Светът на диска: Извита ли е Вселената? Плоска вселена - безкрайно разширение, нулева кривина Защо Вселената е плоска.

Доктор на физико-математическите науки А. МАДЕРА.

Какво е общото между лист хартия, повърхност на маса, поничка и чаша?

Двумерни аналози на евклидови, сферични и хиперболични геометрии.

Лента на Мьобиус с точка a на нейната повърхност, нормала към нея и малка окръжност с дадено направление v.

Плосък лист хартия може да бъде залепен в цилиндър и като свържете краищата му, можете да получите торус.

Тор с една дръжка е хомеоморфен на сфера с две дръжки - топологията им е една и съща.

Ако изрежете тази фигура и залепите куб от нея, ще стане ясно как изглежда триизмерен торус, безкрайно повтарящи се копия на зеления „червей“, който седи в центъра му.

Триизмерен торус може да бъде залепен заедно от куб, точно както двуизмерен торус може да бъде залепен заедно от квадрат. Многоцветните „червеи“, пътуващи вътре в него, ясно показват кои страни на куба са залепени заедно.

Кубът, основната област на триизмерен тор, е нарязан на тънки вертикални слоеве, които, когато са залепени заедно, образуват пръстен от двуизмерни тори.

Ако две страни на оригиналния куб се слепят заедно с 180-градусово завъртане, се образува 1/2-завъртяно кубично пространство.

Завъртането на две страни на 90 градуса дава 1/4-завъртано кубично пространство. Опитайте тези чертежи и подобни чертежи на страница 88 като обърнати стерео двойки. „Червеите“ на незавъртени ръбове ще придобият обем.

Ако вземем шестоъгълна призма като фундаментална област, залепим всяка от нейните страни директно към противоположната и завъртим шестоъгълните краища на 120 градуса, получаваме 1/3-завъртяно шестоъгълно призматично пространство.

Завъртането на шестоъгълната повърхност на 60 градуса преди залепването създава 1/6-завъртяно шестоъгълно призматично пространство.

Двойно кубично пространство.

Пространство за плоча възниква, когато горната и долната страна на безкрайна плоча са залепени заедно.

Тръбни пространства - прави (А) и завъртени (В), при които една от повърхностите е залепена за срещуположната със завъртане на 180 градуса.

Карта на разпространение на микровълните космическо микровълново фоново лъчениедемонстрира разпределението на плътността на материята, което е било преди 300 хиляди години (показано в цвят). Анализът му ще даде възможност да се определи каква топология има Вселената.

В древни времена хората са вярвали, че живеят на обширна равна повърхност, макар и покрита тук-там с планини и падини. Това вярване се запазва в продължение на много хиляди години до Аристотел през 4 век пр.н.е. д. Не забелязах, че кораб, излизащ в открито море, изчезва от поглед не защото, докато се отдалечава, се свива до размери, недостъпни за окото. Напротив, първо изчезва корпусът на кораба, след това платната и накрая мачтите. Това го накарало да заключи, че Земята трябва да е кръгла.

През последните хилядолетия са направени много открития и е натрупан огромен опит. И все пак фундаменталните въпроси все още остават без отговор: крайна или безкрайна ли е Вселената, в която живеем, и каква е нейната форма?

Неотдавнашни наблюдения на астрономи и изследвания на математици показват, че формата на нашата Вселена трябва да се търси сред осемнадесет така наречени триизмерни ориентируеми Евклидови многообразия и само десет могат да претендират за нея.

Всички заключения за възможната форма на нашата Вселена трябва да се основават на реални факти, получени от астрономически наблюдения. Без това дори най-красивите и правдоподобни хипотези са обречени на провал. Затова нека да видим какво казват резултатите от наблюденията за Вселената.

На първо място, отбелязваме, че независимо къде се намираме във Вселената, около всяка точка можем да очертаем сфера с произволен размер, съдържаща вътрешното пространство на Вселената. Тази донякъде изкуствена конструкция казва на космолозите, че пространството на Вселената е триизмерно многообразие (3-многообразие).

Веднага възниква въпросът: какъв вид разнообразие представлява нашата Вселена? Математиците отдавна са установили, че има толкова много от тях, че пълен списъквсе още не съществува. Дългосрочните наблюдения показват, че Вселената има редица физични свойства, които рязко намаляват броя на възможните кандидати за неговата форма. И едно от основните свойства на топологията на Вселената е нейната кривина.

Според приетата днес концепция, приблизително 300 хиляди години по-късно голям взривтемпературата на Вселената падна до ниво, достатъчно електрони и протони да се съединят в първите атоми (виж "Наука и живот" № 11, 12, 1996 г.). Когато това се случи, радиацията, която първоначално е била разпръсната от заредени частици, внезапно успя да премине безпрепятствено през разширяващата се Вселена. Това лъчение, сега известно като космически микровълнов фон или реликтово лъчение, е изненадващо еднородно и разкрива само много слаби отклонения (флуктуации) на интензитета от средната стойност (виж Наука и живот № 12, 1993 г.). Такава хомогенност може да съществува само във Вселената, чиято кривина е постоянна навсякъде.

Постоянството на кривината означава, че пространството на Вселената има една от трите възможни геометрии: плоска евклидова сферична с положителна кривина или хиперболична с отрицателна. Тези геометрии имат напълно различни свойства. Например в евклидовата геометрия сумата от ъглите на триъгълник е точно 180 градуса. Това не е така при сферичните и хиперболичните геометрии. Ако вземете три точки на сфера и начертаете прави линии между тях, тогава сумата от ъглите между тях ще бъде повече от 180 градуса (до 360). В хиперболичната геометрия тази сума е по-малка от 180 градуса. Има и други фундаментални различия.

И така, коя геометрия да изберем за нашата Вселена: Евклидова, сферична или хиперболична?

Немският математик Карл Фридрих Гаус разбира през първата половина на 19 век, че реалното пространство на околния свят може да бъде неевклидово. Извършвайки многогодишна геодезическа работа в Кралство Хановер, Гаус се заел да изследва геометричните свойства на физическото пространство, използвайки директни измервания. За целта той избира три отдалечени един от друг планински върха – Хоенхаген, Инселберг и Брокен. Застанал на един от тези върхове, той насочи отразените от огледалата слънчеви лъчи към другите два и измери ъглите между страните на огромен триъгълник от светлина. Така той се опита да отговори на въпроса: изкривени ли са траекториите на светлинните лъчи, преминаващи над сферичното пространство на Земята? (Между другото, горе-долу по същото време руският математик, ректор на Казанския университет Николай Иванович Лобачевски предложи експериментално да се изследва въпросът за геометрията на физическото пространство с помощта на звезден триъгълник.) Ако Гаус беше открил, че сумата от ъглите на светлият триъгълник се различава от 180 градуса, тогава би следвало заключението, че страните на триъгълника са извити и реалната физическо пространствонеевклидови. Въпреки това, в границите на грешката на измерване, сумата от ъглите на „тестовия триъгълник Брокен - Хоенхаген - Инселберг“ беше точно 180 градуса.

Така че в малък (по астрономически стандарти) мащаб Вселената изглежда като Евклидова (въпреки че, разбира се, е невъзможно заключенията на Гаус да се екстраполират към цялата Вселена).

Скорошни проучвания, използващи балони на голяма надморска височина, летящи над Антарктика, също подкрепят това заключение. При измерване на ъгловия спектър на мощност на CMB беше открит пик, който според изследователите може да се обясни само със съществуването на студена черна материя - относително големи, бавно движещи се обекти - точно в Евклидовата Вселена. Други изследвания също подкрепят това заключение, което рязко намалява броя на вероятните кандидати за възможната форма на Вселената.

Още през тридесетте години на 20-ти век математиците доказаха, че има само 18 различни Евклидови триизмерни многообразия и следователно само 18 възможни форми на Вселената вместо техните безкраен брой. Разбирането на свойствата на тези многообразия помага експериментално да се определи истинската форма на Вселената, тъй като целенасоченото търсене винаги е по-ефективно от сляпото търсене.

