Che forma ha il nostro universo? Che forma ha l'universo? Topologia spaziale classica

> Qual è la forma dell'universo?

In che forma è l'universo?: esplorazione dello spazio infinito, mappa WMAP CMB, geometria dell'Universo e presunte forme con foto.

Vale la pena pensare a che forma ha l'universo? Con cosa abbiamo a che fare? Sfera? Cono? piatto? E come definirlo?

L'Universo è l'unico luogo in cui esistiamo e oltre il quale non possiamo scappare (perché non ce ne sono). Grazie a leggi fisiche, naturali permanenti e metalli pesanti in eruzione, siamo riusciti a creare la vita su una piccola palla rocciosa, persa in una delle tante galassie.

Ma non vuoi sapere dove vivi? Solo per avere l'opportunità di guardare tutto dall'esterno, come abbiamo fatto con il nostro pianeta natale, la Terra. Per te da vedere? Oscurità infinita? Tante bolle? Palla di neve? Un labirinto di topi nelle mani di alieni o qualcos'altro? Qual è la forma dell'universo?

Bene, la risposta è molto più semplice, ma anche più strana. La gente iniziò a pensare alla forma dell'Universo nei tempi antichi. E le persone, per mancanza di informazioni, offrivano cose meravigliose. Nei testi indù era un uovo a forma di uomo. I greci videro un'isola fluttuare nel vuoto. Aristotele dice che l'universo ha la forma di una sfera infinita o semplicemente di una tartaruga.

È interessante notare che i contributi di Albert Einstein aiutano a testare ciascuno di questi modelli. Gli scienziati hanno proposto tre forme preferite: curva positivamente, curva negativamente e piatta. Capiamo che l'Universo esiste in 4 dimensioni e qualsiasi figura confina con la folle geometria di Lovecraft. Quindi accendi la massima fantasia e andiamo!

Con una versione positivamente curva, otteniamo una sfera quadridimensionale. Questa varietà ha una fine, ma non spicca alcun confine chiaro. Più specificamente, due particelle lo attraverserebbero prima di tornare al punto di partenza. Puoi anche testarlo a casa. Prendi il palloncino e traccia una linea retta finché non torna al punto di partenza.

Questa specie rientra in tre dimensioni e appare se c'è un'enorme quantità di energia nello spazio. Per curvare o chiudersi completamente, lo spazio dovrebbe smettere di espandersi. Questo accadrà se esiste una riserva di energia su larga scala in grado di creare un vantaggio. I dati moderni mostrano che l'espansione è un processo senza fine. Quindi questo scenario è fuori.

La forma curva negativamente dell'universo è una sella quadridimensionale. È aperto, privo di confini nello spazio e nel tempo. C'è poca energia qui, quindi l'universo non smetterà di espandersi. Se due particelle vengono sparate lungo linee rette, non si incontreranno mai, ma divergeranno semplicemente finché non andranno in direzioni diverse.

Se una quantità critica di energia oscilla tra gli estremi, dopo l'infinito l'espansione si fermerà. Questo è un universo piatto. Qui, due particelle viaggeranno in parallelo, ma non si separeranno né si incontreranno mai.

È facile immaginare queste tre forme, ma ci sono molte più opzioni. Il pallone da calcio ricorda l'idea di un universo sferico. La ciambella è tecnicamente piatta, ma collegata in alcuni punti. Alcuni credono che enormi punti caldi e freddi parlino a favore di questa opzione. Nella foto puoi vedere la presunta forma dell'universo.

E così arriviamo al tubo. Questo è un altro tipo di curvatura negativa. Una delle sue estremità sarà ristretta e l'altra larga. Nel primo tempo tutto sembrava angusto ed esisteva in due dimensioni. E in una larga si potrebbe viaggiare alle massime distanze, ma si dovrebbe tornare nella direzione opposta (cambia la direzione in una curva).

Cosa poi? Con cosa abbiamo a che fare? Bagel? Strumento a fiato? Testa di formaggio gigante? Gli scienziati non hanno ancora escluso le opzioni con una pipa e una sella.

I brontoloni sosterranno che tutto questo non ha senso e non sapremo mai la verità. Ma non siamo così categorici. Gli ultimi dati Planck mostrano che il nostro Universo è... piatto! Infinitamente finito, completamente non curvo e con una precisa quantità critica di energia.

È impensabile che non solo possiamo scoprire come appare l'universo, ma ci sono persone che cercano costantemente di trovare sempre più informazioni. Se "piatto" ti sembra noioso, non dimenticare che non abbiamo ancora abbastanza informazioni. Pertanto, è probabile che tutti noi possiamo esistere in una ciambella gigante.

Immagina una palla molto grande. Sebbene "dall'esterno" sembri tridimensionale, la sua superficie - la sfera - è bidimensionale, perché sulla sfera ci sono solo due direzioni di movimento indipendenti. Se tu fossi molto piccolo e vivessi sulla superficie di questa palla, potresti benissimo presumere di non vivere affatto su una sfera, ma su una grande superficie piana bidimensionale. Ma se allo stesso tempo facessi misurazioni accurate delle distanze su una sfera, capiresti che non vivi su una superficie piana, ma sulla superficie di una grande sfera ( ca. trad. Probabilmente è meglio tracciare un'analogia con la superficie del globo).
L'idea della curvatura della superficie di una sfera può essere applicata all'intero universo. Questa è stata una grande svolta La teoria generale della relatività di Einstein. Spazio e tempo sono stati combinati in un'unica unità geometrica chiamata spazio tempo, e questo spazio-tempo aveva geometria, potrebbe essere contorto, proprio come la superficie di un'enorme palla è curva.
Quando guardi la superficie di una grande palla come un'unica cosa, senti l'intero spazio della sfera nel suo insieme. I matematici amano la superficie di una sfera in modo che questa definizione descriva l'intera sfera, non solo una parte di essa. Uno degli aspetti chiave della descrizione della geometria dello spazio-tempo è che dobbiamo descrivere tutto lo spazio e tutto il tempo nella sua interezza. Ciò significa che è necessario descrivere "tutto" e "sempre" "in una bottiglia". La geometria spazio-temporale è la geometria di tutto lo spazio più tutto il tempo insieme come un'unità matematica.

Cosa determina la geometria dello spazio-tempo?

