната плътност и импулса във Вселената, които някога са се случвали и ще все още се срещат във Вселената. Но, за щастие, човешкият ум е способен да оперира с понятия като абстракцияИ приближениеПо този начин можем да изградим абстрактен модел, който грубо описва наблюдаваната Вселена доста добре в големи мащаби, да речем, в мащаба на галактическите купове.
Но това не е достатъчно за решаване на уравнения. Необходимо е също така да се направят някои опростяващи предположения по отношение на кривината на пространство-времето. Първото предположение, което ще направим, е това пространство-времето може да бъде добре разделено на пространство и време. Това обаче не винаги може да се направи; например, в някои случаи на въртящи се черни дупки, пространството и времето се „въртят“ заедно и по този начин не могат да бъдат спретнато разделени. Въпреки това, няма индикация, че нашата Вселена може да се върти по подобен начин. По този начин можем лесно да направим предположението, че пространство-времето може да бъде описано като пространството се променя във времето.
Следващото важно предположение, идващо от теорията за Големия взрив, е това пространството изглежда еднакво във всяка посока във всяка точка. Свойството да изглежда еднакво във всяка посока се нарича изотропия, а свойството да изглежда еднакво във всяка точка се нарича хомогенност. Така че приемаме, че нашето пространство хомогенни и изотропни. Космолозите наричат ​​това предположение максимална симетрия. Това се счита за доста разумно предположение в големи мащаби.
Когато решават уравненията на Айнщайн за пространствено-времевата геометрия на нашата Вселена, космолозите разглеждат три основни вида енергия, които могат и наистина огъват пространство-времето:
1. вакуумна енергия
2. радиация
3. обикновено вещество
Радиацията и обикновената материя се третират като хомогенен газ, изпълващ Вселената, с някакво уравнение на състоянието, свързващо налягането с плътността.
След като се направят предположенията за хомогенност на енергийните източници и максимална симетрия, уравненията на Айнщайн могат да бъдат сведени до две диференциални уравнения, които лесно могат да бъдат решени с помощта на прости изчислителни методи. От решенията получаваме две неща: геометрия на пространствотои тогава как размерите на пространството се променят във времето.

Отворен, затворен или плосък?

Ако във всеки момент от времето пространството във всяка точка изглежда еднакво във всички посоки, тогава такова пространство трябва да има постоянна кривина. Ако кривината се променя от точка на точка, тогава пространството ще изглежда различно от различни точки и в различни посоки. Следователно, ако пространството е максимално симетрично, тогава кривината във всички точки трябва да е еднаква.
Това изискване донякъде стеснява възможните геометрии до три: пространство с постоянна положителна, отрицателна и нулева кривина (плоско). В случай, че няма вакуумна енергия (ламбда термин), има само обикновена материя и радиация, кривината, освен всичко друго, отговаря и на въпроса за времето на еволюцията:
Положителна кривина: N-мерно пространство с постоянна положителна кривина е N-мерна сфера. Нарича се космологичен модел, при който пространството има постоянна положителна кривина затворенкосмологичен модел. В този модел пространството се разширява от нулев обем по време на Големия взрив, след което в даден момент достига своя максимален обем и започва да се свива до Големия срив.
Нулева кривина: Пространство с нулева кривина се нарича апартаментпространство. Такова плоско пространство не е компактно, то се простира безкрайно във всички посоки, както е разширено само отворенпространство. Такава Вселена се разширява безкрайно във времето.
Отрицателна кривина: N-мерно пространство с постоянна отрицателна кривина е N-мерна псевдосфера. Единственото нещо, с което такъв уникален свят може да бъде повече или по-малко запознат, е хиперболоид, който е двуизмерна хиперсфера. Пространство с отрицателна кривина е безкрайно по обем. В пространство с отрицателна кривина се реализира отворенВселена. Тя, като плоска, се разширява безкрайно във времето.
Какво определя дали Вселената ще бъде отворена или затворена? За затворена Вселена общата енергийна плътност трябва да бъде по-голяма от енергийната плътност, съответстваща на плоска Вселена, която се нарича критична плътност. Нека го поставим. Тогава в затворена вселена w е по-голямо от 1, в плоска вселена w=1 и в отворена вселена w е по-малко от 1.
Всичко казано по-горе е вярно само в случаите, когато се вземат предвид само обикновените видове материя - прах и радиация, и се пренебрегват вакуумна енергия, което може и да присъства. Плътността на енергията на вакуума е постоянна, наричана още космологична константа.

