Jaki kształt ma nasz wszechświat? Jaki kształt ma wszechświat? Klasyczna topologia przestrzeni

> Jaki jest kształt wszechświata?

W jakiej formie jest wszechświat?: eksploracja nieskończonej przestrzeni, mapa WMAP CMB, geometria Wszechświata i przypuszczalne kształty ze zdjęciem.

Czy warto w ogóle zastanawiać się, jaki kształt ma wszechświat? Z czym mamy do czynienia? Kula? Stożek? mieszkanie? A jak to określić?

Wszechświat jest jedynym miejscem, w którym istniejemy i poza którym nie możemy uciec (bo ich nie ma). Dzięki prawom fizyki, naturalnym trwałym i wybuchowym metalom ciężkim udało się stworzyć życie na małej skalistej kuli, zagubionej w jednej z wielu galaktyk.

Ale nie chcesz wiedzieć, gdzie mieszkasz? Tylko po to, aby mieć możliwość spojrzenia na wszystko z zewnątrz, tak jak zrobiliśmy to z naszą rodzimą planetą Ziemią. Żebyś ujrzał? Niekończąca się ciemność? Dużo bąbelków? Śnieżna kula? Labirynt szczurów w rękach kosmitów czy coś innego? Jaki jest kształt wszechświata?

Cóż, odpowiedź jest znacznie prostsza, ale też dziwniejsza. Ludzie zaczęli zastanawiać się nad kształtem Wszechświata w starożytności. A ludzie, z powodu braku informacji, oferowali całkiem cudowne rzeczy. W tekstach hinduskich było to jajko w kształcie człowieka. Grecy widzieli wyspę unoszącą się w pustce. Arystoteles mówi, że wszechświat ma kształt nieskończonej kuli lub po prostu żółwia.

Co ciekawe, wkład Alberta Einsteina pomaga przetestować każdy z tych modeli. Naukowcy zaproponowali trzy ulubione kształty: zakrzywiony dodatnio, zakrzywiony ujemnie i płaski. Rozumiemy, że Wszechświat istnieje w 4 wymiarach, a każda z figur graniczy z szaloną geometrią Lovecrafta. Więc włącz maksimum wyobraźni i do dzieła!

Przy dodatnio zakrzywionej wersji otrzymujemy czterowymiarową kulę. Ta różnorodność ma swój koniec, ale nie ma wyraźnej granicy. Mówiąc dokładniej, dwie cząstki przecięłyby ją przed powrotem do punktu początkowego. Możesz nawet przetestować go w domu. Weź balon i narysuj linię prostą, aż wróci do punktu początkowego.

Gatunek ten pasuje do trzech wymiarów i pojawia się, jeśli w kosmosie jest ogromna ilość energii. Aby całkowicie zakrzywić się lub zamknąć, przestrzeń musiałaby przestać się rozszerzać. Stanie się tak, jeśli istnieje rezerwa energii na dużą skalę zdolna do stworzenia przewagi. Współczesne dane pokazują, że ekspansja to niekończący się proces. Więc ten scenariusz odpada.

Ujemnie zakrzywiony kształt wszechświata to czterowymiarowe siodło. Jest otwarta, pozbawiona granic w czasie i przestrzeni. Jest tu mało energii, więc wszechświat nie przestanie się rozszerzać. Jeśli dwie cząstki zostaną wystrzelone wzdłuż linii prostych, nigdy się nie spotkają, ale po prostu rozejdą się, dopóki nie pójdą w różnych kierunkach.

Jeśli krytyczna ilość energii waha się między skrajnościami, to po nieskończoności ekspansja się zatrzyma. To jest płaski wszechświat. Tutaj dwie cząstki będą podróżować równolegle, ale nigdy się nie rozdzielą ani nie spotkają.

Łatwo sobie wyobrazić te trzy formy, ale opcji jest o wiele więcej. Piłka nożna przypomina ideę sferycznego wszechświata. Pączek jest technicznie płaski, ale połączony w pewnych punktach. Niektórzy uważają, że za tą opcją przemawiają ogromne ciepłe i chłodne plamy. Na zdjęciu widać rzekomy kształt wszechświata.

I tak dochodzimy do rury. To kolejny rodzaj ujemnej krzywizny. Jeden z jego końców zostanie zwężony, a drugi szeroki. W pierwszej połowie wszystko wydawało się wąskie i istniało w dwóch wymiarach. A w szerokim można było jechać na maksymalne odległości, ale trzeba by było zawrócić w przeciwnym kierunku (kierunek zmienia się na zakręcie).

Co wtedy? Z czym mamy do czynienia? Bajgiel? Instrument dęty? Gigantyczna głowa sera? Naukowcy wciąż nie wykluczyli opcji z fajką i siodłem.

Grumblerzy będą twierdzić, że to wszystko jest bez sensu i nigdy nie poznamy prawdy. Ale nie bądźmy tak kategoryczni. Najnowsze dane Plancka pokazują, że nasz Wszechświat jest… płaski! Nieskończenie skończony, całkowicie niezakrzywiony i z precyzyjnie określoną krytyczną ilością energii.

To nie do pomyślenia, że ​​możemy nie tylko dowiedzieć się, jak wygląda wszechświat, ale są ludzie, którzy nieustannie próbują znaleźć jeszcze więcej informacji. Jeśli „płaskie” wydaje Ci się nudne, nie zapominaj, że nie mamy jeszcze wystarczającej ilości informacji. Dlatego jest prawdopodobne, że wszyscy możemy istnieć w gigantycznym pączku.

Wyobraź sobie bardzo dużą piłkę. Choć „z zewnątrz” wydaje się być trójwymiarowa, to jej powierzchnia – kula – jest dwuwymiarowa, bo na kuli są tylko dwa niezależne kierunki ruchu. Gdybyś był bardzo mały i mieszkał na powierzchni tej kuli, mógłbyś założyć, że wcale nie mieszkasz na kuli, ale na dużej płaskiej dwuwymiarowej powierzchni. Ale gdybyś jednocześnie dokonał dokładnych pomiarów odległości na kuli, zrozumiałbyś, że żyjesz nie na płaskiej powierzchni, ale na powierzchni dużej kuli ( około. tłumacz. Chyba lepiej jest narysować analogię z powierzchnią kuli ziemskiej).
Ideę krzywizny powierzchni kuli można zastosować do całego wszechświata. To był ogromny przełom w Ogólna teoria względności Einsteina. Przestrzeń i czas zostały połączone w jedną jednostkę geometryczną o nazwie czas, przestrzeń, a ta czasoprzestrzeń miała geometria, mogłoby być skręcone, tak jak powierzchnia ogromnej kuli jest zakrzywiona.
Kiedy patrzysz na powierzchnię dużej kuli jako na pojedynczą rzecz, czujesz całą przestrzeń kuli jako całość. Matematycy uwielbiają powierzchnię kuli, więc ta definicja opisuje całą kulę, a nie tylko jej część. Jednym z kluczowych aspektów opisu geometrii czasoprzestrzeni jest to, że musimy opisać całą przestrzeń i cały czas w całości. Oznacza to, że trzeba opisywać „wszystko” i „zawsze” „w jednej butelce”. Geometria czasoprzestrzenna to geometria całej przestrzeni plus cały czas razem jako jedna jednostka matematyczna.

Co decyduje o geometrii czasoprzestrzeni?

