Aký tvar má náš vesmír? Aký tvar má vesmír? Klasická topológia priestoru

> Aký je tvar vesmíru?

V akej forme existuje vesmír?: prieskum nekonečného priestoru, WMAP kozmická mikrovlnná podkladová mapa, geometria vesmíru a odhadované tvary s fotografiami.

Stojí vôbec za to premýšľať o tom, aký tvar má vesmír? Čo riešime? guľa? Kužeľ? Plochý? A ako to určiť?

Vesmír je jediné miesto, v ktorom existujeme a z ktorého nemôžeme uniknúť (pretože žiadne neexistujú). Vďaka fyzikálnym zákonom, prírodným konštantám a vybuchujúcim ťažkým kovom sa nám podarilo vytvoriť život na malej skalnej guli, stratenej v jednej z mnohých galaxií.

Ale nechcete vedieť, kde bývate? Stačí dostať príležitosť pozrieť sa na všetko zvonku, ako sme to urobili s našou rodnou planétou Zem. Aby ste videli? Nekonečná tma? Veľa bublín? Snehová guľa? Potkanie bludisko v rukách mimozemšťanov alebo niečo iné? Aký je tvar Vesmíru?

Nuž, odpoveď je oveľa jednoduchšia, ale aj zvláštnejšia. Ľudia začali premýšľať o tvare vesmíru už v staroveku. A ľudia kvôli nedostatku informácií ponúkali niekoľko celkom úžasných vecí. V hinduistických textoch to bolo vajce v tvare muža. Gréci videli ostrov plávajúci v prázdnote. Aristoteles hovorí, že vesmír má tvar nekonečnej gule alebo jednoducho korytnačky.

Je zaujímavé, že príspevky Alberta Einsteina pomáhajú otestovať každý z týchto modelov. Vedci prišli s tromi obľúbenými tvarmi: pozitívne zakrivený, negatívne zakrivený a plochý. Chápeme, že vesmír existuje v 4 dimenziách a ktorákoľvek z postáv hraničí s bláznivou lovecraftovskou geometriou. Takže zapojte maximálnu fantáziu a poďme na to!

Pri pozitívne zakrivenej verzii získame štvorrozmernú guľu. Táto odroda má koniec, ale nemá jasnú hranicu. Presnejšie povedané, pred návratom na štart by ju prešli dve častice. Dokonca si to môžete otestovať aj doma. Vezmite balón a nakreslite priamku, kým sa nevráti do východiskového bodu.

Tento druh sa zmestí do troch rozmerov a objaví sa, ak je vo vesmíre obrovské množstvo energie. Aby sa priestor úplne ohol alebo uzavrel, musel by sa prestať rozširovať. To sa stane, ak sa objaví rozsiahla energetická rezerva, ktorá môže vytvoriť okraj. Súčasné dôkazy ukazujú, že expanzia je nikdy nekončiaci proces. Takže tento scenár neprichádza do úvahy.

Negatívne zakrivený tvar vesmíru je štvorrozmerné sedlo. Je otvorený, bez hraníc v priestore a čase. Je tu málo energie, takže vesmír sa neprestane rozpínať. Ak pošlete dve častice pozdĺž priamych čiar, nikdy sa nestretnú, ale jednoducho sa rozídu, kým nepôjdu rôznymi smermi.

Ak kritické množstvo energie kolíše medzi extrémami, potom po nekonečne sa expanzia zastaví. Toto je plochý vesmír. Tu budú tieto dve častice cestovať paralelne, ale nikdy sa neoddelia ani nestretnú.

Je ľahké si predstaviť tieto tri tvary, no možností je oveľa viac. Futbalová lopta pripomína myšlienku sférického vesmíru. Donut je technicky plochý, ale v určitých bodoch spojený. Niektorí veria, že v prospech tejto možnosti hovoria obrovské teplé a chladné miesta. Na fotografii môžete vidieť predpokladané tvary vesmíru.

A teraz sa dostávame k fajke. Toto je ďalší typ negatívneho zakrivenia. Jeden koniec bude zúžený a druhý široký. V prvej polovici sa všetko zdalo úzke a existovalo v dvoch dimenziách. A v širokom by sa dalo prejsť maximálne vzdialenosti, ale museli by ste sa vrátiť opačným smerom (v zákrute sa mení smer).

Čo potom? Čo riešime? Bagel? Dychový nástroj? Obrovská hlava syra? Vedci zatiaľ nevylúčili možnosti s fajkou a sedlom.

Grumps bude tvrdiť, že to všetko je zbytočné a nikdy sa nedozvieme pravdu. Ale nebuďme takí kategorickí. Planckove najnovšie údaje ukazujú, že náš vesmír je... plochý! Nekonečne konečný, úplne nezakrivený a s presným kritickým množstvom energie.

Je nemysliteľné, aby sme nielen zistili, ako vesmír vyzerá, ale sú tu ľudia, ktorí sa neustále snažia nájsť ešte viac informácií. Ak sa vám „ploché“ zdá nudné, tak nezabúdajte, že zatiaľ nemáme dostatok informácií. Je teda celkom možné, že by sme všetci mohli existovať v obrovskej šiške.

Predstavte si veľmi veľkú loptu. Hoci sa zvonku javí ako trojrozmerný, jeho povrch – guľa – je dvojrozmerný, pretože pozdĺž gule existujú len dva nezávislé smery pohybu. Ak by ste boli veľmi malí a žili na povrchu tejto gule, mohli by ste dobre predpokladať, že vôbec nežijete na guli, ale na veľkej plochej dvojrozmernej ploche. Ak by ste však presne zmerali vzdialenosti na gule, pochopili by ste, že nežijete na rovnom povrchu, ale na povrchu veľkej gule ( približne. preklad Pravdepodobne je lepšie nakresliť analógiu s povrchom zemegule).
Myšlienka zakrivenia povrchu lopty sa dá aplikovať na celý vesmír. Toto bol obrovský prelom Einsteinova všeobecná teória relativity. Priestor a čas sa spojili do jedného geometrického celku tzv vesmírny čas, a tento časopriestor mal geometria, to môže byť skrútený, rovnako ako povrch obrovskej gule je zakrivený.
Keď sa pozeráte na povrch veľkej gule ako na jednu vec, cítite celý priestor gule ako celok. Matematici milujú povrch gule, takže táto definícia opisuje celú guľu, a nielen jej časť. Jedným z kľúčových aspektov opisu geometrie časopriestoru je, že musíme opísať celý priestor a celý čas. To znamená, že musíme opísať „všetko“ a „vždy“ „v jednej fľaši“. Geometria časopriestoru je geometriou celého priestoru plus všetkého času spolu ako jednej matematickej jednotky.

Čo určuje geometriu časopriestoru?

