Ce formă are universul nostru? Ce formă are universul? Topologie spațială clasică

> Care este forma universului?

În ce formă este universul?: explorarea spațiului infinit, harta WMAP CMB, geometria Universului și presupuse forme cu fotografie.

Merită măcar să ne gândim la ce formă are universul? Cu ce ​​avem de-a face? Sferă? Con? apartament? Și cum să-l definești?

Universul este singurul loc în care existăm și dincolo de care nu putem scăpa (pentru că nu există). Datorită legilor fizice, a metalelor grele naturale permanente și în erupție, am reușit să creăm viață pe o mică minge stâncoasă, pierdută într-una dintre numeroasele galaxii.

Dar nu vrei să știi unde locuiești? Doar pentru a avea ocazia de a privi totul din exterior, așa cum am făcut cu planeta noastră natală, Pământ. Pentru ca tu să vezi? Întuneric nesfârșit? Multe bule? Bulgare de zapada? Un labirint de șobolani în mâinile extratereștrilor sau altceva? Care este forma universului?

Ei bine, răspunsul este mult mai simplu, dar și mai ciudat. Oamenii au început să se gândească la forma Universului în cele mai vechi timpuri. Iar oamenii, din lipsă de informații, au oferit lucruri destul de minunate. În textele hinduse, era un ou în formă de bărbat. Grecii au văzut o insulă plutind în gol. Aristotel spune că universul are forma unei sfere infinite sau doar a unei țestoase.

Interesant este că contribuțiile lui Albert Einstein ajută la testarea fiecăruia dintre aceste modele. Oamenii de știință au propus trei forme preferate: curbat pozitiv, curbat negativ și plat. Înțelegem că Universul există în 4 dimensiuni și oricare dintre figuri se învecinează cu geometria nebună a lui Lovecraft. Așa că pornește imaginația maximă și hai să mergem!

Cu o versiune curbată pozitiv, obținem o sferă cu patru dimensiuni. Acest soi are un sfârșit, dar nu iese în evidență nicio limită clară. Mai precis, două particule l-ar traversa înainte de a se întoarce la punctul de plecare. Îl poți testa chiar și acasă. Luați balonul și trageți o linie dreaptă până când se întoarce la punctul de plecare.

Această specie se încadrează în trei dimensiuni și apare dacă există o cantitate uriașă de energie în spațiu. Pentru a se curba sau a se închide complet, spațiul ar trebui să nu se mai extindă. Acest lucru se va întâmpla dacă apare o rezervă de energie la scară largă care poate crea un avantaj. Datele moderne arată că extinderea este un proces fără sfârșit. Deci acest scenariu a ieșit.

Forma curbată negativ a universului este o șa cu patru dimensiuni. Este deschis, lipsit de granițe în spațiu și timp. Există puțină energie aici, așa că universul nu se va opri din extindere. Dacă lăsați două particule să curgă de-a lungul liniilor drepte, ele nu se vor întâlni niciodată, ci pur și simplu vor diverge până când vor merge în direcții diferite.

Dacă o cantitate critică de energie fluctuează între extreme, atunci după infinit expansiunea se va opri. Acesta este un univers plat. Aici, două particule vor călători în paralel, dar nu se vor separa sau întâlni niciodată.

Este ușor să vă imaginați aceste trei forme, dar există mult mai multe opțiuni. Mingea de fotbal amintește de ideea unui univers sferic. Gogoasa este plată din punct de vedere tehnic, dar conectată în anumite puncte. Unii cred că locurile uriașe calde și reci vorbesc în favoarea acestei opțiuni. Puteți vedea presupusa formă a universului în fotografie.

Și așa ajungem la țeavă. Acesta este un alt tip de curbură negativă. Unul dintre capete va fi îngustat, iar celălalt - larg. În prima repriză, totul părea îngust și exista în două dimensiuni. Iar într-unul larg s-ar putea parcurge la distanțe maxime, dar ar trebui să se întoarcă în sens invers (schimbări de direcție într-un cot).

Ce atunci? Cu ce ​​avem de-a face? Covrigi? Instrument de suflat? Cap uriaș de brânză? Oamenii de știință încă nu au exclus opțiunile cu o țeavă și o șa.

Grumblers vor argumenta că toate acestea sunt lipsite de sens și nu vom ști niciodată adevărul. Dar să nu fim atât de categoric. Cele mai recente date ale lui Planck arată că universul nostru este... plat! Infinit finit, complet necurbat și cu o cantitate critică precisă de energie.

Este de neconceput că nu numai că putem afla cum arată Universul, dar există oameni care încearcă în mod constant să găsească și mai multe informații. Dacă „plat” ți se pare plictisitor, atunci nu uita că încă nu avem suficiente informații. Prin urmare, este posibil să putem exista cu toții într-o gogoașă uriașă.

Imaginează-ți o minge foarte mare. Deși „din exterior” pare să fie tridimensională, suprafața sa – sfera – este bidimensională, deoarece pe sferă există doar două direcții independente de mișcare. Dacă ai fi foarte mic și ai trăi pe suprafața acestei mingi, ai putea foarte bine să presupui că nu trăiești deloc pe o sferă, ci pe o suprafață mare, bidimensională, plană. Dar dacă, în același timp, ai face măsurători precise ale distanțelor pe o sferă, ai înțelege că nu trăiești pe o suprafață plană, ci pe suprafața unei sfere mari ( aproximativ transl. Probabil că este mai bine să facem o analogie cu suprafața globului).
Ideea curburii suprafeței unei sfere poate fi aplicată întregului univers. Aceasta a fost o descoperire uriașă în Teoria generală a relativității a lui Einstein. Spațiul și timpul au fost combinate într-o singură unitate geometrică numită spațiu timp, iar acest spațiu-timp a avut geometrie, ar putea fi răsucit, la fel cum suprafața unei mingi uriașe este curbată.
Când privești suprafața unei mingi mari ca pe un singur lucru, simți întregul spațiu al sferei ca un întreg. Matematicienii iubesc suprafața unei sfere, astfel încât această definiție descrie întreaga sferă, nu doar o parte a ei. Unul dintre aspectele cheie ale descrierii geometriei spațiu-timpului este că trebuie să descriem întreg spațiul și tot timpul ca întreg. Aceasta înseamnă că este necesar să descrii „totul” și „întotdeauna” „într-o sticlă”. Geometria spațiului-timp este geometria întregului spațiu plus tot timpul împreună ca o singură unitate matematică.

Ce determină geometria spațiului-timp?