Въпреки това, броят на възможните форми на Вселената може да бъде допълнително намален. Наистина, сред 18-те евклидови 3-многообразия има 10 ориентируеми и 8 неориентируеми. Нека обясним какво представлява понятието ориентираемост. За да направите това, помислете за интересна двуизмерна повърхност - лентата на Мьобиус. Може да се получи от правоъгълна лента хартия, усукана веднъж и залепена в краищата. Сега нека вземем точка от лентата на Мьобиус А, начертайте нормал (перпендикуляр) към нея, а около нормалата нарисувайте малък кръг с посока, обратна на часовниковата стрелка, когато се гледа от края на нормалата. Нека започнем да местим точката заедно с нормалата и насочената окръжност по лентата на Мьобиус. Когато точката обиколи целия лист и се върне в първоначалното си положение (визуално ще бъде от другата страна на листа, но в геометрията повърхността няма дебелина), посоката на нормалата ще се промени на противоположната и посоката на кръга ще се промени на противоположната. Такива траектории се наричат ​​пътища с обръщане на ориентацията. А повърхностите, които ги имат, се наричат ​​неориентируеми или едностранни. Повърхностите, върху които няма затворени пътища, обръщащи ориентацията, например сфера, тор и неусукана лента, се наричат ​​ориентируеми или двустранни. Забележете между другото, че лентата на Мьобиус е евклидово неориентируемо двумерно многообразие.

Ако приемем, че нашата Вселена е неориентируемо многообразие, то физически това би означавало следното. Ако летим от Земята по затворен кръг, който обръща ориентацията, тогава, разбира се, ще се върнем у дома, но ще се окажем в огледално копие на Земята. Ние няма да забележим никакви промени в себе си, но по отношение на нас останалите жители на Земята ще имат сърце отдясно, всички часовници ще вървят обратно на часовниковата стрелка и текстовете ще се появяват в огледален образ.

Едва ли живеем в такъв свят. Космолозите смятат, че ако нашата Вселена беше неориентируема, тогава енергията щеше да се излъчва от граничните зони, в които материята и антиматерията си взаимодействат. Нищо подобно обаче никога не е наблюдавано, въпреки че теоретично може да се предположи, че такива зони съществуват извън областта на Вселената, достъпна за нашия поглед. Следователно е разумно да изключим осем неориентируеми многообразия от разглеждане и да ограничим възможните форми на нашата Вселена до десет ориентируеми Евклидови триизмерни многообразия.

Триизмерните колектори в четириизмерното пространство са изключително трудни за визуализиране. Въпреки това можем да се опитаме да си представим тяхната структура, ако приложим подхода, използван в топологията, за да визуализираме двумерни многообразия (2-многообразия) в нашето триизмерно пространство. Всички предмети в него се считат за направени от някакъв издръжлив еластичен материал като гума, позволяващ всякакви разтягания и изкривявания, но без разкъсвания, гънки и слепвания. В топологията фигурите, които могат да се трансформират от една в друга с помощта на такива деформации, се наричат ​​хомеоморфни; имат еднаква вътрешна геометрия. Следователно, от топологична гледна точка, поничка (торус) и обикновена чаша с дръжка са едно и също. Но е невъзможно да превърнете футболна топка в поничка. Тези повърхности са топологично различни, тоест имат различни вътрешни геометрични свойства. Ако обаче изрежете кръгла дупка върху сфера и прикрепите една дръжка към нея, тогава получената фигура вече ще бъде хомеоморфна на тор.

Има много повърхности, които са топологично различни от тора и сферата. Например, като добавим дръжка към тора, подобна на тази, която виждаме на чашата, получаваме нов отвор и следователно нова фигура. Тор с дръжка ще бъде хомеоморфен на фигура с форма на геврек, която от своя страна е хомеоморфна на сфера с две дръжки. Добавянето на всяка нова дръжка създава нов отвор и следователно различна повърхност. По този начин можете да получите безкраен брой от тях.

Всички такива повърхности се наричат ​​двумерни многообразия или просто 2-многообразия. Това означава, че около всяка точка може да се начертае окръжност с произволен радиус. На повърхността на Земята можете да нарисувате кръг, съдържащ нейните точки. Ако видим само такава картина, разумно е да приемем, че тя представлява безкрайна равнина, сфера, тор или всякаква друга повърхност от безкраен брой тори или сфери с различен брой дръжки.

Тези топологични форми могат да бъдат доста трудни за разбиране. И за да си ги представим по-лесно и ясно, нека залепим цилиндър от квадратен лист хартия, свързвайки лявата и дясната му страна. Квадратът в този случай се нарича основна площ за тора. Ако сега мислено залепите основите на цилиндъра заедно (материалът на цилиндъра е еластичен), ще получите тор.

Нека си представим, че има някакво двуизмерно същество, да речем насекомо, чието движение по повърхността на тора трябва да се изследва. Това не е лесно да се направи и е много по-удобно да се наблюдава движението му в квадрат - пространство със същата топология. Тази техника има две предимства. Първо, той ви позволява ясно да видите пътя на насекомото в триизмерното пространство, следвайки движението му в двуизмерното пространство, и второ, ви позволява да останете в рамките на добре развитата евклидова геометрия на равнина. Евклидовата геометрия съдържа постулат за успоредните прави: за всяка права линия и точка извън нея има уникална права линия, успоредна на първата и минаваща през тази точка. В допълнение, сумата от ъглите на плоския триъгълник е точно 180 градуса. Но тъй като квадратът е описан от евклидовата геометрия, можем да го разширим до тора и да твърдим, че торусът е евклидово 2-многообразие.

Неразличимостта на вътрешните геометрии за различни повърхности е свързана с тяхната важна топологична характеристика, наречена възможност за разгръщане. По този начин повърхностите на цилиндър и конус изглеждат напълно различни, но въпреки това техните геометрии са абсолютно еднакви. И двете могат да се разположат в равнина, без да се променят дължините на отсечките и ъглите между тях, следователно за тях е валидна евклидовата геометрия. Същото важи и за тора, тъй като той е повърхност, която се развива в квадрат. Такива повърхности се наричат ​​изометрични.

Безброй тори могат да бъдат оформени от други плоски фигури, например от различни успоредници или шестоъгълници, чрез залепване на противоположните им ръбове. Но не всеки четириъгълник е подходящ за това: дължините на залепените му страни трябва да са еднакви. Това изискване е необходимо, за да се избегнат при залепване разширения или компресии на краищата на зоната, които нарушават евклидовата геометрия на повърхността.

Сега нека да преминем към сортове с по-високи измерения.

Нека се опитаме да си представим възможните форми на нашата Вселена, която, както вече видяхме, трябва да се търси сред десет ориентируеми Евклидови триизмерни многообразия.

За да представим евклидово 3-многообразие, прилагаме метода, използван по-горе за двумерни многообразия. Там използвахме квадрат като фундаментална област на тора, а за представяне на триизмерно многообразие ще вземем триизмерни обекти.

Нека вземем куб вместо квадрат и точно както залепихме противоположните ръбове на квадрата, залепим заедно противоположните страни на куба във всичките им точки.

Полученият триизмерен тор е евклидово 3-многообразие. Ако по някакъв начин се озовем в него и погледнем напред, щяхме да видим задната част на главите си, както и свои копия във всяка страна на куба - отпред, отзад, отляво, отдясно, отгоре и отдолу. Зад тях щяхме да видим безкрайно много други копия, все едно се намирахме в стая, където стените, подът и таванът са покрити с огледала. Но изображенията в триизмерния тор ще бъдат прави, а не огледални.

Важно е да се отбележи кръговият характер на този и много други колектори. Ако Вселената наистина имаше тази форма, тогава ако напуснем Земята и летим без никаква промяна в курса, в крайна сметка ще се върнем у дома. Нещо подобно се наблюдава на Земята: движейки се на запад по екватора, рано или късно ще се върнем към началната си точка от изток.

Като нарязваме куба на тънки вертикални слоеве, получаваме набор от квадрати. Противоположните ръбове на тези квадрати трябва да бъдат залепени заедно, защото те съставляват противоположните страни на куба. Така че триизмерният торус се оказва пръстен, състоящ се от двуизмерни тори. Спомнете си, че предният и задният квадрат също са залепени заедно и служат като лица на куба. Тополозите обозначават такова многообразие като T 2 xS 1, където T 2 означава двуизмерен тор, а S 1 означава пръстен. Това е пример за сноп или сноп от тори.