Fyzici v podstate fungujú takto – hľadajú pohybové rovnice, ktorých riešenia najlepšie vystihujú systém, ktorý chcú fyzici opísať. Einsteinova rovnica predstavuje klasická pohybová rovnica časopriestoru. Je klasický, pretože pri jeho získavaní sa nezohľadnili kvantové efekty. A tak sa geometria časopriestoru interpretuje ako výlučne klasický koncept bez akýchkoľvek kvantových neistôt. Preto je to najlepšie priblíženie k presnej teórii.
Podľa Einsteinových rovníc zakrivenie časopriestoru v danom smere priamo súvisí s energiou a hybnosťou všetkého v celom časopriestore, ktorý nie je časopriestorom. Inými slovami, Einsteinove rovnice spájajú gravitáciu s negravitáciou a geometriu s negeometriou. Zakrivenie je gravitácia a všetko ostatné sú elektróny a kvarky, ktoré tvoria atómy, ktoré zase tvoria hmotu, elektromagnetické žiarenie, každá častica – nosič interakcie (okrem gravitácie) – „žije“ v zakrivenom časopriestore a zároveň určuje toto zakrivenie podľa Einsteinových rovníc.

Aká je geometria nášho časopriestoru?

Ako už bolo uvedené, úplný popis daného časopriestoru zahŕňa nielen všetok priestor, ale tiež celý čas. Inými slovami, časopriestor zahŕňa všetky udalosti, ktoré sa kedy stali a ktoré sa niekedy stanú.
Pravda, teraz, ak budeme v tomto koncepte príliš doslovní, môžeme naraziť na problémy, pretože nebudeme schopní brať do úvahy všetky najmenšie zmeny v rozložení hustoty energie a hybnosti vo vesmíre, ktoré sa kedy vyskytli a budú sa stále vyskytujú vo vesmíre. Ale, našťastie, ľudská myseľ je schopná operovať s pojmami ako napr abstrakcie A aproximácia Môžeme teda zostaviť abstraktný model, ktorý zhruba popisuje pozorovateľný vesmír celkom dobre vo veľkých mierkach, povedzme v mierke kopy galaxií.
Ale to nestačí na riešenie rovníc. Je tiež potrebné urobiť určité zjednodušujúce predpoklady týkajúce sa zakrivenia časopriestoru. Prvý predpoklad, ktorý urobíme, je ten časopriestor možno úhľadne rozdeliť na priestor a čas. To sa však nedá vždy urobiť, napríklad v niektorých prípadoch točenia čiernych dier sa priestor a čas „točia“ dohromady, a preto ich nemožno úhľadne oddeliť. Nič však nenasvedčuje tomu, že by sa náš vesmír mohol otáčať podobným spôsobom. Môžeme teda ľahko vysloviť predpoklad, že časopriestor možno opísať ako priestor meniaci sa v čase.
Ďalším dôležitým predpokladom vychádzajúcim z teórie veľkého tresku je to priestor vyzerá rovnako v akomkoľvek smere v akomkoľvek bode. Vlastnosť vyzerať rovnako v akomkoľvek smere sa nazýva izotropia a vlastnosť vyzerať rovnako v akomkoľvek bode sa nazýva homogenita. Takže predpokladáme, že náš priestor homogénne a izotropné. Kozmológovia nazývajú tento predpoklad maximálna symetria. Vo veľkých mierkach sa to považuje za celkom rozumný predpoklad.
Pri riešení Einsteinových rovníc pre časopriestorovú geometriu nášho vesmíru kozmológovia zvažujú tri hlavné typy energie, ktoré môžu ohýbať časopriestor a aj to robia:
1. energia vákua
2. žiarenie
3. obyčajná látka
Žiarenie a obyčajná hmota sa považujú za homogénny plyn napĺňajúci vesmír, pričom určitá stavová rovnica súvisí s tlakom a hustotou.
Po vytvorení predpokladov homogenity zdrojov energie a maximálnej symetrie je možné Einsteinove rovnice zredukovať na dve diferenciálne rovnice, ktoré možno ľahko vyriešiť pomocou jednoduchých výpočtových metód. Z riešení dostaneme dve veci: geometria priestoru a potom ako sa časom menia rozmery priestoru.

Otvorené, zatvorené alebo ploché?

Ak v každom okamihu času priestor v každom bode vyzerá rovnako vo všetkých smeroch, potom taký priestor musí mať konštantné zakrivenie. Ak sa zakrivenie zmení z bodu do bodu, potom priestor bude vyzerať inak z rôznych bodov a v rôznych smeroch. Ak je teda priestor maximálne symetrický, tak zakrivenie vo všetkých bodoch musí byť rovnaké.
Táto požiadavka trochu zužuje možné geometrie na tri: priestor s konštantným kladným, záporným a nulovým zakrivením (plochý). V prípade, že neexistuje energia vákua (lambda termín), existuje len obyčajná hmota a žiarenie, zakrivenie okrem všetkého ostatného odpovedá aj na otázku o dobe evolúcie:
Pozitívne zakrivenie: N-rozmerný priestor s konštantným kladným zakrivením je N-rozmerná guľa. Kozmologický model, v ktorom má priestor konštantné pozitívne zakrivenie, sa nazýva ZATVORENÉ kozmologický model. V tomto modeli sa priestor zväčšuje z nulového objemu v čase Veľkého tresku, potom v určitom časovom bode dosiahne svoj maximálny objem a začne sa zmenšovať až do Big Crunch.
Nulové zakrivenie: Priestor s nulovým zakrivením sa nazýva plochý priestor. Takýto plochý priestor nie je kompaktný, nekonečne sa rozprestiera do všetkých strán, rovnako ako je len predĺžený OTVORENÉ priestor. Takýto vesmír sa v čase nekonečne rozpína.
Negatívne zakrivenie: N-rozmerný priestor s konštantným negatívnym zakrivením je N-rozmerná pseudosféra. Jediná vec, s ktorou môže byť takýto jedinečný svet viac-menej oboznámený, je hyperboloid, čo je dvojrozmerná hypersféra. Priestor so záporným zakrivením má nekonečný objem. V priestore s negatívnym zakrivením sa realizuje OTVORENÉ Vesmír. Ako plochá sa v čase nekonečne rozširuje.
Čo určuje, či bude vesmír otvorený alebo zatvorený? Pre uzavretý Vesmír musí byť celková hustota energie väčšia ako hustota energie zodpovedajúca plochému Vesmíru, ktorý je tzv kritická hustota. Dajme tomu. Potom v uzavretom vesmíre w je väčšie ako 1, v plochom vesmíre w=1 a v otvorený vesmír w je menšie ako 1.
Všetko uvedené platí iba v prípade, keď sa berú do úvahy iba bežné druhy hmoty - prach a žiarenie a zanedbávame energia vákua, ktorý môže byť prítomný. Hustota energie vákua je konštantná, tiež tzv kozmologická konštanta.

Odkiaľ pochádza temná hmota?

