Каква форма има нашата вселена? Каква форма има Вселената? Класическа космическа топология

> Каква е формата на Вселената?

В каква форма е Вселената?: изследване на безкрайното пространство, WMAP CMB карта, геометрия на Вселената и предполагаеми форми със снимка.

Струва ли си изобщо да мислим каква е формата на Вселената? С какво си имаме работа? Сфера? Конус? апартамент? И как да го определим?

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

Но не искаш ли да знаеш къде живееш? Само за да получим възможност да погледнем 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 в древни времена. И хората, поради липса на информация, предлагаха доста прекрасни неща. В индуистките текстове това е 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 предложили три любими форми: положително извита, отрицателно извита и плоска. Разбираме, че Вселената съществува в 4 измерения и всяка от фигурите граничи с безумната геометрия на Лъвкрафт. Така че включете максимално въображението и да тръгваме!

С положително извита версия получаваме четириизмерна сфера. Това разнообразие има край, но не се откроява ясна граница. По-конкретно, две частици ще го пресекат, преди да се върнат в началната точка. Можете дори да го тествате у дома. Вземете балона 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 извие или затвори напълно, пространството трябва да спре да се разширява. Това ще се случи, ако има голям енергиен резерв, способен да създаде предимство. Съвременните данни показват, че разширяването е безкраен процес. Така че този сценарий отпада.

Отрицателно извитата форма на Вселената е четириизмерно седло. Тя е отворена, лишена от граници в пространството и времето. Тук има малко енергия, така че вселената няма да спре да се разширява. Ако две частици се изстрелят по прави линии, 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 две 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 предполагаемата форма на Вселената на снимката.

И така стигаме до тръбата. Това е друг вид отрицателна кривина. Единият му край ще бъде стеснен, а другият - широк. През първото полувреме всичко изглеждаше стеснено и съществуваше в две измерения. А в широк можеше да се пътува на максимални разстояния, но трябваше да се върне в обратната посока (посоката се променя в завой).

Какво тогава? С какво си имаме работа? багел? Духов инструмент? Гигантска глава от 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 не само да разберем как изглежда Вселената, но и да има хора, които постоянно се опитват да намерят още повече информация. Ако "плоският" ви се струва скучен, тогава не забравяйте, че все още нямаме достатъчно информация. Следователно е вероятно всички да съществуваме в гигантска поничка.

Представете си много голяма топка. Въпреки че "отвън" изглежда триизмерна, нейната повърхност - сферата - е двуизмерна, тъй като върху сферата има само две независими посоки на движение. 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 в същото време правите точни измервания на разстояния 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 една сфера 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 в неговата цялост. Това означава, че е необходимо да се опише "всичко" и "винаги" "в една бутилка". Геометрията пространство-време е геометрията на цялото пространство плюс цялото време заедно като една математическа единица.

Какво определя геометрията на пространство-времето?