Триизмерни торове могат да бъдат получени не само с помощта на куб. Точно както паралелограмът образува 2-торус, чрез слепване на противоположни страни на паралелепипед (триизмерно тяло, ограничено от успоредници), ще създадем 3-торус. От различни паралелепипеди се образуват пространства с различни затворени пътеки и ъгли между тях.

Тези и всички други крайни многообразия са много просто включени в картината на разширяващата се Вселена. Ако основната област на разнообразието непрекъснато се разширява, пространството, образувано от нея, също ще се разширява. Всяка точка в разширяващото се пространство се отдалечава все повече и повече от останалите, което точно отговаря на космологичния модел. Трябва обаче да се има предвид, че точките в близост до едно лице винаги ще бъдат съседни на точки от противоположното лице, тъй като, независимо от размера на фундаменталната област, противоположните страни са залепени заедно.

Следващото триизмерно многообразие, подобно на триизмерен торус, се нарича 1/2 - завъртяно кубично пространство. В това пространство основната област отново е кубът или паралелепипедът. Четири ръба се залепват както обикновено, а останалите два, преден и заден, се залепват със завъртане на 180 градуса: горната част на предния ръб се залепва към долната част на гърба. Ако попаднем в такова многообразие и погледнем едно от тези лица, ще видим собственото си копие, но обърнато с главата надолу, последвано от обикновено копие и така до безкрайност. Подобно на триизмерен торус, фундаменталната област на 1/2-завъртано кубично пространство може да бъде нарязана на тънки вертикални слоеве, така че когато се залепят заедно, резултатът отново е сноп от двуизмерни тори, с изключение на този път предните и задните тори са залепени заедно със завъртане на 180 градуса.

1/4-завъртяно кубично пространство е същото като предишното, но завъртяно на 90 градуса. Но тъй като въртенето е само една четвърт, то не може да се получи от който и да е паралелепипед - предната и задната му част трябва да са квадрати, за да се избегне изкривяване и изкривяване на основната площ. В предната страна на куба ще видим друг зад нашето копие, завъртян на 90 градуса спрямо него.

1/3-ротирано шестоъгълно призматично пространство използва шестоъгълна призма, а не куб като основна област. За да го получите, трябва да залепите всяко лице, което е успоредник, с срещуположното лице и две шестоъгълни лица с ротация от 120 градуса. Всеки шестоъгълен слой на това многообразие е тор и по този начин пространството също е сноп от тори. Във всички шестоъгълни лица ще видим копия, завъртяни на 120 градуса спрямо предишното, а копията в успоредни лица са прави.

1/6-ротираното шестоъгълно призматично пространство е конструирано подобно на предишното, но с тази разлика, че предното шестоъгълно лице е залепено към гърба с 60-градусово завъртане. Както и преди, в получения пакет от тори останалите лица - успоредници - са залепени директно едно към друго.

Двойното кубично пространство е коренно различно от предишните колектори. Това ограничено пространство вече не е сноп от тори и има необичайна структура на залепване. Пространството с двоен куб обаче използва проста фундаментална зона, която представлява два куба, подредени един върху друг. При залепване не всички лица са директно свързани: горната предна и задна повърхност са залепени към лицата точно под тях. В това пространство щяхме да се видим в някаква перспектива - стъпалата на краката ни щяха да са точно пред очите ни.

Това завършва списъка с крайни ориентируеми евклидови триизмерни, така наречените компактни многообразия. Вероятно сред тях трябва да търсим формата на нашата Вселена.

Много космолози смятат, че Вселената е ограничена: трудно е да си представим физическия механизъм на нейния произход безкрайна вселена. Независимо от това, ние ще разгледаме четирите оставащи ориентираеми некомпактни евклидови триизмерни многообразия, докато не бъдат получени реални данни, които изключват тяхното съществуване.

Първото и най-просто безкрайно триизмерно многообразие е евклидовото пространство, което се изучава в гимназия(обозначава се с R 3). В това пространство трите оси на декартовите координати се простират до безкрайност. В него не виждаме никакви копия на себе си, нито прави, нито завъртяни, нито обърнати.

Следващият колектор е така нареченото пространство на плочата, чиято основна област е безкрайна плоча. Горната част на плочата, която е безкрайна равнина, се залепва директно към долната й част, също безкрайна равнина. Тези равнини трябва да са успоредни една на друга, но могат да се изместват произволно при залепване, което е маловажно, предвид тяхната безкрайност. В топологията това многообразие се записва като R 2 xS 1, където R 2 означава равнина, а S 1 пръстен.

Последните две 3-многообразия използват безкрайно дълги тръби като основни области. Тръбите имат четири страни, напречните им сечения са успоредници, нямат нито горна, нито долна част - четирите им страни се простират неограничено. Както преди, естеството на залепването на фундаменталния домейн определя формата на колектора.

Тръбното пространство се образува чрез залепване на двете двойки противоположни страни. След залепването оригиналното сечение с форма на паралелограм се превръща в двуизмерен тор. В топологията това пространство се записва като произведението T 2 xR 1.

Чрез завъртане на една от свързаните повърхности на тръбното пространство на 180 градуса, получаваме завъртяно тръбно пространство. Това въртене, като се вземе предвид безкрайната дължина на тръбата, й придава необичайни характеристики. Например две точки, разположени много далеч една от друга, в различни краища на основния регион, след залепването ще бъдат наблизо.

Каква е все пак формата на нашата Вселена?

За да изберем едно от горните десет Евклидови 3-многообразия като форма на нашата Вселена, са необходими допълнителни данни от астрономически наблюдения.

Най-лесният начин би бил да открием копия на нашата Галактика в нощното небе. След като ги открием, ще можем да установим природата на слепването на фундаменталната област на Вселената. Ако се окаже, че Вселената е 1/4-завъртяно кубично пространство, тогава прави копия на нашата Галактика ще бъдат видими от четири страни и завъртяни на 90 градуса от останалите две. Но въпреки привидната си простота, този метод е малко полезен за установяване на формата на Вселената.

Светлината се движи с ограничена скорост, така че когато наблюдаваме Вселената, ние по същество гледаме в миналото. Дори един ден да открием изображение на нашата Галактика, няма да можем да я разпознаем, защото в „младите си години“ тя изглеждаше съвсем различно. Твърде трудно е да разпознаем нашето копие от огромния брой галактики.

В началото на статията беше казано, че Вселената има постоянна кривина. Хомогенността на космическото микровълново фоново излъчване директно показва това. Той обаче има леки пространствени вариации, приблизително 10 -5 келвина, което показва, че в ранна вселенаИмаше незначителни колебания в плътността на веществото. Докато разширяващата се Вселена се охлаждаше, материята в тези региони в крайна сметка създаде галактики, звезди и планети. Картата на микровълновото лъчение ви позволява да погледнете в миналото, във времената на първоначалните нередности, да видите очертанията на Вселената, която тогава е била хиляди пъти по-малка. За да разберете значението на тази карта, разгледайте хипотетичен пример: Вселената под формата на двуизмерен тор.

В триизмерната Вселена ние наблюдаваме небето във всички посоки, тоест в една сфера. Двуизмерните обитатели на двуизмерна Вселена биха могли да го наблюдават само в кръг. Ако този кръг беше по-малък от фундаменталната област на тяхната Вселена, те не биха могли да получат индикация за неговата форма. Ако обаче зрителният кръг на двуизмерните създания е по-голям от фундаменталния регион, те биха могли да видят пресичане и дори повторения на модели във Вселената и да се опитат да намерят точки със същите температури, които съответстват на същия регион . Ако имаше достатъчно такива точки в техния зрителен кръг, те биха могли да заключат, че живеят в торична Вселена.