Vo vesmíre je veľa rôznych látok, ako sú hviezdy alebo horúci plyn alebo niečo iné, ktoré vyžarujú viditeľné svetlo alebo žiarenie na iných vlnových dĺžkach. A to všetko je možné vidieť buď očami, alebo pomocou ďalekohľadov, alebo pomocou nejakých zložitých prístrojov. To však nie je všetko, čo sa v našom vesmíre nachádza – za posledné dve desaťročia astronómovia objavili dôkazy, že vo vesmíre je množstvo neviditeľnej hmoty.
Napríklad sa ukazuje, že viditeľná hmota vo forme hviezd a medzihviezdneho plynu nestačí na to, aby udržala galaxie gravitačne viazané. Odhady toho, koľko hmoty skutočne potrebuje priemerná galaxia, aby sa nerozleteli, viedli fyzikov a astronómov k záveru, že väčšina hmoty vo vesmíre je neviditeľná. Táto látka je tzv temná hmota a to je veľmi dôležité pre kozmológiu.
Keďže vo vesmíre existuje temná hmota, čo by to mohlo byť? Z čoho sa dá „vyrobiť“? Ak by pozostával z kvarkov, ako je obyčajná hmota, potom by raný vesmír mal produkovať oveľa viac hélia a deutéria, ako je teraz v našom vesmíre. Časticoví fyzici zastávajú názor, že temná hmota pozostáva z supersymetrické častice, ktoré sú veľmi ťažké, ale veľmi slabo interagujú s bežnými časticami, ktoré sú teraz pozorované na urýchľovačoch.
Vo vesmíre je teda oveľa menej viditeľnej hmoty, ako je potrebné aj pre plochý vesmír. Preto, ak vo Vesmíre nie je nič iné, potom musí byť otvorený. Existuje však dostatok temnej hmoty na „uzavretie“ vesmíru? Inými slovami, ak w B je hustota bežnej hmoty a w D je hustota tmavej hmoty, potom platí vzťah w B + w D = 1? Štúdia pohybov v kopách galaxií naznačuje, že celková hustota je asi 30 % kritickej hustoty, pričom viditeľná hmota predstavuje asi 5 % a tmavá hmota 25 %.
Ale to nie je koniec – vo Vesmíre máme ešte jeden zdroj energie – kozmologickú konštantu.

A čo kozmologická konštanta?

Einsteinovi sa nepáčili výsledky jeho vlastnej práce. Podľa jeho pohybových rovníc by sa mal vesmír naplnený obyčajnou hmotou rozpínať. Ale Einstein chcel teóriu, v ktorej by vesmír zostal vždy rovnako veľký. A aby to urobil, pridal do rovníc člen, teraz známy ako kozmologický termín, čo po pripočítaní k energetickej hustote bežnej hmoty a žiarenia umožnilo, aby sa Vesmír nikdy nerozpínal a nezmršťoval, ale aby zostal navždy rovnaký.
Keď však Hubble zistil, že náš vesmír sa rozširuje, Einsteinov kozmologický termín bol zabudnutý a „opustený“. Záujem o ňu však po čase prebudili relativistické kvantové teórie, v ktorých sa kozmologická konštanta objavuje prirodzene dynamicky z kvantových oscilácií virtuálnych častíc a antičastíc. Toto sa nazýva hladina kvantovej nulovej energie a je to veľmi možný kandidát energia vákua vesmírny čas. Kvantová teória má však svoje vlastné „problémy“ – ako nezväčšiť túto energiu vákua, a to je jeden z dôvodov, prečo fyzici skúmajú supersymetrické teórie.
Kozmologická konštanta môže buď urýchliť alebo spomaliť expanziu vesmíru, v závislosti od toho, či je pozitívna alebo negatívna. A keď sa k časopriestoru okrem bežnej hmoty a žiarenia pripočíta aj kozmologická konštanta, obraz sa stane oveľa komplikovanejším ako vyššie opísané najjednoduchšie prípady otvoreného alebo uzavretého vesmíru.

Aká je teda odpoveď?

Takmer okamžite po Veľkom tresku, éra radiačnej dominancie, ktorá trvala prvých desať až stotisíc rokov vývoja nášho Vesmíru. Teraz sú dominantnými formami hmoty obyčajná hmota a energia vákua. Súdiac podľa najnovších pozorovaní astronómov,
1. Náš vesmír je plochý s dobrou presnosťou: Kozmické mikrovlnné žiarenie pozadia je pozostatkom z čias, keď bol vesmír horúci a naplnený horúcim fotónovým plynom. Odvtedy však vplyvom rozpínania Vesmíru tieto fotóny ochladli a teraz majú teplotu 2,73 K. Toto žiarenie je však mierne nehomogénne, ich uhlová veľkosť nehomogenít, viditeľných z našej aktuálnej polohy, závisí od priestorového zakrivenie vesmíru. Takže pozorovania anizotropie kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia presne naznačujú, že naše Vesmír je plochý.
2. Vo vesmíre existuje kozmologická konštanta: Vo vesmíre je energia vákua, alebo aspoň niečo, čo funguje ako energia vákua, čo spôsobuje, že sa vesmír rozpína ​​zrýchleným tempom. Dôkazom zrýchleného rozpínania vesmíru sú údaje o červených posunoch vzdialených supernov.
3. Väčšina hmoty vo vesmíre je vo forme temnej hmoty: Štúdium pohybu galaxií vedie k záveru, že obyčajná hmota v podobe hviezd, galaxií, planét a medzihviezdneho plynu tvorí len malý zlomok celkovej hmoty vo Vesmíre.
Od dnešnej doby


Takže teraz vo vesmíre je hustota energie vákua viac ako dvakrát vyššia ako hustota energie tmavej hmoty a zároveň možno jednoducho zanedbať príspevok baryonickej viditeľnej hmoty. Takže náš plochý vesmír by sa mal navždy rozpínať.

<< Aký starý je náš vesmír? | Obsah | Prehliadka histórie vesmíru >>

Ďalšiu verziu štruktúry vesmíru predložil fyzik Frank Steiner z Univerzity v Ulme, ktorý spolu so svojimi kolegami znovu analyzoval údaje zozbierané vesmírnou sondou Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), ktorá bola kedysi spustený na detailné fotografovanie kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia.

Neponáhľajte sa však hovoriť o okrajoch vesmíru. Faktom je, že tento mnohosten je uzavretý sám do seba, to znamená, že po dosiahnutí jednej z jeho plôch sa jednoducho dostanete späť dovnútra cez opačnú stranu tejto multidimenzionálnej „Möbiovej slučky“.

Z tejto prezentácie vyplývajú zaujímavé závery. Napríklad, že letíte na nejakej „vysokorýchlostnej“ rakete v priamej línii, môžete sa nakoniec vrátiť do východiskového bodu, alebo ak vezmete „veľmi veľký“ ďalekohľad, môžete vidieť rovnaké objekty v rôznych smeroch. priestoru, len vďaka konečnej rýchlosti svetla - v rôznych fázach života.

Vedci sa pokúsili o takéto pozorovania, ale nenašlo sa nič podobné „zrkadlovým odrazom“. Buď preto, že model je nesprávny, alebo preto, že „dosah“ modernej pozorovacej astronómie nestačí. Napriek tomu diskusia o tvare a veľkosti vesmíru pokračuje.

Teraz Steiner a jeho druhovia priložili nové drevo do ohňa.

Planck váži asi dve tony. Plaviť by sa malo okolo Lagrangeovho bodu L2. Ako sa satelit otáča okolo svojej osi, postupne zachytí kompletnú mapu mikrovlnného pozadia s bezprecedentnou presnosťou a citlivosťou (ilustrácie ESA/AOES Medialab a ESA/C. Carreau).