Zasadniczo fizycy działają w następujący sposób - szukają równań ruchu, których rozwiązania najlepiej opisują układ, który fizycy chcą opisać. Równanie Einsteina reprezentuje klasyczne równanie ruchu czasoprzestrzeni. Jest klasyczna, ponieważ efekty kwantowe nie zostały wzięte pod uwagę przy jej uzyskiwaniu. I tak geometria czasoprzestrzenna jest traktowana jako koncepcja wyłącznie klasyczna, pozbawiona jakichkolwiek niepewności kwantowych. Dlatego jest to najlepsze przybliżenie do teorii dokładnej.
Zgodnie z równaniami Einsteina zakrzywienie czasoprzestrzeni w danym kierunku jest bezpośrednio związane z energią i pędem wszystkiego, co w całej czasoprzestrzeni nie jest czasoprzestrzenią. Innymi słowy, równania Einsteina wiążą grawitację z nie-grawitacją, a geometrię z nie-geometrią. Krzywizna to grawitacja, a wszystko inne to elektrony i kwarki, z których składają się atomy, które z kolei składają się z materii, promieniowania elektromagnetycznego, każda cząstka - nośnik interakcji (oprócz grawitacji) - „żyje” w zakrzywionej przestrzeni- czasie i jednocześnie określa tę krzywiznę zgodnie z równaniami Einsteina.

Jaka jest geometria naszej czasoprzestrzeni?

Jak właśnie odnotowałem, pełny opis danej czasoprzestrzeni obejmuje nie tylko cała przestrzeń, ale również cały czas. Innymi słowy, czasoprzestrzeń obejmuje wszystkie zdarzenia, które kiedykolwiek się wydarzyły i będą miały miejsce.
To prawda, że ​​teraz, jeśli podejdziemy zbyt dosłownie do takiej koncepcji, możemy napotkać problemy, ponieważ nie będziemy w stanie uwzględnić wszystkich najmniejszych zmian w rozkładzie energii i gęstości pędu we Wszechświecie, które właśnie zaszły i nadal będzie się działo we Wszechświecie. Ale na szczęście ludzki umysł jest w stanie operować pojęciami takimi jak abstrakcja oraz przybliżenie, więc możemy zbudować abstrakcyjny model, który z grubsza dość dobrze opisuje obserwowalny Wszechświat w dużych skalach, powiedzmy, skalach gromad galaktyk.
Ale aby rozwiązać równania, to nie wystarczy. Konieczne jest również przyjęcie pewnych upraszczających założeń dotyczących krzywizny czasoprzestrzeni. Pierwsze założenie, jakie robimy, jest takie czasoprzestrzeń można zgrabnie podzielić na przestrzeń i czas. To jednak nie zawsze jest możliwe, na przykład w niektórych przypadkach obracających się czarnych dziur, przestrzeń i czas „kręcą się” razem i dlatego nie można ich dokładnie rozdzielić. Jednak nic nie wskazuje na to, że nasz wszechświat może obracać się w ten sposób. Możemy zatem przyjąć założenie, że czasoprzestrzeń można opisać jako przestrzeń, która zmienia się w czasie.
Kolejnym ważnym założeniem, które wynika z teorii Wielkiego Wybuchu jest to, że przestrzeń wygląda tak samo w dowolnym kierunku w dowolnym punkcie. Właściwość, aby wyglądać tak samo w dowolnym kierunku, nazywa się izotropią, a wyglądać tak samo w dowolnym punkcie, nazywa się jednorodnością. Zakładamy więc, że nasza przestrzeń jednorodny i izotropowy. Kosmologowie nazywają to założeniem maksymalna symetria. Uważa się, że jest to dość rozsądne założenie na dużą skalę.
Rozwiązując równania Einsteina dotyczące geometrii czasoprzestrzeni naszego Wszechświata, kosmolodzy biorą pod uwagę trzy główne rodzaje energii, które mogą zakrzywiać czasoprzestrzeń:
1. energia próżni
2. promieniowanie
3. zwykła sprawa
Promieniowanie i zwykła materia są uważane za jednorodny gaz wypełniający Wszechświat, z pewnym równaniem stanu odnoszącym ciśnienie do gęstości.
Po przyjęciu założeń o jednorodności źródeł energii i maksymalnej symetrii równania Einsteina można sprowadzić do dwóch równań różniczkowych, które można łatwo rozwiązać najprostszymi metodami obliczeniowymi. Z rozwiązań otrzymujemy dwie rzeczy: geometria przestrzeni i wtedy jak wymiary przestrzeni zmieniają się w czasie.

Otwarte, zamknięte czy płaskie?

Jeśli w każdej chwili przestrzeń w każdym punkcie wygląda tak samo we wszystkich kierunkach, to taka przestrzeń musi mieć stała krzywizna. Jeśli krzywizna zmienia się od punktu do punktu, przestrzeń będzie wyglądać inaczej z różnych punktów iw różnych kierunkach. Dlatego, jeśli przestrzeń jest maksymalnie symetryczna, to krzywizna we wszystkich punktach musi być taka sama.
To wymaganie nieco zawęża możliwe geometrie do trzech: przestrzeń o stałej dodatniej, ujemnej i zerowej krzywiźnie (płaska). W przypadku, gdy nie ma energii próżni (człon lambda), jest tylko zwykła materia i promieniowanie, krzywizna oprócz wszystkiego odpowiada również na pytanie o czas ewolucji:
dodatnia krzywizna: N-wymiarowa przestrzeń ze stałą dodatnią krzywizną jest N-wymiarową kulą. Nazywa się model kosmologiczny, w którym przestrzeń ma stałą dodatnią krzywiznę Zamknięte model kosmologiczny. W takim modelu przestrzeń rozszerza się od zerowej objętości w momencie Wielkiego Wybuchu, po czym w pewnym momencie osiąga swoją maksymalną objętość i zaczyna się kurczyć, aż do „Wielkiego Kryzysu”.
Zerowa krzywizna: Nazywa się przestrzeń o zerowej krzywiźnie mieszkanie przestrzeń. Taka płaska przestrzeń nie jest zwarta, rozciąga się w nieskończoność we wszystkich kierunkach, tak samo jak tylko rozciągnięta otwarty przestrzeń. Taki wszechświat rozszerza się w czasie w nieskończoność.
Krzywizna ujemna: N-wymiarowa przestrzeń o stałej ujemnej krzywiźnie jest N-wymiarową pseudosferą. Jedyną rzeczą, z którą można porównać tak wyjątkowy świat, mniej lub bardziej znajomy, jest hiperboloida, czyli dwuwymiarowa hipersfera. Przestrzeń o ujemnej krzywiźnie ma nieskończoną objętość. W przestrzeni o ujemnej krzywiźnie otwarty Wszechświat. Podobnie jak płaska, rozszerza się w czasie w nieskończoność.
Co decyduje o tym, czy wszechświat będzie otwarty, czy zamknięty? Dla zamkniętego Wszechświata całkowita gęstość energii musi być większa niż gęstość energii odpowiadająca płaskiemu Wszechświatowi, czyli tzw gęstość krytyczna. Wynajmować . Następnie w zamkniętym wszechświecie w jest większe niż 1, w płaskim wszechświecie w=1 i w otwarty wszechświat w jest mniejsze niż 1.
Wszystko to jest prawdziwe tylko w przypadku, gdy weźmie się pod uwagę tylko zwykłe rodzaje materii - pyłową i radiacyjną oraz zaniedbane energia próżni, które równie dobrze mogą być obecne. Gęstość energii próżni jest stała, tzw stała kosmologiczna.

Skąd się bierze ciemna materia?