Въпреки че живеем в триизмерна вселена и виждаме сферична област, ние сме изправени пред същия проблем като двуизмерните създания. Ако нашата зрителна сфера е по-малка от фундаменталната област на Вселената преди 300 000 години, няма да видим нищо необичайно. В противен случай сферата ще го пресича в кръгове. Като открият два кръга, които имат еднакви вариации в микровълновото излъчване, космолозите могат да сравнят техните ориентации. Ако кръговете са подредени на кръст, това ще означава, че има залепване, но без ротация. Някои от тях обаче могат да се комбинират на четвърт или половин оборот. Ако могат да бъдат открити достатъчно от тези кръгове, ще бъде разкрита мистерията на фундаменталния регион на Вселената и нейното слепване.

Въпреки това, докато не се появи точна карта на микровълновото лъчение, космолозите няма да могат да направят никакви заключения. През 1989 г. изследователи от НАСА се опитаха да създадат карта на космическото микровълново фоново лъчение. Ъгловата разделителна способност на спътника обаче беше около 10 градуса, което не позволи да се направят точни измервания, които да задоволят космолозите. През пролетта на 2002 г. НАСА направи втори опит и изстреля сонда, която картографира температурните колебания с ъглова резолюция от около 0,2 градуса. През 2007 г. Европейската космическа агенция планира да използва сателита Planck, който има ъглова разделителна способност от 5 дъгови секунди.

Ако изстрелванията са успешни, в рамките на четири до десет години ще бъдат получени точни карти на флуктуациите на CMB. И ако размерът на сферата на нашето зрение се окаже достатъчно голям, а измерванията достатъчно точни и надеждни, най-накрая ще разберем каква е формата на нашата Вселена.

Екология на живота. Наука и открития: Хората са обсъждали защо Вселената съществува от хиляди години. В почти всяка древна култура хората са измислили свои собствени...

Някои физици смятат, че могат да обяснят как се е формирала нашата Вселена. Ако се окажат прави, тогава нашият космос може да възникне от нищото.

Хората спорят защо Вселената съществува от хиляди години. В почти всяка древна култура хората излязоха със собствена теория за сътворението - повечето от тях включваха божествен дизайн - и философите написаха много томове за това. Но науката може да каже само толкова много за създаването на Вселената.

Наскоро обаче някои физици и космолози започнаха да обсъждат този въпрос. Те отбелязват, че сега имаме добро разбиране за историята на Вселената и законите на физиката, които обясняват как тя работи. Учените смятат, че тази информация ще ни позволи да разберем как и защо съществува космосът.
Според тях Вселената, от Големия взрив до нашия многозвезден космос, който съществува днес, е възникнала от нищото. Това трябваше да се случи, казват учените, защото „нищо“ всъщност е вътрешно нестабилно.

Тази идея може да изглежда странна или просто страхотна. Но физиците казват, че идва от две от най-мощните и успешни теории: квантовата физика и обща теорияотносителност.

И така, как може всичко да произлезе от нищото?

Частици от празното пространство

Като начало трябва да се обърнем към областта на квантовата физика. Това е клон на физиката, който изучава много малки частици: атоми и дори по-малки обекти. Квантовата физикае изключително успешна теория и тя стана основа за появата на повечето съвременни електронни джаджи.

Квантовата физика ни казва, че празно пространство изобщо не съществува. Дори най-идеалният вакуум е изпълнен с вълнообразен облак от частици и античастици, които се появяват от нищото и след това се превръщат в нищо. Тези така наречени „виртуални частици“ съществуват за кратко време и затова не можем да ги видим. Ние обаче знаем, че те са там поради ефектите, които причиняват.

Към пространството и времето от липсата на пространство и време

Нека сега преместим фокуса си от най-малките обекти - като атоми - към много големи неща - като галактики. Нашата най-добра теория за обяснение на такива големи неща е общата теория на относителността, коронното постижение на Алберт Айнщайн. Тази теория обяснява как пространството, времето и гравитацията са взаимосвързани.

Общата теория на относителността е много различна от квантовата физика и досега никой не е успял да ги сглоби в един пъзел. Някои теоретици обаче са успели да използват внимателно подбрани прилики, за да доближат двете теории една до друга в конкретни проблеми. Например, този подход е използван от Стивън Хокинг от университета в Кеймбридж, когато описва черни дупки.

Физиците са открили, че когато квантовата теория се приложи към пространството в малки мащаби, пространството става нестабилно. Пространството и времето, вместо да останат гладки и непрекъснати, започват да кипят и да се пенят, приемайки формата на пукащи се мехурчета.

С други думи, малки мехурчета от време и пространство могат да се образуват спонтанно. „В квантовия свят времето и пространството са нестабилни“, казва астрофизикът Лорънс Максуел Краус от Държавния университет на Аризона. „Така че можете да оформите виртуално пространство-време по същия начин, по който оформяте виртуални частици.“

Освен това, ако тези мехурчета могат да се появят, можете да сте сигурни, че ще се появят. „В квантовата физика, ако нещо не е забранено, то определено ще се случи с известна степен на вероятност“, казва Александър Виленкин от университета Тъфтс в Масачузетс.

Вселена от балон

И така, не само частиците и античастиците могат да идват от нищото и да се превръщат в нищо: мехурчетата от пространство-времето могат да направят същото. Съществува обаче голяма празнина между безкрайно малкия балон пространство-време и огромната Вселена, състояща се от повече от 100 милиарда галактики. Наистина, защо балонът, който току-що се е появил, да не изчезне с мига на окото?

И се оказва, че има начин балонът да оцелее. Това изисква друг трик, наречен космическа инфлация.

Мнозинство съвременните физициТе вярват, че Вселената е започнала с Големия взрив. Първоначално цялата материя и енергия в космоса бяха компресирани в невероятно малка точка, която след това започна бързо да се разширява. Учените научиха, че нашата Вселена се разширява през 20 век. Те видяха, че всички галактики отлитат една от друга, което означава, че някога са били разположени близо една до друга.

Според инфлационния модел на Вселената, веднага след Големия взрив, Вселената се разширява много по-бързо, отколкото днес. Тази необикновена теория се появява през 80-те години на миналия век благодарение на Алън Гут от Масачузетския технологичен институт. Технологичен институт, и е доразработен от съветския физик Андрей Линде, който сега работи в Станфордския университет.

Идеята зад инфлационния модел на Вселената е, че веднага след Големия взрив малък балон пространство се разширява с огромна скорост. За невероятно кратък период от време, от точка, по-малка по размер от ядрото на атома, той достигна обема на песъчинка. Когато разширяването в крайна сметка се забави, силата, която го причини, се трансформира в материята и енергията, които изпълват Вселената днес.

Въпреки привидната си странност, инфлационният модел на Вселената отговаря добре на фактите. По-специално, това обяснява защо космическото микровълново фоново лъчение - космическото микровълново фоново лъчение, останало от Големия взрив - е равномерно разпределено в небето. Ако Вселената не се разширяваше толкова бързо, тогава най-вероятно радиацията щеше да бъде по-хаотична в разпространението, отколкото виждаме днес.

Вселената е плоска и защо този факт е важен

Инфлацията също помага на космолозите да определят геометрията на нашата Вселена. Оказа се, че познаването на геометрията е необходимо, за да се разбере как космосът може да възникне от нищото.

Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн казва, че пространство-времето, в което живеем, може да приеме три различни форми. Може да е плоска, като повърхността на маса. Тя може да бъде извита, като площта на сфера, и следователно, ако сте започнали да се движите от определена точка, тогава определено ще се върнете към него. Накрая може да се обърне навън, като седло. И така, в каква форма на пространство-време живеем?

Това може да се обясни по следния начин. Може би си спомняте от уроците по математика в училище, че сборът на ъглите на триъгълника е 180 градуса. Това е вярно само когато триъгълникът е в плоско пространство. Ако начертаете триъгълник върху повърхността на балон, сумата от трите ъгъла ще бъде повече от 180 градуса. Ако начертаете триъгълник върху повърхност като седло, сборът от трите ъгъла ще бъде по-малък от 180 градуса.