Nemecký fyzik zostavil niekoľko modelov vesmíru a skontroloval, ako sa v nich vytvárajú vlny hustoty mikrovlnného pozadia. Tvrdí, že najbližšiu zhodu s pozorovaným kozmickým mikrovlnným žiarením pozadia poskytuje vesmír donutov a dokonca vypočítal jeho priemer. Ukázalo sa, že „šiška“ má priemer 56 miliárd svetelných rokov.

Pravda, tento torus nie je celkom obyčajný. Vedci to nazývajú 3-torus. Jeho skutočnú podobu je ťažké si predstaviť, no výskumníci vysvetľujú, ako to aspoň skúsiť.

Najprv si predstavte, ako vzniká pravidelná „šiška“. Zoberiete kúsok papiera a zviniete ho do trubice, pričom zlepíte dva protiľahlé okraje. Potom trubicu zrolujete do torusu a zlepíte jej dva protiľahlé „výstupy“ dohromady.

Pri 3-toruse je všetko rovnaké, okrem toho, že východiskovou zložkou nie je list, ale kocka, a nie je potrebné lepiť okraje rovin, ale každý pár protiľahlých plôch. Navyše ju prilepte tak, že keď kocku opustíte jednou z jej plôch, zistíte, že ste sa dovnútra opäť dostali cez jej opačnú stranu.

Viacerí experti, ktorí komentovali Steinerovu prácu, poznamenali, že to definitívne nedokazuje, že vesmír je „viacrozmerná šiška“, ale iba to, že tento tvar je jedným z najpravdepodobnejších. Niektorí vedci tiež dodávajú, že dvanásťsten (ktorý sa často porovnáva s futbalovou loptou, aj keď je to nesprávne) je stále „dobrým kandidátom“.

Frankova odpoveď na to je jednoduchá: konečný výber medzi formami môže byť urobený po presnejších meraniach kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia ako tie, ktoré vykonáva WMAP. A takýto prieskum čoskoro uskutoční európsky satelit Planck, ktorého štart je naplánovaný na 31. októbra 2008.

„Z filozofického hľadiska sa mi páči myšlienka, že vesmír je konečný a jedného dňa by sme ho mohli úplne preskúmať a vedieť o ňom všetko. Ale keďže otázky vo fyzike nemožno vyriešiť filozofiou, dúfam, že Planck na ne odpovie,“ hovorí Steiner.

V dávnych dobách si ľudia mysleli, že zem je plochá a stojí na troch veľrybách, potom sa ukázalo, že naša ekumena je guľatá a ak sa budete neustále plaviť na západ, po chvíli sa vrátite do východiskového bodu z na východ. Pohľady na vesmír sa menili podobným spôsobom. Svojho času Newton veril, že priestor je plochý a nekonečný. Einstein dovolil, aby náš svet bol nielen neobmedzený a pokrivený, ale aj uzavretý. Najnovšie údaje získané počas štúdia kozmického mikrovlnného žiarenia na pozadí naznačujú, že vesmír môže byť uzavretý sám do seba. Ukazuje sa, že ak neustále odlietate od Zeme, v určitom okamihu sa k nej začnete približovať a nakoniec sa vrátite späť, obehnete celý vesmír a cestujete po celom svete, rovnako ako jedna z Magellanových lodí, ktoré krúžili. celej zemegule, doplával do španielskeho prístavu Sanlúcar de Barrameda.

Hypotéza, že náš vesmír sa zrodil v dôsledku Veľkého tresku, sa dnes považuje za všeobecne akceptovanú. Hmota bola spočiatku veľmi horúca, hustá a rýchlo expandovala. Potom teplota vesmíru klesla na niekoľko tisíc stupňov. Látka sa v tom momente skladala z elektrónov, protónov a častíc alfa (jadier hélia), čiže išlo o vysoko ionizovaný plyn – plazmu, nepriepustný pre svetlo a akékoľvek elektromagnetické vlny. Rekombinácia (spájanie) jadier a elektrónov, ktorá začala v tomto období, teda vznik neutrálnych atómov vodíka a hélia, radikálne zmenila optické vlastnosti Vesmíru. Stal sa transparentným pre väčšinu elektromagnetických vĺn.

Štúdiom svetla a rádiových vĺn je teda možné vidieť len to, čo sa stalo po rekombinácii, a všetko, čo sa stalo predtým, je pokryté akousi „ohnivou stenou“ z ionizovanej hmoty. Oveľa hlbšie do histórie vesmíru môžeme nahliadnuť len vtedy, ak sa naučíme registrovať reliktné neutrína, pre ktoré sa horúca hmota stala transparentnou oveľa skôr, a primárne gravitačné vlny, pre ktoré hmota akejkoľvek hustoty nie je prekážkou, ale ide o budúcnosť a ďaleko od nej.najbližšia.

Od vzniku neutrálnych atómov sa náš vesmír rozšíril približne 1 000-krát a žiarenie z éry rekombinácií je dnes na Zemi pozorované ako reliktné mikrovlnné pozadie s teplotou asi tri stupne Kelvina. Toto pozadie, prvýkrát objavené v roku 1965 počas testov veľkej rádiovej antény, je prakticky rovnaké vo všetkých smeroch. Podľa moderných údajov existuje stomiliónkrát viac reliktných fotónov ako atómov, takže náš svet sa jednoducho kúpe v prúdoch silne načervenalého svetla vyžarovaného v prvých minútach života vesmíru.

Klasická topológia priestoru

Na mierkach väčších ako 100 megaparsekov je časť vesmíru, ktorú vidíme, celkom homogénna. Všetky husté zhluky hmoty – galaxie, ich kopy a nadkopy – sú pozorované len na kratšie vzdialenosti. Vesmír je navyše izotropný, to znamená, že jeho vlastnosti sú v akomkoľvek smere rovnaké. Tieto experimentálne fakty sú základom všetkých klasických kozmologických modelov, ktoré predpokladajú sférickú symetriu a priestorovú homogenitu rozloženia hmoty.

Klasické kozmologické riešenia rovníc Einsteinovej všeobecnej teórie relativity (GTR), ktoré našiel v roku 1922 Alexander Friedman, majú najjednoduchšiu topológiu. Ich priestorové rezy pripomínajú roviny (pre nekonečné riešenia) alebo gule (pre obmedzené riešenia). Ale ukázalo sa, že takéto vesmíry majú alternatívu: vesmír konečného objemu, ktorý nemá žiadne hrany ani hranice, uzavretý sám do seba.

Prvé riešenia, ktoré našiel Friedman, popisovali vesmíry naplnené len jedným typom hmoty. Rôzne obrázky vznikli kvôli rozdielom v priemernej hustote hmoty: ak prekročila kritickú úroveň, získal sa uzavretý vesmír s pozitívnym priestorovým zakrivením, konečnými rozmermi a životnosťou. Jeho expanzia sa postupne spomalila, zastavila a nahradila ju kompresia do bodky. Vesmír s hustotou pod kritickou mal záporné zakrivenie a rozpínal sa donekonečna, miera jeho inflácie mala tendenciu k nejakej konštantnej hodnote. Tento model sa nazýva otvorený. Plochý vesmír, medziprípad s hustotou presne rovnou kritickej, je nekonečný a jeho okamžité priestorové rezy sú plochým euklidovským priestorom s nulovým zakrivením. Plochý sa rovnako ako otvorený rozťahuje donekonečna, ale rýchlosť jeho rozťahovania má tendenciu k nule. Neskôr boli vynájdené zložitejšie modely, v ktorých bol homogénny a izotropný vesmír naplnený viaczložkovou hmotou, ktorá sa časom menila.