Fondamentalmente, i fisici lavorano nel modo seguente: cercano equazioni del moto le cui soluzioni descrivono meglio il sistema che i fisici vogliono descrivere. L'equazione di Einstein rappresenta equazione classica del moto dello spazio-tempo. È classico perché gli effetti quantistici non sono stati presi in considerazione quando sono stati ottenuti. E così, la geometria spazio-temporale è trattata come un concetto esclusivamente classico, privo di ogni incertezza quantistica. Ecco perché è la migliore approssimazione alla teoria esatta.
Secondo le equazioni di Einstein, la curvatura dello spaziotempo in una data direzione è direttamente correlata all'energia e alla quantità di moto di ogni cosa in tutto lo spaziotempo che non sia lo spaziotempo. In altre parole, le equazioni di Einstein mettono in relazione la gravità con la non gravità e la geometria con la non geometria. La curvatura è gravità, e tutto il resto sono elettroni e quark, e da quali atomi sono costituiti, che, a loro volta, sono costituiti da materia, radiazione elettromagnetica, ogni particella - il vettore dell'interazione (tranne la gravità) - "vive" in uno spazio curvo- tempo e allo stesso tempo determina questa curvatura secondo le equazioni di Einstein.

Qual è la geometria del nostro spazio-tempo?

Come appena notato, una descrizione completa di un dato spazio-tempo include non solo tutto lo spazio, ma anche sempre. In altre parole, lo spazio-tempo include tutti gli eventi che sono mai accaduti e che accadranno mai.
È vero, ora, se siamo troppo letterali in un tale concetto, possiamo incorrere in problemi, perché non possiamo tenere conto di tutti i più piccoli cambiamenti nella distribuzione dell'energia e nella densità di quantità di moto nell'Universo che sono appena avvenuti e accadranno ancora in l'universo. Ma, fortunatamente, la mente umana è in grado di operare con concetti come astrazione e approssimazione, quindi possiamo costruire un modello astratto che descriva approssimativamente l'universo osservabile abbastanza bene su larga scala, diciamo, le scale degli ammassi di galassie.
Ma per risolvere le equazioni, questo non è sufficiente. È inoltre necessario fare alcune ipotesi semplificative sulla curvatura dello spazio-tempo. La prima ipotesi che facciamo è quella lo spazio-tempo può essere nettamente suddiviso in spazio e tempo. Ciò, tuttavia, non è sempre possibile, ad esempio, in alcuni casi di buchi neri rotanti, spazio e tempo "ruotano" insieme e quindi non possono essere nettamente separati. Tuttavia, non vi è alcuna indicazione che il nostro universo possa ruotare in questo modo. Pertanto, possiamo ben supporre che lo spazio-tempo possa essere descritto come spazio che cambia nel tempo.
Il successivo importante presupposto che segue dalla teoria del Big Bang è quello lo spazio ha lo stesso aspetto in qualsiasi direzione in qualsiasi punto. La proprietà di avere lo stesso aspetto in qualsiasi direzione è chiamata isotropia e di avere lo stesso aspetto in qualsiasi punto è chiamata uniformità. Quindi, assumiamo che il nostro spazio omogeneo e isotropo. I cosmologi chiamano questa ipotesi massima simmetria. Si ritiene che questa sia un'ipotesi abbastanza ragionevole su larga scala.
Quando risolvono le equazioni di Einstein per la geometria dello spaziotempo del nostro universo, i cosmologi considerano tre tipi principali di energia che possono deformare lo spaziotempo e lo fanno:
1. energia del vuoto
2. radiazione
3. materia ordinaria
Le radiazioni e la materia ordinaria sono considerate come un gas omogeneo che riempie l'Universo, con qualche equazione di stato che mette in relazione la pressione con la densità.
Dopo aver formulato ipotesi sull'omogeneità delle fonti di energia e sulla massima simmetria, le equazioni di Einstein possono essere ridotte a due equazioni differenziali facilmente risolvibili utilizzando i metodi di calcolo più semplici. Dalle soluzioni otteniamo due cose: geometria dello spazio poi come cambiano le dimensioni dello spazio nel tempo.

Aperto, chiuso o piatto?

Se in ogni momento lo spazio in ogni punto sembra lo stesso in tutte le direzioni, allora un tale spazio deve avere curvatura costante. Se la curvatura cambia da un punto all'altro, lo spazio apparirà diverso da punti diversi e in direzioni diverse. Pertanto, se lo spazio è massimamente simmetrico, allora la curvatura in tutti i punti deve essere la stessa.
Questo requisito restringe in qualche modo le possibili geometrie a tre: spazio con curvatura positiva, negativa e zero costante (piatta). Nel caso in cui non c'è energia del vuoto (termine lambda), c'è solo materia ordinaria e radiazione, la curvatura, oltre a tutto, risponde anche alla domanda sul tempo dell'evoluzione:
curvatura positiva: Uno spazio N-dimensionale con curvatura positiva costante è una sfera N-dimensionale. Viene chiamato il modello cosmologico in cui lo spazio ha una curvatura positiva costante Chiuso modello cosmologico. In un tale modello, lo spazio si espande da zero volume al momento del Big Bang, quindi ad un certo punto raggiunge il suo volume massimo e inizia a ridursi fino al "Big Crunch".
Zero curvatura: Si chiama uno spazio con curvatura zero piatto spazio. Uno spazio così piatto non è compatto, si estende all'infinito in tutte le direzioni, proprio come esteso solo aprire spazio. Un tale universo si espande all'infinito nel tempo.
Curvatura negativa: Uno spazio N-dimensionale con curvatura negativa costante è una pseudosfera N-dimensionale. L'unica cosa con cui un mondo così unico può essere paragonato più o meno familiare è un iperboloide, che è un'ipersfera bidimensionale. Uno spazio con curvatura negativa ha un volume infinito. In uno spazio con curvatura negativa, aprire Universo. Inoltre, come uno piatto, si espande all'infinito nel tempo.
Cosa determina se l'universo sarà aperto o chiuso? Per un Universo chiuso, la densità di energia totale deve essere maggiore della densità di energia corrispondente a un Universo piatto, che viene chiamato densità critica. Permettere . Quindi in un universo chiuso w è maggiore di 1, in un universo piatto w=1, e dentro universo aperto w è minore di 1.
Tutto quanto sopra è vero solo nel caso in cui vengono presi in considerazione solo i tipi ordinari di materia: polverosi e irradiati e trascurati energia del vuoto, che potrebbe essere presente. La densità di energia del vuoto è costante, chiamata anche costante cosmologica.

Da dove viene la materia oscura?