Practic, fizicienii lucrează în felul următor - caută ecuații de mișcare ale căror soluții descriu cel mai bine sistemul pe care fizicienii doresc să-l descrie. ecuația lui Einstein reprezintă ecuația clasică a mișcării spațiu-timpului. Este clasic deoarece efectele cuantice nu au fost luate în considerare atunci când a fost obținut. Și astfel, geometria spațiu-timp este tratată ca un concept exclusiv clasic, lipsit de orice incertitudine cuantică. De aceea este cea mai bună aproximare a teoriei exacte.
Conform ecuațiilor lui Einstein, curbura spațiu-timpului într-o direcție dată este direct legată de energia și impulsul a tot ceea ce nu este spațiu-timp în tot spațiu-timp. Cu alte cuvinte, ecuațiile lui Einstein relaționează gravitația cu non-gravitație și geometrie cu non-geometrie. Curbura este gravitația, iar orice altceva sunt electroni și quarci și din care sunt formați atomi, care, la rândul lor, constau din materie, radiații electromagnetice, fiecare particulă - purtătoarea interacțiunii (cu excepția gravitației) - "trăiește" într-un spațiu curbat - timp şi în acelaşi timp determină această curbură conform ecuaţiilor lui Einstein.

Care este geometria spațiu-timpului nostru?

După cum tocmai am menționat, o descriere completă a unui anumit spațiu-timp include nu numai tot spatiul, dar deasemenea tot timpul. Cu alte cuvinte, spațiu-timp include toate evenimentele care s-au întâmplat și se vor întâmpla vreodată.
Adevărat, acum, dacă suntem prea literali într-un astfel de concept, s-ar putea să ne confruntăm cu probleme, pentru că nu vom putea ține cont de toate cele mai mici schimbări în distribuția energiei și a densității impulsului în Univers care tocmai s-au întâmplat și se va întâmpla în continuare în Univers. Dar, din fericire, mintea umană este capabilă să opereze cu concepte precum abstractizareși apropiere, astfel încât să putem construi un model abstract care descrie aproximativ destul de bine universul observabil la scară mare, să zicem scara clusterelor de galaxii.
Dar pentru a rezolva ecuații, acest lucru nu este suficient. De asemenea, este necesar să se facă anumite ipoteze simplificatoare despre curbura spațiu-timpului. Prima presupunere pe care o facem este că spațiu-timp poate fi bine împărțit în spațiu și timp. Acest lucru, totuși, nu este întotdeauna posibil, de exemplu, în unele cazuri de găuri negre care se rotesc, spațiul și timpul se „învârtesc” împreună și, prin urmare, nu pot fi separate bine. Cu toate acestea, nu există nicio indicație că universul nostru se poate roti în acest fel. Astfel, putem face foarte bine presupunerea că spațiu-timp poate fi descris ca spațiu care se schimbă în timp.
Următoarea presupunere importantă care decurge din teoria Big Bang este că spațiul arată la fel în orice direcție în orice punct. Proprietatea de a arăta la fel în orice direcție se numește izotropie, iar a arăta la fel în orice punct se numește omogenitate. Astfel, presupunem că spațiul nostru omogen și izotrop. Cosmologii numesc această presupunere simetrie maximă. Se crede că aceasta este o ipoteză suficient de rezonabilă la scară largă.
În rezolvarea ecuațiilor lui Einstein pentru geometria spațiu-timp a universului nostru, cosmologii iau în considerare trei tipuri principale de energie care pot și deformează spațiu-timpul:
1. energia vidului
2. radiatii
3. materie obisnuita
Radiația și materia obișnuită sunt considerate ca un gaz omogen care umple Universul, cu o anumită ecuație de stare relaționând presiunea cu densitatea.
După ce au făcut ipoteze despre omogenitatea surselor de energie și despre simetria maximă, ecuațiile lui Einstein pot fi reduse la două ecuații diferențiale ușor de rezolvat folosind cele mai simple metode de calcul. Din soluții obținem două lucruri: geometria spatiuluiși apoi cum se modifică dimensiunile spațiului în timp.

Deschis, închis sau plat?

Dacă în fiecare moment în timp spațiul din fiecare punct arată la fel în toate direcțiile, atunci un astfel de spațiu trebuie să aibă curbură constantă. Dacă curbura se schimbă de la un punct la altul, atunci spațiul va arăta diferit de la diferite puncte și în direcții diferite. Prin urmare, dacă spațiul este maxim simetric, atunci curbura în toate punctele trebuie să fie aceeași.
Această cerință restrânge oarecum geometriile posibile la trei: spațiu cu curbură constantă pozitivă, negativă și zero (plată). În cazul în care nu există energie de vid (termen lambda), există doar materie obișnuită și radiație, curbura, pe lângă toate, răspunde și la întrebarea despre timpul evoluției:
curbură pozitivă: Un spațiu N-dimensional cu curbură pozitivă constantă este o sferă N-dimensională. Se numește modelul cosmologic în care spațiul are o curbură pozitivă constantă închis model cosmologic. Într-un astfel de model, spațiul se extinde de la volumul zero în momentul Big Bang-ului, apoi la un moment dat în timp atinge volumul maxim și începe să se contracte până la „Big Crunch”.
Curbură zero: Se numeste un spatiu cu curbura zero apartament spaţiu. Un astfel de spațiu plat este necompact, se extinde la infinit în toate direcțiile, la fel de extins doar deschis spaţiu. Un astfel de univers se extinde la infinit în timp.
Curbură negativă: Un spațiu N-dimensional cu curbură negativă constantă este o pseudosferă N-dimensională. Singurul lucru cu care o astfel de lume unică poate fi comparată mai mult sau mai puțin familiară este un hiperboloid, care este o hipersferă bidimensională. Un spațiu cu curbură negativă este infinit ca volum. Într-un spațiu cu curbură negativă, deschis Univers. De asemenea, ca unul plat, se extinde infinit în timp.
Ce determină dacă universul va fi deschis sau închis? Pentru un Univers închis, densitatea totală de energie trebuie să fie mai mare decât densitatea de energie corespunzătoare unui Univers plat, care se numește densitate critică. Lăsa . Apoi într-un univers închis w este mai mare decât 1, într-un univers plat w=1, iar în univers deschis w este mai mic decat 1.
Toate cele de mai sus sunt adevărate numai în cazul în care sunt luate în considerare doar tipurile obișnuite de materie - praf și radiații și neglijate. energia vidului, care poate fi prezent. Densitatea energiei în vid este constantă, numită și constantă cosmologică.

De unde provine materia întunecată?