Moderné pozorovania ukazujú, že vesmír sa teraz zrýchľuje (pozri „Beyond the Horizon of Universal Events“, č. 3, 2006). Toto správanie je možné, ak je priestor vyplnený nejakou látkou (často nazývanou tmavá energia) s vysokým podtlakom, blízkym hustote energie tejto látky. Táto vlastnosť tmavej energie vedie k vzniku akejsi antigravitácie, ktorá vo veľkých mierkach prekonáva gravitačné sily bežnej hmoty. Prvý takýto model (s takzvaným lambda termínom) navrhol sám Albert Einstein.

Špeciálny spôsob expanzie vesmíru nastáva, ak tlak tejto hmoty nezostáva konštantný, ale s časom rastie. V tomto prípade sa nárast veľkosti zväčšuje tak rýchlo, že vesmír sa v konečnom čase stane nekonečným. Takáto prudká inflácia priestorových rozmerov, sprevádzaná deštrukciou všetkých hmotných objektov, od galaxií až po elementárne častice, sa nazýva Big Rip.

Všetky tieto modely nepredpokladajú žiadne špeciálne topologické vlastnosti vesmíru a prezentujú ho ako podobný nášmu známemu priestoru. Tento obrázok dobre súhlasí s údajmi, ktoré astronómovia získavajú pomocou ďalekohľadov, ktoré zaznamenávajú infračervené, viditeľné, ultrafialové a röntgenové žiarenie. A iba údaje z rádiového pozorovania, konkrétne podrobné štúdium kozmického mikrovlnného pozadia, prinútili vedcov pochybovať o tom, že náš svet je štruktúrovaný tak priamočiaro.

Vedci sa nebudú môcť pozrieť za „ohnivú stenu“, ktorá nás oddeľuje od udalostí prvých tisíc rokov života nášho vesmíru. Ale s pomocou laboratórií vypustených do vesmíru sa každý rok dozvedáme viac a viac o tom, čo sa stalo po premene horúcej plazmy na teplý plyn

Orbitálny rádiový prijímač

Prvé výsledky, ktoré získalo vesmírne observatórium WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), ktoré meralo silu žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia, boli zverejnené v januári 2003 a obsahovali toľko dlho očakávaných informácií, že ich pochopenie dnes nie je dokončené. Fyzika sa zvyčajne používa na vysvetlenie nových kozmologických údajov: rovníc stavu hmoty, zákonov expanzie a spektier počiatočných porúch. No tentoraz si povaha zistenej uhlovej nehomogenity žiarenia vyžadovala úplne iné vysvetlenie – geometrické. Presnejšie topologické.

Hlavným cieľom WMAP bolo vytvoriť podrobnú mapu teploty žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia (alebo, ako sa to tiež nazýva, mikrovlnného pozadia). WMAP je ultracitlivý rádiový prijímač, ktorý súčasne detekuje signály prichádzajúce z dvoch takmer diametrálne odlišných bodov na oblohe. Observatórium bolo vypustené v júni 2001 na mimoriadne pokojnú a „tichú“ obežnú dráhu, ktorá sa nachádza v takzvanom Lagrangiánskom bode L2, jeden a pol milióna kilometrov od Zeme. Tento 840 kg vážiaci satelit sa v skutočnosti nachádza na obežnej dráhe okolo Slnka, no vďaka spoločnému pôsobeniu gravitačných polí Zeme a Slnka má obežnú dobu presne jeden rok a od Zeme neodletí. Satelit bol vypustený na takú vzdialenú obežnú dráhu, aby rušenie pozemskou ľudskou činnosťou nerušilo príjem kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia.

Na základe údajov získaných vesmírnym rádiovým observatóriom sa podarilo určiť obrovské množstvo kozmologických parametrov s bezprecedentnou presnosťou. Po prvé, pomer celkovej hustoty vesmíru ku kritickej hustote je 1,02 ± 0,02 (to znamená, že náš vesmír je plochý alebo uzavretý s veľmi malým zakrivením). Po druhé, Hubbleova konštanta, ktorá charakterizuje expanziu nášho sveta vo veľkých mierkach, 72±2 km/s/Mpc. Po tretie, vek vesmíru je 13,4 ± 0,3 miliardy rokov a červený posun zodpovedajúci času rekombinácie je 1088 ± 2 (toto je priemerná hodnota, hrúbka hranice rekombinácie je výrazne väčšia ako uvedená chyba). Najsenzačnejším výsledkom pre teoretikov bolo uhlové spektrum porúch reliktného žiarenia, presnejšie príliš malá hodnota druhej a tretej harmonickej.

Takéto spektrum je konštruované reprezentáciou teplotnej mapy ako súčtu rôznych sférických harmonických (multipólov). V tomto prípade sú zo všeobecného obrazu porúch izolované premenné zložky, ktoré sa zmestia na guľu celý počet krát: kvadrupól 2 krát, octupól 3 krát atď. Čím vyššie je číslo sférickej harmonickej, tým viac vysokofrekvenčných oscilácií pozadia opisuje a tým menšia je uhlová veľkosť zodpovedajúcich „bodov“. Teoreticky je počet sférických harmonických nekonečný, ale pre skutočnú mapu pozorovania je obmedzený uhlovým rozlíšením, s ktorým boli pozorovania uskutočnené.

Na správne meranie všetkých sférických harmonických je potrebná mapa celej nebeskej sféry a WMAP dostane do roka svoju overenú verziu. Prvé takéto nie príliš podrobné mapy boli získané v roku 1992 v experimentoch Relic a COBE (Cosmic Background Explorer).

V čom je bagel podobný šálke kávy?
Existuje oblasť matematiky - topológia, ktorá študuje vlastnosti telies, ktoré sú zachované pri akejkoľvek deformácii bez zlomov alebo lepenia. Predstavte si, že geometrické teleso, ktoré nás zaujíma, je pružné a ľahko sa deformuje. V tomto prípade je možné napríklad kocku alebo pyramídu ľahko premeniť na guľu alebo fľašu, torus („donut“) na šálku kávy s rukoväťou, ale nebude možné zmeniť guľu na guľu. pohár s uškom, ak toto ľahko deformovateľné telo neroztrhnete a nezlepíte. Ak chcete rozdeliť guľu na dva nespojené časti, stačí urobiť jeden uzavretý rez, ale to isté môžete urobiť s torusom iba tak, že urobíte dva rezy. Topológovia jednoducho milujú najrôznejšie exotické konštrukcie ako plochý torus, rohatá guľa či Kleinova fľaša, ktoré sa dajú správne zobraziť len v priestore s dvojnásobným počtom rozmerov. Rovnako aj náš trojrozmerný vesmír, uzavretý do seba, si možno ľahko predstaviť len životom v šesťrozmernom priestore. Na nejaký čas kozmickí topológovia ešte nezasiahli a ponechali im možnosť jednoducho lineárne prúdiť bez toho, aby boli do čohokoľvek zamknutí. Takže schopnosť pracovať v priestore siedmich dimenzií je dnes celkom dostatočná na to, aby sme pochopili, aký zložitý je štruktúrovaný náš dvanásťstenný vesmír.

