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

> Aký je tvar vesmíru?

V akej forme je vesmír?: prieskum nekonečného priestoru, WMAP CMB mapa, geometria vesmíru a predpokladané tvary s fotografiou.

Oplatí sa vôbec zamyslieť nad tým, aký tvar má vesmír? Čo riešime? guľa? Kužeľ? plochý? A ako to definovať?

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

Ale nechcete vedieť, kde bývate? Už len preto, aby sme mali možnosť pozrieť sa na všetko zvonku, ako sme to urobili s našou domovskou 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 v staroveku. A ľudia kvôli nedostatku informácií ponúkali celkom úžasné veci. V hinduistických textoch to bolo vajce v tvare muža. Gréci videli ostrov plávajúci v prázdnote. Aristoteles hovorí, že vesmír má tvar nekonečnej gule alebo len korytnačky.

Je zaujímavé, že príspevky Alberta Einsteina pomáhajú otestovať každý z týchto modelov. Vedci navrhli tri obľúbené tvary: pozitívne zakrivené, negatívne zakrivené a ploché. Chápeme, že vesmír existuje v 4 dimenziách a ktorákoľvek z postáv hraničí so šialenou geometriou Lovecrafta. Zapnite teda maximum fantázie a ideme na to!

Pri pozitívne zakrivenej verzii získame štvorrozmernú guľu. Táto odroda má svoj koniec, ale nevyčnieva žiadna jasná hranica. Presnejšie povedané, dve častice by ju prekročili predtým, než sa vrátili do východiskového bodu. Dokonca si ho 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. Na úplné zakrivenie alebo uzavretie by sa priestor musel prestať rozširovať. To sa stane, ak existuje veľká energetická rezerva schopná vytvoriť okraj. Moderné údaje ukazujú, že expanzia je nikdy nekončiaci proces. Takže tento scenár je vonku.

Negatívne zakrivený tvar vesmíru je štvorrozmerné sedlo. Je otvorený, bez hraníc v priestore a čase. Energie je tu málo, takže vesmír sa neprestane rozpínať. Ak sú dve častice vystrelené 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 dve častice cestovať paralelne, ale nikdy sa neoddelia ani nestretnú.

Je ľahké si predstaviť tieto tri formy, 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 údajný tvar vesmíru.

A tak sa dostávame k fajke. Toto je ďalší druh negatívneho zakrivenia. Jeden z jeho koncov bude zúžený a druhý - široký. V prvej polovici sa všetko zdalo úzke a existovalo v dvoch dimenziách. A v širokom by sa dalo cestovať na maximálne vzdialenosti, ale muselo by sa vracať opačným smerom (zmena smeru v zákrute).

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

Bručúni budú tvrdiť, že toto všetko nemá zmysel a nikdy sa nedozvieme pravdu. Ale nebuďme takí kategorickí. Najnovšie údaje Planck 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 existujú ľudia, ktorí sa neustále snažia nájsť ešte viac informácií. Ak sa vám „ploché“ zdá nudné, tak nezabúdajte, že zatiaľ nemáme dostatok informácií. Preto je pravdepodobné, že všetci môžeme existovať v obrovskej šiške.

Predstavte si veľmi veľkú loptu. Hoci sa „zvonku“ zdá byť trojrozmerný, jeho povrch – guľa – je dvojrozmerný, pretože na 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 zároveň presne merali 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).
Myšlienku zakrivenia povrchu gule možno 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 je zakrivený povrch obrovskej gule.
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, nielen jej časť. Jedným z kľúčových aspektov opisu geometrie časopriestoru je, že musíme opísať celý priestor a celý čas v jeho celistvosti. To znamená, že je potrebné popísať „všetko“ a „vždy“ „v jednej fľaši“. Časopriestorová geometria je geometria celého priestoru a času spolu ako jedna matematická jednotka.

Čo určuje geometriu časopriestoru?