Există o mulțime de lucruri în univers, cum ar fi stelele sau gazul fierbinte sau orice altceva care emite lumină vizibilă sau radiații la alte lungimi de undă. Și toate acestea pot fi văzute fie cu ochii, fie cu ajutorul telescoapelor, fie cu niște instrumente complexe. Cu toate acestea, acest lucru nu este tot ceea ce este în Universul nostru - în ultimele două decenii, astronomii au găsit dovezi că există multă materie invizibilă în Univers.
De exemplu, s-a dovedit că materia vizibilă sub formă de stele și gaz interstelar nu este suficientă pentru a menține galaxiile legate gravitațional. Estimările despre cât de multă materie este necesară într-adevăr pentru o galaxie medie pentru a nu zbura în afara i-au condus pe fizicieni și astronomi la concluzia că cea mai mare parte a materiei din univers este invizibilă. Această substanță se numește materie întunecatăși este foarte important pentru cosmologie.
Din moment ce există materie întunecată în Univers, ce poate fi ea? Din ce poate fi făcut? Dacă era format din quarci, ca și materia obișnuită, atunci ar fi trebuit să se producă mult mai mult heliu și deuteriu în Universul timpuriu decât există acum în Universul nostru. Fizicienii particulelor sunt de părere că materia întunecată constă din particule supersimetrice, care sunt foarte grele, dar interacționează foarte slab cu particulele obișnuite, care sunt acum observate la acceleratori.
Prin urmare, materia vizibilă din Univers este mult mai mică decât este necesar chiar și pentru un Univers plat. Prin urmare, dacă nu există nimic altceva în Univers, atunci acesta trebuie să fie deschis. Cu toate acestea, există suficientă materie întunecată pentru a „închide” Universul? Cu alte cuvinte, dacă w B este densitatea materiei obișnuite și w D este densitatea materiei întunecate, atunci relația w B + w D = 1 este valabilă? Studiul mișcărilor în clustere de galaxii sugerează că densitatea totală este de aproximativ 30% din cea critică, în timp ce materia vizibilă este de aproximativ 5%, iar materia întunecată de 25%.
Dar acesta nu este sfârșitul - mai avem încă o sursă de energie în Univers - constanta cosmologică.

Dar constanta cosmologică?

Lui Einstein nu i-au plăcut rezultatele propriilor sale lucrări. Conform ecuațiilor sale de mișcare, un univers plin cu materie obișnuită trebuie să se extindă. Dar Einstein dorea o teorie în care universul să rămână mereu de aceeași dimensiune. Și pentru a face acest lucru, el a adăugat ecuației un termen cunoscut acum ca termen cosmologic, care, adăugat la densitatea energetică a materiei obișnuite și a radiațiilor, a împiedicat universul să se extindă și să nu se contracte niciodată, dar să rămână același pentru totdeauna.
Cu toate acestea, după ce Hubble a descoperit că universul nostru se extinde, termenul cosmologic Einstein a fost uitat și „abandonat”. Cu toate acestea, după ceva timp, interesul pentru ea a fost trezit de teoriile cuantice relativiste, în care constanta cosmologică apare în mod natural dinamic din oscilațiile cuantice ale particulelor și antiparticulelor virtuale. Acesta se numește nivelul de energie cuantică zero și este un candidat foarte posibil pentru energia vidului spațiu timp. Cu toate acestea, teoria cuantică are propriile sale „probleme” - cum să nu facem această energie de vid prea mare, iar acesta este unul dintre motivele pentru care fizicienii explorează teoriile supersimetrice.
Constanta cosmologică poate fie să accelereze, fie să încetinească expansiunea universului, în funcție de faptul că este pozitivă sau negativă. Și când constanta cosmologică este adăugată spațiu-timp pe lângă materia și radiația obișnuită, imaginea devine mult mai confuză decât cele mai simple cazuri ale unui Univers deschis sau închis descrise mai sus.

Ei bine, care este răspunsul?

Aproape imediat după Big Bang, era dominației radiațiilor, care a durat primii zece până la o sută de mii de ani ai evoluției Universului nostru. Acum, formele dominante ale materiei sunt materia obișnuită și energia vidului. Conform observațiilor recente ale astronomilor,
1. Universul nostru este plat cu o precizie bună: Radiația cosmică de fond cu microunde este o relicvă dintr-o perioadă în care universul era fierbinte și umplut cu gaz fotonic fierbinte. De atunci însă, din cauza expansiunii Universului, acești fotoni s-au răcit, iar acum temperatura lor este de 2,73 K. Cu toate acestea, această radiație este ușor neomogenă, dimensiunea lor unghiulară a neomogenităților, vizibilă din poziția noastră actuală, depinde de spațiul curbura Universului. Așadar, observațiile anizotropiei fondului cosmic cu microunde indică tocmai că noi Universul este plat.
2. Există o constantă cosmologică în Univers: Există energie de vid în univers, sau cel puțin ceva care acționează ca energia de vid, determinând extinderea rapidă a universului. Datele despre deplasările spre roșu ale supernovelor îndepărtate sunt dovezi ale expansiunii accelerate a Universului.
3. Cea mai mare parte a materiei din univers este sub formă de materie întunecată: Studiul mișcării galaxiilor duce la concluzia că materia obișnuită sub formă de stele, galaxii, planete și gaz interstelar este doar o mică parte din toată materia din univers.
Începând cu epoca actuală


Așadar, acum, în Univers, densitatea de energie în vid este de peste două ori mai mare decât densitatea de energie a materiei întunecate, iar contribuția materiei vizibile barionice poate fi pur și simplu neglijată. Deci universul nostru plat ar trebui să se extindă pentru totdeauna.

<< Câți ani are universul nostru? | Cuprins | Tur de istorie a universului >>

Următoarea versiune a structurii Universului a fost propusă de fizicianul Frank Steiner de la Universitatea din Ulm (Universität Ulm), reanalând împreună cu colegii datele culese de sonda spațială Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), lansată o dată la captați radiația de fond în detaliu.

Cu toate acestea, nu vă grăbiți să vorbiți despre marginile universului. Faptul este că acest poliedru este închis pe sine, adică, după ce a ajuns la una dintre fețele sale, pur și simplu ajungeți înapoi în interior prin partea opusă a acestei „bucle Mobius” multidimensionale.

Din această prezentare rezultă concluzii interesante. De exemplu, că, după ce ai zburat cu o rachetă „superrapidă” în linie dreaptă, te poți întoarce în cele din urmă la punctul de plecare sau, dacă iei un telescop „foarte mare”, poți vedea aceleași obiecte în diferite părți ale spațiului, numai în virtutea finituții viteza luminii – în diferite etape ale vieții.

Oamenii de știință au încercat să efectueze astfel de observații, dar nu s-a găsit nimic similar cu „reflecțiile în oglindă”. Fie pentru că modelul este greșit, fie pentru că nu există suficientă „gamă” a astronomiei observaționale moderne. Cu toate acestea, discuția despre forma și dimensiunea universului continuă.

Acum Steiner și tovarășii lui au aruncat lemne noi în foc.

Planck cântărește aproximativ două tone. Ar trebui să navigheze în jurul punctului Lagrange L2. Pe măsură ce satelitul se rotește în jurul axei sale, va capta treptat o hartă completă de fundal cu microunde, cu o precizie și o sensibilitate fără precedent (ilustrări ale ESA/AOES Medialab și ESA/C. Carreau).