За да разберем, че нашата Вселена е плоска, трябва да измерим ъглите на гигантски триъгълник. И тук влиза в действие инфлационният модел на Вселената. Той определя средните размери на студените и горещите точки в космическия микровълнов фон. Тези петна бяха измерени през 2003 г. и именно тях астрономите успяха да използват като аналози на триъгълника. В резултат на това знаем, че най-големите наблюдаеми скали в нашата Вселена са плоски.

Така се оказва, че плоската Вселена е необходимост. Това е вярно, защото само плоска Вселена може да се е образувала от нищото.

Всичко, което съществува във Вселената, от звездите и галактиките до светлината, която произвеждат, трябва да е образувано от нещо. Вече знаем, че частиците възникват на квантово ниво, така че можем да очакваме, че има някои малки неща във Вселената. Но формирането на всички тези звезди и планети изисква огромно количество енергия.

Но откъде Вселената е взела цялата тази енергия? Звучи странно, разбира се, но енергията не трябваше да идва отнякъде. Факт е, че всеки обект в нашата Вселена има гравитация и привлича други обекти към себе си. И това балансира енергията, необходима за създаване на първата материя.

Прилича малко на стар кантар. Можете да поставите произволно тежък предмет върху една част от везната и везната ще бъде в равновесие, ако има предмет със същата маса на другия край. В случая на Вселената материята е разположена в единия край, а гравитацията я „балансира“.

Физиците са изчислили, че в плоската Вселена енергията на материята е точно равна на гравитационната енергия, която тази материя създава. Но това работи само за плоска Вселена. Ако Вселената беше извита, нямаше да има баланс.

Вселена или мултивселена?

Сега "готвенето" на Вселената изглежда доста просто. Квантовата физика ни казва, че „нищо“ е нестабилно и следователно преходът от „нищо“ към „нещо“ трябва да е почти неизбежен. Освен това, благодарение на инфлацията, масивен може да се образува от малък пространствено-времеви балон, плътна вселена. Както пише Краус, „Законите на физиката, както ги разбираме днес, допускат, че нашата вселена се е формирала от нищото – не е имало време, пространство, частици, нищо, което да осъзнаваме.“

Но защо тогава Вселената се е формирала само веднъж? Ако един балон се е надул до размера на нашата Вселена, защо други мехурчета да не могат да направят същото?
Линде предлага прост, но психеделичен отговор. Той вярва, че Вселените са възниквали и възникват непрекъснато и този процес ще продължи вечно.
Когато инфлацията на Вселената приключи, смята Линде, тя все още продължава да бъде заобиколена от пространство, в което съществува инфлация. Освен това причинява Повече ▼Вселени, а около тях се образува още повече пространство, в което се случва инфлация. След като започне инфлацията, тя ще продължи безкрайно дълго. Линде нарече това вечна инфлация. Нашата Вселена може да е просто песъчинка на безкраен пясъчен плаж.

Други вселени може да са много различни от нашата. Съседната вселена може да има пет пространствени измерения, докато нашата има само три - дължина, ширина и височина. Силата на гравитацията в него може да бъде 10 пъти по-силна или 1000 пъти по-слаба. Или може изобщо да няма гравитация. Материята може да се състои от напълно различни частици.

Следователно може да има разнообразие от вселени, което не се вписва в нашето съзнание. Линде вярва, че вечната инфлация не е просто „напълно безплатен обяд“, но е и единственият обяд, при който има всички възможни ястия. публикувани

Превод: Екатерина Шутова

Тестването на валидността на космологичния модел на Вселената, според който около 72% от нейната маса идва от тъмна енергия, с помощта на нова техника потвърди, че Вселената е „плоска“ и така наречената космологична константа, която Алберт Айнщайн нарича неговият основна грешка, може да е обяснение за ускоряването на разширяването му, казват авторите на статията, която ще бъде публикувана в списание Nature в четвъртък.

Алберт Айнщайн добави космологичната константа, която характеризира свойствата на вакуума, към собствените си уравнения на общата теория на относителността, така че те позволиха съществуването на стабилна Вселена, която не се свива или разширява. Известно време след това обаче американският астроном Едуин Хъбъл показа, че всъщност Вселената се разширява, а самият Айнщайн нарече космологичната константа своята „най-голяма грешка“.

Космологичната константа остава обект на интерес за учените, но до 90-те години се смяташе, че тя се различава съвсем малко от нула. През 1998-1999 г. наблюденията на свръхнови показаха, че Вселената се разширява с ускоряваща се скорост, а след това данните от сондата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), изучаваща космическото микровълново фоново излъчване, „ехото“ от Големия взрив, доведе учените предполагат, че мистериозната тъмна енергия е „тласкала“ Вселената, която представлява около 72% от нейната маса. Тези открития предизвикаха нов интерес към космологичната константа.

Кристиан Маринони и Аделин Буци от Университета на Прованс (Франция) предложиха нова техникатестване на валидността на идеите за структурата и свойствата на Вселената, базирани на геометрията на двойки галактики с високо червено отместване, тоест много отдалечени от наблюдателя. Те се възползваха от факта, че според съвременните концепции "формата" на Вселената зависи от нейното "съдържание", което означава, че геометричните измервания могат да се използват за определяне на състава на Вселената и по-специално количеството на тъмна енергия.

Учените са използвали модификация на теста на Елкок-Пачински, разработен от американски и полски астрономи преди повече от 30 години. Този тест се основава на третирането на симетрични обекти в космическото пространство като "стандартни сфери", всяко изкривяване на които ще се дължи на изкривяването на пространството, причинено от разширяването на Вселената.

Този тест многократно се опитваше да се приложи, например, към галактически клъстери, но точността на измерванията не беше достатъчна. Маринони и Бъзи изследваха разпределението на относителните ориентации на двойки галактики, орбитиращи една около друга. Във Вселена без тъмна енергия това разпределение би било сферично симетрично – тоест броят на двойките, ориентирани във всяка посока, би бил еднакъв.

Наблюденията показаха, че всъщност колкото по-далечни двойки галактики са от Земята, толкова по-асиметрично е разпределението на тяхната ориентация - повече двойки са разположени по линията на видимост от Земята. Това, както отбелязват учените, съответства на модела на плоската Вселена.

Плоската Вселена е модел на развитие на Вселената, според който нейното разширение е безкрайно, а кривината на пространството е нула, тоест то е плоско. В такъв модел животът на Вселената завършва или с „Голямо замръзване“, когато разширяващата се Вселена преживява топлинна смърт - в такава система с равномерно разпределена енергия не е възможна механична работа или движение, или с „Голямо разкъсване ”, когато ускорението на разширението ще „пребори” електромагнитните, слабите и гравитационните взаимодействия и Вселената просто ще се „счупи”. Преди това данни от същия WMAP показваха „плоскостта“ на Вселената.
с тъмна енергия.

Освен това, както отбелязват изследователите, те успяха да покажат, че най-успешното обяснение на феномена тъмна енергия може да бъде именно космологичната константа на Айнщайн, която обозначава енергията на вакуума. Учените, според тях, са получили най-точната оценка на стойността на тази константа до момента.

В древни времена хората смятали, че земята е плоска и стои на три кита, тогава се оказа, че нашата икумена е кръгла и ако плавате през цялото време на запад, след известно време ще се върнете в началната си точка от изток. Възгледите за Вселената се промениха по подобен начин. Някога Нютон вярваше, че пространството е плоско и безкрайно. Айнщайн позволи нашият свят да бъде не само безграничен и крив, но и затворен. Последните данни, получени по време на изследването на космическото микровълново фоново лъчение, показват, че Вселената може да е затворена сама по себе си. Оказва се, че ако летите далеч от земята през цялото време, тогава в един момент ще започнете да я приближавате и накрая ще се върнете обратно, обикаляйки цялата Вселена и обикаляйки света, точно както един от корабите на Магелан, обиколил цялото земно кълбо отплава до испанското пристанище Санлукар де Барамеда.

Хипотезата, че нашата Вселена е родена в резултат на Големия взрив, сега се счита за общоприета. Материята първоначално беше много гореща, плътна и се разширяваше бързо. Тогава температурата на Вселената падна до няколко хиляди градуса. Веществото в този момент се състоеше от електрони, протони и алфа частици (хелиеви ядра), тоест това беше силно йонизиран газ - плазма, непрозрачна за светлина и всякакви електромагнитни вълни. Започналата по това време рекомбинация (комбинация) на ядра и електрони, т.е. образуването на неутрални водородни и хелиеви атоми, коренно промени оптичните свойства на Вселената. Той стана прозрачен за повечето електромагнитни вълни.