Fyzici v podstate pracujú nasledujúcim spôsobom – hľadajú pohybové rovnice, ktorých riešenia najlepšie vystihujú systém, ktorý chcú fyzici opísať. Einsteinova rovnica predstavuje klasická pohybová rovnica časopriestoru. Je to klasické, pretože kvantové efekty neboli brané do úvahy pri jeho získaní. A tak sa s geometriou časopriestoru zaobchádza ako s výlučne klasickým konceptom 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, z ktorých sa skladajú atómy, ktoré sa skladajú z hmoty, elektromagnetického žiarenia, každá častica – nositeľ interakcie (okrem gravitácie) – „žije“ v zakrivenom priestore – čas 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 vždy. Inými slovami, časopriestor zahŕňa všetky udalosti, ktoré sa kedy stali a stanú.
Pravda, teraz, ak budeme v takomto poňatí príliš doslovní, môžeme naraziť na problémy, pretože nedokážeme brať do úvahy všetky tie najmenšie zmeny v rozložení energie a hustoty hybnosti vo Vesmíre, ktoré sa práve udiali a ešte len v r. vesmír. Ale, našťastie, ľudská myseľ je schopná operovať s pojmami ako napr abstrakcie a aproximácia, takže môžeme zostaviť abstraktný model, ktorý zhruba popisuje pozorovateľný vesmír celkom dobre vo veľkých mierkach, povedzme, v mierkach kôp galaxií.
Ale na riešenie rovníc to nestačí. Je tiež potrebné urobiť určité zjednodušujúce predpoklady o zakrivení časopriestoru. Prvý predpoklad, ktorý robíme, je taký časopriestor možno úhľadne rozdeliť na priestor a čas. To však nie je vždy možné, 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 takto otáčať. Môžeme teda dobre predpokladať, že časopriestor možno opísať ako priestor, ktorý sa časom mení.
Ďalším dôležitým predpokladom, ktorý vyplýva 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 vyzerať rovnako v akomkoľvek bode sa nazýva uniformita. Teda predpokladáme, že náš priestor homogénne a izotropné. Kozmológovia nazývajú tento predpoklad maximálna symetria. Predpokladá sa, že ide o dostatočne rozumný predpoklad vo veľkom meradle.
Pri riešení Einsteinových rovníc pre geometriu časopriestoru nášho vesmíru kozmológovia zvažujú tri hlavné typy energie, ktoré môžu deformovať časopriestor a robia to:
1. energia vákua
2. žiarenie
3. obyčajná záležitosť
Žiarenie a bežná hmota sa považujú za homogénny plyn napĺňajúci vesmír, pričom určitá stavová rovnica súvisí s tlakom a hustotou.
Po vytvorení predpokladov o homogenite zdrojov energie a maximálnej symetrii možno Einsteinove rovnice zredukovať na dve diferenciálne rovnice, ktoré sa dajú ľahko vyriešiť pomocou najjednoduchších metód výpočtu. Z riešení dostaneme dve veci: geometria priestoru a potom ako sa časom menia rozmery priestoru.

Otvorené, zatvorené alebo ploché?

Ak v každom okamihu 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 pozitívnym, negatívnym a nulovým zakrivením (plochý). V prípade, že neexistuje energia vákua (lambda termín), je tam len obyčajná hmota a žiarenie, zakrivenie okrem všetkého dáva odpoveď aj na otázku doby evolúcie:
pozitívne zakrivenie: N-rozmerný priestor s konštantným kladným zakrivením je N-rozmerná guľa. Kozmologický model, v ktorom má priestor konštantné kladné zakrivenie, sa nazýva tzv ZATVORENÉ kozmologický model. V takomto 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 „Veľkého Crunch“.
Nulové zakrivenie: Priestor s nulovým zakrivením sa nazýva plochý priestor. Takýto plochý priestor je nekompaktný, nekonečne sa rozprestiera do všetkých smerov, len tak 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 možno takýto unikátny svet porovnať viac či menej známy, je hyperboloid, čo je dvojrozmerná hypersféra. Priestor so záporným zakrivením má nekonečný objem. V priestore s negatívnym zakrivením, OTVORENÉ Vesmír. Rovnako ako plochý 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. Nechajte . 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 - prašné a radiačné a zanedbané energia vákua, ktorý môže byť prítomný. Hustota energie vákua je konštantná, tiež tzv kozmologická konštanta.

Odkiaľ pochádza temná hmota?