Fizicianul german a compilat mai multe modele ale universului și a testat modul în care se formează undele de densitate de fundal cu microunde în ele. El susține că universul gogoșilor se potrivește cel mai bine cu fundalul cosmic de microunde observat și chiar a calculat diametrul acestuia. Gogoașa s-a dovedit a avea 56 de miliarde de ani lumină.

Adevărat, acest tor nu este chiar obișnuit. Oamenii de știință îl numesc 3-torus. Forma sa adevărată este greu de imaginat, dar cercetătorii explică cum să încerce măcar să o realizeze.

În primul rând, imaginați-vă cum se formează o „gogoasă” obișnuită. Luați o foaie de hârtie și o pliați într-un tub, lipind două margini opuse împreună. Apoi rulați tubul într-un torus, lipindu-i cele două „ieșiri” opuse împreună.

Cu un 3-tor, totul este la fel, cu excepția faptului că nu o foaie, ci un cub este luat ca ingredient inițial și este necesar să lipiți nu marginile planurilor, ci fiecare pereche de fețe opuse. Mai mult, lipiți-l în așa fel încât, după ce a lăsat cubul printr-una dintre fețele sale, veți constata că ați intrat din nou înăuntru prin fața opusă.

Mai mulți experți care au comentat lucrările lui Steiner au remarcat că aceasta nu dovedește în mod concludent că universul este o „goasă cu dimensiuni înalte”, ci doar spun că această formă este una dintre cele mai probabile. De asemenea, unii oameni de știință adaugă că dodecaedrul (care este adesea comparat cu o minge de fotbal, deși acest lucru este incorect) este încă un „candidat bun”.

Răspunsul lui Frank la aceasta este simplu: alegerea finală între forme poate fi făcută după măsurători mai precise ale radiației de fond decât cele efectuate de WMAP. Și un astfel de sondaj va fi efectuat în curând de satelitul european Planck, care urmează să fie lansat pe 31 octombrie 2008.

„Din punct de vedere filozofic, îmi place ideea că universul este finit și că într-o zi am putea să-l explorăm pe deplin și să învățăm totul despre el. Dar, din moment ce întrebările fizicii nu pot fi rezolvate de filozofie, sper că Planck le va răspunde”, spune Steiner.

În antichitate, oamenii credeau că pământul este plat și stă pe trei balene, apoi s-a dovedit că ecumenul nostru este rotund și dacă navighezi tot timpul spre vest, atunci după un timp te vei întoarce la punctul tău de plecare de la Est. Vederile asupra universului s-au schimbat într-un mod similar. La un moment dat, Newton credea că spațiul este plat și infinit. Einstein a permis ca Lumea noastră să fie nu numai nemărginită și strâmbă, ci și închisă. Cele mai recente date obținute în procesul de studiere a radiației de fond indică faptul că Universul poate fi foarte închis în sine. Se pare că, dacă zburați de pe pământ tot timpul, atunci la un moment dat veți începe să vă apropiați de el și, în cele din urmă, veți reveni înapoi, ocolind întregul Univers și făcând o călătorie în jurul lumii, la fel ca una dintre navele lui Magellan, după ce a înconjurat întregul glob, a navigat către portul spaniol Sanlúcar de Barrameda.

Ipoteza că universul nostru s-a născut ca urmare a Big Bang-ului este acum considerată general acceptată. Materia la început a fost foarte fierbinte, densă și s-a extins rapid. Apoi temperatura universului a scăzut la câteva mii de grade. Substanța în acel moment era formată din electroni, protoni și particule alfa (nuclee de heliu), adică era o plasmă de gaz puternic ionizat, opac la lumină și la orice unde electromagnetice. Recombinarea (conectarea) nucleelor ​​și electronilor care a început în acel moment, adică formarea atomilor neutri de hidrogen și heliu, a schimbat radical proprietățile optice ale Universului. A devenit transparent pentru majoritatea undelor electromagnetice.

Astfel, studiind lumina și undele radio, se poate vedea doar ce s-a întâmplat după recombinare, iar tot ce s-a întâmplat înainte ne este închis de un fel de „perete de foc” de materie ionizată. Este posibil să privim mult mai adânc în istoria Universului doar dacă învățăm cum să înregistrăm neutrinii relicve, pentru care materia fierbinte a devenit transparentă mult mai devreme, și undele gravitaționale primare, pentru care materia de orice densitate nu este un obstacol, dar acest lucru. este o chestiune de viitor, și departe de asta, cea mai apropiată.

De la formarea atomilor neutri, Universul nostru s-a extins de aproximativ 1.000 de ori, iar radiația erei recombinării este observată astăzi pe Pământ ca un fundal relicvă de microunde cu o temperatură de aproximativ trei grade Kelvin. Acest fundal, descoperit pentru prima dată în 1965 la testarea unei antene radio mari, este practic același în toate direcțiile. Conform datelor moderne, există de o sută de milioane de ori mai mulți fotoni relicve decât atomi, așa că lumea noastră se scaldă pur și simplu în fluxuri de lumină puternic înroșită emise în primele minute de viață ale Universului.

Topologie spațială clasică

La scari mai mari de 100 de megaparsecs, partea din Univers pe care o vedem este destul de omogenă. Toate aglomerările dense de galaxii materie, clusterele și superclusterele lor sunt observate doar la distanțe mai scurte. În plus, Universul este și izotrop, adică proprietățile sale sunt aceleași pe orice direcție. Aceste fapte experimentale stau la baza tuturor modelelor cosmologice clasice care presupun simetria sferică și omogenitatea spațială a distribuției materiei.

Soluțiile cosmologice clasice ale ecuațiilor de relativitate generală (GR) ale lui Einstein, care au fost găsite în 1922 de Alexander Friedman, au cea mai simplă topologie. Secțiunile lor spațiale seamănă cu planuri (pentru soluții infinite) sau cu sfere (pentru soluții mărginite). Dar astfel de universuri, se dovedește, au o alternativă: un univers fără margini și granițe, un univers de volum finit închis pe sine.

Primele soluții găsite de Friedman descriu universuri pline cu un singur fel de materie. Din cauza diferenței de densitate medie a materiei au apărut diferite imagini: dacă aceasta depășea un nivel critic, se obținea un univers închis cu curbură spațială pozitivă, dimensiuni finite și durata de viață. Expansiunea sa a încetinit treptat, s-a oprit și a fost înlocuită de contracție până la un punct. Universul cu o densitate sub cea critică a avut o curbură negativă și s-a extins la infinit, rata sa de inflație tinde spre o valoare constantă. Acest model se numește deschis. Universul plat un caz intermediar cu o densitate exact egală cu cea critică este infinit și secțiunile sale spațiale instantanee sunt un spațiu euclidian plat cu curbură zero. Un plat, ca unul deschis, se extinde la infinit, dar rata de expansiune a acestuia tinde spre zero. Ulterior, au fost inventate modele mai complexe, în care un univers omogen și izotrop a fost umplut cu o materie multicomponentă care se modifică în timp.