Konečná teplotná mapa CMB je vytvorená na základe starostlivej analýzy máp zobrazujúcich intenzitu rádiového vyžarovania v piatich rôznych frekvenčných rozsahoch

Nečakané rozhodnutie

Pre väčšinu sférických harmonických sa získané experimentálne údaje zhodovali s modelovými výpočtami. Iba dve harmonické, štvorpólová a osempólová, boli jednoznačne pod úrovňou očakávanou teoretikmi. Navyše pravdepodobnosť, že by takéto veľké odchýlky mohli vzniknúť náhodou, je extrémne malá. Potlačenie kvadrupólu a oktupólu bolo zaznamenané v údajoch COBE. Mapy získané v tých rokoch však mali slabé rozlíšenie a veľký šum, takže diskusia o tejto problematike sa odložila na lepšie časy. Z akého dôvodu sa amplitúdy dvoch najväčších fluktuácií v intenzite žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia ukázali byť také malé, bolo spočiatku úplne nejasné. Zatiaľ sa nepodarilo vymyslieť fyzikálny mechanizmus na ich potlačenie, pretože musí pôsobiť v mierke celého vesmíru, ktorý pozorujeme, urobiť ho homogénnejším, a zároveň prestať fungovať na menších mierkach, čo mu umožní silnejšie kolísať. Pravdepodobne preto začali hľadať alternatívne cesty a našli topologickú odpoveď na otázku, ktorá vznikla. Matematické riešenie fyzikálneho problému sa ukázalo ako prekvapivo elegantné a nečakané: stačilo predpokladať, že vesmír je dvanásťsten uzavretý do seba. Potom možno potlačenie nízkofrekvenčných harmonických vysvetliť priestorovou vysokofrekvenčnou moduláciou žiarenia pozadia. Tento efekt nastáva v dôsledku opakovaného pozorovania tej istej oblasti rekombinácie plazmy cez rôzne časti uzavretého dodekaedrického priestoru. Ukazuje sa, že nízke harmonické sa zdajú byť zrušené v dôsledku prechodu rádiového signálu cez rôzne aspekty vesmíru. V takomto topologickom modeli sveta sa udalosti vyskytujúce v blízkosti jednej z tvárí dvanásťstenu ukážu byť blízko opačnej steny, pretože tieto oblasti sú identické av skutočnosti sú jednou a tou istou časťou vesmíru. Z tohto dôvodu sa ukázalo, že reliktné svetlo prichádzajúce na Zem z diametrálne opačných strán je vyžarované rovnakou oblasťou primárnej plazmy. Táto okolnosť vedie k potlačeniu nižších harmonických v CMB spektre aj vo vesmíre, ktorý je len o niečo väčší ako viditeľný horizont udalostí.

Mapa anizotropie
Štvorpól uvedený v texte článku nie je najnižšia sférická harmonická. Okrem neho existuje monopól (nulová harmonická) a dipól (prvá harmonická). Veľkosť monopólu je určená priemernou teplotou žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia, ktorá je dnes 2,728 K. Po odčítaní od všeobecného pozadia je najväčšia dipólová zložka, ktorá ukazuje, o koľko vyššia je teplota v jednom z hemisféry priestoru, ktorý nás obklopuje, je ako v druhej. Prítomnosť tejto zložky je spôsobená najmä pohybom Zeme a Mliečnej dráhy voči reliktnému pozadiu. V dôsledku Dopplerovho javu sa teplota v smere pohybu zvyšuje a v opačnom smere klesá. Táto okolnosť umožní určiť rýchlosť akéhokoľvek objektu vo vzťahu k žiareniu kozmického mikrovlnného pozadia a zaviesť tak dlho očakávaný absolútny súradnicový systém, lokálne v pokoji vo vzťahu k celému Vesmíru.

Veľkosť dipólovej anizotropie súvisiacej s pohybom Zeme je 3,353*10-3 K. To zodpovedá pohybu Slnka vzhľadom na pozadie CMB rýchlosťou asi 400 km/s. Zároveň „letíme“ smerom k hranici súhvezdí Lev a Kalich a „odlietame“ zo súhvezdia Vodnára. Naša Galaxia sa spolu s miestnou skupinou galaxií, do ktorej patrí, pohybuje relatívne k relikvii rýchlosťou asi 600 km/s.

Všetky ostatné poruchy (od kvadrupólu a vyššie) na mape pozadia sú spôsobené nehomogenitami v hustote, teplote a rýchlosti hmoty na hranici rekombinácie, ako aj rádiovým vyžarovaním našej Galaxie. Po odčítaní dipólovej zložky sa ukáže, že celková amplitúda všetkých ostatných odchýlok je len 18 * 10-6 K. Na vylúčenie vlastného žiarenia Mliečnej dráhy (sústredeného hlavne v rovine galaktického rovníka) sú pozorovania mikrovlnného pozadia v piatich frekvenčných pásmach v rozsahu od 22,8 GHz do 93,5 GHz.

Kombinácie s torusom

Najjednoduchším telesom s topológiou zložitejšou ako guľa alebo rovina je torus. Kto držal v rukách rožok, vie si to predstaviť. Iný správnejší matematický model plochého torusu demonštrujú obrazovky niektorých počítačových hier: je to štvorec alebo obdĺžnik, ktorého protiľahlé strany sú označené, a ak pohybujúci sa objekt klesá, objavuje sa zhora; po prekročení ľavého okraja obrazovky sa objaví spoza pravého a naopak. Takýto torus je najjednoduchším príkladom sveta s netriviálnou topológiou, ktorý má konečný objem a nemá žiadne hranice.

V trojrozmernom priestore sa dá podobný postup urobiť aj s kockou. Ak identifikujeme jeho protiľahlé tváre, vytvorí sa trojrozmerný torus. Ak sa pozriete zvnútra takejto kocky na okolitý priestor, môžete vidieť nekonečný svet, pozostávajúci z kópií jeho jedinej a jedinečnej (neopakujúcej sa) časti, ktorej objem je úplne konečný. V takomto svete neexistujú hranice, ale existujú tri odlišné smery rovnobežné s okrajmi pôvodnej kocky, pozdĺž ktorých sú pozorované periodické rady pôvodných objektov. Tento obrázok je veľmi podobný tomu, čo možno vidieť vo vnútri kocky so zrkadlovými stenami. Je pravda, že pri pohľade na ktorúkoľvek z jeho tvárí uvidí obyvateľ takého sveta zadnú časť svojej hlavy a nie svoju tvár, ako v pozemskom zábavnom dome. Správnejším modelom by bola miestnosť vybavená 6 televíznymi kamerami a 6 plochými LCD monitormi, na ktorých sa zobrazuje obraz zachytený oproti umiestnenou filmovou kamerou. V tomto modeli sa viditeľný svet uzatvára do seba vďaka prístupu k inej televíznej dimenzii.