Vo vesmíre je veľa vecí, ako sú hviezdy alebo horúci plyn alebo čokoľvek, čo vyžaruje 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 našli dôkazy, že vo vesmíre je množstvo neviditeľnej hmoty.
Napríklad sa ukázalo, 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 nerozletela, viedli fyzikov a astronómov k záveru, že väčšina hmoty vo vesmíre je neviditeľná. Táto látka je tzv temná hmota a je to veľmi dôležité pre kozmológiu.
Keďže vo vesmíre existuje temná hmota, čo to môže byť? Z čoho sa dá vyrobiť? Ak by pozostával z kvarkov, ako je bežná hmota, potom by sa v ranom vesmíre malo 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 obyčajnými časticami, ktoré sú teraz pozorované na urýchľovačoch.
Viditeľnej hmoty vo vesmíre je teda oveľa menej, 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? Štúdium pohybov v kopách galaxií naznačuje, že celková hustota je asi 30% kritickej, zatiaľ čo viditeľná hmota je 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 sa vesmír naplnený obyčajnou hmotou musí rozpínať. Ale Einstein chcel teóriu, v ktorej by vesmír zostal vždy rovnako veľký. A aby to urobil, pridal do rovnice termín, ktorý je dnes známy ako kozmologický termín, ktorá po pripočítaní k energetickej hustote bežnej hmoty a žiarenia zabránila tomu, aby sa vesmír stále rozpínal a nikdy nezmršťoval, no zostal navždy rovnaký.
Keď však Hubble zistil, že sa náš vesmír rozpína, Einsteinov kozmologický termín bol zabudnutý a „opustený“. Záujem o ňu však po čase prebudili relativistické kvantové teórie, v ktorých sa kozmologická konštanta objavuje dynamicky prirodzeným spôsobom 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 „problémy“ – ako túto energiu vákua nezväčšiť, 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 mätúcim ako najjednoduchšie prípady otvoreného alebo uzavretého vesmíru opísané vyššie.

No, aká je 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. Podľa nedávnych 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 sa však vplyvom rozpínania Vesmíru tieto fotóny ochladili a teraz je ich teplota 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 pozadia naznačujú práve to naše Vesmír je plochý.
2. Vo vesmíre existuje kozmologická konštanta: Vo vesmíre je energia vákua, alebo aspoň niečo, čo pôsobí ako energia vákua, čo spôsobuje, že sa vesmír rýchlo rozpína. Údaje o červených posunoch vzdialených supernov sú dôkazom zrýchleného rozpínania vesmíru.
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 je len malým zlomkom všetkej hmoty vo vesmíre.
Od súčasnej doby


Takže teraz vo vesmíre je hustota energie vákua viac ako dvojnásobok hustoty energie tmavej hmoty a príspevok baryonickej viditeľnej hmoty možno jednoducho zanedbať. Náš plochý vesmír by sa teda mal navždy rozpínať.

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

Ďalšiu verziu štruktúry vesmíru predložil fyzik Frank Steiner z Univerzity v Ulme (Universität Ulm), pričom spolu s kolegami opätovne analyzoval údaje zozbierané vesmírnou sondou Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), ktorá bola raz vypustená do detailne zachytiť žiarenie pozadia.

Neponáhľajte sa však rozprávať 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 „Mobiovej slučky“.

Z tejto prezentácie vyplývajú zaujímavé závery. Napríklad, že keď letíte po priamke na nejakej „superrýchlej“ rakete, môžete sa nakoniec vrátiť do východiskového bodu, alebo ak vezmete „veľmi veľký“ ďalekohľad, môžete vidieť rovnaké objekty v rôznych častiach vesmíru, len vďaka konečnosti rýchlosť svetla - v rôznych štádiách života.

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

Teraz Steiner a jeho druhovia prihodili nové palivové drevo do ohňa.

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

Nemecký fyzik zostavil niekoľko modelov vesmíru a otestoval, ako v nich vznikajú vlny hustoty mikrovlnného pozadia. Tvrdí, že vesmír donutov sa najviac zhoduje s pozorovaným kozmickým mikrovlnným pozadím 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 vedci vysvetľujú, ako sa ho aspoň pokúsiť vyrobiť.