Observațiile moderne arată că Universul se extinde acum cu accelerație (vezi „Dincolo de orizontul de evenimente al universului”, nr. 3, 2006). Un astfel de comportament este posibil dacă spațiul este umplut cu o substanță (deseori numită energie întunecată) cu o presiune negativă mare apropiată de densitatea energetică a acestei substanțe. Această proprietate a energiei întunecate duce la apariția unui fel de antigravitație, care depășește forțele atractive ale materiei obișnuite pe scară largă. Primul astfel de model (cu așa-numitul termen lambda) a fost propus chiar de Albert Einstein.

Un mod special de expansiune a Universului apare dacă presiunea acestei materii nu rămâne constantă, ci crește cu timpul. În acest caz, creșterea dimensiunii se acumulează atât de rapid încât universul devine infinit într-o perioadă finită de timp. O astfel de umflare bruscă a dimensiunilor spațiale, însoțită de distrugerea tuturor obiectelor materiale, de la galaxii la particule elementare, se numește Big Rip.

Toate aceste modele nu presupun proprietăți topologice speciale ale Universului și îl reprezintă similar cu spațiul nostru obișnuit. Această imagine este în bună concordanță cu datele pe care astronomii le primesc cu ajutorul telescoapelor care înregistrează radiațiile în infraroșu, vizibile, ultraviolete și de raze X. Și numai datele observațiilor radio, și anume un studiu detaliat al fundalului relictei, i-au făcut pe oameni de știință să se îndoiască de faptul că lumea noastră este aranjată atât de simplu.

Oamenii de știință nu vor putea privi în spatele „zidul de foc” care ne separă de evenimentele din primele mii de ani din viața Universului nostru. Dar cu ajutorul laboratoarelor lansate în spațiu, în fiecare an aflăm din ce în ce mai multe despre ce s-a întâmplat după transformarea plasmei fierbinți în gaz cald.

Receptor radio orbital

Primele rezultate obținute de observatorul spațial WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), care a măsurat puterea radiației cosmice de fond cu microunde, au fost publicate în ianuarie 2003 și au conținut atât de multe informații așteptate, încât înțelegerea acesteia nu a fost finalizată nici în prezent. De obicei, fizica este folosită pentru a explica noi date cosmologice: ecuațiile stării materiei, legile expansiunii și spectrele perturbațiilor inițiale. Dar de data aceasta, natura neomogenității unghiulare detectate a radiației a necesitat o explicație complet diferită, una geometrică. Mai exact topologic.

Scopul principal al WMAP a fost acela de a construi o hartă detaliată a temperaturii fondului cosmic cu microunde (sau, așa cum se mai numește, fondul cu microunde). WMAP este un receptor radio ultra-sensibil care înregistrează simultan semnale care vin din două puncte aproape diametral opuse de pe cer. Observatorul a fost lansat în iunie 2001 pe o orbită deosebit de calmă și „liniștită”, situată în așa-numitul punct lagrangian L2, la un milion și jumătate de kilometri de Pământ. Acest satelit de 840 kg se află de fapt pe orbită în jurul Soarelui, dar datorită acțiunii combinate a câmpurilor gravitaționale ale Pământului și Soarelui, perioada sa de revoluție este de exact un an și nu zboară departe de Pământ nicăieri. Satelitul a fost lansat pe o orbită atât de îndepărtată, astfel încât interferențele din activitatea terestră creată de om să nu interfereze cu recepția emisiilor radio relicte.

Pe baza datelor obținute de observatorul radio spațial, a fost posibil să se determine un număr imens de parametri cosmologici cu o acuratețe fără precedent. În primul rând, raportul dintre densitatea totală a Universului și cea critică este de 1,02 ± 0,02 (adică, Universul nostru este plat sau închis cu o curbură foarte mică). În al doilea rând, constanta Hubble care caracterizează expansiunea Lumii noastre pe scară largă, 72±2 km/s/Mpc. În al treilea rând, vârsta Universului este de 13,4±0,3 miliarde de ani, iar deplasarea către roșu corespunzătoare timpului de recombinare este de 1088±2 (aceasta este o valoare medie, grosimea limitei de recombinare este mult mai mare decât eroarea indicată). Rezultatul cel mai senzațional pentru teoreticieni a fost spectrul unghiular al perturbărilor radiațiilor relicve, mai exact, valoarea prea mică a armonicii a doua și a treia.

Un astfel de spectru este construit prin reprezentarea hărții temperaturii ca o sumă a diferitelor armonici sferice (multipoli). În acest caz, componentele variabile se disting de imaginea generală a perturbațiilor care se potrivesc pe sferă de un număr întreg de ori: patrupol de 2 ori, octupol de 3 ori și așa mai departe. Cu cât este mai mare numărul armonicii sferice, cu atât mai multe oscilații de înaltă frecvență ale fondului pe care îl descrie și cu atât dimensiunea unghiulară a „petelor” corespunzătoare este mai mică. Teoretic, numărul de armonici sferice este infinit, dar pentru o hartă de observație reală este limitat de rezoluția unghiulară cu care au fost făcute observațiile.

Pentru măsurarea corectă a tuturor armonicilor sferice este necesară o hartă a întregii sfere cerești, iar WMAP primește versiunea sa verificată doar într-un an. Primele astfel de hărți nu foarte detaliate au fost obținute în 1992 în experimentele Relic și COBE (Cosmic Background Explorer).

Cum arată un bagel ca o ceașcă de cafea?
Există o astfel de ramură a topologiei matematicii, care explorează proprietățile corpurilor care sunt păstrate sub oricare dintre deformațiile lor fără goluri și lipire. Imaginați-vă că corpul geometric care ne interesează este flexibil și ușor deformat. În acest caz, de exemplu, un cub sau o piramidă poate fi ușor transformată într-o sferă sau o sticlă, un torus („goasă”) într-o ceașcă de cafea cu mâner, dar nu va fi posibil să se transforme o sferă într-un ceașcă cu mâner dacă nu rupeți și lipiți acest corp ușor deformabil. Pentru a împărți o sferă în două bucăți neconectate, este suficient să faceți o tăietură închisă, iar pentru a face același lucru cu un tor, puteți face doar două tăieturi. Topologii iubesc pur și simplu tot felul de construcții exotice, cum ar fi un tor plat, o sferă cu coarne sau o sticlă Klein, care pot fi descrise corect doar într-un spațiu cu dimensiuni de două ori mai multe. Deci Universul nostru tridimensional, închis pe sine, poate fi imaginat cu ușurință doar trăind într-un spațiu cu șase dimensiuni. Topologii cosmici nu au încălcat timpul încă, lăsându-i posibilitatea de a curge pur și simplu liniar, fără a se bloca în nimic. Deci, capacitatea de a lucra în spațiul de șapte dimensiuni astăzi este suficientă pentru a înțelege cât de complex este Universul nostru dodecaedral.