По принцип физиците работят по следния начин – 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, защото при получаването му не са взети предвид квантовите ефекти. И по този начин геометрията на пространство-времето се третира 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 и от които се състоят атомите, които от своя страна се състоят от материя, електромагнитно излъчване, всяка частица - носител на взаимодействие (с изключение на гравитацията) - "живее" в извито 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 ще се случат.
Вярно е, че сега, ако сме твърде буквални в такава концепция, можем да се сблъскаме с проблеми, защото не можем да вземем предвид всички най-малки промени в разпределението на енергията и плътността на импулса във Вселената, които току-що са се случили и тепърва ще се случват в Вселената. Но, за щастие, човешкият ум е в състояние да оперира с понятия като абстракцияи приближение, така че можем да изградим абстрактен модел, който грубо описва наблюдаваната вселена доста добре в големи мащаби, да речем, мащабите на галактическите купове.
Но за решаване на уравнения това не е достатъчно. Необходимо е също така да се направят някои опростяващи предположения относно кривината на пространство-времето. Първото предположение, което правим е, че пространство-времето може да бъде добре разделено на пространство и време. Това обаче не винаги е възможно, например в някои случаи на въртящи се черни дупки, пространството и времето се „въртят“ заедно и по този начин не могат да бъдат добре разделени. Въпреки това, няма индикация, че нашата Вселена може да се върти по този начин. По този начин можем да направим предположението, че пространство-времето може да бъде описано като пространство, което се променя с времето.
Следващото важно предположение, което следва от теорията за Големия взрив е, че пространството изглежда еднакво във всяка посока във всяка точка. Свойството да изглежда еднакво във всяка посока се нарича изотропия, а да изглежда еднакво във всяка точка се нарича равномерност. По този начин ние приемаме, че нашето пространство хомогенни и изотропни. Космолозите наричат ​​това предположение максимална симетрия. Смята се, че това е достатъчно разумно предположение в голям мащаб.
Когато решават уравненията на Айнщайн за пространствено-времевата геометрия на нашата вселена, космолозите разглеждат три основни типа енергия, които могат и деформират пространство-времето:
1. вакуумна енергия
2. радиация
3. обикновена материя
Радиацията и обикновената материя се разглеждат като хомогенен газ, изпълващ Вселената, с някакво уравнение на състоянието, свързващо налягането с плътността.
След като се направят предположения за хомогенността на енергийните източници и за максималната симетрия, уравненията на Айнщайн могат да бъдат сведени до две диференциални уравнения, които са лесни за решаване с помощта на най-простите методи за изчисление. 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 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 бъде 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, отговаря и на въпроса за времето на еволюцията:
положителна кривина: N-мерно пространство с постоянна положителна кривина е N-мерна сфера. Космологичният модел, при който пространството има постоянна положителна кривина, се нарича затворенкосмологичен модел. В такъв модел пространството се разширява от нулев обем по време на Големия взрив, след което в даден момент от времето достига своя максимален обем и започва да се свива до „Големия срив“.
Нулева кривина: Пространство с нулева кривина се нарича апартаментпространство. Такова плоско пространство е некомпактно, то се простира безкрайно във всички посоки, също толкова 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 сравнен повече или по-малко познат, е хиперболоид, който е двуизмерна хиперсфера. Пространство с отрицателна кривина е безкрайно по обем. В пространство с отрицателна кривина, отворенВселена. Освен това, 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. Позволявам . 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 неща като звезди или горещ газ или каквото и да било, 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, оказа се, че видимата материя под формата на звезди и междузвезден газ не е достатъчна, за да поддържа галактиките гравитационно свързани. Оценките за това колко материя наистина е необходима на средна 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.
След като има тъмна материя във Вселената, какво може да бъде? От какво може да се направи? Ако се е състояла от кварки, като обикновената материя, тогава в ранната Вселена е трябвало да бъдат произведени 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 видимата материя във Вселената е много по-малко, 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? Изследването на движенията в галактическите купове предполага, че общата плътност е около 30% от критичната, докато видимата материя е 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 искал теория, в която Вселената винаги да остава със същия размер. И за да направи това, той добави към уравнението член, известен сега като космологичен термин, което, когато се добави към енергийната плътност на обикновената материя и радиация, попречи на Вселената да се разширява и никога да не се свива, но да остане същата завинаги.
Въпреки това, след като Хъбъл откри, че нашата Вселена се разширява, космологичният термин на Айнщайн беше забравен и „изоставен“. След известно време обаче интересът към него се пробужда от релативистките квантови теории, в които космологичната константа се появява динамично по естествен начин 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. Квантовата теория обаче има своите „проблеми“ – как тази вакуумна енергия да не стане твърде голяма и това е една от причините физиците да 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-объркваща от най-простите случаи на отворена или затворена Вселена, описани по-горе.

Е, какъв е отговорът?

Почти веднага след Големия взрив, ера на господство 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. Според последните наблюдения на астрономи,
1. Нашата Вселена е плоска с добра точност: Космическото микровълново фоново лъчение е реликва 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 K. 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 космическия микровълнов фон показват точно, че нашите Вселената е плоска.
2. Във Вселената съществува космологична константа: Във Вселената има вакуумна енергия или поне нещо, което действа като вакуумна енергия, карайки вселената да се разширява бързо. Данните за червените премествания на далечни свръхнови са доказателство за ускореното разширяване на Вселената.
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 е само малка част от цялата материя във Вселената.
От настоящата ера


Така че сега във Вселената плътността на енергията на вакуума е повече от два пъти по-голяма от плътността на енергията на тъмната материя и приносът на барионната видима материя може просто да бъде пренебрегнат. Така че нашата плоска вселена трябва да се разширява завинаги.