We wszechświecie jest wiele rzeczy, takich jak gwiazdy, gorący gaz lub cokolwiek innego, co emituje światło widzialne lub promieniowanie o innych długościach fal. A wszystko to można zobaczyć albo oczami, albo za pomocą teleskopów, albo za pomocą skomplikowanych instrumentów. Jednak to nie wszystko, co znajduje się w naszym Wszechświecie – w ciągu ostatnich dwóch dekad astronomowie znaleźli dowody na to, że we Wszechświecie jest dużo niewidzialnej materii.
Okazało się na przykład, że widzialna materia w postaci gwiazd i gazu międzygwiazdowego nie wystarcza do utrzymania grawitacyjnego wiązania galaktyk. Oszacowania, ile materii naprawdę potrzebuje przeciętna galaktyka, aby się nie rozpaść, doprowadziły fizyków i astronomów do wniosku, że większość materii we wszechświecie jest niewidoczna. Ta substancja nazywa się Ciemna materia i jest to bardzo ważne dla kosmologii.
Skoro we Wszechświecie jest ciemna materia, czym ona może być? Z czego może być wykonany? Gdyby składał się z kwarków, tak jak zwykła materia, to we wczesnym Wszechświecie powinno powstać o wiele więcej helu i deuteru niż obecnie w naszym Wszechświecie. Fizycy cząstek elementarnych są zdania, że ​​ciemna materia składa się z cząstki supersymetryczne, które są bardzo ciężkie, ale bardzo słabo oddziałują ze zwykłymi cząstkami, które obecnie obserwuje się w akceleratorach.
Widzialna materia we Wszechświecie jest zatem znacznie mniejsza, niż jest to konieczne nawet dla płaskiego Wszechświata. Dlatego jeśli we Wszechświecie nie ma nic innego, to musi być otwarty. Czy jednak ciemnej materii wystarczy do „zamknięcia” Wszechświata? Innymi słowy, jeśli w B to gęstość zwykłej materii, a w D to gęstość ciemnej materii, to czy zachodzi relacja w B + w D = 1? Badanie ruchów w gromadach galaktyk sugeruje, że całkowita gęstość wynosi około 30% gęstości krytycznej, podczas gdy materia widzialna to około 5%, a ciemna materia 25%.
Ale to nie koniec – mamy jeszcze jedno źródło energii we Wszechświecie – stałą kosmologiczną.

A co ze stałą kosmologiczną?

Einsteinowi nie podobały się wyniki własnej pracy. Zgodnie z jego równaniami ruchu wszechświat wypełniony zwykłą materią musi się rozszerzać. Ale Einstein chciał teorii, w której wszechświat zawsze pozostawałby tej samej wielkości. Aby to zrobić, dodał do równania termin znany obecnie jako termin kosmologiczny, które po dodaniu do gęstości energii zwykłej materii i promieniowania zapobiegły rozszerzaniu się wszechświata i nigdy się nie kurczeniu, ale pozostaniu na zawsze tym samym.
Jednak po tym, jak Hubble odkrył, że nasz wszechświat się rozszerza, kosmologiczny termin Einsteina został zapomniany i „porzucony”. Jednak po pewnym czasie zainteresowanie nią rozbudziły relatywistyczne teorie kwantowe, w których stała kosmologiczna powstaje w sposób naturalny w sposób dynamiczny z oscylacji kwantowych cząstek wirtualnych i antycząstek. Nazywa się to kwantowym poziomem energii zerowej i jest bardzo prawdopodobnym kandydatem energia próżni czas, przestrzeń. Teoria kwantowa ma jednak swoje „problemy” – jak nie sprawić, by ta energia próżni była zbyt duża, i to jest jeden z powodów, dla których fizycy badają teorie supersymetryczne.
Stała kosmologiczna może przyspieszyć lub spowolnić ekspansję wszechświata, w zależności od tego, czy jest dodatnia, czy ujemna. A kiedy do czasoprzestrzeni doda się stałą kosmologiczną oprócz zwykłej materii i promieniowania, obraz staje się znacznie bardziej zagmatwany niż opisane powyżej najprostsze przypadki otwartego lub zamkniętego Wszechświata.

Cóż, jaka jest odpowiedź?

Niemal natychmiast po Wielkim Wybuchu, era dominacji promieniowania, która trwała przez pierwsze dziesięć do stu tysięcy lat ewolucji naszego Wszechświata. Teraz dominującymi formami materii są zwykła materia i energia próżni. Według ostatnich obserwacji astronomów,
1. Nasz Wszechświat jest płaski z dobrą dokładnością: Kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła jest reliktem z czasów, gdy Wszechświat był gorący i wypełniony gorącym gazem fotonowym. Od tego czasu jednak, w wyniku rozszerzania się Wszechświata, fotony te ostygły i obecnie ich temperatura wynosi 2,73 K. Jednak promieniowanie to jest nieco niejednorodne, ich kątowa wielkość niejednorodności, widocznych z naszej aktualnej pozycji, zależy od przestrzennego zakrzywienie Wszechświata. Tak więc obserwacje anizotropii kosmicznego mikrofalowego tła wskazują właśnie na to, że nasz Wszechświat jest płaski.
2. We Wszechświecie istnieje stała kosmologiczna: We wszechświecie istnieje energia próżni lub przynajmniej coś, co działa jak energia próżni, powodując gwałtowne rozszerzanie się wszechświata. Dane dotyczące przesunięć ku czerwieni odległych supernowych są dowodem przyspieszonej ekspansji Wszechświata.
3. Większość materii we wszechświecie ma postać ciemnej materii: Badanie ruchu galaktyk prowadzi do wniosku, że zwykła materia w postaci gwiazd, galaktyk, planet i gazu międzygwiazdowego to tylko niewielki ułamek całej materii we wszechświecie.
Jak z obecnej epoki


Tak więc teraz we Wszechświecie gęstość energii próżni jest ponad dwukrotnie większa niż gęstość energii ciemnej materii, a wkład barionowej materii widzialnej można po prostu pominąć. Zatem nasz płaski wszechświat powinien rozszerzać się w nieskończoność.

<< Ile lat ma nasz wszechświat? | Spis treści | Wycieczka po historii wszechświata >>

Kolejną wersję budowy Wszechświata przedstawił fizyk Frank Steiner z Uniwersytetu w Ulm (Universität Ulm), ponownie analizując wraz ze współpracownikami dane zebrane przez sondę kosmiczną Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), wystrzeloną kiedyś do szczegółowo uchwycić promieniowanie tła.

Nie spiesz się jednak, aby mówić o krańcach wszechświata. Faktem jest, że ten wielościan jest zamknięty w sobie, to znaczy po dotarciu do jednej z jego ścian po prostu wraca się do środka przez przeciwną stronę tej wielowymiarowej „pętli Mobiusa”.

Z tej prezentacji płyną ciekawe wnioski. Na przykład, że lecąc na jakiejś „superszybkiej” rakiecie po linii prostej, możesz w końcu wrócić do punktu startu, albo jeśli weźmiesz „bardzo duży” teleskop, możesz zobaczyć te same obiekty w różnych częściach kosmosu, tylko dzięki skończoności prędkości światła - na różnych etapach życia.

Naukowcy próbowali przeprowadzić takie obserwacje, ale nie znaleziono niczego podobnego do „lustrzanych odbić”. Albo dlatego, że model jest błędny, albo dlatego, że nie ma wystarczającego „zakresu” współczesnej astronomii obserwacyjnej. Niemniej jednak dyskusja na temat kształtu i rozmiaru wszechświata trwa.

Teraz Steiner i jego towarzysze dorzucili do ognia nowe drewno opałowe.