C'è un sacco di cose nell'universo come stelle o gas caldo o qualsiasi cosa che emetta luce visibile o radiazioni ad altre lunghezze d'onda. E tutto questo può essere visto o con gli occhi, o con l'aiuto di telescopi, o con alcuni strumenti complessi. Tuttavia, questo non è tutto ciò che è nel nostro Universo: negli ultimi due decenni, gli astronomi hanno trovato prove che c'è molta materia invisibile nell'Universo.
Ad esempio, si è scoperto che la materia visibile sotto forma di stelle e gas interstellare non è sufficiente per mantenere le galassie legate gravitazionalmente. Le stime di quanta materia è realmente necessaria per una galassia media per non separarsi hanno portato fisici e astronomi alla conclusione che la maggior parte della materia nell'universo è invisibile. Questa sostanza è chiamata materia oscura ed è molto importante per la cosmologia.
Dal momento che c'è materia oscura nell'Universo, cosa può essere? Di cosa può essere fatto? Se fosse costituito da quark, come la materia ordinaria, allora nell'Universo primordiale si sarebbe dovuto produrre molto più elio e deuterio di quanto ce ne sia ora nel nostro Universo. I fisici delle particelle sono dell'opinione che la materia oscura sia costituita particelle supersimmetriche, che sono molto pesanti, ma interagiscono molto debolmente con le particelle ordinarie, che ora si osservano agli acceleratori.
La materia visibile nell'Universo, quindi, è molto inferiore a quella necessaria anche per un Universo piatto. Pertanto, se non c'è nient'altro nell'Universo, allora deve essere aperto. Tuttavia, c'è abbastanza materia oscura per "chiudere" l'Universo? In altre parole, se w B è la densità della materia ordinaria e w D è la densità della materia oscura, allora vale la relazione w B + w D = 1? Lo studio dei movimenti negli ammassi di galassie suggerisce che la densità totale è circa il 30% di quella critica, mentre la materia visibile è circa il 5% e la materia oscura il 25%.
Ma questa non è la fine - abbiamo ancora un'altra fonte di energia nell'Universo - la costante cosmologica.

E la costante cosmologica?

Ad Einstein non piacevano i risultati del proprio lavoro. Secondo le sue equazioni del moto, un universo pieno di materia ordinaria deve espandersi. Ma Einstein voleva una teoria in cui l'universo sarebbe rimasto sempre della stessa dimensione. E per fare questo, ha aggiunto all'equazione un termine ora noto come termine cosmologico, che, quando aggiunto alla densità di energia della materia ordinaria e della radiazione, ha impedito all'universo di espandersi e non contrarsi mai, ma di rimanere lo stesso per sempre.
Tuttavia, dopo che Hubble ha scoperto che il nostro universo si sta espandendo, il termine cosmologico di Einstein è stato dimenticato e "abbandonato". Tuttavia, dopo qualche tempo, l'interesse per esso è stato risvegliato dalle teorie quantistiche relativistiche, in cui la costante cosmologica appare dinamicamente in modo naturale dalle oscillazioni quantistiche di particelle virtuali e antiparticelle. Questo è chiamato livello di energia quantistica zero ed è un possibile candidato per energia del vuoto spazio tempo. Tuttavia, la teoria quantistica ha i suoi "problemi": come non rendere questa energia del vuoto troppo grande, e questo è uno dei motivi per cui i fisici esplorano le teorie supersimmetriche.
La costante cosmologica può accelerare o rallentare l'espansione dell'universo, a seconda che sia positiva o negativa. E quando la costante cosmologica viene aggiunta allo spazio-tempo oltre alla materia ordinaria e alla radiazione, il quadro diventa molto più confuso rispetto ai casi più semplici di un Universo aperto o chiuso sopra descritti.

Bene, qual è la risposta?

Quasi subito dopo il Big Bang, era di dominanza delle radiazioni, che durò dai primi dieci ai centomila anni dell'evoluzione del nostro Universo. Ora le forme dominanti della materia sono la materia ordinaria e l'energia del vuoto. Secondo recenti osservazioni degli astronomi,
1. Il nostro universo è piatto con una buona precisione: La radiazione cosmica di fondo a microonde è una reliquia di un'epoca in cui l'universo era caldo e pieno di gas fotonico caldo. Da allora, tuttavia, a causa dell'espansione dell'Universo, questi fotoni si sono raffreddati e ora la loro temperatura è di 2,73 K. Tuttavia, questa radiazione è leggermente disomogenea, la loro dimensione angolare delle disomogeneità, visibili dalla nostra posizione attuale, dipende dalla curvatura dell'Universo. Quindi, le osservazioni dell'anisotropia del fondo cosmico a microonde indicano proprio che il nostro L'universo è piatto.
2. C'è una costante cosmologica nell'Universo: C'è energia del vuoto nell'universo, o almeno qualcosa che agisce come energia del vuoto, facendo sì che l'universo si espanda rapidamente. I dati sugli spostamenti verso il rosso di supernove lontane sono la prova dell'espansione accelerata dell'Universo.
3. La maggior parte della materia nell'universo è sotto forma di materia oscura: Lo studio del movimento delle galassie porta alla conclusione che la materia ordinaria sotto forma di stelle, galassie, pianeti e gas interstellare è solo una piccola frazione di tutta la materia nell'universo.
A partire dall'era attuale


Così ora nell'Universo la densità di energia del vuoto è più del doppio della densità di energia della materia oscura, e il contributo della materia visibile barionica può essere semplicemente trascurato. Quindi il nostro universo piatto dovrebbe espandersi per sempre.

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La prossima versione della struttura dell'Universo è stata proposta dal fisico Frank Steiner dell'Università di Ulm (Universität Ulm), riesaminando insieme ai colleghi i dati raccolti dalla sonda spaziale Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), lanciata una volta per catturare la radiazione di fondo in dettaglio.

Tuttavia, non abbiate fretta di parlare dei confini dell'universo. Il fatto è che questo poliedro è chiuso su se stesso, cioè, dopo aver raggiunto una delle sue facce, si rientra semplicemente all'interno attraverso il lato opposto di questo "anello di Möbius" multidimensionale.

Da questa presentazione seguono interessanti conclusioni. Ad esempio, che dopo aver volato in linea retta su qualche razzo "superveloce", si può eventualmente tornare al punto di partenza, oppure, se si prende un telescopio "molto grande", si possono vedere gli stessi oggetti in diverse parti dello spazio, solo in virtù della finitezza la velocità della luce - nelle diverse fasi della vita.

Gli scienziati hanno cercato di effettuare tali osservazioni, ma non è stato trovato nulla di simile ai "riflessi speculari". O perché il modello è sbagliato, o perché non c'è abbastanza "portata" della moderna astronomia osservativa. Tuttavia, la discussione sulla forma e la dimensione dell'universo continua.

Ora Steiner ei suoi compagni hanno gettato nuova legna da ardere nel fuoco.

Planck pesa circa due tonnellate. Dovrebbe girare intorno al punto di Lagrange L2. Mentre il satellite ruota attorno al proprio asse, acquisirà gradualmente una mappa completa di fondo a microonde con una precisione e una sensibilità senza precedenti (illustrazioni di ESA/AOES Medialab e ESA/C. Carreau).

Il fisico tedesco ha compilato diversi modelli dell'universo e ha testato come si formano in essi le onde di densità di fondo delle microonde. Afferma che l'universo della ciambella corrisponde alla massima corrispondenza con il fondo cosmico a microonde osservato e ne ha persino calcolato il diametro. La ciambella risultò essere larga 56 miliardi di anni luce.