Harta finală a temperaturii CMB se bazează pe o analiză minuțioasă a hărților care arată intensitatea emisiei radio în cinci intervale de frecvență diferite.

O decizie neașteptată

Pentru majoritatea armonicilor sferice, datele experimentale obținute au coincis cu calculele modelului. Doar două armonice, cvadrupol și octupol, s-au dovedit a fi net sub nivelul așteptat de teoreticieni. Mai mult, probabilitatea ca abateri atât de mari să apară întâmplător este extrem de mică. Suprimarea cvadrupolului și octupolului a fost observată încă din datele COBE. Totuși, hărțile obținute în acei ani aveau rezoluție slabă și zgomot mare, așa că discuția despre această problemă a fost amânată până la vremuri mai bune. Din ce motiv amplitudinile celor două fluctuații de cea mai mare scară ale intensității fondului cosmic cu microunde s-au dovedit a fi atât de mici, încât la început a fost complet de neînțeles. Până acum, nu a fost posibil să se vină cu un mecanism fizic pentru suprimarea lor, deoarece acesta trebuie să acționeze la scara întregului Univers observabil, făcându-l mai omogen și, în același timp, să înceteze să lucreze la scari mai mici, permițându-i. să fluctueze mai puternic. Acesta este probabil motivul pentru care au început să caute căi alternative și au găsit un răspuns topologic la întrebarea care a apărut. Soluția matematică a problemei fizice s-a dovedit a fi surprinzător de elegantă și de neașteptată: a fost suficient să presupunem că Universul este un dodecaedru închis pe sine. Apoi, suprimarea armonicilor de joasă frecvență poate fi explicată prin modularea spațială de înaltă frecvență a radiației de fond. Acest efect apare din cauza observării repetate a aceleiași regiuni a plasmei recombinante prin diferite părți ale spațiului dodecaedral închis. Se dovedește că armonicele joase, parcă, se sting din cauza trecerii unui semnal radio prin diferite fațete ale Universului. Într-un astfel de model topologic al lumii, evenimentele care au loc în apropierea uneia dintre fețele dodecaedrului se dovedesc a fi aproape și pe fața opusă, deoarece aceste regiuni sunt identice și, de fapt, sunt una și aceeași parte a Universului. Din această cauză, lumina relictă care vine pe Pământ din părți diametral opuse se dovedește a fi emisă de aceeași regiune a plasmei primare. Această circumstanță duce la suprimarea armonicilor inferioare ale spectrului CMB chiar și într-un Univers care este doar puțin mai mare decât orizontul de evenimente vizibil.

Harta anizotropiei
Cvadrupolul menționat în textul articolului nu este cea mai joasă armonică sferică. Pe lângă acesta, există un monopol (armonică zero) și un dipol (armonică întâi). Valoarea monopolului este determinată de temperatura medie a radiației relicve, care astăzi este de 2,728 K. După scăderea acesteia din fondul general, componenta dipolului se dovedește a fi cea mai mare, arătând cât de mult este temperatura într-una dintre emisfere. a spațiului care ne înconjoară este mai mare decât în ​​celălalt. Prezența acestei componente este cauzată în principal de mișcarea Pământului și a Căii Lactee în raport cu CMB. Datorită efectului Doppler, temperatura crește în sensul de mișcare și scade în sens opus. Această împrejurare va face posibilă determinarea vitezei oricărui obiect în raport cu radiația cosmică de fond și astfel să se introducă mult așteptatul sistem de coordonate absolut, care este local în repaus față de întregul Univers.

Valoarea anizotropiei dipolului asociată cu mișcarea Pământului este de 3,353*10-3 K. Aceasta corespunde mișcării Soarelui în raport cu radiația de fond la o viteză de aproximativ 400 km/s. În același timp, „zburăm” în direcția graniței constelațiilor Leu și Potir și „zburăm departe” de constelația Vărsător. Galaxia noastră, împreună cu grupul local de galaxii, unde aparține, se mișcă în raport cu relicvă cu o viteză de aproximativ 600 km/s.

Toate celelalte perturbări (începând cu cvadrupolul și mai sus) de pe harta de fundal sunt cauzate de neomogenități în densitatea, temperatura și viteza materiei la limita de recombinare, precum și emisiile radio din galaxia noastră. După scăderea componentei dipol, amplitudinea totală a tuturor celorlalte abateri se dovedește a fi de numai 18 * 10-6 K. Pentru a exclude radiația proprie a Căii Lactee (concentrată în principal în planul ecuatorului galactic), observațiile cu microunde. fundalul sunt efectuate în cinci benzi de frecvență în intervalul de la 22,8 GHz la 93,5 GHz.

Combinații cu Thor

Cel mai simplu corp cu o topologie mai complexă decât o sferă sau un plan este un tor. Oricine a ținut o gogoașă în mâini și-o poate imagina. Un alt model matematic mai corect al unui tor plat este demonstrat de ecranele unor jocuri pe calculator: este un pătrat sau un dreptunghi, ale cărui laturi opuse sunt identificate, iar dacă obiectul în mișcare coboară, acesta apare de sus; trecând marginea din stânga a ecranului, apare din spatele din dreapta și invers. Un astfel de tor este cel mai simplu exemplu de lume cu o topologie netrivială care are un volum finit și nu are granițe.

În spațiul tridimensional, o procedură similară se poate face cu un cub. Dacă îi identificați fețele opuse, atunci se formează un tor tridimensional. Dacă te uiți în interiorul unui astfel de cub la spațiul înconjurător, poți vedea o lume infinită constând din copii ale părții sale unice și unice (nerepetă), al cărei volum este destul de finit. Într-o astfel de lume, nu există granițe, dar există trei direcții selectate paralele cu marginile cubului original, de-a lungul cărora sunt observate rânduri periodice ale obiectelor originale. Această imagine este foarte asemănătoare cu ceea ce poate fi văzut în interiorul unui cub cu pereți în oglindă. Adevărat, privind oricare dintre fațetele ei, locuitorul unei astfel de lumi își va vedea capul, și nu fața, ca în camera pământească a râsului. Un model mai corect ar fi o camera dotata cu 6 camere TV si 6 monitoare LCD plate, care afiseaza imaginea facuta de camera de film situata vizavi. În acest model, lumea vizibilă se închide pe ea însăși datorită ieșirii într-o altă dimensiune a televiziunii.