Vyššie opísaný obraz potlačenia nízkofrekvenčných harmonických je správny, ak je čas potrebný na prechod svetla cez počiatočný objem dostatočne krátky, teda ak sú rozmery počiatočného telesa malé v porovnaní s kozmologickými mierkami. Ak sa ukážu rozmery pozorovateľnej časti vesmíru (tzv. horizont vesmíru) menšie ako rozmery pôvodného topologického objemu, potom sa situácia nebude líšiť od toho, čo uvidíme v zvyčajnom nekonečne. Einsteinov vesmír a nebudú pozorované žiadne anomálie v spektre žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia.

Maximálnu možnú priestorovú mierku v takomto kubickom svete určujú rozmery pôvodného telesa, pričom vzdialenosť medzi akýmikoľvek dvoma telesami nesmie presiahnuť polovicu hlavnej uhlopriečky pôvodnej kocky. Svetlo prichádzajúce k nám z hranice rekombinácie môže po ceste niekoľkokrát prekročiť pôvodnú kocku, akoby sa odrážalo v jej zrkadlových stenách, v dôsledku toho je uhlová štruktúra žiarenia skreslená a nízkofrekvenčné fluktuácie sa stávajú vysokofrekvenčnými. Výsledkom je, že čím menší je počiatočný objem, tým silnejšie je potlačenie menších veľkých uhlových fluktuácií, čo znamená, že štúdiom CMB môžeme odhadnúť veľkosť nášho vesmíru.

3D mozaiky

Plochý topologicky zložitý trojrozmerný vesmír možno postaviť iba na základe kociek, rovnobežnostenov a šesťhranných hranolov. V prípade zakriveného priestoru má takéto vlastnosti širšia trieda postáv. Najlepšie uhlové spektrá získané v experimente WMAP sú zároveň v súlade s modelom vesmíru, ktorý má tvar dvanástnika. Tento pravidelný mnohosten, ktorý má 12 päťuholníkových plôch, pripomína futbalovú loptu ušitú z päťuholníkových záplat. Ukazuje sa, že v priestore s miernym kladným zakrivením môžu pravidelné dvanásťsteny vyplniť celý priestor bez otvorov alebo vzájomných priesečníkov. Vzhľadom na určitý pomer medzi veľkosťou dvanástnika a zakrivením to vyžaduje 120 sférických dvanásťstenov. Okrem toho možno túto zložitú štruktúru stoviek „gulí“ zredukovať na topologicky ekvivalentnú, pozostávajúcu iba z jedného jediného dvanásťstena, ktorého protiľahlé strany sú identifikované, otočené o 180 stupňov.

Vesmír vytvorený z takého dvanástnika má množstvo zaujímavých vlastností: nemá žiadne preferované smery a popisuje veľkosť najnižších uhlových harmonických CMB lepšie ako väčšina ostatných modelov. Takýto obraz vzniká len v uzavretom svete s pomerom skutočnej hustoty hmoty ku kritickej hustote 1,013, čo spadá do rozsahu hodnôt, ktoré umožňujú dnešné pozorovania (1,02 ± 0,02).

Pre bežného obyvateľa Zeme všetky tieto topologické zložitosti na prvý pohľad nemajú veľký význam. Ale pre fyzikov a filozofov je to úplne iná záležitosť. Ako pre svetonázor ako celok, tak aj pre jednotnú teóriu, ktorá vysvetľuje štruktúru nášho sveta, je táto hypotéza veľmi zaujímavá. Preto, keď vedci objavili anomálie v spektre relikvie, začali hľadať ďalšie fakty, ktoré by mohli potvrdiť alebo vyvrátiť navrhovanú topologickú teóriu.

Sondážna plazma
Na spektre fluktuácií CMB červená čiara označuje predpovede teoretického modelu. Sivá chodba okolo nej sú prípustné odchýlky a čierne bodky sú výsledkom pozorovaní. Väčšina údajov je získaná z experimentu WMAP a len pre najvyššie harmonické sú pridané výsledky zo štúdií CBI (balón) a ACBAR (pozemná Antarktída). Normalizovaný graf uhlového spektra fluktuácií CMB ukazuje niekoľko maxím. Ide o takzvané „akustické vrcholy“ alebo „Sacharovove oscilácie“. Ich existenciu teoreticky predpovedal Andrej Sacharov. Tieto vrcholy sú spôsobené Dopplerovým efektom a sú spôsobené pohybom plazmy v momente rekombinácie. Maximálna amplitúda oscilácií sa vyskytuje v rámci veľkosti kauzálne súvisiacej oblasti (zvukového horizontu) v momente rekombinácie. Na menších mierkach boli oscilácie plazmy oslabené viskozitou fotónov a vo veľkých mierkach boli poruchy na sebe nezávislé a neboli fázované. Maximálne výkyvy pozorované v modernej dobe sa preto vyskytujú v uhloch, v ktorých je dnes viditeľný zvukový horizont, teda v oblasti primárnej plazmy, ktorá žila jediný život v momente rekombinácie. Presná poloha maxima závisí od pomeru celkovej hustoty vesmíru ku kritickej. Pozorovania ukazujú, že prvý, najvyšší vrchol sa nachádza približne na 200. harmonickej, čo podľa teórie s vysokou presnosťou zodpovedá plochému euklidovskému vesmíru.

Množstvo informácií o kozmologických parametroch obsahuje druhý a ďalší akustický vrchol. Ich samotná existencia odráža skutočnosť, že akustické oscilácie v plazme sú „fázované“ počas éry rekombinácie. Ak by takéto spojenie neexistovalo, potom by sa pozoroval iba prvý vrchol a kolísanie na všetkých menších mierkach by bolo rovnako pravdepodobné. Ale aby takýto kauzálny vzťah medzi osciláciami na rôznych mierkach vznikol, museli byť tieto (od seba veľmi vzdialené) oblasti schopné vzájomnej interakcie. Presne takáto situácia prirodzene nastáva v inflačnom modeli Vesmíru a istá detekcia druhého a ďalších vrcholov v uhlovom spektre fluktuácií CMB je jedným z najvýznamnejších potvrdení tohto scenára.

Pozorovania kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia sa uskutočnili v oblasti blízkej maximu tepelného spektra. Pre teplotu 3K je to pri rádiovej vlnovej dĺžke 1mm. WMAP vykonával svoje pozorovania na mierne dlhších vlnových dĺžkach: od 3 mm do 1,5 cm Tento rozsah je dosť blízko maxima a obsahuje nižší šum hviezd našej Galaxie.

Mnohostranný svet

V dvanásťstennom modeli horizont udalostí a hranica rekombinácie ležiaca veľmi blízko k nemu pretínajú každú z 12 stien dvanástnika. Priesečník rekombinačnej hranice a pôvodného mnohostenu tvorí na mape mikrovlnného pozadia 6 párov kružníc, ktoré sa nachádzajú v opačných bodoch nebeskej sféry. Uhlový priemer týchto kruhov je 70 stupňov. Tieto kruhy ležia na opačných stranách pôvodného dvanásťstena, to znamená, že sa geometricky a fyzicky zhodujú. V dôsledku toho by sa distribúcia fluktuácií CMB pozdĺž každého páru kruhov mala zhodovať (berúc do úvahy rotáciu o 180 stupňov). Na základe dostupných údajov sa takéto kruhy zatiaľ nepodarilo odhaliť.