È vero, questo toro non è del tutto ordinario. Gli scienziati lo chiamano 3-toro. La sua vera forma è difficile da immaginare, ma i ricercatori spiegano come almeno provare a realizzarla.

Per prima cosa, immagina come si forma una normale "ciambella". Prendi un foglio di carta e lo pieghi in un tubo, incollando insieme due bordi opposti. Quindi arrotoli il tubo in un toro, incollando insieme le sue due "uscite" opposte.

Con un 3-toro, tutto è uguale, tranne per il fatto che non viene preso un foglio, ma un cubo come ingrediente iniziale, ed è necessario incollare non i bordi dei piani, ma ogni coppia di facce opposte. Inoltre incollatelo in modo tale che, dopo aver lasciato il cubo attraverso una delle sue facce, vi troverete di nuovo dentro attraverso la sua faccia opposta.

Diversi esperti che hanno commentato il lavoro di Steiner hanno notato che non dimostra in modo definitivo che l'universo sia una "ciambella ad alta dimensione", ma afferma solo che questa forma è una delle più probabili. Inoltre, alcuni scienziati aggiungono che il dodecaedro (che viene spesso paragonato a un pallone da calcio, anche se questo non è corretto) è ancora un "buon candidato".

La risposta di Frank è semplice: la scelta finale tra le forme può essere fatta dopo misurazioni della radiazione di fondo più accurate rispetto a quelle eseguite da WMAP. E tale indagine sarà presto effettuata dal satellite europeo Planck, il cui lancio è previsto per il 31 ottobre 2008.

“Da un punto di vista filosofico, mi piace l'idea che l'universo sia finito e un giorno potremmo esplorarlo completamente e imparare tutto su di esso. Ma poiché le questioni della fisica non possono essere risolte dalla filosofia, spero che Planck risponda a loro", afferma Steiner.

Nei tempi antichi, la gente pensava che la terra fosse piatta e si ergesse su tre balene, poi si è scoperto che il nostro ecumene è rotondo e se navighi sempre verso ovest, dopo un po' tornerai al punto di partenza dal est. La visione dell'universo è cambiata in modo simile. Un tempo, Newton credeva che lo spazio fosse piatto e infinito. Einstein ha permesso al nostro mondo di essere non solo sconfinato e storto, ma anche chiuso. Gli ultimi dati ottenuti nel processo di studio della radiazione di fondo indicano che l'Universo potrebbe essere chiuso in se stesso. Si scopre che se voli sempre dalla Terra, ad un certo punto inizierai ad avvicinarti e alla fine tornerai indietro, aggirando l'intero Universo e facendo un viaggio intorno al mondo, proprio come una delle navi di Magellano, dopo aver fatto il giro dell'intero globo, salpò per il porto spagnolo di Sanlúcar de Barrameda.

L'ipotesi che il nostro universo sia nato a seguito del Big Bang è ormai considerata generalmente accettata. La materia all'inizio era molto calda, densa e si espanse rapidamente. Poi la temperatura dell'universo è scesa a diverse migliaia di gradi. La sostanza in quel momento era costituita da elettroni, protoni e particelle alfa (nuclei di elio), ovvero era un plasma gassoso altamente ionizzato, opaco alla luce e alle eventuali onde elettromagnetiche. La ricombinazione (connessione) di nuclei ed elettroni iniziata in quel momento, cioè la formazione di atomi neutri di idrogeno ed elio, ha cambiato radicalmente le proprietà ottiche dell'Universo. È diventato trasparente alla maggior parte delle onde elettromagnetiche.

Così, studiando la luce e le onde radio, si può vedere solo ciò che è accaduto dopo la ricombinazione, e tutto ciò che è accaduto prima ci è chiuso da una sorta di “muro di fuoco” di materia ionizzata. È possibile guardare molto più in profondità nella storia dell'Universo solo se impariamo a registrare i neutrini reliquiari, per i quali la materia calda è diventata trasparente molto prima, e le onde gravitazionali primarie, per le quali la materia di qualsiasi densità non è un ostacolo, ma questo è una questione di futuro, e tutt'altro, la più vicina.

Dalla formazione degli atomi neutri, il nostro Universo si è ampliato di circa 1.000 volte e la radiazione dell'era della ricombinazione è oggi osservata sulla Terra come un fondo a microonde relitto con una temperatura di circa tre gradi Kelvin. Questo sfondo, scoperto per la prima volta nel 1965 durante il test di una grande antenna radio, è praticamente lo stesso in tutte le direzioni. Secondo i dati moderni, ci sono cento milioni di volte più fotoni reliquie rispetto agli atomi, quindi il nostro mondo si bagna semplicemente in flussi di luce fortemente arrossata emessi nei primissimi minuti di vita dell'Universo.

Topologia spaziale classica

Su scale maggiori di 100 megaparsec, la parte dell'Universo che vediamo è abbastanza omogenea. Tutti i densi ammassi di galassie di materia, i loro ammassi e superammassi sono osservati solo a distanze più brevi. Inoltre, anche l'Universo è isotropo, cioè le sue proprietà sono le stesse lungo qualsiasi direzione. Questi fatti sperimentali sono alla base di tutti i modelli cosmologici classici che presuppongono simmetria sferica e omogeneità spaziale della distribuzione della materia.

Le soluzioni cosmologiche classiche delle equazioni della relatività generale (GR) di Einstein, trovate nel 1922 da Alexander Friedman, hanno la topologia più semplice. Le loro sezioni spaziali ricordano piani (per soluzioni infinite) o sfere (per soluzioni limitate). Ma tali universi, si scopre, hanno un'alternativa: un universo senza bordi e confini, un universo di volume finito chiuso su se stesso.

Le prime soluzioni trovate da Friedman descrivevano universi pieni di un solo tipo di materia. Diverse immagini sono emerse a causa della differenza nella densità media della materia: se superava il livello critico, si otteneva un universo chiuso con curvatura spaziale positiva, dimensioni finite e durata. La sua espansione gradualmente rallentò, si fermò e fu sostituita da una contrazione fino a un certo punto. L'universo con una densità inferiore a quella critica aveva una curvatura negativa e si espandeva all'infinito, il suo tasso di inflazione tendeva a un valore costante. Questo modello è chiamato aperto. L'Universo piatto un caso intermedio con una densità esattamente uguale a quella critica è infinito e le sue sezioni spaziali istantanee sono uno spazio euclideo piatto con curvatura zero. Uno piatto, come uno aperto, si espande indefinitamente, ma la velocità della sua espansione tende a zero. Successivamente sono stati inventati modelli più complessi, in cui un universo omogeneo e isotropo è stato riempito con una materia multicomponente che cambia nel tempo.