Imaginea suprimării armonicilor de joasă frecvență descrisă mai sus este corectă dacă timpul pentru care lumina traversează volumul inițial este suficient de mic, adică dacă dimensiunile corpului inițial sunt mici în comparație cu scările cosmologice. Dacă dimensiunile părții din Univers accesibile pentru observare (așa-numitul orizont al Universului) se dovedesc a fi mai mici decât dimensiunile volumului topologic inițial, atunci situația nu va diferi în niciun fel de ceea ce vedem în Universul infinit einsteinian obișnuit și nu vor fi observate anomalii în spectrul CMB.

Scara spațială maximă posibilă într-o astfel de lume cubică este determinată de dimensiunile corpului original, distanța dintre oricare două corpuri nu poate depăși jumătate din diagonala principală a cubului original. Lumina care vine la noi de la limita recombinării poate traversa cubul original de mai multe ori pe parcurs, ca și cum ar fi reflectată în pereții săi oglinzi, din această cauză, structura unghiulară a radiației este distorsionată și fluctuațiile de joasă frecvență devin de înaltă frecvență. Ca urmare, cu cât volumul inițial este mai mic, cu atât este mai puternică suprimarea celor mai mici fluctuații unghiulare la scară mare, ceea ce înseamnă că, studiind fundalul relicvei, se poate estima dimensiunea Universului nostru.

mozaicuri 3D

Un Univers tridimensional complex din punct de vedere topologic plat poate fi construit doar pe baza de cuburi, paralelipipedi și prisme hexagonale. În cazul spațiului curbat, o clasă mai largă de figuri posedă astfel de proprietăți. În acest caz, spectrele unghiulare obținute în experimentul WMAP sunt cel mai bine în acord cu modelul dodecaedral al Universului. Acest poliedru obișnuit, care are 12 fețe pentagonale, seamănă cu o minge de fotbal cusută din pete pentagonale. Se pare că într-un spațiu cu o curbură pozitivă mică, dodecaedrele obișnuite pot umple întregul spațiu fără găuri și intersecții reciproce. Cu un anumit raport între dimensiunea dodecaedrului și curbură, pentru aceasta sunt necesare 120 de dodecaedre sferice. Mai mult, această structură complexă de sute de „bile” poate fi redusă la una echivalentă topologic, constând dintr-un singur dodecaedru, în care sunt identificate fețe opuse rotite cu 180 de grade.

Universul format dintr-un astfel de dodecaedru are o serie de proprietăți interesante: nu are direcții preferate și descrie mai bine decât majoritatea celorlalte modele mărimea celor mai joase armonici unghiulare ale CMB. O astfel de imagine apare doar într-o lume închisă cu un raport dintre densitatea reală a materiei și cea critică de 1,013, care se încadrează în intervalul de valori permis de observațiile de astăzi (1,02 ± 0,02).

Pentru un locuitor obișnuit al Pământului, toate aceste complexități topologice la prima vedere nu au prea multă semnificație. Dar pentru fizicieni și filozofi, este cu totul altă chestiune. Atât pentru viziunea asupra lumii în ansamblu, cât și pentru o teorie unificată care explică structura lumii noastre, această ipoteză este de mare interes. Prin urmare, după ce au descoperit anomalii în spectrul relicvei, oamenii de știință au început să caute alte fapte care ar putea confirma sau infirma teoria topologică propusă.

Plasma cu sunet
Pe spectrul de fluctuație CMB, linia roșie indică predicțiile modelului teoretic. Coridorul gri din jurul său reprezintă abaterile admisibile, iar punctele negre sunt rezultatele observațiilor. Majoritatea datelor au fost obținute în experimentul WMAP și numai pentru cele mai înalte armonici se adaugă rezultatele studiilor CBI (balon) și ACBAR (sol antarctic). Pe graficul normalizat al spectrului unghiular de fluctuații ale radiației relicve, se văd mai multe maxime. Acestea sunt așa-numitele „vârfuri acustice” sau „oscilații Saharov”. Existența lor a fost prezisă teoretic de Andrei Saharov. Aceste vârfuri se datorează efectului Doppler și sunt cauzate de mișcarea plasmei în momentul recombinării. Amplitudinea maximă a oscilațiilor cade pe dimensiunea regiunii legate cauzal (orizontul sonor) în momentul recombinării. La scară mai mică, oscilațiile plasmei au fost atenuate de viscozitatea fotonului, în timp ce la scară mare, perturbațiile erau independente unele de altele și nu erau în fază. Prin urmare, fluctuațiile maxime observate în epoca modernă se încadrează la unghiurile la care orizontul sonor este vizibil astăzi, adică regiunea plasmei primare care a trăit o singură viață în momentul recombinării. Poziția exactă a maximului depinde de raportul dintre densitatea totală a Universului și cea critică. Observațiile arată că primul vârf, cel mai înalt, este situat aproximativ la armonica a 200-a, care, conform teoriei, corespunde unui Univers euclidian plat cu o mare precizie.

O mulțime de informații despre parametrii cosmologici sunt conținute în al doilea și următorii vârfuri acustice. Însăși existența lor reflectă faptul „fazării” oscilațiilor acustice în plasmă în era recombinării. Dacă nu ar exista o astfel de conexiune, atunci ar fi observat doar primul vârf, iar fluctuațiile la toate scările mai mici ar fi la fel de probabile. Dar pentru ca o astfel de relație cauzală de fluctuații la scări diferite să apară, aceste regiuni (foarte departe una de cealaltă) trebuie să fi putut interacționa între ele. Această situație apare în mod natural în modelul inflaționist al Universului, iar detectarea cu încredere a celui de-al doilea și a vârfurilor ulterioare din spectrul unghiular al fluctuațiilor CMB este una dintre cele mai importante confirmări ale acestui scenariu.

Observațiile radiației relicte au fost efectuate în regiunea apropiată de maximul spectrului termic. Pentru o temperatură de 3K, este la o lungime de undă radio de 1 mm. WMAP și-a efectuat observațiile la lungimi de undă puțin mai mari: de la 3 mm la 1,5 cm. Acest interval este destul de aproape de maxim și are zgomot mai mic de la stelele galaxiei noastre.

Lume cu mai multe fațete

În modelul dodecaedral, orizontul evenimentelor și granița de recombinare situată foarte aproape de acesta intersectează fiecare dintre cele 12 fețe ale dodecaedrului. Intersecția graniței de recombinare și poliedrul original formează 6 perechi de cercuri pe harta de fundal cu microunde situată în puncte opuse ale sferei cerești. Diametrul unghiular al acestor cercuri este de 70 de grade. Aceste cercuri se află pe fețele opuse ale dodecaedrului original, adică coincid geometric și fizic. Ca urmare, distribuția fluctuațiilor CMB de-a lungul fiecărei perechi de cercuri ar trebui să coincidă (ținând cont de rotația cu 180 de grade). Pe baza datelor disponibile, astfel de cercuri nu au fost încă detectate.