<< Колко стара е нашата вселена? | Съдържание | Обиколка на историята на Вселената >>

Следващата версия за структурата на Вселената беше представена от физика Франк Щайнер от университета в Улм (Universität Ulm), който заедно с колегите си анализира отново данните, събрани от космическата сонда Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), изстреляна веднъж за улавя в детайли радиационния фон.

Не бързайте обаче да говорите за краищата на Вселената. Факт е, че този полиедър е затворен сам по себе си, тоест, достигайки едно от лицата му, вие просто се връщате вътре през противоположната страна на тази многоизмерна „мобиусова линия“.

От тази презентация следват интересни заключения. Например, че след като сте летели по права линия на някаква "свръхбърза" ракета, можете в крайна сметка да се върнете в началната точка или, ако вземете "много голям" телескоп, можете да видите едни и същи обекти в различни части на космоса, само по силата на ограничеността на скоростта на светлината - на различни етапи от живота.

Учените се опитаха да извършат подобни наблюдения, но не бяха открити нищо подобно на „огледални отражения“. Или защото моделът е грешен, или защото няма достатъчно "обхват" на съвременната наблюдателна астрономия. Въпреки това дискусията за формата и размера на Вселената продължава.

Сега Щайнер и неговите другари са хвърлили 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 микровълнова фонова карта с безпрецедентна прецизност и чувствителност (илюстрации от ESA/AOES Medialab и ESA/C. Carreau).

Германският физик състави няколко модела на Вселената и тества как в тях се формират микровълнови фонови вълни на плътност. Той твърди, че вселената на поничката дава най-голямо съвпадение с наблюдавания космически микровълнов фон 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. Трудно е да си представим истинската му форма, но изследователите обясняват как поне да се опитаме да я направим.

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

С 3-торус всичко е същото, с изключение на това, че като първоначална съставка се взема не лист, а куб и е необходимо да се залепят 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 категорично, че Вселената е "високоизмерна поничка", а само казва, че тази форма е една от най-вероятните. Освен това някои учени 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 фоновата радиация от тези, извършени от WMAP. И такова проучване скоро ще бъде извършено от европейския спътник Планк, който трябва да бъде изстрелян на 31 октомври 2008 г.

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

В древни времена хората са 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 в процеса на изследване на радиационния фон, показват, че Вселената може да е затворена в себе си. Оказва се, че ако летите от земята през цялото време, тогава в един момент ще започнете да се приближавате до нея и в крайна сметка ще се върнете обратно, заобикаляйки цялата Вселена и правейки околосветско пътешествие, точно както един от корабите на Магелан, след като обиколи целия свят, отплава до испанското пристанище Санлукар де Барамеда.

Хипотезата, че нашата Вселена е родена в резултат на Големия взрив, вече се счита за общоприета. Материята в началото 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 йонизирана газова плазма, непрозрачна за светлина и всякакви електромагнитни вълни. Започналата по това време рекомбинация (свързване) на ядра и електрони, тоест образуването на неутрални атоми на водород и хелий, коренно промени оптичните свойства на Вселената. Той е станал прозрачен за повечето електромагнитни вълни.

Така, изучавайки светлината и радиовълните, може да се види само какво се е случило след рекомбинация, а всичко, което се е случило преди това, е затворено за нас от един вид „огнена стена“ от йонизирана материя. Възможно е да погледнем много по-дълбоко в историята на Вселената само ако се научим как да регистрираме реликтови неутрино, за които горещата материя стана прозрачна много по-рано, и първични гравитационни вълни, за които материята с всякаква плътност не е пречка, но това е въпрос на бъдещето и далеч не е най-близкото.

От образуването на неутралните атоми нашата Вселена се е разширила около 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. при тестване на голяма радиоантена, е практически еднакъв във всички посоки. Според съвременните данни има сто милиона пъти повече реликтови 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 космическа топология

В мащаби, по-големи от 100 мегапарсека, частта от Вселената, която виждаме, е доста хомогенна. Всички плътни струпвания от 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 приемат 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 без ръбове и граници, вселена с краен обем, затворена в себе си.