Откъде идва тъмната материя?

Във Вселената има много различни материи, като звезди, горещ газ или нещо друго, което излъчва видима светлина или радиация с други дължини на вълната. И всичко това може да се види или с очите, или с помощта на телескопи, или с някакви сложни инструменти. Това обаче не е всичко, което е в нашата Вселена – през последните две десетилетия астрономите откриха доказателства, че във Вселената има много невидима материя.
Например, оказва се, че видимата материя под формата на звезди и междузвезден газ не е достатъчна, за да поддържа галактиките гравитационно свързани. Оценките за това от колко материя всъщност се нуждае средната галактика, за да не се разлети, доведоха физиците и астрономите до заключението, че по-голямата част от материята във Вселената е невидима. Това вещество се нарича тъмна материяи е много важно за космологията.
Тъй като има тъмна материя във Вселената, какво би могло да бъде? От какво може да бъде "направен"? Ако се е състояла от кварки, като обикновената материя, тогава ранната Вселена е трябвало да произвежда много повече хелий и деутерий, отколкото сега в нашата Вселена. Физиците на елементарните частици са на мнение, че тъмната материя се състои от суперсиметрични частици, които са много тежки, но взаимодействат много слабо с обикновените частици, които сега се наблюдават на ускорителите.
Следователно във Вселената има много по-малко видима материя, отколкото е необходимо дори за плоска Вселена. Следователно, ако няма нищо друго във Вселената, тогава тя трябва да бъде отворена. Има ли обаче достатъчно тъмна материя, за да „затвори“ Вселената? С други думи, ако w B е плътността на обикновената материя, а w D е плътността на тъмната материя, тогава важи ли връзката w B + w D = 1? Изследване на движенията в галактическите купове предполага, че общата плътност е около 30% от критичната плътност, като видимата материя представлява около 5%, а тъмната материя 25%.
Но това не е краят – имаме още един източник на енергия във Вселената – космологичната константа.

Какво ще кажете за космологичната константа?

Айнщайн не харесва резултатите от собствената си работа. Според неговите уравнения на движение, една Вселена, пълна с обикновена материя, трябва да се разширява. Но Айнщайн искаше теория, в която Вселената винаги ще остане със същия размер. И за да направи това, той добави член към уравненията, сега известен като космологичен термин, което, когато се добави към енергийната плътност на обикновената материя и радиация, позволи на Вселената никога да не се разширява и никога да не се свива, а да остане същата завинаги.
Въпреки това, след като Хъбъл откри, че нашата Вселена се разширява, космологичният термин на Айнщайн беше забравен и „изоставен“. Въпреки това, след известно време, интересът към него беше събуден от релативистките квантови теории, в които космологичната константа се появява естествено динамично от квантовите трептения на виртуални частици и античастици. Това се нарича квантово нулево енергийно ниво и е много възможен кандидат за него вакуумна енергиякосмическо време. Въпреки това, квантовата теория има свои собствени „проблеми“ - как да не направи тази вакуумна енергия твърде голяма и това е една от причините, поради които физиците изследват суперсиметричните теории.
Космологичната константа може или да ускори, или да забави разширяването на Вселената, в зависимост от това дали е положителна или отрицателна. И когато космологичната константа се добави към пространство-времето в допълнение към обикновената материя и радиация, картината става много по-сложна от най-простите случаи на отворена или затворена Вселена, описани по-горе.

И така, какъв е отговорът?