Le moderne osservazioni mostrano che l'Universo si sta ora espandendo con accelerazione (vedi "Beyond the Universe's Event Horizon", n. 3, 2006). Tale comportamento è possibile se lo spazio è riempito con una sostanza (spesso chiamata energia oscura) con un'elevata pressione negativa vicina alla densità di energia di questa sostanza. Questa proprietà dell'energia oscura porta all'emergere di una sorta di antigravità, che supera le forze attrattive della materia ordinaria su larga scala. Il primo modello del genere (con il cosiddetto termine lambda) fu proposto dallo stesso Albert Einstein.

Una modalità speciale di espansione dell'Universo si verifica se la pressione di questa materia non rimane costante, ma aumenta con il tempo. In questo caso, l'aumento delle dimensioni si accumula così rapidamente che l'universo diventa infinito in un periodo di tempo finito. Una tale forte inflazione delle dimensioni spaziali, accompagnata dalla distruzione di tutti gli oggetti materiali, dalle galassie alle particelle elementari, è chiamata Big Rip.

Tutti questi modelli non assumono particolari proprietà topologiche dell'Universo e lo rappresentano in modo simile al nostro spazio abituale. Questa immagine è in buon accordo con i dati che gli astronomi ricevono con l'aiuto di telescopi che registrano la radiazione infrarossa, visibile, ultravioletta e dei raggi X. E solo i dati delle osservazioni radio, vale a dire uno studio dettagliato dello sfondo del relitto, hanno fatto dubitare agli scienziati che il nostro mondo fosse organizzato in modo così semplice.

Gli scienziati non potranno guardare dietro il "muro di fuoco" che ci separa dagli eventi dei primi mille anni di vita del nostro Universo. Ma con l'aiuto di laboratori lanciati nello spazio, ogni anno impariamo sempre di più su cosa è successo dopo la trasformazione del plasma caldo in gas caldo.

Ricevitore radio orbitale

I primi risultati ottenuti dall'osservatorio spaziale WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), che ha misurato la potenza della radiazione cosmica di fondo a microonde, sono stati pubblicati nel gennaio 2003 e contenevano così tante informazioni tanto attese che la sua comprensione non è stata completata nemmeno oggi. Di solito, la fisica viene utilizzata per spiegare nuovi dati cosmologici: le equazioni di stato della materia, le leggi di espansione e gli spettri delle perturbazioni iniziali. Ma questa volta, la natura della disomogeneità angolare rilevata della radiazione richiedeva una spiegazione completamente diversa, geometrica. Più esattamente topologico.

Lo scopo principale di WMAP era costruire una mappa dettagliata della temperatura del fondo cosmico a microonde (o, come viene anche chiamato, fondo a microonde). WMAP è un ricevitore radio ultrasensibile che registra simultaneamente segnali provenienti da due punti quasi diametralmente opposti del cielo. L'Osservatorio è stato lanciato nel giugno 2001 in un'orbita particolarmente calma e "tranquilla", situata nel cosiddetto punto lagrangiano L2, a un milione e mezzo di chilometri dalla Terra. Questo satellite di 840 kg è effettivamente in orbita attorno al Sole, ma a causa dell'azione combinata dei campi gravitazionali della Terra e del Sole, il suo periodo di rivoluzione è esattamente di un anno e non vola via dalla Terra da nessuna parte. Il satellite è stato lanciato in un'orbita così lontana in modo che l'interferenza dell'attività artificiale terrestre non interferisse con la ricezione delle emissioni radio relitte.

Sulla base dei dati ottenuti dall'osservatorio radiofonico spaziale, è stato possibile determinare un numero enorme di parametri cosmologici con una precisione senza precedenti. In primo luogo, il rapporto tra la densità totale dell'Universo e quella critica è 1,02 ± 0,02 (cioè il nostro Universo è piatto o chiuso con una curvatura molto piccola). In secondo luogo, la costante di Hubble che caratterizza l'espansione del nostro Mondo su larga scala, 72±2 km/s/Mpc. In terzo luogo, l'età dell'Universo è 13,4±0,3 miliardi di anni e lo spostamento verso il rosso corrispondente al tempo di ricombinazione è 1088±2 (questo è un valore medio, lo spessore del confine di ricombinazione è molto maggiore dell'errore indicato). Il risultato più clamoroso per i teorici è stato lo spettro angolare dei disturbi della radiazione reliquia, più precisamente il valore troppo piccolo della seconda e della terza armonica.

Tale spettro è costruito rappresentando la mappa della temperatura come somma di varie armoniche sferiche (multipoli). In questo caso, le componenti variabili si distinguono dal quadro generale delle perturbazioni che si adattano alla sfera un numero intero di volte: quadrupolo 2 volte, ottupolo 3 volte e così via. Maggiore è il numero dell'armonica sferica, più oscillazioni ad alta frequenza del fondo che descrive e minore è la dimensione angolare dei corrispondenti "punti". Teoricamente il numero di armoniche sferiche è infinito, ma per una vera mappa di osservazione è limitato dalla risoluzione angolare con cui sono state effettuate le osservazioni.

Per la corretta misurazione di tutte le armoniche sferiche, è necessaria una mappa dell'intera sfera celeste e WMAP riceve la sua versione verificata solo in un anno. Le prime mappe di questo tipo non molto dettagliate sono state ottenute nel 1992 negli esperimenti Relic e COBE (Cosmic Background Explorer).

Come appare un bagel come una tazza di caffè?
Esiste una tale branca della topologia matematica, che esplora le proprietà dei corpi che vengono preservati sotto qualsiasi loro deformazione senza spazi vuoti e incollaggi. Immagina che il corpo geometrico che ci interessa sia flessibile e facilmente deformabile. In questo caso, ad esempio, un cubo o una piramide possono essere facilmente trasformati in una sfera o in una bottiglia, un toro (“ciambella”) in una tazzina da caffè con manico, ma non sarà possibile trasformare una sfera in un tazza con manico se non si strappa e si incolla questo corpo facilmente deformabile. Per dividere una sfera in due pezzi non collegati basta fare un taglio chiuso, e per fare lo stesso con un toro si possono fare solo due tagli. I topologi adorano semplicemente tutti i tipi di costruzioni esotiche come un toro piatto, una sfera con le corna o una bottiglia di Klein, che possono essere rappresentate correttamente solo in uno spazio con il doppio delle dimensioni. Quindi il nostro Universo tridimensionale, chiuso su se stesso, può essere facilmente immaginato solo vivendo in uno spazio a sei dimensioni. I topologi cosmici non invadono ancora il tempo, lasciandogli l'opportunità di fluire semplicemente in modo lineare, senza bloccarsi in nulla. Quindi la capacità di lavorare nello spazio delle sette dimensioni oggi è abbastanza per capire quanto sia complesso il nostro Universo dodecaedrico.