Najprv si predstavte, ako vzniká obyčajný „donut“. Vezmete list papiera a zložíte ho do trubice, pričom dva protiľahlé okraje zlepíte. Potom trubicu zviniete do torusu a zlepíte jej dva protiľahlé "výstupy" dohromady.

Pri 3-toruse je všetko rovnaké, okrem toho, že ako počiatočná zložka sa neberie list, ale kocka a je potrebné lepiť nie okraje rovín, 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 odborníci, ktorí sa vyjadrili k Steinerovej práci, poznamenali, že nepresvedčivo nedokazuje, že vesmír je „vysokorozmerná šiška“, ale len hovorí, že táto forma je jednou 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 žiarenia pozadia, ako sú tie, ktoré vykonáva WMAP. A takýto prieskum čoskoro uskutoční aj európsky satelit Planck, ktorý má odštartovať 31. októbra 2008.

„Z filozofického hľadiska sa mi páči myšlienka, že vesmír je konečný a jedného dňa by sme ho mohli naplno preskúmať a dozvedieť sa o ňom všetko. Ale keďže otázky fyziky 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. Podobne sa menili aj pohľady na vesmír. Svojho času Newton veril, že priestor je plochý a nekonečný. Einstein dovolil, aby náš svet bol nielen bezhraničný a pokrivený, ale aj uzavretý. Najnovšie údaje získané v procese štúdia žiarenia pozadia naznačujú, že vesmír môže byť uzavretý do seba. Ukazuje sa, že ak neustále lietate zo zeme, v určitom bode sa k nej začnete približovať a nakoniec sa vrátite späť, obídete celý vesmír a urobíte cestu okolo sveta, rovnako ako jedna z Magellanových lodí, obleteli celú zemeguľu a doplavili sa do španielskeho prístavu Sanlúcar de Barrameda.

Hypotéza, že náš vesmír sa zrodil v dôsledku Veľkého tresku, sa dnes považuje za všeobecne akceptovanú. Hmota bola na začiatku 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 ionizovanú plynovú plazmu, nepriepustnú pre svetlo a akékoľvek elektromagnetické vlny. Rekombinácia (spájanie) jadier a elektrónov, ktorá sa v tom čase začala, teda vznik neutrálnych atómov vodíka a hélia, radikálne zmenila optické vlastnosti Vesmíru. Stal sa transparentným pre väčšinu elektromagnetických vĺn.

Štúdiom svetla a rádiových vĺn teda môžeme vidieť len to, čo sa stalo po rekombinácii, a všetko, čo sa stalo predtým, je pre nás uzavreté akousi „ohnivou stenou“ ionizovanej hmoty. Oveľa hlbšie do histórie vesmíru je možné 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 toto. je vecou budúcnosti a ani zďaleka nie.najbližšie.

Od vzniku neutrálnych atómov sa náš vesmír rozšíril asi 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 pri testovaní 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 hmotných galaxií, ich zhluky 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 Einsteinových rovníc všeobecnej relativity (GR), ktoré našiel v roku 1922 Alexander Friedman, majú najjednoduchšiu topológiu. Ich priestorové rezy pripomínajú roviny (pre nekonečné riešenia) alebo gule (pre ohraničené riešenia). Ale ukazuje sa, že takéto vesmíry majú alternatívu: vesmír bez hrán a hraníc, vesmír konečného objemu uzavretý sám do seba.

Prvé riešenia, ktoré našiel Friedman, opisovali vesmíry naplnené len jedným druhom hmoty. Rôzne obrázky vznikli kvôli rozdielu 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 vystriedala ju kontrakcia do bodu. Vesmír s hustotou pod kritickou mal záporné zakrivenie a rozpínal sa nekonečne, 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, podobne ako otvorený, sa rozširuje donekonečna, ale miera jeho rozťahovania má tendenciu k nule. Neskôr boli vynájdené zložitejšie modely, v ktorých bol homogénny a izotropný vesmír naplnený viaczložkovou hmotou, ktorá sa časom mení.