Почти веднага след Големия взрив, ера на доминиране на радиацията, което продължи първите десет до сто хиляди години от еволюцията на нашата Вселена. Сега доминиращите форми на материята са обикновената материя и вакуумната енергия. Съдейки по последните наблюдения на астрономите,
1. Нашата Вселена е плоска с добра точност: Космическото микровълново фоново лъчение е реликва, останала от времето, когато Вселената е била гореща и изпълнена с горещ фотонен газ. Оттогава обаче, поради разширяването на Вселената, тези фотони са се охладили и сега тяхната температура е 2,73 К. Това излъчване обаче е леко нехомогенно; техният ъглов размер на нехомогенностите, видими от сегашната ни позиция, зависи от пространственото кривина на Вселената. И така, наблюденията на анизотропията на космическото микровълново фоново лъчение показват точно, че нашето Вселената е плоска.
2. Във Вселената съществува космологична константа: Във Вселената има вакуумна енергия или поне нещо, което действа като вакуумна енергия, което кара Вселената да се разширява с ускорена скорост. Доказателство за ускореното разширяване на Вселената са данните за червените премествания на далечни свръхнови.
3. Повечето от материята във Вселената е под формата на тъмна материя: Изследването на движението на галактиките води до заключението, че обикновената материя под формата на звезди, галактики, планети и междузвезден газ съставлява само малка част от общата материя във Вселената.
От днешната ера


Така че сега във Вселената енергийната плътност на вакуума е повече от два пъти по-висока от енергийната плътност на тъмната материя и в същото време приносът на барионната видима материя може просто да бъде пренебрегнат. Така че нашата плоска Вселена трябва да се разширява завинаги.

<< На колко години е нашата Вселена? | Съдържание | Разходка из историята на Вселената >>

Следващата версия за структурата на Вселената беше представена от физика Франк Щайнер от университета в Улм, който заедно с колегите си анализира повторно данните, събрани от космическата сонда Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), която някога е била стартира за детайлна фотография на космическото микровълново фоново лъчение.

Все пак не бързайте да говорите за краищата на Вселената. Факт е, че този полиедър е затворен сам по себе си, т.е. достигайки едно от лицата му, вие просто ще се върнете вътре през противоположната страна на тази многоизмерна „примка на Мьобиус“.

От тази презентация следват интересни заключения. Например, че като летите с някаква „високоскоростна“ ракета по права линия, можете в крайна сметка да се върнете към началната точка или, ако вземете „много голям“ телескоп, можете да видите едни и същи обекти в различни посоки на пространство, само поради крайната скорост на светлината - на различни етапи от живота.

Учените се опитаха да направят подобни наблюдения, но нищо подобно на „огледални отражения“ не беше открито. Или защото моделът е неправилен, или защото „диапазонът“ на съвременната наблюдателна астрономия не е достатъчен. Въпреки това дискусията за формата и размера на Вселената продължава.

Сега Щайнер и неговите другари са добавили нови дърва в огъня.

Планк тежи около два тона. Трябва да обикаля около точката на Лагранж L2. Докато сателитът се върти около оста си, той постепенно ще заснеме пълна карта на микровълновия фон с безпрецедентна точност и чувствителност (илюстрации от ESA/AOES Medialab и ESA/C. Carreau).

Германският физик състави няколко модела на Вселената и провери как в тях се образуват микровълнови фонови вълни на плътност. Той твърди, че най-близкото съответствие с наблюдаваното космическо микровълново фоново лъчение се осигурява от вселената на поничката и дори изчислява нейния диаметър. Оказа се, че „поничката“ е с диаметър 56 милиарда светлинни години.

Вярно, този тор не е съвсем обикновен. Учените го наричат ​​3-торус. Неговата действителна форма е трудно да си представим, но изследователите обясняват как поне да опитаме.

Първо си представете как се формира обикновена „поничка“. Взимате лист хартия и го навивате на тръба, като залепвате два противоположни ръба. След това навивате тръбата в тор, залепвайки двата противоположни „изхода“ заедно.

С 3-торус всичко е същото, с изключение на това, че началната съставка не е лист, а куб и трябва да залепите не ръбовете на равнините, а всяка двойка противоположни лица. Освен това го залепете по такъв начин, че след като сте напуснали куба през едната му страна, ще откриете, че отново сте влезли вътре през противоположната му страна.