Ale tento jav, ako sa ukázalo, je zložitejší. Kruhy budú identické a symetrické iba pre pozorovateľa stojaceho vzhľadom na reliktné pozadie. Zem sa voči nej pohybuje pomerne vysokou rýchlosťou, a preto sa v žiarení pozadia objavuje výrazná dipólová zložka. V tomto prípade sa kruhy menia na elipsy, menia sa ich veľkosti, umiestnenie na oblohe a priemerná teplota pozdĺž kruhu. Je oveľa ťažšie odhaliť identické kruhy v prítomnosti takýchto skreslení a presnosť údajov, ktoré sú dnes k dispozícii, je nedostatočná; sú potrebné nové pozorovania, ktoré pomôžu zistiť, či existujú alebo nie.

Vynásobte súvisiacu infláciu

Azda najzávažnejší problém zo všetkých topologicky zložitých kozmologických modelov, ktorých už vzniklo značné množstvo, je najmä teoretického charakteru. Dnes sa inflačný scenár vývoja vesmíru považuje za štandardný. Bolo navrhnuté vysvetliť vysokú homogenitu a izotropiu pozorovateľného vesmíru. Podľa neho bol vesmír, ktorý sa zrodil, spočiatku dosť heterogénny. Potom, počas procesu inflácie, keď sa vesmír rozpínal podľa zákona blízkeho exponenciálnemu rozpätiu, jeho pôvodné rozmery sa zväčšili o mnoho rádov. Dnes vidíme len malú časť Veľkého vesmíru, v ktorom stále zostávajú nehomogenity. Pravda, majú taký veľký priestorový rozsah, že sú neviditeľné v nám dostupnom priestore. Inflačný scenár je doteraz najlepšie vyvinutou kozmologickou teóriou.

Pre mnohonásobne prepojený vesmír takýto sled udalostí nesedí. V ňom je k dispozícii na pozorovanie celá jeho unikátna časť a niektoré z jeho najbližších kópií. V tomto prípade nemôžu existovať štruktúry alebo procesy opísané mierkami oveľa väčšími ako pozorovaný horizont.

Smery, ktorými sa bude musieť kozmológia vyvíjať, ak sa potvrdí multiprepojenosť nášho Vesmíru, sú už jasné: ide o neinflačné modely a takzvané modely so slabou infláciou, pri ktorých sa veľkosť Vesmíru zväčší len niekoľkonásobne ( alebo desiatky krát) počas inflácie. Zatiaľ neexistujú žiadne takéto modely a vedci, ktorí sa snažia zachovať známy obraz sveta, aktívne hľadajú nedostatky vo výsledkoch získaných pomocou vesmírneho rádioteleskopu.

Spracovanie artefaktov

Jedna zo skupín, ktorá vykonala nezávislé štúdie údajov WMAP, upozornila na skutočnosť, že kvadrupólové a oktopólové zložky CMB majú blízko k sebe a ležia v rovine takmer zhodnej s galaktickým rovníkom. Záver tejto skupiny: pri odčítaní galaktického pozadia od údajov pozorovania mikrovlnného pozadia sa vyskytla chyba a skutočná hodnota harmonických je úplne iná.

Pozorovania WMAP sa uskutočnili na 5 rôznych frekvenciách špecificky s cieľom správne oddeliť kozmologické a miestne pozadie. A hlavný tím WMAP je presvedčený, že pozorovania boli spracované správne a odmieta navrhované vysvetlenie.

Dostupné kozmologické údaje, publikované ešte začiatkom roku 2003, boli získané po spracovaní výsledkov iba prvého roka pozorovaní WMAP. Na testovanie navrhovaných hypotéz je ako obvykle potrebné zvýšenie presnosti. Začiatkom roku 2006 WMAP nepretržite pozoroval štyri roky, čo by malo stačiť na zdvojnásobenie jeho presnosti, ale údaje ešte neboli zverejnené. Musíme chvíľu počkať a možno sa naše predpoklady o dodekaedrickej topológii vesmíru stanú úplne demonštratívnymi.

Michail Prochorov, doktor fyzikálnych a matematických vied

Einsteinova všeobecná teória relativity študuje geometriu 4-rozmerného časopriestoru. Otázka tvaru (geometrie) samotného trojrozmerného priestoru však zostáva dodnes nejasná.

Štúdiom rozloženia galaxií vedci dospeli k záveru, že náš vesmír je s vysokou mierou presnosti priestorovo homogénny a izotropný vo veľkých mierkach. To znamená, že geometria nášho sveta je geometriou homogénnej a izotropnej trojrozmernej rozmanitosti. Existujú iba tri takéto variety: trojrozmerná rovina, trojrozmerná guľa a trojrozmerný hyperboloid. Prvá varieta zodpovedá obvyklému trojrozmernému euklidovskému priestoru. V druhom prípade má vesmír tvar gule. To znamená, že svet je uzavretý a do rovnakého bodu vo vesmíre by sme sa mohli dostať jednoduchým pohybom po priamke (ako keď cestujeme okolo Zeme). Nakoniec priestor v tvare hyperboloidu zodpovedá otvorenej trojrozmernej rozmanitosti, ktorej súčet uhlov trojuholníka je vždy menší ako 180 stupňov. Štúdium iba rozsiahlej štruktúry vesmíru nám teda neumožňuje jednoznačne určiť geometriu trojrozmerného priestoru, ale výrazne znižuje možné možnosti.

Štúdium kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia, ktoré je v súčasnosti najpresnejšie kozmologicky pozorovateľné, umožňuje pokrok v tejto problematike. Faktom je, že tvar trojrozmerného priestoru má významný vplyv na šírenie fotónov vo vesmíre - aj mierne zakrivenie trojrozmerného potrubia by výrazne ovplyvnilo spektrum žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia. Moderný výskum na túto tému hovorí, že geometria vesmíru je plochá s vysokou mierou presnosti. Ak je priestor zakrivený, potom je zodpovedajúci polomer zakrivenia o 10 000 väčší ako kauzálne spojená oblasť vo vesmíre.

Otázka geometrie trojrozmernej rozmanitosti úzko súvisí s vývojom vesmíru v budúcnosti. Pre priestor vo forme trojrozmerného hyperboloidu by expanzia vesmíru trvala večne, zatiaľ čo pre sférickú geometriu by expanzia ustúpila kompresii, po ktorej by nasledoval kolaps vesmíru späť do singularity. Na základe moderných údajov však rýchlosť expanzie vesmíru dnes nie je určená zakrivením trojrozmerného potrubia, ale temnou energiou, určitou látkou s konštantnou hustotou. Navyše, ak hustota tmavej energie zostane v budúcnosti konštantná, jej príspevok k celkovej hustote vesmíru sa časom len zvýši a príspevok zakrivenia sa zníži. To znamená, že geometria trojrozmerného potrubia pravdepodobne nikdy nebude mať významný vplyv na vývoj vesmíru. Samozrejme, nie je možné robiť žiadne spoľahlivé predpovede o vlastnostiach temnej energie v budúcnosti a iba presnejšie štúdie jej vlastností môžu osvetliť budúci osud vesmíru.