Moderné pozorovania ukazujú, že vesmír sa teraz rozširuje so zrýchlením (pozri „Beyond the Universe's Event Horizon“, č. 3, 2006). Takéto správanie je možné, ak je priestor vyplnený nejakou látkou (často nazývanou tmavá energia) s vysokým podtlakom blízkym hustote energie tejto látky. Táto vlastnosť temnej energie vedie k vzniku akejsi antigravitácie, ktorá vo veľkom prekonáva príťažlivé 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 nárast veľkosti narastá 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 reprezentujú ho podobne ako náš obvyklý priestor. Tento obrázok je v dobrej zhode s údajmi, ktoré astronómovia získavajú pomocou ďalekohľadov, ktoré zaznamenávajú infračervené, viditeľné, ultrafialové a röntgenové žiarenie. A iba údaje z rádiových pozorovaní, konkrétne podrobné štúdium reliktného pozadia, prinútili vedcov pochybovať, že náš svet je usporiadaný 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 nebolo dokončené ani dnes. Fyzika sa zvyčajne používa na vysvetlenie nových kozmologických údajov: stavových rovníc hmoty, zákonov expanzie a spektier počiatočných porúch. No tentoraz si povaha zistenej uhlovej nehomogenity žiarenia vyžadovala úplne iné vysvetlenie, geometrické. Presnejšie topologické.

Hlavným účelom WMAP bolo vytvoriť podrobnú mapu teploty kozmického mikrovlnného pozadia (alebo, ako sa to tiež nazýva, mikrovlnného pozadia). WMAP je ultracitlivý rádiový prijímač, ktorý súčasne registruje 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 spoločným pôsobením gravitačných polí Zeme a Slnka má periódu revolúcie presne jeden rok a zo Zeme nikam neodletí. Satelit bol vypustený na takú vzdialenú obežnú dráhu, aby rušenie pozemskou ľudskou činnosťou nerušilo príjem reliktného rádiového vyžarovania.

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 je 1,02 ± 0,02 (to znamená, že náš vesmír je plochý alebo uzavretý s veľmi malým zakrivením). Po druhé, Hubbleova konštanta charakterizujúca expanziu nášho sveta vo veľkom meradle, 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 oveľa väčšia ako špecifikovaná 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 premenné zložky odlíšené od všeobecného obrazu porúch, ktoré sa zmestia na guľu celý počet krát: kvadrupól 2 krát, oktopól 3 krát atď. Čím vyššie je číslo sférickej harmonickej, tým viac vysokofrekvenčných kmitov pozadia opisuje a tým menšia je uhlová veľkosť zodpovedajúcich „škvŕn“. Teoreticky je počet sférických harmonických nekonečný, ale pre skutočnú mapu pozorovania je obmedzený uhlovým rozlíšením, s ktorým boli pozorovania uskutočnené.

Pre správne meranie všetkých sférických harmonických je potrebná mapa celej nebeskej sféry a WMAP dostáva overenú verziu práve o rok. Prvé takéto nie príliš podrobné mapy boli získané v roku 1992 v experimentoch Relic a COBE (Cosmic Background Explorer).

Ako vyzerá bagel ako šálka kávy?
Existuje taká vetva matematickej topológie, ktorá skúma vlastnosti telies, ktoré sú zachované pri akejkoľvek ich deformácii bez medzier a 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, a to isté urobiť s torusom, môžete urobiť iba dva rezy. Topológovia jednoducho milujú všelijaké exotické konštrukcie ako plochý torus, rohatú guľu alebo Kleinovu fľašu, ktoré sa dajú správne zobraziť iba v priestore s dvakrát väčšími rozmermi. Takže náš trojrozmerný vesmír, uzavretý do seba, si možno ľahko predstaviť len tým, že žijeme v šesťrozmernom priestore. Kozmickí topológovia zatiaľ nezasahujú do času a ponechávajú mu možnosť jednoducho lineárne prúdiť bez toho, aby sa do čohokoľvek zamykali. Takže schopnosť pracovať v priestore siedmich dimenzií je dnes celkom dostatočná na to, aby sme pochopili, aký zložitý je náš dvanásťstenný vesmír.