Planck waży około dwóch ton. Powinien krążyć wokół punktu Lagrange'a L2. Gdy satelita obraca się wokół własnej osi, będzie stopniowo przechwytywał kompletną mikrofalową mapę tła z niespotykaną precyzją i czułością (ilustracje autorstwa ESA/AOES Medialab i ESA/C. Carreau).

Niemiecki fizyk skompilował kilka modeli wszechświata i sprawdził, jak tworzą się w nich mikrofalowe fale gęstości tła. Twierdzi, że wszechświat pączka najlepiej pasuje do obserwowanego kosmicznego mikrofalowego tła, a nawet obliczył jego średnicę. Pączek okazał się mieć średnicę 56 miliardów lat świetlnych.

To prawda, że ​​\u200b\u200bten torus nie jest całkiem zwyczajny. Naukowcy nazywają to 3-torusem. Trudno sobie wyobrazić jego prawdziwą postać, ale naukowcy wyjaśniają, jak przynajmniej spróbować go zrobić.

Najpierw wyobraź sobie, jak powstaje zwykły „pączek”. Bierzesz kartkę papieru i składasz ją w tubę, sklejając ze sobą dwie przeciwległe krawędzie. Następnie zwijasz rurkę w torus, sklejając razem jej dwa przeciwległe „wyjścia”.

W przypadku 3-torusa wszystko jest takie samo, z wyjątkiem tego, że nie arkusz, ale sześcian jest traktowany jako początkowy składnik i konieczne jest przyklejenie nie krawędzi płaszczyzn, ale każdej pary przeciwległych ścian. Ponadto przyklej go w taki sposób, aby wychodząc z sześcianu przez jedną z jego ścian, okazało się, że ponownie dostałeś się do środka przez jego przeciwną ścianę.

Kilku ekspertów, którzy komentowali pracę Steinera, zauważyło, że nie dowodzi ona ostatecznie, że wszechświat jest „wielkowymiarowym pączkiem”, a jedynie mówi, że ta forma jest jedną z najbardziej prawdopodobnych. Ponadto niektórzy naukowcy dodają, że dwunastościan (który jest często porównywany do piłki nożnej, chociaż to nieprawda) jest nadal „dobrym kandydatem”.

Odpowiedź Franka jest prosta: ostatecznego wyboru między formami można dokonać po dokładniejszych pomiarach promieniowania tła niż te wykonane przez WMAP. A takie badanie wkrótce przeprowadzi europejski satelita Planck, który ma zostać wystrzelony 31 października 2008 roku.

„Z filozoficznego punktu widzenia podoba mi się pomysł, że wszechświat jest skończony i pewnego dnia moglibyśmy go w pełni zbadać i dowiedzieć się o nim wszystkiego. Ale ponieważ problemów fizyki nie da się rozwiązać filozofią, mam nadzieję, że Planck na nie odpowie” – mówi Steiner.

W starożytności ludzie myśleli, że ziemia jest płaska i stoi na trzech wielorybach, potem okazało się, że nasza ekumena jest okrągła i jeśli płyniesz cały czas na zachód, to po chwili wrócisz do punktu wyjścia z wschód. Poglądy na wszechświat zmieniły się w podobny sposób. Kiedyś Newton uważał, że przestrzeń jest płaska i nieskończona. Einstein pozwolił, aby nasz Świat był nie tylko nieograniczony i krzywy, ale także zamknięty. Najnowsze dane uzyskane w trakcie badania promieniowania tła wskazują, że Wszechświat może być zamknięty w sobie. Okazuje się, że jeśli cały czas lecisz z ziemi, to w pewnym momencie zaczniesz się do niej zbliżać i ostatecznie zawrócić, omijając cały Wszechświat i odbywając podróż dookoła świata, tak jak jeden ze statków Magellana, okrążywszy cały glob, dopłynął do hiszpańskiego portu Sanlúcar de Barrameda.

Hipoteza, że ​​nasz wszechświat narodził się w wyniku Wielkiego Wybuchu, jest obecnie uważana za ogólnie przyjętą. Materia na początku była bardzo gorąca, gęsta i szybko się rozszerzała. Wtedy temperatura wszechświata spadła do kilku tysięcy stopni. Substancja w tym momencie składała się z elektronów, protonów i cząstek alfa (jądra helu), czyli była to silnie zjonizowana plazma gazowa, nieprzezroczysta dla światła i wszelkich fal elektromagnetycznych. Rozpoczęta wówczas rekombinacja (połączenie) jąder i elektronów, czyli powstanie neutralnych atomów wodoru i helu, radykalnie zmieniła właściwości optyczne Wszechświata. Stał się przezroczysty dla większości fal elektromagnetycznych.

Tak więc, badając światło i fale radiowe, można zobaczyć tylko to, co stało się po rekombinacji, a wszystko, co wydarzyło się wcześniej, jest dla nas zamknięte przez rodzaj „ognistej ściany” zjonizowanej materii. O wiele głębsze spojrzenie w historię Wszechświata jest możliwe tylko wtedy, gdy nauczymy się rejestrować neutrina reliktowe, dla których gorąca materia stała się przezroczysta dużo wcześniej, oraz pierwotne fale grawitacyjne, dla których materia o dowolnej gęstości nie jest przeszkodą, ale to jest kwestią przyszłości, i to dalekiej, najbliższej.

Od czasu powstania neutralnych atomów nasz Wszechświat rozszerzył się około 1000 razy, a promieniowanie ery rekombinacji obserwuje się dziś na Ziemi jako reliktowe mikrofalowe tło o temperaturze około trzech stopni Kelvina. To tło, odkryte po raz pierwszy w 1965 roku podczas testowania dużej anteny radiowej, jest praktycznie takie samo we wszystkich kierunkach. Według współczesnych danych jest sto milionów razy więcej fotonów reliktowych niż atomów, więc nasz świat jest po prostu skąpany w strumieniach silnie zaczerwienionego światła emitowanego w pierwszych minutach życia Wszechświata.

Klasyczna topologia przestrzeni

W skalach większych niż 100 megaparseków część Wszechświata, którą widzimy, jest dość jednorodna. Wszystkie gęste skupiska galaktyk materii, ich gromady i supergromady są obserwowane tylko z mniejszych odległości. Co więcej, Wszechświat jest również izotropowy, to znaczy jego właściwości są takie same w każdym kierunku. Te eksperymentalne fakty leżą u podstaw wszystkich klasycznych modeli kosmologicznych, które zakładają sferyczną symetrię i przestrzenną jednorodność rozkładu materii.

Klasyczne kosmologiczne rozwiązania równań ogólnej teorii względności (GR) Einsteina, które odkrył w 1922 roku Alexander Friedman, mają najprostszą topologię. Ich przekroje przestrzenne przypominają płaszczyzny (dla rozwiązań nieskończonych) lub kule (dla rozwiązań ograniczonych). Okazuje się jednak, że takie wszechświaty mają alternatywę: wszechświat bez krawędzi i granic, wszechświat o skończonej objętości, zamknięty w sobie.