Така, изучавайки светлината и радиовълните, може да се види само това, което се е случило след рекомбинацията, а всичко, което се е случило преди това, е покрито от един вид „огнена стена“ от йонизирана материя. Можем да погледнем много по-дълбоко в историята на Вселената само ако се научим да откриваме реликтни неутрино, за които горещата материя е станала прозрачна много по-рано и първична гравитационни вълни, за които материята от всякаква плътност не е пречка, но това е въпрос на бъдещето, а не най-близкото.

От образуването на неутралните атоми нашата Вселена се е разширила приблизително 1000 пъти и радиацията от ерата на рекомбинацията днес се наблюдава на Земята като реликтов микровълнов фон с температура около три градуса по Келвин. Този фон, открит за първи път през 1965 г. по време на тестове на голяма радиоантена, е практически еднакъв във всички посоки. Според съвременните данни има сто милиона пъти повече реликтни фотони от атомите, така че нашият свят просто се къпе в потоци от силно зачервена светлина, излъчвана в първите минути от живота на Вселената.

Класическа топология на пространството

В мащаби, по-големи от 100 мегапарсека, видимата за нас част от Вселената е доста хомогенна. Всички плътни струпвания материя - галактики, техните клъстери и свръхкупове - се наблюдават само на по-къси разстояния. Освен това Вселената също е изотропна, тоест нейните свойства са еднакви във всяка посока. Тези експериментални факти са в основата на всички класически космологични модели, които предполагат сферична симетрия и пространствена хомогенност на разпределението на материята.

Класическите космологични решения на уравненията на общата теория на относителността (ОТО) на Айнщайн, открити през 1922 г. от Александър Фридман, имат най-простата топология. Техните пространствени разрези наподобяват равнини (напр безкрайни решения) или сфери (за ограничени решения). Но такива вселени, оказва се, имат алтернатива: вселена с краен обем, която няма ръбове или граници, затворена сама по себе си.

Първите решения, открити от Фридман, описват вселени, изпълнени само с един вид материя. Различни модели възникнаха поради различия в средна плътностматерия: ако надхвърли критично ниво, се получава затворена вселена с положителна пространствена кривина, крайни размери и продължителност на живота. Разширяването му постепенно се забави, спря и беше заменено от компресия до точка. Вселената с плътност под критичната имаше отрицателна кривина и се разширяваше неограничено, скоростта на нейното раздуване клонеше към някаква постоянна стойност. Този модел се нарича отворен. Плоската Вселена, междинен случай с плътност, точно равна на критичната, е безкрайна и нейните моментни пространствени сечения са плоско евклидово пространство с нулева кривина. Плоският, както и отвореният, се разширява безкрайно, но скоростта на неговото разширяване клони към нула. По-късно са изобретени по-сложни модели, в които една хомогенна и изотропна вселена е изпълнена с многокомпонентна материя, която се променя с времето.

Съвременните наблюдения показват, че Вселената сега се разширява с ускоряваща се скорост (вижте „Отвъд хоризонта на универсалните събития“, № 3, 2006 г.). Това поведение е възможно, ако пространството е запълнено с някакво вещество (често наричано тъмна енергия) с високо отрицателно налягане, близко до енергийната плътност на това вещество. Това свойство на тъмната енергия води до появата на своеобразна антигравитация, която преодолява гравитационните сили на обикновената материя в големи мащаби. Първият такъв модел (с така наречения ламбда член) е предложен от самия Алберт Айнщайн.

Специален режим на разширяване на Вселената възниква, ако налягането на тази материя не остава постоянно, а се увеличава с времето. В този случай увеличаването на размера се увеличава толкова бързо, че Вселената става безкрайна за крайно време. Такава рязка инфлация на пространствените измерения, придружена от унищожаването на всички материални обекти, от галактики до елементарни частици, наречен Big Rip.

Всички тези модели не предполагат никакви специални топологични свойства на Вселената и я представят като подобна на познатото ни пространство. Тази картина се съгласува добре с данните, които астрономите получават с помощта на телескопи, които записват инфрачервено, видимо, ултравиолетово и рентгеново лъчение. И само данните от радионаблюденията, а именно подробното изследване на космическия микровълнов фон, накараха учените да се съмняват, че нашият свят е устроен толкова ясно.

Учените няма да могат да погледнат отвъд „огнената стена“, която ни разделя от събитията от първите хиляда години от живота на нашата Вселена. Но с помощта на лаборатории, изстреляни в космоса, всяка година научаваме все повече и повече за случилото се след трансформацията на гореща плазма в топъл газ

Орбитален радиоприемник

Първите резултати, получени от космическата обсерватория WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), която измерва мощността на космическото микровълново фоново излъчване, бяха публикувани през януари 2003 г. и съдържаха толкова много дългоочаквана информация, че нейното разбиране не е завършено днес. Физиката обикновено се използва за обяснение на нови космологични данни: уравнения на състоянието на материята, закони за разширение и спектри на първоначални смущения. Но този път природата на откритата ъглова нееднородност на излъчването изискваше съвсем друго обяснение - геометрично. По-точно топологично.

Основната цел на WMAP беше да се изгради подробна карта на температурата на космическото микровълново фоново лъчение (или, както се нарича още, микровълновия фон). WMAP е ултрачувствителен радиоприемник, който открива едновременно сигнали, идващи от две почти диаметрално противоположни точки в небето. Обсерваторията беше изстреляна през юни 2001 г. в особено спокойна и „тиха“ орбита, разположена в така наречената точка на Лагранж L2, на милион и половина километра от Земята. Този 840-килограмов спътник всъщност е в орбита около слънцето, но благодарение на комбинираното действие на гравитационните полета на Земята и Слънцето, неговият орбитален период е точно една година и той не отлита от Земята. Сателитът беше изстрелян в такава далечна орбита, така че смущенията от земна човешка дейност да не пречат на приемането на космическото микровълново фоново излъчване.

Въз основа на данните, получени от космическата радиообсерватория, беше възможно да се определят огромен брой космологични параметри с безпрецедентна точност. Първо, съотношението на общата плътност на Вселената към критичната плътност е 1,02±0,02 (тоест нашата Вселена е плоска или затворена с много малка кривина). Второ, константата на Хъбъл, която характеризира разширяването на нашия свят в големи мащаби, 72±2 km/s/Mpc. Трето, възрастта на Вселената е 13,4 ± 0,3 милиарда години, а червеното изместване, съответстващо на времето на рекомбинация, е 1088 ± 2 (това е средната стойност, дебелината на границата на рекомбинация е значително по-голяма от посочената грешка). Най-сензационният резултат за теоретиците беше ъгловият спектър на смущенията на реликтното излъчване, или по-точно, стойността на втория и третия хармоник беше твърде малка.

Такъв спектър се конструира чрез представяне на температурната карта като сума от различни сферични хармоници (мултиполи). В този случай от общата картина на смущенията се изолират променливи компоненти, които се побират върху сферата цял брой пъти: квадрупол 2 пъти, октупол 3 пъти и т.н. Колкото по-голям е броят на сферичната хармоника, толкова повече високочестотни фонови трептения описва и толкова по-малък е ъгловият размер на съответните „петна“. Теоретично броят на сферичните хармоници е безкраен, но за реална карта за наблюдение той е ограничен от ъгловата разделителна способност, с която са направени наблюденията.

За правилно измерване на всички сферични хармоници, карта на цялото небесна сфера, а WMAP получава проверената си версия в рамките на една година. Първите не са толкова добри подробни картиса получени през 1992 г. в експериментите Relict и COBE (Cosmic Background Explorer).