La mappa finale della temperatura CMB si basa su un'analisi meticolosa delle mappe che mostrano l'intensità dell'emissione radio in cinque diverse gamme di frequenza.

Una decisione inaspettata

Per la maggior parte delle armoniche sferiche, i dati sperimentali ottenuti hanno coinciso con i calcoli del modello. Solo due armoniche, quadrupolo e ottupolo, si sono rivelate nettamente al di sotto del livello atteso dai teorici. Inoltre, la probabilità che tali grandi scostamenti possano verificarsi per caso è estremamente ridotta. La soppressione del quadrupolo e dell'octupolo è stata notata già nei dati COBE. Tuttavia, le mappe ottenute in quegli anni avevano scarsa risoluzione e grande rumore, quindi la discussione di questo problema è stata rimandata a tempi migliori. Per quale motivo le ampiezze delle due fluttuazioni su larga scala dell'intensità del fondo cosmico a microonde si sono rivelate così piccole da essere all'inizio del tutto incomprensibili. Non è stato ancora possibile escogitare un meccanismo fisico per la loro soppressione, poiché deve agire sulla scala dell'intero Universo osservabile, rendendolo più omogeneo, e allo stesso tempo smettere di lavorare su scale più piccole, lasciandolo fluttuare più fortemente. Questo è probabilmente il motivo per cui hanno iniziato a cercare strade alternative e hanno trovato una risposta topologica alla domanda che si poneva. La soluzione matematica del problema fisico si è rivelata sorprendentemente elegante e inaspettata: bastava supporre che l'Universo sia un dodecaedro chiuso su se stesso. Quindi la soppressione delle armoniche a bassa frequenza può essere spiegata dalla modulazione spaziale ad alta frequenza della radiazione di fondo. Questo effetto deriva dall'osservazione ripetuta della stessa regione del plasma ricombinante attraverso diverse parti dello spazio dodecaedrico chiuso. Si scopre che le armoniche basse, per così dire, si estinguono a causa del passaggio di un segnale radio attraverso diverse sfaccettature dell'Universo. In un tale modello topologico del mondo, gli eventi che si verificano vicino a una delle facce del dodecaedro risultano essere vicini e sulla faccia opposta, poiché queste regioni sono identiche e di fatto sono la stessa parte dell'Universo. Per questo motivo, la luce relitta che arriva sulla Terra da lati diametralmente opposti risulta essere emessa dalla stessa regione del plasma primario. Questa circostanza porta alla soppressione delle armoniche inferiori dello spettro CMB anche in un Universo che è solo leggermente più grande dell'orizzonte degli eventi visibile.

Mappa dell'anisotropia
Il quadrupolo menzionato nel testo dell'articolo non è l'armonica sferica più bassa. Oltre ad esso, c'è un monopolo (armonica zero) e un dipolo (prima armonica). La magnitudine del monopolo è determinata dalla temperatura media della radiazione di fondo, che oggi è di 2,728 K. Dopo averla sottratta dal fondo generale, la componente del dipolo risulta essere la più grande, mostrando quanto sia la temperatura in uno degli emisferi dello spazio che ci circonda è più alto che nell'altro. La presenza di questa componente è principalmente causata dal moto della Terra e della Via Lattea rispetto alla CMB. A causa dell'effetto Doppler, la temperatura aumenta nella direzione del movimento e diminuisce nella direzione opposta. Questa circostanza consentirà di determinare la velocità di qualsiasi oggetto rispetto alla radiazione cosmica di fondo e introdurre così il tanto atteso sistema di coordinate assolute, che è localmente fermo rispetto all'intero Universo.

L'entità dell'anisotropia del dipolo associata al moto della Terra è 3.353*10-3 K. Ciò corrisponde al moto del Sole rispetto alla radiazione di fondo ad una velocità di circa 400 km/s. Allo stesso tempo, "voliamo" nella direzione del confine delle costellazioni del Leone e del Calice e "voliamo via" dalla costellazione dell'Acquario. La nostra Galassia, insieme al gruppo locale di galassie, a cui appartiene, si muove rispetto alla reliquia ad una velocità di circa 600 km/s.

Tutte le altre perturbazioni (a partire dal quadrupolo e oltre) sulla mappa di sfondo sono causate da disomogeneità nella densità, temperatura e velocità della materia al confine di ricombinazione, nonché dall'emissione radio dalla nostra Galassia. Dopo aver sottratto la componente dipolo, l'ampiezza totale di tutte le altre deviazioni risulta essere solo 18 * 10-6 K. Per escludere la propria radiazione della Via Lattea (principalmente concentrata nel piano dell'equatore galattico), le osservazioni del microonde background sono effettuati in cinque bande di frequenza nella gamma da 22,8 GHz a 93,5 GHz.

Combinazioni con Thor

Il corpo più semplice con una topologia più complessa di una sfera o di un piano è un toro. Chiunque abbia tenuto una ciambella tra le mani può immaginarlo. Un altro modello matematico più corretto di toro piatto è dimostrato dagli schermi di alcuni giochi per computer: è un quadrato o un rettangolo, i cui lati opposti sono identificati, e se l'oggetto in movimento scende, appare dall'alto; attraversando il bordo sinistro dello schermo, appare da dietro a destra e viceversa. Un tale toro è l'esempio più semplice di un mondo con una topologia non banale che ha un volume finito e non ha confini.

Nello spazio tridimensionale, una procedura simile può essere eseguita con un cubo. Se identifichi le sue facce opposte, si forma un toro tridimensionale. Se guardi all'interno di un tale cubo nello spazio circostante, puoi vedere un mondo infinito costituito da copie della sua unica e unica parte (non ripetuta), il cui volume è abbastanza finito. In un tale mondo, non ci sono confini, ma ci sono tre direzioni selezionate parallele ai bordi del cubo originale, lungo le quali si osservano righe periodiche degli oggetti originali. Questa immagine è molto simile a quella che si può vedere all'interno di un cubo con pareti a specchio. È vero, guardando una qualsiasi delle sue sfaccettature, l'abitante di un tale mondo vedrà la sua testa, e non il suo volto, come nella stanza terrena del riso. Un modello più corretto sarebbe una stanza dotata di 6 telecamere TV e 6 monitor LCD piatti, che mostrano l'immagine ripresa dalla cinepresa situata di fronte. In questo modello, il mondo visibile si chiude su se stesso per l'uscita in un'altra dimensione televisiva.

Il quadro della soppressione delle armoniche a bassa frequenza sopra descritto è corretto se il tempo per il quale la luce attraversa il volume iniziale è sufficientemente piccolo, cioè se le dimensioni del corpo iniziale sono piccole rispetto alle scale cosmologiche. Se le dimensioni della parte dell'Universo accessibile all'osservazione (il cosiddetto orizzonte dell'Universo) risultano essere inferiori alle dimensioni del volume topologico iniziale, allora la situazione non differirà in alcun modo da quella che vediamo in il solito infinito universo einsteiniano e non si osserveranno anomalie nello spettro CMB.