Pierwsze rozwiązania znalezione przez Friedmana opisywały wszechświaty wypełnione tylko jednym rodzajem materii. Ze względu na różnicę w średniej gęstości materii powstały różne obrazy: jeśli przekroczyła ona poziom krytyczny, uzyskano zamknięty wszechświat o dodatniej krzywiźnie przestrzennej, skończonych wymiarach i czasie życia. Jego ekspansja stopniowo zwalniała, zatrzymywała się i została zastąpiona skurczem do punktu. Wszechświat o gęstości poniżej krytycznej miał ujemną krzywiznę i rozszerzał się w nieskończoność, a jego stopa inflacji dążyła do pewnej stałej wartości. Ten model nazywa się otwartym. Płaski Wszechświat, przypadek pośredni o gęstości dokładnie równej krytycznej, jest nieskończony, a jego chwilowe przekroje przestrzenne są płaską przestrzenią euklidesową o zerowej krzywiźnie. Płaski, podobnie jak otwarty, rozszerza się w nieskończoność, ale tempo jego rozszerzania dąży do zera. Później wymyślono bardziej złożone modele, w których jednorodny i izotropowy wszechświat wypełniony był wieloskładnikową, zmieniającą się w czasie materią.

Współczesne obserwacje pokazują, że Wszechświat rozszerza się obecnie z przyspieszeniem (patrz „Beyond the Universe's Event Horizon”, nr 3, 2006). Takie zachowanie jest możliwe, jeśli przestrzeń jest wypełniona jakąś substancją (często nazywaną ciemną energią) o wysokim podciśnieniu, zbliżonym do gęstości energii tej substancji. Ta właściwość ciemnej energii prowadzi do powstania swoistej antygrawitacji, która na dużą skalę pokonuje siły przyciągania zwykłej materii. Pierwszy taki model (z tzw. wyrazem lambda) zaproponował sam Albert Einstein.

Specjalny tryb ekspansji Wszechświata powstaje, gdy ciśnienie tej materii nie pozostaje stałe, ale wzrasta z czasem. W tym przypadku wzrost rozmiaru narasta tak szybko, że wszechświat staje się nieskończony w skończonym czasie. Tak gwałtowna inflacja wymiarów przestrzennych, której towarzyszy zniszczenie wszystkich obiektów materialnych, od galaktyk po cząstki elementarne, nazywa się Wielkim Rozdarciem.

Wszystkie te modele nie zakładają żadnych specjalnych właściwości topologicznych Wszechświata i przedstawiają go podobnie do naszej zwykłej przestrzeni. Ten obraz dobrze zgadza się z danymi, które astronomowie otrzymują za pomocą teleskopów rejestrujących promieniowanie podczerwone, widzialne, ultrafioletowe i rentgenowskie. I dopiero dane z obserwacji radiowych, a mianowicie szczegółowe badanie reliktowego tła, wzbudziły w naukowcach wątpliwości, czy nasz świat jest tak prosto urządzony.

Naukowcy nie będą mogli zajrzeć za „ścianę ognia” oddzielającą nas od wydarzeń pierwszego tysiąca lat życia naszego Wszechświata. Ale z pomocą laboratoriów wystrzelonych w kosmos z każdym rokiem dowiadujemy się coraz więcej o tym, co wydarzyło się po przemianie gorącej plazmy w ciepły gaz.

Orbitalny odbiornik radiowy

Pierwsze wyniki uzyskane przez obserwatorium kosmiczne WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), które mierzyło moc kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, zostały opublikowane w styczniu 2003 roku i zawierały tak wiele długo oczekiwanych informacji, że ich zrozumienie nie zostało zakończone do dziś. Zwykle do wyjaśnienia nowych danych kosmologicznych używa się fizyki: równań stanu materii, praw ekspansji i widm początkowych zaburzeń. Ale tym razem charakter wykrytej niejednorodności kątowej promieniowania wymagał zupełnie innego wyjaśnienia, geometrycznego. Dokładniej topologicznie.

Głównym celem WMAP było zbudowanie szczegółowej mapy temperatury kosmicznego mikrofalowego tła (lub, jak to się nazywa, mikrofalowego tła). WMAP to ultraczuły odbiornik radiowy, który jednocześnie rejestruje sygnały pochodzące z dwóch diametralnie przeciwległych punktów na niebie. Obserwatorium zostało wystrzelone w czerwcu 2001 roku na wyjątkowo spokojną i "cichą" orbitę, znajdującą się w tzw. punkcie Lagrange'a L2, półtora miliona kilometrów od Ziemi. Ten ważący 840 kg satelita w rzeczywistości krąży wokół Słońca, ale ze względu na połączone działanie pól grawitacyjnych Ziemi i Słońca jego okres obrotu wynosi dokładnie jeden rok i nigdzie nie odlatuje od Ziemi. Satelita został wystrzelony na tak odległą orbitę, aby zakłócenia spowodowane działalnością człowieka na Ziemi nie zakłócały odbioru reliktowej emisji radiowej.

Na podstawie danych uzyskanych przez kosmiczne obserwatorium radiowe udało się określić ogromną liczbę parametrów kosmologicznych z niespotykaną dokładnością. Po pierwsze, stosunek całkowitej gęstości Wszechświata do gęstości krytycznej wynosi 1,02 ± 0,02 (czyli nasz Wszechświat jest płaski lub zamknięty z bardzo małą krzywizną). Po drugie, stała Hubble'a charakteryzująca ekspansję naszego Świata na dużą skalę, 72±2 km/s/Mpc. Po trzecie, wiek Wszechświata wynosi 13,4±0,3 miliarda lat, a przesunięcie ku czerwieni odpowiadające czasowi rekombinacji wynosi 1088±2 (jest to wartość średnia, grubość granicy rekombinacji jest znacznie większa niż wskazany błąd). Najbardziej sensacyjnym dla teoretyków wynikiem było widmo kątowe zaburzeń promieniowania reliktowego, a dokładniej zbyt mała wartość drugiej i trzeciej harmonicznej.

Widmo takie jest konstruowane poprzez przedstawienie mapy temperatury jako sumy różnych sferycznych harmonicznych (multipoli). W tym przypadku składowe zmienne są odróżniane od ogólnego obrazu perturbacji, które mieszczą się na kuli całkowitą liczbę razy: kwadrupol 2 razy, oktupol 3 razy i tak dalej. Im wyższa liczba sferycznej harmonicznej, tym więcej oscylacji tła o wysokiej częstotliwości opisuje i tym mniejszy jest rozmiar kątowy odpowiednich „plam”. Teoretycznie liczba harmonicznych sferycznych jest nieskończona, ale dla prawdziwej mapy obserwacyjnej jest ograniczona rozdzielczością kątową, z jaką wykonano obserwacje.

Do poprawnego pomiaru wszystkich harmonicznych sferycznych potrzebna jest mapa całej sfery niebieskiej, a WMAP już za rok otrzymuje swoją zweryfikowaną wersję. Pierwsze takie niezbyt szczegółowe mapy uzyskano w 1992 roku w eksperymentach Relic i COBE (Cosmic Background Explorer).

Jak bajgiel wygląda jak filiżanka kawy?
Istnieje taka gałąź topologii matematycznej, która bada właściwości ciał, które zachowują się przy każdej z ich deformacji bez luk i sklejeń. Wyobraźmy sobie, że interesujące nas ciało geometryczne jest giętkie i łatwo się odkształca. W takim przypadku np. sześcian lub piramidę można łatwo przekształcić w kulę lub butelkę, torus („pączek”) w filiżankę z rączką, ale nie uda się zamienić kuli w kubek z rączką, jeśli nie rozerwiesz i nie skleisz tego łatwo odkształcalnego korpusu. Aby podzielić kulę na dwie niepołączone części, wystarczy wykonać jedno cięcie zamknięte, a aby zrobić to samo z torusem, można wykonać tylko dwa cięcia. Topologowie po prostu uwielbiają wszelkiego rodzaju egzotyczne konstrukcje, takie jak płaski torus, rogata kula czy butelka Kleina, które można poprawnie przedstawić tylko w przestrzeni o dwukrotnie większej liczbie wymiarów. Tak więc nasz trójwymiarowy Wszechświat, zamknięty w sobie, można sobie łatwo wyobrazić tylko żyjąc w sześciowymiarowej przestrzeni. Kosmiczni topologowie nie ingerują jeszcze w czas, pozostawiając mu możliwość prostego liniowego przepływu, bez blokowania czegokolwiek. Tak więc umiejętność pracy w przestrzeni siedmiu wymiarów jest dziś wystarczająca, aby zrozumieć, jak złożony jest nasz dwunastościenny Wszechświat.