Как багелът е подобен на чаша за кафе?
Има клон на математиката - топология, която изучава свойствата на телата, които се запазват при всякакви деформации без счупвания или залепвания. Представете си, че геометричното тяло, което ни интересува, е гъвкаво и лесно се деформира. В този случай, например, куб или пирамида може лесно да се трансформира в сфера или бутилка, тор („поничка“) в чаша за кафе с дръжка, но няма да е възможно да превърнете сфера в чаша с дръжка, ако не късате и залепвате това лесно деформируемо тяло. За да разделите една сфера на две несвързани части, е достатъчно да направите един затворен разрез, но можете да направите същото с торус само като направите два разреза. Тополозите просто обожават всякакви екзотични конструкции като плосък торус, рогова сфера или бутилка на Клайн, които могат да бъдат правилно изобразени само в пространство с два пъти повече Голям бройизмервания. По същия начин нашата триизмерна Вселена, затворена сама по себе си, може лесно да си представим само като живеем в шестизмерно пространство. За известно време космическите тополози все още не са навлезли, оставяйки му възможността просто да тече линейно, без да бъде заключен в нищо. Така че способността да работим в пространството на седемте измерения днес е напълно достатъчна, за да разберем колко сложна е структурирана нашата додекаедрична Вселена.

Окончателната температурна карта на CMB е изградена от старателен анализ на карти, показващи интензитета на радиоизлъчването в пет различни честотни диапазона

Неочаквано решение

За повечето сферични хармоници получените експериментални данни съвпадат с моделните изчисления. Само два хармоника, квадруполен и октуполен, бяха ясно под нивото, очаквано от теоретиците. Освен това вероятността такива големи отклонения да възникнат случайно е изключително малка. Потискането на квадрупола и октупола беше отбелязано в данните на COBE. Получените през тези години карти обаче имаха лоша разделителна способност и голям шум, така че обсъждането на този въпрос беше отложено за по-добри времена. Поради каква причина амплитудите на двете най-големи флуктуации в интензитета на космическото микровълново фоново лъчение се оказаха толкова малки, първоначално беше напълно неясно. Все още не е възможно да се измисли физически механизъм за тяхното потискане, тъй като той трябва да действа в мащаба на цялата Вселена, която наблюдаваме, правейки я по-хомогенна, и в същото време да спре да работи в по-малки мащаби, позволявайки й се колебаят по-силно. Вероятно затова са започнали да търсят алтернативни пътища и са намерили топологичен отговор на възникналия въпрос. Математическо решениеФизическият проблем се оказа изненадващо елегантен и неочакван: достатъчно беше да приемем, че Вселената е додекаедър, затворен в себе си. Тогава потискането на нискочестотните хармоници може да се обясни с пространствена високочестотна модулация на фоновото излъчване. Този ефект възниква поради многократно наблюдение на една и съща област на рекомбинираща плазма през различни части на затворено додекаедрично пространство. Оказва се, че ниските хармоници изглежда се самоотменят поради преминаването на радиосигнала през различни аспекти на Вселената. В такъв топологичен модел на света събитията, протичащи в близост до една от страните на додекаедъра, се оказват близо до противоположната страна, тъй като тези области са идентични и всъщност са една и съща част от Вселената. Поради това реликтната светлина, идваща към Земята от диаметрално противоположни страни, се оказва излъчвана от една и съща област на първичната плазма. Това обстоятелство води до потискане на долните хармоници на спектъра на CMB дори във Вселена, която е само малко по-голяма по размер от видимия хоризонт на събитията.

Карта на анизотропията
Четириполюсът, споменат в текста на статията, не е най-ниският сферичен хармоник. В допълнение към него има монопол (нулев хармоник) и дипол (първи хармоник). Големината на монопола се определя от средната температура на космическото микровълново фоново лъчение, която днес е 2,728 K. След изваждането й от общия фон, най-голяма е диполната компонента, която показва колко по-висока е температурата в един от полукълба на заобикалящото ни пространство е, отколкото в другото. Наличието на този компонент се дължи главно на движението на Земята и Млечния път спрямо реликтния фон. Поради ефекта на Доплер температурата в посоката на движение се повишава, а в обратната посока намалява. Това обстоятелство ще позволи да се определи скоростта на всеки обект спрямо космическото микровълново фоново излъчване и по този начин ще се въведе дългоочакваната абсолютна координатна система, локално в покой спрямо цялата Вселена.

Големината на диполната анизотропия, свързана с движението на Земята, е 3,353*10-3 K. Това съответства на движението на Слънцето спрямо фона на CMB със скорост около 400 km/s. В същото време ние „летим“ по посока на границата на съзвездията Лъв и Чаша и „отлитаме“ от съзвездието Водолей. Нашата Галактика, заедно с местната група галактики, към която принадлежи, се движи спрямо реликвата със скорост около 600 km/s.

Всички други смущения (от квадрупола и по-горе) на фоновата карта са причинени от нехомогенности в плътността, температурата и скоростта на материята на границата на рекомбинация, както и от радиоизлъчването на нашата Галактика. След изваждане на диполния компонент, общата амплитуда на всички други отклонения се оказва само 18 * 10-6 K. За да се изключи собственото излъчване на Млечния път (основно концентрирано в равнината на галактическия екватор), наблюденията на микровълновия фон са извършва се в пет честотни ленти в диапазона от 22,8 GHz до 93,5 GHz.

Комбинации с тор

Най-простото тяло с топология, по-сложна от сфера или равнина, е тор. Всеки, който е държал франзела в ръцете си, може да си го представи. Друг по-правилен математически моделна плосък тор са показани от екраните на някои компютърни игри: дали е квадрат или правоъгълник, противоположни страникоито се идентифицират и ако движещ се обект се спуска надолу, той се появява отгоре; пресичайки лявата граница на екрана, се появява зад дясната и обратно. Такъв тор е най-простият пример за свят с нетривиална топология, който има краен обем и няма никакви граници.

В триизмерното пространство подобна процедура може да се направи с куб. Ако идентифицираме противоположните му страни, се образува триизмерен тор. Ако погледнете от вътрешността на такъв куб към околното пространство, можете да видите безкраен свят, състоящ се от копия на неговата единствена и единствена (неповтаряща се) част, чийто обем е напълно ограничен. В такъв свят няма граници, но има три отделни посоки, успоредни на ръбовете на оригиналния куб, по протежение на които се наблюдават периодични редици от оригинални обекти. Тази картина е много подобна на това, което може да се види вътре в куб с огледални стени. Вярно е, че гледайки някое от лицата му, жител на такъв свят ще види задната част на главата си, а не лицето си, както в земна веселба. По-правилен модел би била стая, оборудвана с 6 телевизионни камери и 6 плоски LCD монитора, на които се показва изображението, заснето от филмовата камера, разположена отсреща. В този модел видимият свят се затваря в себе си благодарение на достъпа до друго телевизионно измерение.

Картината на потискане на нискочестотните хармоници, описана по-горе, е правилна, ако времето, необходимо на светлината да премине през първоначалния обем, е достатъчно кратко, тоест ако размерите на първоначалното тяло са малки в сравнение с космологичните мащаби. Ако размерите на наблюдаемата част от Вселената (т.нар. хоризонт на Вселената) се окажат по-малки от размерите на първоначалния топологичен обем, тогава ситуацията няма да се различава от това, което ще видим в обичайната безкрайност. Einstein Universe и няма да се наблюдават аномалии в спектъра на космическото микровълново фоново лъчение.

Максималният възможен пространствен мащаб в такъв кубичен свят се определя от размерите на оригиналното тяло; разстоянието между които и да е две тела не може да надвишава половината от главния диагонал на оригиналния куб. Светлината, идваща към нас от границата на рекомбинация, може да пресече оригиналния куб няколко пъти по пътя, сякаш се отразява в огледалните му стени, поради което ъгловата структура на излъчването се изкривява и нискочестотните флуктуации стават високочестотни. В резултат на това колкото по-малък е първоначалният обем, толкова по-силно е потискането на по-ниските широкомащабни ъглови флуктуации, което означава, че чрез изучаване на CMB можем да оценим размера на нашата Вселена.