Konečná teplotná mapa CMB je založená na dôkladnej analýze 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, sa ukázali byť jasne pod úrovňou očakávanou teoretikmi. Navyše, pravdepodobnosť, že by k takýmto veľkým odchýlkam mohlo dôjsť náhodou, je extrémne malá. Potlačenie kvadrupólu a oktupólu už bolo zaznamenané v údajoch COBE. Mapy získané v tých rokoch však mali slabé rozlíšenie a veľký šum, preto sa diskusia o tejto problematike odložila na lepšie časy. Z akého dôvodu sa ukázali byť amplitúdy dvoch najväčších výkyvov intenzity kozmického mikrovlnného pozadia také malé, bolo spočiatku úplne nepochopiteľné. Zatiaľ sa nepodarilo vymyslieť fyzikálny mechanizmus na ich potlačenie, pretože musí pôsobiť v mierke celého pozorovateľného Vesmíru, urobiť ho homogénnejším a zároveň prestať fungovať na menších mierkach, čo mu umožní kolísať. silnejšie. Zrejme 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 sa potlačenie nízkofrekvenčných harmonických dá vysvetliť priestorovou vysokofrekvenčnou moduláciou žiarenia pozadia. Tento efekt vzniká v dôsledku opakovaného pozorovania tej istej oblasti rekombinácie plazmy cez rôzne časti uzavretého dodekaedrického priestoru. Ukazuje sa, že nízke harmonické, ako to bolo, samy zhasnú v dôsledku prechodu rádiového signálu cez rôzne aspekty vesmíru. V takomto topologickom modeli sveta sa udalosti vyskytujúce sa v blízkosti jednej z tvárí dvanásťstenu ukážu ako blízko a na opačnej strane, 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 málo 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 pozadia, ktorá je dnes 2,728 K. Po odčítaní od všeobecného pozadia sa dipólová zložka ukáže ako najväčšia, čo ukazuje, aká je teplota v jednej z hemisfér. priestoru, ktorý nás obklopuje, je vyšší ako v druhom. Prítomnosť tejto zložky je spôsobená najmä pohybom Zeme a Mliečnej dráhy vzhľadom na CMB. V dôsledku Dopplerovho javu teplota v smere pohybu stúpa a v opačnom smere klesá. Táto okolnosť umožní určiť rýchlosť akéhokoľvek objektu vzhľadom na CMB a zaviesť tak dlho očakávaný absolútny súradnicový systém, ktorý je vzhľadom na celý Vesmír lokálne v pokoji.

Veľkosť dipólovej anizotropie súvisiacej s pohybom Zeme je 3,353*10-3 K. To zodpovedá pohybu Slnka voči žiareniu pozadia 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, kam patrí, pohybuje voči relikvii rýchlosťou asi 600 km/s.

Všetky ostatné poruchy (začínajúce kvadrupólom a vyššie) na mape pozadia sú spôsobené nehomogenitami v hustote, teplote a rýchlosti hmoty na hranici rekombinácie, ako aj rádiovým vyžarovaním z našej Galaxie. Po odčítaní dipólovej zložky sa ukáže, že celková amplitúda všetkých ostatných odchýlok je len 18 * 10-6 K. Aby sa vylúčilo vlastné žiarenie Mliečnej dráhy (hlavne sústredené v rovine galaktického rovníka), pozorovania mikrovlnnej pozadia sa uskutočňujú v piatich frekvenčných pásmach v rozsahu od 22,8 GHz do 93,5 GHz.

Kombinácie s Thorom

Najjednoduchším telesom s topológiou zložitejšou ako guľa alebo rovina je torus. Každý, kto držal donut v ruke, si to vie 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 identifikujete jeho protiľahlé tváre, vytvorí sa trojrozmerný torus. Ak sa vo vnútri takejto kocky pozriete na okolitý priestor, môžete vidieť nekonečný svet pozostávajúci z kópií jej jedinej a jedinečnej (neopakujúcej sa) časti, ktorej objem je celkom obmedzený. V takomto svete neexistujú hranice, ale existujú tri vybrané smery rovnobežné s hranami 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 strán obyvateľ takého sveta uvidí svoju hlavu, a nie svoju tvár, ako v pozemskej miestnosti smiechu. Správnejším modelom by bola miestnosť vybavená 6 TV kamerami a 6 plochými LCD monitormi, ktoré zobrazujú obraz snímaný filmovou kamerou umiestnenou oproti. V tomto modeli sa viditeľný svet uzatvára do seba kvôli výstupu do inej televíznej dimenzie.