Ostateczna mapa temperatury KMPT jest oparta na żmudnej analizie map pokazujących intensywność emisji radiowej w pięciu różnych zakresach częstotliwości.

Nieoczekiwana decyzja

Dla większości harmonicznych sferycznych otrzymane dane eksperymentalne pokrywały się z obliczeniami modelowymi. Jedynie dwie harmoniczne, kwadrupolowa i oktupolowa, okazały się wyraźnie poniżej poziomu oczekiwanego przez teoretyków. Co więcej, prawdopodobieństwo, że tak duże odchylenia mogą wystąpić przypadkowo, jest niezwykle małe. Supresję kwadrupolową i oktupolową odnotowano już w danych COBE. Uzyskane w tamtych latach mapy charakteryzowały się jednak słabą rozdzielczością i dużymi szumami, więc dyskusję na ten temat odłożono na lepsze czasy. Z jakiego powodu amplitudy dwóch największych fluktuacji natężenia kosmicznego mikrofalowego tła okazały się tak małe, początkowo było to zupełnie niezrozumiałe. Jak dotąd nie udało się znaleźć fizycznego mechanizmu ich tłumienia, gdyż musi on działać w skali całego obserwowalnego Wszechświata, czyniąc go bardziej jednorodnym, a jednocześnie przestać działać w mniejszych skalach, pozwalając na silniej się wahać. Prawdopodobnie dlatego zaczęli szukać alternatywnych sposobów i znaleźli topologiczną odpowiedź na pytanie, które się pojawiło. Matematyczne rozwiązanie problemu fizycznego okazało się zaskakująco eleganckie i nieoczekiwane: wystarczyło przyjąć, że Wszechświat jest dwunastościanem zamkniętym w sobie. Wtedy tłumienie harmonicznych o niskiej częstotliwości można wytłumaczyć przestrzenną modulacją o wysokiej częstotliwości promieniowania tła. Efekt ten powstaje w wyniku wielokrotnej obserwacji tego samego regionu rekombinowanej plazmy przez różne części zamkniętej przestrzeni dwunastościennej. Okazuje się, że niskie harmoniczne niejako gasną same z powodu przejścia sygnału radiowego przez różne aspekty Wszechświata. W takim topologicznym modelu świata zdarzenia zachodzące w pobliżu jednej ze ścian dwunastościanu okazują się bliskie i na przeciwległej ścianie, ponieważ obszary te są identyczne i faktycznie stanowią jedną i tę samą część Wszechświata. Z tego powodu reliktowe światło docierające do Ziemi z diametralnie przeciwnych stron okazuje się być emitowane przez ten sam obszar pierwotnej plazmy. Ta okoliczność prowadzi do tłumienia niższych harmonicznych widma CMB nawet we Wszechświecie, który jest tylko nieznacznie większy niż widzialny horyzont zdarzeń.

Mapa anizotropii
Wspomniany w tekście kwadrupol nie jest najniższą harmoniczną sferyczną. Oprócz tego istnieje monopol (harmoniczna zerowa) i dipol (pierwsza harmoniczna). Wielkość monopolu określa średnia temperatura kosmicznego mikrofalowego tła, która dziś wynosi 2,728 K. Po odjęciu jej od tła ogólnego, składowa dipolowa okazuje się największa, pokazując, jak bardzo temperatura w jednym z półkul otaczającej nas przestrzeni jest wyższa niż na drugiej. Obecność tego składnika spowodowana jest głównie ruchem Ziemi i Drogi Mlecznej względem CMB. Ze względu na efekt Dopplera temperatura rośnie w kierunku ruchu i maleje w kierunku przeciwnym. Okoliczność ta umożliwi wyznaczenie prędkości dowolnego obiektu względem kosmicznego promieniowania tła, a tym samym wprowadzenie długo oczekiwanego absolutnego układu współrzędnych, który jest lokalnie w spoczynku względem całego Wszechświata.

Wielkość anizotropii dipolowej związanej z ruchem Ziemi wynosi 3,353*10-3 K. Odpowiada to ruchowi Słońca względem promieniowania tła z prędkością około 400 km/s. Jednocześnie „latamy” w kierunku granicy konstelacji Lwa i Kielicha oraz „odlatujemy” od konstelacji Wodnika. Nasza Galaktyka wraz z lokalną grupą galaktyk, do której należy, porusza się względem reliktu z prędkością około 600 km/s.

Wszystkie inne perturbacje (począwszy od kwadrupola i wyżej) na mapie tła są spowodowane niejednorodnością gęstości, temperatury i prędkości materii na granicy rekombinacji, a także emisją radiową z naszej Galaktyki. Po odjęciu składowej dipolowej sumaryczna amplituda wszystkich pozostałych odchyleń okazuje się zaledwie 18*10-6 K. Aby wykluczyć własne promieniowanie Drogi Mlecznej (głównie skoncentrowane w płaszczyźnie galaktycznego równika), obserwacje mikrofal tła prowadzone są w pięciu pasmach częstotliwości w zakresie od 22,8 GHz do 93,5 GHz.

Kombinacje z Thorem

Najprostszym ciałem o topologii bardziej złożonej niż kula lub płaszczyzna jest torus. Każdy, kto trzymał pączka w dłoni, może to sobie wyobrazić. Inny, bardziej poprawny model matematyczny płaskiego torusa jest pokazany na ekranach niektórych gier komputerowych: jest to kwadrat lub prostokąt, których przeciwległe boki są zidentyfikowane, a jeśli poruszający się obiekt spada, pojawia się z góry; przekraczając lewą granicę ekranu, pojawia się zza prawej i odwrotnie. Taki torus jest najprostszym przykładem świata o nietrywialnej topologii, który ma skończoną objętość i nie ma żadnych granic.

W przestrzeni trójwymiarowej podobną procedurę można wykonać z sześcianem. Jeśli zidentyfikujesz jego przeciwległe ściany, powstanie trójwymiarowy torus. Jeśli zajrzysz do wnętrza takiego sześcianu na otaczającą go przestrzeń, zobaczysz nieskończony świat składający się z kopii jego jedynej i niepowtarzalnej (nie powtarzającej się) części, której objętość jest dość skończona. W takim świecie nie ma granic, ale są trzy wybrane kierunki równoległe do krawędzi pierwotnego sześcianu, wzdłuż których obserwuje się okresowe rzędy pierwotnych obiektów. Ten obraz jest bardzo podobny do tego, co można zobaczyć wewnątrz sześcianu z lustrzanymi ścianami. To prawda, że ​​​​przyglądając się którejkolwiek z jego stron, mieszkaniec takiego świata zobaczy swoją głowę, a nie twarz, jak w ziemskim pokoju śmiechu. Bardziej poprawnym modelem byłoby pomieszczenie wyposażone w 6 kamer telewizyjnych i 6 płaskich monitorów LCD, na których wyświetlany jest obraz z kamery filmowej znajdującej się naprzeciwko. W tym modelu widzialny świat zamyka się w sobie z powodu wyjścia do innego telewizyjnego wymiaru.