Първите решения, открити от Фридман, описват вселени, пълни само с един вид материя. Различни картини възникват поради разликата в средната плътност на материята: ако тя превишава критичното 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 свиване до точка. Вселената с плътност под критичната имаше отрицателна кривина и се разширяваше безкрайно, темпът й на инфлация 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, подобно на отворения, се разширява за неопределено време, 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 ускорение (вижте „Отвъд хоризонта на събитията на Вселената“, № 3, 2006). Такова 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 притегателните сили на обикновената материя в голям мащаб. 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 натрупва толкова бързо, че Вселената става безкрайна за краен период от 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 подобно на нашето обичайно пространство. Тази картина е в добро съответствие 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 реликтовия фон, накараха учените да се съмняват, че нашият свят е устроен толкова просто.

Учените няма да могат да погледнат зад „огнената стена“, която ни отделя 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 това какво се е случило след превръщането 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 дори днес. Обикновено физиката се използва за обяснение на нови космологични данни: уравненията на състоянието на материята, законите на разширението и спектрите на първоначалните смущения. Но този път природата на откритата ъглова нееднородност на излъчването изискваше съвсем различно обяснение, геометрично. По-точно топологично.

Основната цел на WMAP беше да изгради подробна карта на температурата на космическия микровълнов фон (или както се нарича още микровълновия фон). WMAP е ултрачувствителен радиоприемник, който едновременно регистрира 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 сателит всъщност е в орбита около Слънцето, но поради комбинираното действие на гравитационните полета на Земята и Слънцето, неговият период на въртене е точно една година и той не отлита никъде от Земята. Сателитът беше изстрелян в толкова далечна орбита, така че смущенията от земна техногенна дейност да не пречат на приемането на реликтно радиоизлъчване.

Въз основа на данните, получени от космическата радиообсерватория, беше възможно да се определят огромен брой космологични параметри с безпрецедентна точност. Първо, отношението на общата плътност на Вселената към критичната е 1,02 ± 0,02 (тоест нашата Вселена е плоска или затворена с много малка кривина). Второ, константата на Хъбъл, характеризираща разширяването на нашия свят в голям мащаб, 72±2 km/s/Mpc. На трето място, възрастта на Вселената е 13,4±0,3 милиарда години, а червеното отместване, съответстващо на времето на рекомбинация, е 1088±2 (това е средна стойност, дебелината на границата на рекомбинация е много по-голяма от посочената грешка). Най-сензационният резултат за теоретиците беше ъгловият спектър на реликтовите радиационни смущения, по-точно твърде малката стойност на втория и третия хармоник.

Такъв спектър се конструира чрез представяне на температурната карта като сума от различни сферични хармоници (мултиполи). В този случай променливите компоненти се отличават от общата картина на смущенията, 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 трептения на фона 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, а WMAP получава своята проверена версия само след година. Първите такива не особено подробни карти са получени през 1992 г. в експериментите Relic и COBE (Cosmic Background Explorer).

Как франзела изглежда като чаша за кафе?
Има такъв клон на математическата топология, който изследва свойствата на телата, които се запазват при всяка от техните деформации без пропуски и залепване. 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, а за да направите същото с тор, можете да направите само 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 повече измерения. Така че нашата триизмерна Вселена, затворена сама по себе си, може лесно да си представим само като живеем в шестизмерно пространство. Космическите тополози все още не посягат на времето, оставяйки му възможността просто да тече линейно, без да се заключва в нищо. Така че способността да работим в пространството на седемте измерения днес е напълно достатъчна, за да разберем колко сложна е нашата додекаедрична Вселена.