Dar acest fenomen, după cum sa dovedit, este mai complex. Cercurile vor fi aceleași și simetrice numai pentru un observator care este staționar în raport cu fundalul cosmic. Pământul, pe de altă parte, se mișcă față de el cu o viteză suficient de mare, datorită căreia o componentă dipol semnificativă apare în radiația de fond. În acest caz, cercurile se transformă în elipse, dimensiunea lor, locația pe cer și temperatura medie de-a lungul cercului se modifică. Devine mult mai dificil să detectezi cercuri identice în prezența unor astfel de distorsiuni, iar acuratețea datelor disponibile astăzi devine insuficientă. Sunt necesare noi observații pentru a ne ajuta să ne dăm seama dacă sunt sau nu acolo.

Inflația multilinkată

Poate cea mai serioasă problemă dintre toate modelele cosmologice complexe din punct de vedere topologic, și un număr considerabil dintre ele au apărut deja, este în principal de natură teoretică. Astăzi, scenariul inflaționist al evoluției Universului este considerat standard. S-a propus să explice omogenitatea și izotropia ridicată a universului observabil. Potrivit lui, la început Universul care s-a născut a fost destul de neomogen. Apoi, în procesul inflației, când Universul s-a extins după o lege apropiată de exponențială, dimensiunile sale inițiale au crescut cu multe ordine de mărime. Astăzi vedem doar o mică parte a Universului Mare, în care încă mai rămân eterogenități. Adevărat, au o întindere spațială atât de mare încât sunt invizibile în interiorul zonei accesibile nouă. Scenariul inflaționist este de departe cea mai bine dezvoltată teorie cosmologică.

Pentru un univers multiconectat, o astfel de secvență de evenimente nu este potrivită. În ea, toate părțile sale unice și unele dintre cele mai apropiate copii ale sale sunt disponibile pentru observare. În acest caz, structurile sau procesele descrise de scări mult mai mari decât orizontul observat nu pot exista.

Direcțiile în care va trebui dezvoltată cosmologia dacă se confirmă conexiunea multiplă a Universului nostru sunt deja clare: acestea sunt modele neinflaționiste și așa-numitele modele cu inflație slabă, în care dimensiunea universului în timpul inflației crește doar. de câteva ori (sau de zeci de ori). Nu există încă astfel de modele, iar oamenii de știință, încercând să păstreze imaginea familiară a lumii, caută în mod activ defecte în rezultatele obținute folosind un radiotelescop spațial.

Prelucrarea artefactelor

Unul dintre grupurile care a efectuat studii independente ale datelor WMAP a atras atenția asupra faptului că componentele cvadrupol și octupol ale radiației cosmice de fond cu microunde au orientări apropiate unele de altele și se află într-un plan care coincide aproape cu ecuatorul galactic. Concluzia acestui grup este că a existat o eroare la scăderea fundalului Galaxiei din datele de observații ale fondului cu microunde și magnitudinea reală a armonicilor este complet diferită.

Observațiile WMAP au fost efectuate la 5 frecvențe diferite, special pentru a separa corect mediul cosmologic și local. Iar echipa de bază WMAP consideră că procesarea observațiilor a fost făcută corect și respinge explicația propusă.

Datele cosmologice disponibile, publicate la începutul anului 2003, au fost obținute după procesarea rezultatelor doar din primul an de observații WMAP. Pentru a testa ipotezele propuse, ca de obicei, este necesară o creștere a preciziei. Până la începutul anului 2006, WMAP a făcut observații continue de patru ani, ceea ce ar trebui să fie suficient pentru a dubla acuratețea, dar aceste date nu au fost încă publicate. Trebuie să așteptăm puțin și poate că presupunerile noastre despre topologia dodecaedrică a Universului vor căpăta o natură complet concludentă.

Mihail Prokhorov, doctor în științe fizice și matematice

Teoria generală a relativității a lui Einstein se ocupă cu studiul geometriei spațiu-timpului cu 4 dimensiuni. Cu toate acestea, problema formei (geometriei) spațiului tridimensional în sine rămâne neclară până acum.

Studiind distribuția galaxiilor, oamenii de știință au ajuns la concluzia că Universul nostru, cu un grad ridicat de precizie, este omogen spațial și izotrop la scară mare. Aceasta înseamnă că geometria lumii noastre este geometria unei varietăți tridimensionale omogene și izotrope. Există doar trei astfel de varietăți: un plan tridimensional, o sferă tridimensională și un hiperboloid tridimensional. Prima varietate corespunde spațiului euclidian tridimensional obișnuit. În al doilea caz, universul are forma unei sfere. Aceasta înseamnă că lumea este închisă și că am putea ajunge în același punct în spațiu doar deplasându-ne în linie dreaptă (cum ar fi călătorind în jurul lumii în jurul Pământului). În cele din urmă, spațiul sub forma unui hiperboloid corespunde unei varietăți tridimensionale deschise în care suma unghiurilor unui triunghi este întotdeauna mai mică de 180 de grade. Astfel, studiul numai a structurii pe scară largă a Universului nu permite să se determine fără ambiguitate geometria spațiului tridimensional, dar reduce semnificativ opțiunile posibile.

Progresul în această problemă permite studiul radiației cosmice de fond cu microunde, cea mai precisă observabilă cosmologică în acest moment. Faptul este că forma spațiului tridimensional are un impact semnificativ asupra propagării fotonilor în Univers - chiar și o ușoară curbură a varietatii tridimensionale ar afecta semnificativ spectrul CMB. Cercetările moderne pe această temă spun că geometria Universului este plată cu un grad ridicat de precizie. Dacă spațiul este curbat, atunci raza de curbură corespunzătoare este cu 10.000 mai mare decât regiunea conectată cauzal din univers.

Întrebarea geometriei unei varietăți tridimensionale este strâns legată de evoluția Universului în viitor. Pentru spațiul sub forma unui hiperboloid tridimensional, expansiunea universului ar dura pentru totdeauna, în timp ce pentru geometria sferică, expansiunea ar fi înlocuită de contracție, urmată de prăbușirea universului înapoi într-o singularitate. Cu toate acestea, pe baza datelor moderne, rata de expansiune a Universului de astăzi este determinată nu de curbura varietatii tridimensionale, ci de energia întunecată, o anumită substanță cu o densitate constantă. Mai mult, dacă densitatea energiei întunecate rămâne constantă în viitor, contribuția acesteia la densitatea totală a Universului va crește doar cu timpul, în timp ce contribuția curburii va scădea. Aceasta înseamnă că geometria unei varietăți tridimensionale nu va avea, cel mai probabil, niciodată un impact semnificativ asupra evoluției universului. Desigur, este imposibil să se facă predicții fiabile despre proprietățile energiei întunecate în viitor și numai studii mai precise ale proprietăților sale vor putea face lumină asupra soartei viitoare a Universului.