Opisany powyżej obraz tłumienia harmonicznych niskoczęstotliwościowych jest poprawny, jeśli czas, w którym światło przechodzi przez początkową objętość, jest wystarczająco mały, to znaczy, jeśli wymiary ciała początkowego są małe w porównaniu ze skalami kosmologicznymi. Jeżeli wymiary dostępnej do obserwacji części Wszechświata (tzw. nieskończonego Wszechświata Einsteina i nie zostaną zaobserwowane żadne anomalie w widmie CMB.

Maksymalna możliwa skala przestrzenna w takim sześciennym świecie jest określona przez wymiary pierwotnego ciała, odległość między dowolnymi dwoma ciałami nie może przekraczać połowy głównej przekątnej pierwotnego sześcianu. Światło docierające do nas z granicy rekombinacji może po drodze kilkukrotnie przecinać oryginalny sześcian, jakby odbijało się w jego lustrzanych ścianach, przez co struktura kątowa promieniowania jest zniekształcona, a fluktuacje o niskiej częstotliwości stają się o wysokiej częstotliwości. W rezultacie im mniejsza objętość początkowa, tym silniejsze tłumienie najmniejszych wielkoskalowych fluktuacji kątowych, co oznacza, że ​​badając reliktowe tło można oszacować rozmiary naszego Wszechświata.

Mozaiki 3D

Płaski, złożony topologicznie, trójwymiarowy Wszechświat można zbudować tylko na podstawie sześcianów, równoległościanów i graniastosłupów sześciokątnych. W przypadku przestrzeni zakrzywionej takie właściwości posiada szersza klasa figur. W tym przypadku widma kątowe uzyskane w eksperymencie WMAP najlepiej zgadzają się z dwunastościennym modelem Wszechświata. Ten regularny wielościan, który ma 12 pięciokątnych ścian, przypomina piłkę nożną uszytą z pięciokątnych łat. Okazuje się, że w przestrzeni o małej krzywiźnie dodatniej dwunastościany foremne mogą wypełnić całą przestrzeń bez dziur i wzajemnych przecięć. Przy pewnym stosunku wielkości dwunastościanu do krzywizny potrzeba do tego 120 dwunastościanów kulistych. Co więcej, tę złożoną strukturę setek „kulek” można sprowadzić do topologicznie równoważnej struktury, składającej się tylko z jednego dwunastościanu, w którym identyfikuje się przeciwległe ściany obrócone o 180 stopni.

Wszechświat utworzony z takiego dwunastościanu ma szereg interesujących właściwości: nie ma preferowanych kierunków i lepiej niż większość innych modeli opisuje wielkość najniższych harmonicznych kątowych KMPT. Taki obraz powstaje dopiero w świecie zamkniętym, w którym stosunek rzeczywistej gęstości materii do krytycznej wynosi 1,013, co mieści się w przedziale wartości dozwolonych przez dzisiejsze obserwacje (1,02±0,02).

Dla zwykłego mieszkańca Ziemi wszystkie te zawiłości topologiczne na pierwszy rzut oka nie mają większego znaczenia. Ale dla fizyków i filozofów to zupełnie inna sprawa. Hipoteza ta jest bardzo interesująca zarówno dla światopoglądu jako całości, jak i dla jednolitej teorii wyjaśniającej strukturę naszego świata. Dlatego po odkryciu anomalii w widmie reliktu naukowcy zaczęli szukać innych faktów, które mogłyby potwierdzić lub obalić proponowaną teorię topologiczną.

Brzmiąca plazma
Na widmie fluktuacji CMB czerwona linia wskazuje przewidywania modelu teoretycznego. Szary korytarz wokół niego to dopuszczalne odchylenia, a czarne kropki to wyniki obserwacji. Większość danych uzyskano w eksperymencie WMAP, a tylko dla najwyższych harmonicznych dodano wyniki badań CBI (balon) i ACBAR (ziemia antarktyczna). Na znormalizowanym wykresie widma kątowego fluktuacji promieniowania reliktowego widocznych jest kilka maksimów. Są to tak zwane „szczyty akustyczne” lub „oscylacje Sacharowa”. Ich istnienie teoretycznie przewidział Andriej Sacharow. Te piki są spowodowane efektem Dopplera i są spowodowane ruchem plazmy w czasie rekombinacji. Maksymalna amplituda oscylacji przypada na wielkość obszaru powiązanego przyczynowo (horyzontu dźwiękowego) w momencie rekombinacji. W mniejszych skalach oscylacje plazmy były tłumione przez lepkość fotonów, podczas gdy w większych skalach perturbacje były od siebie niezależne i nie były w fazie. Dlatego maksymalne fluktuacje obserwowane w epoce nowożytnej przypadają na kąty, pod którymi widoczny jest dziś horyzont dźwiękowy, czyli obszar pierwotnej plazmy, który przeżył jedno życie w czasie rekombinacji. Dokładne położenie maksimum zależy od stosunku całkowitej gęstości Wszechświata do gęstości krytycznej. Z obserwacji wynika, że ​​pierwszy, najwyższy pik znajduje się mniej więcej na 200-tej harmonicznej, co zgodnie z teorią odpowiada z dużą dokładnością płaskiemu Wszechświatowi euklidesowemu.

Drugi i kolejne piki akustyczne zawierają wiele informacji o parametrach kosmologicznych. Samo ich istnienie odzwierciedla fakt „fazowania” oscylacji akustycznych w plazmie w dobie rekombinacji. Gdyby takiego związku nie było, obserwowany byłby tylko pierwszy szczyt, a fluktuacje na wszystkich mniejszych skalach byłyby równie prawdopodobne. Ale aby taki związek przyczynowy fluktuacji w różnych skalach mógł wystąpić, te (bardzo oddalone od siebie) regiony musiały być w stanie oddziaływać na siebie. Taka właśnie sytuacja występuje naturalnie w inflacyjnym modelu Wszechświata, a pewne wykrycie drugiego i kolejnych pików w widmie kątowym fluktuacji KMPT jest jednym z ważniejszych potwierdzeń tego scenariusza.

Promieniowanie reliktowe zaobserwowano w obszarze zbliżonym do maksimum widma termicznego. Dla temperatury 3K jest to fala radiowa o długości 1 mm. WMAP prowadził swoje obserwacje na nieco dłuższych falach: od 3 mm do 1,5 cm, co jest zbliżone do maksimum i charakteryzuje się mniejszym szumem gwiazd naszej Galaktyki.

Wieloaspektowy świat

W modelu dwunastościanu horyzont zdarzeń i leżąca bardzo blisko niego granica rekombinacji przecinają każdą z 12 ścian dwunastościanu. Przecięcie granicy rekombinacji i pierwotnego wielościanu tworzy 6 par okręgów na mikrofalowej mapie tła znajdującej się w przeciwnych punktach sfery niebieskiej. Średnica kątowa tych okręgów wynosi 70 stopni. Okręgi te leżą na przeciwległych ścianach pierwotnego dwunastościanu, to znaczy pokrywają się geometrycznie i fizycznie. W rezultacie rozkład fluktuacji kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła wzdłuż każdej pary okręgów powinien się pokrywać (biorąc pod uwagę obrót o 180 stopni). Na podstawie dostępnych danych takie kręgi nie zostały jeszcze wykryte.