Окончателната температурна карта на CMB се основава на 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, се оказаха ясно под нивото, очаквано от теоретиците. Освен това вероятността такива големи отклонения да възникнат случайно е изключително малка. Квадруполното и октуполното потискане беше отбелязано още 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. Защо амплитудите на двете най-мащабни флуктуации в интензитета на космическия микровълнов фон се оказаха толкова малки, първоначално беше напълно неразбираемо. Все още не е възможно да се измисли физически механизъм за тяхното потискане, тъй като той трябва да действа в мащаба на цялата наблюдавана Вселена, правейки я по-хомогенна, и в същото време да спре да работи в по-малки мащаби, позволявайки й да се колебае 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 рекомбиниращата плазма през различни части на затвореното додекаедрично пространство. Оказва се, че ниските хармоници, така да се каже, изгасват сами поради преминаването на радиосигнал през различни аспекти на Вселената. В такъв топологичен модел на света събитията, случващи се в близост до една от страните на додекаедъра, се оказват близо и на 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 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 фоновото лъчение, която днес е 2,728 K. След изваждането й от общия фон диполната компонента се оказва най-голяма, показваща колко е температурата в едно от полукълбата. на заобикалящото ни пространство е по-високо, отколкото в другия. Наличието на този компонент се дължи главно на движението на Земята и Млечния път спрямо CMB. Поради ефекта на Доплер температурата се повишава в посоката на движение и намалява в обратната посока. Това обстоятелство ще позволи да се определи скоростта на всеки обект по отношение на космическото фоново лъчение и по този начин да се въведе дългоочакваната абсолютна координатна система, която е локално в покой по отношение на цялата Вселена.

Големината на диполната анизотропия, свързана с движението на Земята, е 3,353*10-3 К. Това съответства на движението на Слънцето спрямо радиационния фон 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, където принадлежи, се движи спрямо реликвата със скорост около 600 km/s.

Всички други смущения (започвайки 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 радиоизлъчване от нашата Галактика. След изваждане на диполния компонент, общата амплитуда на всички останали 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 микровълните фон се извършват 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 торът. Всеки, който е държал поничка 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 движещият 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 идентифицирате противоположните му лица, тогава се образува триизмерен тор. Ако погледнете вътре в 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 доста краен. В такъв свят няма граници, но има три избрани посоки, успоредни на ръбовете на оригиналния куб, по които се наблюдават периодични редици от оригиналните обекти. Тази картина е много подобна на това, което може да се види вътре в куб с огледални стени. Вярно е, че гледайки някоя от неговите страни, жителят на такъв свят ще види главата си, а не лицето си, както в земната стая на смеха. По-правилен модел би била стая, оборудвана с 6 телевизионни камери и 6 плоски LCD монитора, които показват изображението, заснето от филмовата камера, разположена отсреща. В този модел видимият свят се затваря в себе си поради изхода към друго телевизионно измерение.

Описаната по-горе картина на потискането на нискочестотните хармоници е правилна, ако времето, за което светлината преминава през първоначалния обем, е достатъчно малко, т.е. ако размерите на първоначалното тяло са малки в сравнение с космологичните мащаби. Ако размерите на достъпната за наблюдение част от Вселената (т.нар. хоризонт на Вселената) се окажат по-малки от размерите на първоначалния топологичен обем, тогава ситуацията няма да се различава по никакъв начин от това, което виждаме в обичайната безкрайна Айнщайнова Вселена и няма да се наблюдават никакви аномалии в спектъра на CMB.

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 най-ниските мащабни ъглови колебания, което означава, че чрез изучаване на реликтовия фон може да се оцени размерът 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 притежава такива свойства. В този случай ъгловите спектри, получени в експеримента WMAP, най-добре се съгласуват с додекаедричния модел на Вселената. Този правилен многостен, който има 12 петоъгълни лица, прилича на футболна топка, ушита от петоъгълни лепенки. Оказва се, че в пространство с малка положителна кривина правилните додекаедри могат да запълнят цялото пространство без дупки и взаимно пресичане. При определено съотношение между размера на додекаедъра и кривината за това са необходими 120 сферични додекаедъра. Освен това тази сложна структура от стотици „топки“ може да бъде сведена до топологично еквивалентна, състояща се само от един додекаедър, в който се идентифицират противоположни лица, завъртяни на 180 градуса.