La scala spaziale massima possibile in un mondo così cubico è determinata dalle dimensioni del corpo originale, la distanza tra due corpi qualsiasi non può superare la metà della diagonale principale del cubo originale. La luce che ci arriva dal confine di ricombinazione può attraversare più volte il cubo originale lungo il percorso, come se fosse riflessa nelle sue pareti speculari, per questo motivo la struttura angolare della radiazione viene distorta e le fluttuazioni a bassa frequenza diventano ad alta frequenza. Di conseguenza, più piccolo è il volume iniziale, più forte è la soppressione delle più basse fluttuazioni angolari su larga scala, il che significa che studiando lo sfondo relitto, si può stimare la dimensione del nostro Universo.

Mosaici 3D

Un Universo tridimensionale piatto topologicamente complesso può essere costruito solo sulla base di cubi, parallelepipedi e prismi esagonali. Nel caso dello spazio curvo, una classe più ampia di figure possiede tali proprietà. In questo caso, gli spettri angolari ottenuti nell'esperimento WMAP concordano meglio con il modello dodecaedrico dell'Universo. Questo poliedro regolare, che ha 12 facce pentagonali, ricorda un pallone da calcio cucito da toppe pentagonali. Si scopre che in uno spazio con una piccola curvatura positiva, i dodecaedri regolari possono riempire l'intero spazio senza buchi e intersezioni reciproche. Con un certo rapporto tra la dimensione del dodecaedro e la curvatura, per questo sono necessari 120 dodecaedri sferici. Inoltre, questa complessa struttura di centinaia di “palle” può essere ridotta a una struttura topologicamente equivalente, costituita da un solo dodecaedro, in cui si individuano facce opposte ruotate di 180 gradi.

L'universo formato da un tale dodecaedro ha una serie di proprietà interessanti: non ha direzioni preferite e descrive meglio della maggior parte degli altri modelli la grandezza delle armoniche angolari più basse della CMB. Un quadro del genere si presenta solo in un mondo chiuso con un rapporto tra la densità effettiva della materia e quella critica di 1,013, che rientra nell'intervallo di valori consentito dalle osservazioni odierne (1,02±0,02).

Per un normale abitante della Terra, tutte queste complessità topologiche a prima vista non hanno molto significato. Ma per fisici e filosofi, è una questione completamente diversa. Sia per la visione del mondo nel suo insieme che per una teoria unificata che spieghi la struttura del nostro mondo, questa ipotesi è di grande interesse. Pertanto, dopo aver scoperto anomalie nello spettro della reliquia, gli scienziati hanno iniziato a cercare altri fatti che potessero confermare o confutare la teoria topologica proposta.

Plasma sonoro
Sullo spettro di fluttuazione CMB, la linea rossa indica le previsioni del modello teorico. Il corridoio grigio che lo circonda rappresenta le deviazioni consentite e i punti neri sono i risultati delle osservazioni. La maggior parte dei dati è stata ottenuta nell'esperimento WMAP e solo per le armoniche più alte vengono aggiunti i risultati degli studi CBI (balloon) e ACBAR (terreno antartico). Sul grafico normalizzato dello spettro angolare delle fluttuazioni della radiazione reliquia si vedono diversi massimi. Questi sono i cosiddetti "picchi acustici", o "oscillazioni di Sakharov". La loro esistenza è stata teoricamente prevista da Andrei Sakharov. Questi picchi sono dovuti all'effetto Doppler e sono causati dal movimento del plasma al momento della ricombinazione. L'ampiezza massima delle oscillazioni cade sulla dimensione della regione causalmente correlata (orizzonte sonoro) al momento della ricombinazione. Su scale più piccole, le oscillazioni del plasma erano attenuate dalla viscosità del fotone, mentre su scale più grandi le perturbazioni erano indipendenti l'una dall'altra e non erano in fase. Pertanto, le fluttuazioni massime osservate nell'era moderna cadono negli angoli in cui è oggi visibile l'orizzonte sonoro, cioè la regione del plasma primario che viveva un'unica vita al momento della ricombinazione. L'esatta posizione del massimo dipende dal rapporto tra la densità totale dell'Universo e quella critica. Le osservazioni mostrano che il primo picco più alto si trova approssimativamente alla 200a armonica, che, secondo la teoria, corrisponde con un'elevata precisione a un Universo euclideo piatto.

Molte informazioni sui parametri cosmologici sono contenute nel secondo e nei successivi picchi acustici. La loro stessa esistenza riflette il fatto della "fasatura" delle oscillazioni acustiche nel plasma nell'era della ricombinazione. Se non ci fosse tale connessione, si osserverebbe solo il primo picco e le fluttuazioni su tutte le scale più piccole sarebbero ugualmente probabili. Ma affinché si verifichi una tale relazione causale di fluttuazioni su scale diverse, queste regioni (molto lontane l'una dall'altra) devono essere state in grado di interagire tra loro. È questa situazione che si presenta naturalmente nel modello inflazionistico dell'Universo e il rilevamento sicuro del secondo e dei successivi picchi nello spettro angolare delle fluttuazioni del CMB è una delle conferme più importanti di questo scenario.

Le osservazioni della radiazione reliquia sono state effettuate in una regione prossima al massimo dello spettro termico. Per una temperatura di 3K, è a una lunghezza d'onda radio di 1 mm. WMAP ha condotto le sue osservazioni a lunghezze d'onda leggermente più lunghe: da 3 mm a 1,5 cm Questo intervallo è abbastanza vicino al massimo e ha un rumore inferiore dalle stelle della nostra Galassia.

Mondo multiforme

Nel modello dodecaedrico, l'orizzonte degli eventi e il confine di ricombinazione che giace molto vicino ad esso intersecano ciascuna delle 12 facce del dodecaedro. L'intersezione del confine di ricombinazione e il poliedro originale formano 6 coppie di cerchi sulla mappa di fondo a microonde situata in punti opposti della sfera celeste. Il diametro angolare di questi cerchi è di 70 gradi. Questi cerchi giacciono su facce opposte del dodecaedro originale, cioè coincidono geometricamente e fisicamente. Di conseguenza, la distribuzione delle fluttuazioni della radiazione cosmica di fondo a microonde lungo ciascuna coppia di cerchi dovrebbe coincidere (tenendo conto della rotazione di 180 gradi). Sulla base dei dati disponibili, tali cerchi non sono stati ancora rilevati.