Vyššie opísaný obraz potlačenia nízkofrekvenčných harmonických je správny, ak je čas, za ktorý svetlo prejde počiatočným objemom, dostatočne malý, teda ak sú rozmery počiatočného telesa malé v porovnaní s kozmologickými mierkami. Ak sa ukážu rozmery časti vesmíru prístupnej na pozorovanie (tzv. horizont vesmíru) menšie ako rozmery počiatočného topologického objemu, potom sa situácia nebude nijako líšiť od toho, čo vidíme na obvyklý nekonečný Einsteinovský vesmír a nebudú pozorované žiadne anomálie v spektre CMB.

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, kvôli tomu sa skresľuje uhlová štruktúra žiarenia a nízkofrekvenčné výkyvy sa stávajú vysokofrekvenčnými. Výsledkom je, že čím menší je počiatočný objem, tým silnejšie je potlačenie najmenších veľkých uhlových fluktuácií, čo znamená, že štúdiom reliktného pozadia je možné 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. V tomto prípade uhlové spektrá získané v experimente WMAP najlepšie súhlasia s dodekaedrickým modelom vesmíru. Tento pravidelný mnohosten, ktorý má 12 päťuholníkových plôch, pripomína futbalovú loptu ušitú z päťuholníkových záplat. Ukazuje sa, že v priestore s malým kladným zakrivením môžu pravidelné dvanásťsteny vyplniť celý priestor bez otvorov a vzájomných priesečníkov. Pri určitom pomere medzi veľkosťou dvanástnika a zakrivením je na to potrebných 120 guľových dvanásťstenov. Okrem toho možno túto zložitú štruktúru stoviek „gulí“ zredukovať na topologicky ekvivalentnú štruktúru pozostávajúcu iba z jedného dvanástnika, v ktorom sú identifikované protiľahlé plochy otočené o 180 stupňov.

Vesmír vytvorený z takého dvanástnika má množstvo zaujímavých vlastností: nemá žiadne preferované smery a lepšie ako väčšina ostatných modelov popisuje veľkosť najnižších uhlových harmonických CMB. Takýto obraz vzniká len v uzavretom svete s pomerom skutočnej hustoty hmoty ku kritickej 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. Pre fyzikov a filozofov je to však úplne iná záležitosť. Ako pre svetonázor ako celok, tak aj pre jednotnú teóriu vysvetľujúcu 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.

Zvuková plazma
Na fluktuačnom spektre CMB červená čiara označuje predpovede teoretického modelu. Sivá chodba okolo nej sú prípustné odchýlky a čierne bodky sú výsledkom pozorovaní. Väčšina údajov bola získaná v experimente WMAP a len pre najvyššie harmonické sú pridané výsledky štúdií CBI (balón) a ACBAR (antarktická zem). Na normalizovanom grafe uhlového spektra fluktuácií reliktného žiarenia je vidieť 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 čase rekombinácie. Maximálna amplitúda kmitov pripadá na veľkosť kauzálne súvisiacej oblasti (zvukového horizontu) v momente rekombinácie. Na menších mierkach boli oscilácie plazmy zoslabené viskozitou fotónov, zatiaľ čo vo veľkých mierkach boli poruchy navzájom nezávislé a neboli vo fáze. Preto maximálne fluktuácie pozorované v modernej dobe spadajú do uhlov, v ktorých je dnes viditeľný zvukový horizont, teda oblasť primárnej plazmy, ktorá žila v čase rekombinácie jediným životom. 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.

Veľa informácií o kozmologických parametroch je obsiahnutých v druhom a nasledujúcich akustických vrcholoch. Ich samotná existencia odráža fakt „fázovania“ akustických oscilácií v plazme v ére rekombinácií. Ak by takéto spojenie neexistovalo, potom by sa pozoroval iba prvý vrchol a kolísanie na všetkých menších mierkach by bolo rovnako pravdepodobné. Aby však k takémuto kauzálnemu vzťahu fluktuácií na rôznych mierkach došlo, tieto (veľmi vzdialené od seba) regióny museli byť schopné vzájomnej interakcie. Práve táto situácia prirodzene nastáva v inflačnom modeli vesmíru a istá detekcia druhého a nasledujúcich vrcholov v uhlovom spektre fluktuácií CMB je jedným z najvážnejších potvrdení tohto scenára.