Няколко експерти, които коментираха работата на Щайнер, отбелязаха, че тя не доказва окончателно, че Вселената е „многоизмерна поничка“, а само че тази форма е една от най-вероятните. Някои учени също така добавят, че додекаедърът (който често се сравнява с футболна топка, въпреки че това е неправилно) все още е „добър кандидат“.

Отговорът на Франк на това е прост: окончателният избор между формите може да бъде направен след по-точни измервания на космическото микровълново фоново лъчение от тези, извършени от WMAP. И такова проучване скоро ще бъде извършено от европейския сателит Planck, който трябва да бъде изстрелян на 31 октомври 2008 г.

„От философска гледна точка ми харесва идеята, че Вселената е ограничена и един ден може да сме в състояние да я изследваме напълно и да знаем всичко за нея. Но тъй като въпросите във физиката не могат да бъдат решени от философията, надявам се, че Планк ще им отговори“, казва Щайнер.

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 е родена 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.

Така, изучавайки светлината и радиовълните, може да се види 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 далеч от него.най-близкото.

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 приличат на 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 запълнено 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, накараха 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 се нарича още, 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 пада 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-ниските широкомащабни ъглови флуктуации, 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 мирогледа 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 рекомбинация. 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. 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 вълните: 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, нейният първоначален размер се увеличава 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 спрямо 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

Общата теория на относителността на Айнщайн изучава геометрията на 4-измерното пространство-време. Въпросът за формата (геометрията) на самото триизмерно пространство обаче остава неизяснен и до днес.

Изследвайки разпределението на галактиките, учените стигнаха до извода, че нашата Вселена с висока степен на точност е пространствено хомогенна и изотропна в големи мащаби. Това означава, че геометрията на нашия свят е геометрията на едно хомогенно и изотропно триизмерно многообразие. Има само три такива многообразия: триизмерна равнина, триизмерна сфера и триизмерен хиперболоид. Първото многообразие съответства на обичайното триизмерно евклидово пространство. Във втория случай Вселената има формата на сфера. Това означава, че светът е затворен и можем да стигнем до една и съща точка в пространството, просто като се движим по права линия (като пътуване около Земята). И накрая, пространството във формата на хиперболоид съответства на отворено триизмерно многообразие, сборът от ъглите на триъгълник, в който винаги е по-малък от 180 градуса. По този начин изучаването само на мащабната структура на Вселената не ни позволява еднозначно да определим геометрията на триизмерното пространство, но значително намалява възможните варианти.

Изследването на космическото микровълново фоново лъчение, най-точното космологично наблюдавано в момента, позволява напредък по този въпрос. Факт е, че формата на триизмерното пространство има значително влияние върху разпространението на фотоните във Вселената - дори леко изкривяване на триизмерния колектор би повлияло значително на спектъра на космическото микровълново фоново излъчване. Съвременните изследвания по тази тема казват, че геометрията на Вселената е плоска с висока степен на точност. Ако пространството е извито, тогава съответният радиус на кривина е 10 000 по-голям от причинно свързаната област във Вселената.

Въпросът за геометрията на триизмерното многообразие е тясно свързан с еволюцията на Вселената в бъдещето. За пространството под формата на триизмерен хиперболоид разширяването на Вселената ще продължи вечно, докато за сферичната геометрия разширението ще отстъпи място на компресия, последвано от колапса на Вселената обратно в сингулярност. Въпреки това, въз основа на съвременни данни, скоростта на разширяване на Вселената днес се определя не от кривината на триизмерното многообразие, а от тъмната енергия, определено вещество с постоянна плътност. Освен това, ако плътността на тъмната енергия остане постоянна в бъдеще, нейният принос към общата плътност на Вселената само ще нараства с времето, а приносът на кривината ще намалява. Това означава, че геометрията на триизмерното многообразие вероятно никога няма да окаже значително влияние върху еволюцията на Вселената. Разбира се, невъзможно е да се направят надеждни прогнози за свойствата на тъмната енергия в бъдещето и само по-точни изследвания на нейните свойства могат да хвърлят светлина върху бъдещата съдба на Вселената.