Ma questo fenomeno, come si è scoperto, è più complesso. I cerchi saranno gli stessi e simmetrici solo per un osservatore fermo rispetto allo sfondo dello sfondo. La Terra, d'altra parte, si muove rispetto ad essa a una velocità sufficientemente elevata, per cui nella radiazione di fondo appare una significativa componente di dipolo. In questo caso, i cerchi si trasformano in ellissi, la loro dimensione, posizione nel cielo e la temperatura media lungo il cerchio cambiano. Diventa molto più difficile rilevare cerchi identici in presenza di tali distorsioni e l'accuratezza dei dati oggi disponibili diventa insufficiente sono necessarie nuove osservazioni per aiutare a capire se ci sono o meno.

Inflazione multicollegata

Forse il problema più serio di tutti i modelli cosmologici topologicamente complessi, e un numero considerevole di essi è già sorto, è principalmente di natura teorica. Oggi, lo scenario inflazionistico dell'evoluzione dell'Universo è considerato standard. È stato proposto per spiegare l'elevata omogeneità e isotropia dell'Universo osservabile. Secondo lui, all'inizio l'Universo che nacque era piuttosto disomogeneo. Poi, nel processo di inflazione, quando l'Universo si espandeva secondo una legge prossima all'esponenziale, le sue dimensioni iniziali aumentavano di molti ordini di grandezza. Oggi vediamo solo una piccola parte del Grande Universo, in cui permangono ancora le eterogeneità. È vero, hanno un'estensione spaziale così ampia da essere invisibili all'interno dell'area a noi accessibile. Lo scenario inflazionistico è di gran lunga la teoria cosmologica meglio sviluppata.

Per un universo molteplicemente connesso, una tale sequenza di eventi non è adatta. In esso, tutta la sua parte unica e alcune delle sue copie più vicine sono disponibili per l'osservazione. In questo caso non possono esistere strutture o processi descritti da scale molto più grandi dell'orizzonte osservato.

Le direzioni in cui dovrà svilupparsi la cosmologia se sarà confermata la connessione multipla del nostro Universo sono già chiare: si tratta di modelli non inflazionistici e dei cosiddetti modelli ad inflazione debole, in cui la dimensione dell'universo durante l'inflazione aumenta solo poche volte (o decine di volte). Non esistono ancora modelli del genere e gli scienziati, cercando di preservare l'immagine familiare del mondo, stanno attivamente cercando difetti nei risultati ottenuti utilizzando un radiotelescopio spaziale.

Artefatti di elaborazione

Uno dei gruppi che ha condotto studi indipendenti sui dati WMAP ha attirato l'attenzione sul fatto che i componenti quadrupolo e ottupolo della radiazione cosmica di fondo a microonde hanno orientamenti ravvicinati tra loro e giacciono su un piano che quasi coincide con l'equatore galattico. La conclusione di questo gruppo è che si è verificato un errore durante la sottrazione dello sfondo della Galassia dai dati delle osservazioni dello sfondo delle microonde e la grandezza reale delle armoniche è completamente diversa.

Le osservazioni WMAP sono state effettuate a 5 diverse frequenze in modo specifico per separare correttamente il background cosmologico e locale. E il team centrale di WMAP ritiene che l'elaborazione delle osservazioni sia stata eseguita correttamente e rifiuta la spiegazione proposta.

I dati cosmologici disponibili, pubblicati all'inizio del 2003, sono stati ottenuti dopo aver elaborato i risultati del solo primo anno di osservazioni WMAP. Per verificare le ipotesi proposte, come di consueto, è necessario un aumento dell'accuratezza. All'inizio del 2006, WMAP ha effettuato osservazioni continue per quattro anni, il che dovrebbe essere sufficiente per raddoppiare l'accuratezza, ma questi dati non sono stati ancora pubblicati. Dobbiamo aspettare un po', e forse le nostre ipotesi sulla topologia dodecaedrica dell'Universo diventeranno abbastanza conclusive.

Mikhail Prokhorov, dottore in scienze fisiche e matematiche

La teoria della relatività generale di Einstein si occupa dello studio della geometria dello spazio-tempo quadridimensionale. Tuttavia, la questione della forma (geometria) dello stesso spazio tridimensionale rimane ancora poco chiara.

Studiando la distribuzione delle galassie, gli scienziati sono giunti alla conclusione che il nostro Universo, con un alto grado di accuratezza, è spazialmente omogeneo e isotropo su larga scala. Ciò significa che la geometria del nostro mondo è la geometria di una varietà tridimensionale omogenea e isotropa. Esistono solo tre varietà di questo tipo: un piano tridimensionale, una sfera tridimensionale e un iperboloide tridimensionale. La prima varietà corrisponde al consueto spazio euclideo tridimensionale. Nel secondo caso, l'universo ha la forma di una sfera. Ciò significa che il mondo è chiuso e potremmo arrivare allo stesso punto nello spazio semplicemente muovendoci in linea retta (come viaggiare intorno al mondo intorno alla Terra). Infine, lo spazio in forma di iperboloide corrisponde a una varietà tridimensionale aperta in cui la somma degli angoli di un triangolo è sempre inferiore a 180 gradi. Pertanto, lo studio della sola struttura su larga scala dell'Universo non consente di determinare in modo inequivocabile la geometria dello spazio tridimensionale, ma riduce significativamente le possibili opzioni.

I progressi in questo numero consentono lo studio della radiazione cosmica di fondo a microonde, la più accurata osservabile cosmologica al momento. Il fatto è che la forma dello spazio tridimensionale ha un impatto significativo sulla propagazione dei fotoni nell'Universo - anche una leggera curvatura della varietà tridimensionale influenzerebbe in modo significativo lo spettro della CMB. La ricerca moderna su questo argomento afferma che la geometria dell'Universo è piatta con un alto grado di precisione. Se lo spazio è curvo, il corrispondente raggio di curvatura è 10.000 maggiore della regione causale dell'universo.

La questione della geometria di una varietà tridimensionale è strettamente correlata all'evoluzione futura dell'Universo. Per lo spazio nella forma di un iperboloide tridimensionale, l'espansione dell'universo durerebbe per sempre, mentre per la geometria sferica, l'espansione sarebbe sostituita dalla contrazione, seguita dal collasso dell'universo in una singolarità. Tuttavia, sulla base dei dati moderni, il tasso di espansione dell'Universo oggi non è determinato dalla curvatura della varietà tridimensionale, ma dall'energia oscura, una certa sostanza con una densità costante. Inoltre, se la densità dell'energia oscura rimane costante in futuro, il suo contributo alla densità totale dell'Universo aumenterà solo nel tempo, mentre il contributo della curvatura diminuirà. Ciò significa che la geometria di una varietà tridimensionale molto probabilmente non avrà mai un impatto significativo sull'evoluzione dell'universo. Naturalmente, è impossibile fare previsioni affidabili sulle proprietà dell'energia oscura in futuro e solo studi più accurati sulle sue proprietà saranno in grado di far luce sul futuro destino dell'Universo.