3D мозайки

Плоска топологично сложна триизмерна Вселена може да бъде изградена само на базата на кубове, паралелепипеди и шестоъгълни призми. В случай на извито пространство, по-широк клас фигури има такива свойства. В същото време най-добрите ъглови спектри, получени в експеримента WMAP, са в съответствие с модел на Вселената с формата на додекаедър. Този правилен многостен, който има 12 петоъгълни лица, прилича на футболна топка, ушита от петоъгълни лепенки. Оказва се, че в пространство с лека положителна кривина правилните додекаедри могат да запълнят цялото пространство без дупки или взаимно пресичане. При определено съотношение между размера на додекаедъра и кривината, това изисква 120 сферични додекаедъра. Освен това това сложна структураот стотици „топки“ може да се сведе до топологично еквивалентна, състояща се само от един додекаедър, чиито противоположни лица са идентифицирани, завъртяни на 180 градуса.

Вселената, образувана от такъв додекаедър, има редица интересни свойства: няма избрани посоки и описва големината на най-ниските ъглови хармоници на CMB по-добре от повечето други модели. Такава картина възниква само в затворен свят със съотношение на действителната плътност на материята към критичната плътност от 1,013, което попада в обхвата на стойностите, допустими от днешните наблюдения (1,02 ± 0,02).

За обикновения жител на Земята всички тези топологични тънкости на пръв поглед нямат голямо значение. Но за физиците и философите това е съвсем различен въпрос. Както за мирогледа като цяло, така и за единна теория, която обяснява структурата на нашия свят, тази хипотеза е от голям интерес. Следователно, след като откриха аномалии в спектъра на реликвата, учените започнаха да търсят други факти, които биха могли да потвърдят или опровергаят предложената топологична теория.

Звукова плазма
В спектъра на флуктуациите на CMB червената линия показва прогнозите на теоретичния модел. Сивият коридор около него са допустимите отклонения, а черните точки са резултатите от наблюдения. Повечето от данните са получени от експеримента WMAP и само за най-високите хармоници са добавени резултати от CBI (балон) и ACBAR (наземни антарктически) изследвания. Нормализираната графика на ъгловия спектър на флуктуациите на CMB показва няколко максимума. Това са така наречените „акустични пикове“ или „трептения на Сахаров“. Тяхното съществуване е теоретично предсказано от Андрей Сахаров. Тези пикове се дължат на ефекта на Доплер и са причинени от движението на плазмата в момента на рекомбинация. Максималната амплитуда на трептенията възниква в рамките на размера на причинно свързаната област (звуков хоризонт) в момента на рекомбинация. В по-малки мащаби плазмените трептения бяха отслабени от фотонния вискозитет, а в големи мащаби смущенията бяха независими едно от друго и не бяха фазирани. Следователно максималните флуктуации, наблюдавани в съвременната епоха, възникват при ъглите, под които звуковият хоризонт е видим днес, тоест областта на първичната плазма, която е живяла един живот в момента на рекомбинация. Точното положение на максимума зависи от отношението на общата плътност на Вселената към критичната плътност. Наблюденията показват, че първият най-висок пик се намира приблизително на 200-та хармоника, което според теорията отговаря с висока точност на плоска Евклидова Вселена.

Много информация за космологичните параметри се съдържа във втория и следващите акустични пикове. Самото им съществуване отразява факта, че акустичните трептения в плазмата са „фазирани“ по време на ерата на рекомбинация. Ако нямаше такава връзка, тогава би се наблюдавал само първият пик и флуктуациите във всички по-малки мащаби биха били еднакво вероятни. Но за да има такива причинно-следствена връзкамогат да възникнат колебания в различни мащаби, тези (много отдалечени) региони трябва да могат да взаимодействат помежду си. Това е точно ситуацията, която естествено възниква в инфлационния модел на Вселената и увереното откриване на втория и следващите пикове в ъгловия спектър на флуктуациите на CMB е едно от най-значимите потвърждения на този сценарий.

Проведени са наблюдения на космическото микровълново фоново лъчение в областта, близка до максимума на топлинния спектър. За температура от 3K е при дължина на радио вълната от 1 мм. WMAP проведе своите наблюдения при малко по-дълги дължини на вълните: от 3 мм до 1,5 см. Този диапазон е доста близо до максимума и съдържа по-нисък шум от звездите на нашата Галактика.

Многостранен свят

В додекаедричния модел хоризонтът на събитията и рекомбинационната граница, разположена много близо до него, пресичат всяко от 12-те лица на додекаедъра. Пресечната точка на рекомбинационната граница и оригиналния полиедър образува 6 двойки кръгове на картата на микровълновия фон, разположени в противоположни точки на небесната сфера. Ъглов диаметъртези кръгове са 70 градуса. Тези кръгове лежат на противоположни страни на оригиналния додекаедър, тоест те съвпадат геометрично и физически. В резултат на това разпределението на колебанията на CMB по всяка двойка кръгове трябва да съвпада (като се вземе предвид завъртането на 180 градуса). Въз основа на наличните данни такива кръгове все още не са открити.

Но това явление, както се оказа, е по-сложно. Кръговете ще бъдат идентични и симетрични само за наблюдател, неподвижен спрямо реликтния фон. Земята се движи спрямо нея с доста висока скорост, поради което във фоновото излъчване се появява значителна диполна компонента. В този случай кръговете се превръщат в елипси, техните размери, местоположение в небето и средната температура по кръга се променят. Става много по-трудно да се открият идентични кръгове при наличието на такива изкривявания и точността на наличните днес данни става недостатъчна; необходими са нови наблюдения, които ще помогнат да се разбере дали те съществуват или не.

Множествено свързана инфлация

Може би най-сериозният проблем от всички топологично сложни космологични модели, а значителен брой от тях вече са възникнали, е предимно от теоретичен характер. Днес инфлационният сценарий за еволюцията на Вселената се счита за стандартен. Беше предложено да се обясни високата хомогенност и изотропност на наблюдаваната Вселена. Според него в началото Вселената, която се е родила, е била доста разнородна. След това, по време на процеса на инфлация, когато Вселената се разширява по закон, близък до експоненциалния, нейните първоначални размери се увеличават с много порядъци. Днес виждаме само малка част Голяма Вселена, в които все още остават нехомогенности. Вярно, те имат толкова голям пространствен обхват, че са невидими в рамките на достъпната за нас зона. Инфлационният сценарий е най-добре развитата космологична теория досега.

За многосвързана вселена такава последователност от събития не пасва. В него са достъпни за наблюдение цялата му уникална част и някои от най-близките му копия. В този случай не могат да съществуват структури или процеси, описани с мащаби, много по-големи от наблюдавания хоризонт.

Посоките, в които ще трябва да се развива космологията, ако се потвърди многосвързаността на нашата Вселена, вече са ясни: това са неинфлационни модели и така наречените модели със слаба инфлация, при които размерът на Вселената се увеличава само няколко пъти ( или десетки пъти) по време на инфлация. Все още няма такива модели и учените, опитвайки се да запазят познатата картина на света, активно търсят недостатъци в резултатите, получени с помощта на космически радиотелескоп.

Обработка на артефакти

Една от групите, които водеха независими изследванияДанните на WMAP обърнаха внимание на факта, че квадруполните и октуполните компоненти на CMB имат близка ориентация един към друг и лежат в равнина, почти съвпадаща с галактическия екватор. Заключението на тази група: възникнала е грешка при изваждането на галактическия фон от данните от наблюдението на микровълновия фон и реалната стойност на хармониците е напълно различна.

Наблюденията на WMAP бяха извършени на 5 различни честоти, специално за да се раздели правилно космологичният и локалният фон. И основният екип на WMAP вярва, че наблюденията са обработени правилно и отхвърля предложеното обяснение.

Наличните космологични данни, публикувани в началото на 2003 г., са получени след обработка на резултатите само от първата година наблюдения на WMAP. За да се тестват предложените хипотези, както обикновено, е необходимо повишаване на точността. До началото на 2006 г. WMAP е наблюдавал непрекъснато в продължение на четири години, което трябва да е достатъчно, за да удвои точността му, но данните все още не са публикувани. Трябва да изчакаме малко и може би нашите предположения за додекаедричната топология на Вселената ще станат напълно демонстративни.

Михаил Прохоров, доктор на физико-математическите науки