Вселената, образувана от такъв додекаедър, има редица интересни свойства: тя няма предпочитани посоки и по-добре от повечето други модели описва големината на най-ниските ъглови хармоници на CMB. Такава картина възниква само в затворен свят със съотношение на действителната плътност на материята към критичната от 1,013, което попада в обхвата на стойностите, позволени 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, обясняваща 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
На спектъра на флуктуация на CMB червената линия показва прогнозите на теоретичния модел. Сивият коридор около него са допустимите отклонения, а черните точки са резултатите от наблюденията. Повечето от данните са получени в експеримента WMAP и само за най-високите хармоници са добавени резултатите от изследванията CBI (балон) и ACBAR (антарктична земя). На нормализираната графика на ъгловия спектър на флуктуациите на реликтовото лъчение се виждат 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 по време на рекомбинация. Максималната амплитуда на трептенията зависи от размера на причинно-следствената област (звуков хоризонт) в момента на рекомбинация. В по-малки мащаби плазмените трептения бяха отслабени от фотонния вискозитет, докато в по-големи мащаби смущенията бяха независими едно от друго и не бяха във фаза. Следователно максималните колебания, наблюдавани в съвременната епоха, попадат в ъглите, под които звуковият хоризонт е видим днес, тоест областта на първичната плазма, която е живяла един живот по време на рекомбинацията. Точното положение на максимума зависи от отношението на общата плътност на Вселената към критичната. Наблюденията показват, че първият най-висок връх 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 на "фазиране" на акустичните трептения в плазмата в ерата на рекомбинацията. 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 на флуктуации в различни мащаби, тези (много далеч един от друг) региони трябва да са били в състояние да взаимодействат един с друг. Именно тази ситуация възниква естествено в инфлационния модел на Вселената и увереното откриване на втория и следващите пикове в ъгловия спектър на флуктуациите на CMB е едно от най-важните потвърждения на този сценарий.

Наблюденията на реликтовото лъчение са извършени в област, близка до максимума на топлинния спектър. За температура от 3K, тя е при дължина на радио вълната от 1 mm. 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 има 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 образуват 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 флуктуациите на космическото микровълново фоново лъчение 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 еднакви и симетрични само за наблюдател, който е неподвижен спрямо фоновия фон. Земята, от друга страна, се движи спрямо нея с достатъчно висока скорост, поради което във фоновото излъчване се появява значителна диполна компонента. В този случай кръговете се превръщат в елипси, техният размер, 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, за да се разбере дали те са или не са там.

Многосвързана 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 на 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 нехомогенна. След това, в процеса на инфлация, когато Вселената се разширяваше по закон, близък до експоненциалния, нейните първоначални размери се увеличиха с много порядъци. Днес ние виждаме само малка част от Голямата Вселена, в която все още има хетерогенности. Вярно, те имат толкова голям пространствен обхват, че са невидими в достъпната за нас зона. Инфлационният сценарий е най-добре развитата космологична теория.

За многосвързана вселена такава последователност от събития не е подходяща. 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, са вече ясни: това са неинфлационни модели и така наречените модели със слаба инфлация, при които размерът на Вселената по време на инфлация се увеличава само няколко пъти (или десетки пъти). 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 космическото микровълново фоново излъчване имат близки ориентации един към друг и лежат в равнина, която почти съвпада с галактическия екватор. Заключението на тази група е, че е имало грешка при изваждането на фона на Галактиката от данните от наблюденията на микровълновия фон и реалната величина на хармониците е напълно различна.

Наблюденията на WMAP бяха извършени на 5 различни честоти, специално за да се разделят правилно космологичният и местният фон. И основният екип на WMAP вярва, че обработката на наблюденията е извършена 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 прави непрекъснати наблюдения в продължение на четири години, което би трябвало да е достатъчно за удвояване на точността, но тези данни все още не са публикувани. Трябва да изчакаме малко и може би нашите предположения за додекаедричната топология на Вселената ще станат доста убедителни.

Михаил Прохоров, доктор на физико-математическите науки

Общата теория на относителността на Айнщайн се занимава с изучаването на геометрията на 4-измерното пространство-време. Засега обаче остава неизяснен въпросът за формата (геометрията) на самото триизмерно пространство.

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 само като се движим по права линия (като да пътуваме около света около Земята). И накрая, пространството под формата на хиперболоид съответства на отворено триизмерно многообразие, в което сборът от ъглите на триъгълник винаги е по-малък от 180 градуса. По този начин изследването само на мащабната структура на Вселената не позволява недвусмислено определяне на геометрията на триизмерното пространство, но значително намалява възможните варианти.

Напредъкът в този въпрос позволява изследването на космическото микровълново фоново лъчение, най-точното космологично наблюдавано в момента. 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 CMB. 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 бъде заменено от свиване, 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, докато приносът на кривината ще намалява. Това означава, че геометрията на триизмерно многообразие най-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 ще могат да хвърлят светлина върху бъдещата съдба на Вселената.