Ale to zjawisko, jak się okazało, jest bardziej złożone. Okręgi będą takie same i symetryczne tylko dla obserwatora, który jest nieruchomy względem tła tła. Ziemia natomiast porusza się względem niej z odpowiednio dużą prędkością, przez co w promieniowaniu tła pojawia się znaczna składowa dipolowa. W tym przypadku koła zamieniają się w elipsy, zmienia się ich rozmiar, położenie na niebie i średnia temperatura wzdłuż koła. Znacznie trudniej jest wykryć identyczne okręgi w obecności takich zniekształceń, a dokładność dostępnych obecnie danych staje się niewystarczająca. Potrzebne są nowe obserwacje, które pomogą ustalić, czy one istnieją, czy nie.

Wielopowiązana inflacja

Być może najpoważniejszy problem wszystkich złożonych topologicznie modeli kosmologicznych, a znaczna ich liczba już powstała, ma głównie charakter teoretyczny. Dzisiaj inflacyjny scenariusz ewolucji Wszechświata jest uważany za standard. Zaproponowano, aby wyjaśnić wysoką jednorodność i izotropię obserwowalnego wszechświata. Według niego początkowo powstały Wszechświat był raczej niejednorodny. Następnie, w procesie inflacji, kiedy Wszechświat rozszerzył się zgodnie z prawem zbliżonym do wykładniczego, jego początkowe wymiary wzrosły o wiele rzędów wielkości. Dzisiaj widzimy tylko niewielką część Wielkiego Wszechświata, w którym nadal istnieją heterogeniczności. To prawda, że ​​mają tak duży zasięg przestrzenny, że są niewidoczne w dostępnym nam obszarze. Scenariusz inflacyjny jest zdecydowanie najlepiej rozwiniętą teorią kosmologiczną.

Dla wielokrotnie połączonego wszechświata taka sekwencja zdarzeń nie jest odpowiednia. Można w nim obejrzeć całą jego unikalną część i niektóre jej najbliższe kopie. W takim przypadku struktury lub procesy opisane skalami znacznie większymi niż obserwowany horyzont nie mogą istnieć.

Kierunki, w jakich kosmologia będzie musiała się rozwijać, jeśli potwierdzi się wielokrotna spójność naszego Wszechświata, są już jasne: są to modele nieinflacyjne oraz modele tzw. kilka razy (lub dziesiątki razy) podczas inflacji. Nie ma jeszcze takich modeli, a naukowcy, starając się zachować znany obraz świata, aktywnie szukają wad w wynikach uzyskanych za pomocą kosmicznego radioteleskopu.

Artefakty przetwarzania

Jedna z grup, która prowadziła niezależne badania danych WMAP, zwróciła uwagę na fakt, że kwadrupolowe i ośmiobiegunowe składowe kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła mają względem siebie bliskie orientacje i leżą w płaszczyźnie prawie pokrywającej się z galaktycznym równikiem. Wniosek tej grupy jest taki, że wystąpił błąd podczas odejmowania tła Galaktyki od danych obserwacji mikrofalowego tła i rzeczywista wielkość harmonicznych jest zupełnie inna.

Obserwacje WMAP przeprowadzono na 5 różnych częstotliwościach specjalnie w celu prawidłowego oddzielenia tła kosmologicznego i lokalnego. Główny zespół WMAP uważa, że ​​przetwarzanie obserwacji zostało przeprowadzone prawidłowo i odrzuca proponowane wyjaśnienie.

Dostępne dane kosmologiczne, opublikowane jeszcze na początku 2003 roku, uzyskano po przetworzeniu wyników zaledwie pierwszego roku obserwacji WMAP. Aby przetestować proponowane hipotezy, jak zwykle wymagany jest wzrost dokładności. Do początku 2006 roku WMAP prowadzi ciągłe obserwacje od czterech lat, co powinno wystarczyć do podwojenia dokładności, ale dane te nie zostały jeszcze opublikowane. Musimy jeszcze trochę poczekać, a być może nasze przypuszczenia o dwunastościennej topologii Wszechświata nabiorą całkowicie rozstrzygającego charakteru.

Michaił Prochorow, doktor nauk fizycznych i matematycznych

Ogólna teoria względności Einsteina zajmuje się badaniem geometrii czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Jednak kwestia formy (geometrii) samej przestrzeni trójwymiarowej pozostaje do tej pory niejasna.

Badając rozmieszczenie galaktyk, naukowcy doszli do wniosku, że nasz Wszechświat z dużą dokładnością jest przestrzennie jednorodny i izotropowy w dużych skalach. Oznacza to, że geometria naszego świata jest geometrią jednorodnej i izotropowej trójwymiarowej rozmaitości. Istnieją tylko trzy takie rozmaitości: trójwymiarowa płaszczyzna, trójwymiarowa kula i trójwymiarowa hiperboloida. Pierwsza rozmaitość odpowiada zwykłej trójwymiarowej przestrzeni euklidesowej. W drugim przypadku wszechświat ma kształt kuli. Oznacza to, że świat jest zamknięty i moglibyśmy dostać się do tego samego punktu w przestrzeni po prostu poruszając się po linii prostej (jak podróż dookoła świata wokół Ziemi). Wreszcie przestrzeń w postaci hiperboloidy odpowiada otwartej trójwymiarowej rozmaitości, w której suma kątów trójkąta jest zawsze mniejsza niż 180 stopni. Zatem badanie tylko wielkoskalowej struktury Wszechświata nie pozwala jednoznacznie określić geometrii przestrzeni trójwymiarowej, ale znacznie zmniejsza możliwe opcje.

Postęp w tej kwestii pozwala na badanie kosmicznego mikrofalowego promieniowania tła, najdokładniejszego obecnie obserwowalnego zjawiska kosmologicznego. Faktem jest, że kształt przestrzeni trójwymiarowej ma znaczący wpływ na propagację fotonów we Wszechświecie - nawet niewielkie zakrzywienie trójwymiarowej rozmaitości znacząco wpłynęłoby na widmo CMB. Współczesne badania na ten temat mówią, że geometria Wszechświata jest płaska z dużym stopniem dokładności. Jeśli przestrzeń jest zakrzywiona, to odpowiedni promień krzywizny jest o 10 000 większy niż przyczynowo połączony obszar we wszechświecie.

Kwestia geometrii trójwymiarowej rozmaitości jest ściśle związana z ewolucją Wszechświata w przyszłości. W przypadku przestrzeni w postaci trójwymiarowej hiperboloidy ekspansja wszechświata trwałaby wiecznie, podczas gdy w przypadku geometrii sferycznej ekspansja zostałaby zastąpiona skurczem, po którym nastąpiłby powrót wszechświata do osobliwości. Jednak na podstawie współczesnych danych tempo rozszerzania się Wszechświata dzisiaj nie jest określane przez krzywiznę trójwymiarowej rozmaitości, ale przez ciemną energię, pewną substancję o stałej gęstości. Co więcej, jeśli gęstość ciemnej energii pozostanie stała w przyszłości, jej udział w całkowitej gęstości Wszechświata będzie tylko rósł z czasem, podczas gdy udział krzywizny będzie się zmniejszał. Oznacza to, że geometria trójwymiarowej rozmaitości najprawdopodobniej nigdy nie będzie miała znaczącego wpływu na ewolucję wszechświata. Oczywiście niemożliwe jest poczynienie jakichkolwiek wiarygodnych prognoz dotyczących właściwości ciemnej energii w przyszłości i dopiero dokładniejsze badania jej właściwości będą w stanie rzucić światło na przyszłe losy Wszechświata.