Pozorovania reliktného žiarenia 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 má 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 hranice rekombinácie a pôvodného mnohostenu tvorí na mape mikrovlnného pozadia 6 párov kruhov umiestnených 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 rovnaké a symetrické iba pre pozorovateľa, ktorý je nehybný vzhľadom na pozadie pozadia. Zem sa oproti nej oproti nej pohybuje dostatočne vysokou rýchlosťou, vďaka čomu sa v žiarení pozadia objavuje výrazná dipólová zložka. V tomto prípade sa kruhy menia na elipsy, mení sa ich veľkosť, 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, aby sme pomohli zistiť, či tam sú alebo nie sú.

Viacnásobná inflácia

Azda najzávažnejší problém zo všetkých topologicky zložitých kozmologických modelov, a ktorých už vzniklo značné množstvo, má najmä teoretický charakter. Dnes sa inflačný scenár vývoja vesmíru považuje za štandardný. Bolo navrhnuté vysvetliť vysokú homogenitu a izotropiu pozorovateľného vesmíru. Vesmír, ktorý sa zrodil, bol podľa neho spočiatku dosť nehomogénny. Potom, v procese inflácie, keď sa vesmír rozpínal podľa zákona blízkeho exponenciálnemu rozpätiu, jeho počiatočné rozmery sa zväčšili o mnoho rádov. Dnes vidíme len malú časť Veľkého vesmíru, v ktorom stále pretrvávajú heterogenity. Pravda, majú taký veľký priestorový rozsah, že sú neviditeľné vo vnútri nám dostupnej oblasti. Inflačný scenár je zďaleka najlepšie vyvinutá kozmologická teória.

Pre viacnásobne prepojený vesmír nie je takýto sled udalostí vhodný. V ňom je na pozorovanie k dispozícii 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 vyvinúť kozmológia, ak sa potvrdí mnohonásobná prepojenosť nášho vesmíru, sú už jasné: ide o neinflačné modely a takzvané modely so slabou infláciou, v ktorých sa veľkosť vesmíru počas inflácie iba zväčšuje. niekoľkokrát (alebo desaťkrát). 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 štvorpólové a oktopólové zložky kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia majú blízko k sebe a ležia v rovine, ktorá sa takmer zhoduje s galaktickým rovníkom. Záver tejto skupiny je, že došlo k chybe pri odčítaní pozadia Galaxie od pozorovaní mikrovlnného pozadia 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 spracovanie pozorovaní bolo vykonané 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 vykonáva WMAP nepretržité pozorovania štyri roky, čo by malo stačiť na zdvojnásobenie presnosti, ale tieto údaje ešte neboli zverejnené. Musíme chvíľu počkať a možno sa naše predpoklady o dodekaedrickej topológii vesmíru stanú celkom presvedčivými.

Michail Prochorov, doktor fyzikálnych a matematických vied

Einsteinova všeobecná teória relativity sa zaoberá štúdiom geometrie 4-rozmerného časopriestoru. Otázka podoby (geometrie) samotného trojrozmerného priestoru však zostáva zatiaľ 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 len pohybom po priamke (ako keď cestujeme okolo Zeme). Nakoniec priestor vo forme hyperboloidu zodpovedá otvorenej trojrozmernej rozmanitosti, ktorej súčet uhlov trojuholníka je vždy menší ako 180 stupňov. Štúdium iba rozsiahlej štruktúry vesmíru teda neumožňuje jednoznačne určiť geometriu trojrozmerného priestoru, ale výrazne znižuje možné možnosti.

Pokrok v tejto problematike umožňuje štúdium kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia, ktoré je v súčasnosti najpresnejšie kozmologicky pozorovateľné. 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 expanziu nahradila kontrakcia, 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 bude s časom iba rásť, zatiaľ čo podiel zakrivenia bude klesať. To znamená, že geometria trojrozmernej rozmanitosti s najväčšou pravdepodobnosťou 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 budú môcť osvetliť budúci osud vesmíru.