Плоская вселенная: Почему Вселенную называют плоской? — все самое интересное на ПостНауке |

Содержание

«Почему вселенная плоская?» — Яндекс Кью

По новым данным мы живем в плоской Вселенной

Георгий Голованов9 июня 2020, 17:38

Новое исследование, основанное на изучении космических пустот и барионных акустических осцилляций, позволило точно измерить прямое влияние темной энергии на ускоренное расширение Вселенной. И заставило ученых усомниться в гипотезе, утверждающей, что космос по форме напоминает пузырь. Судя по всему, никакого пузыря нет, и мы живем в пространственно-плоской Вселенной.

Ученые из Университета Портсмута (Англия) опубликовали исследование, описывающее новый метод изучения темной энергии и расширения Вселенной. Он основан на комбинации двух подходов: изучения космических пустот — больших расширяющихся пузырей пространства, в которых крайне мало галактик — и слабого следа звуковых волн, известных как барионные акустические осцилляции, которые видны в распределении галактик, пишет Scitech Daily. Вместе они дают точный способ измерить прямое воздействие темной энергии, стоящей за расширением Вселенной.

Новый метод обеспечивает намного более точный результат, чем техники наблюдения за сверхновыми, которые долгое время были стандартным методом измерения прямого воздействия темной энергии. Он использует данные о миллионе с лишним галактик и квазаров, собранные за десять лет работы проекта Слоановского цифрового небесного обзора (Sloan Digital Sky Survey).

Результаты с беспрецедентной точностью подтвердили модель космологической постоянной и темной энергии и пространственно-плоской Вселенной. И не совпали с предположением о положительном пространственном искривлении, которое было выведено учеными в ходе изучения реликтового излучения. Другими словами, Вселенная плоская, а не изогнутая.

Важно понимать, что с точки зрения астрофизики пространственно-плоская Вселенная — это не плоскость в смысле листа бумаги. Вселенная здесь плоская в трехмерном понимании евклидовой (неискривленной) геометрии, где в трех измерениях сумма углов любого треугольника равна 180 градусам, по всем направлениям и в любом объеме. В неевклидовой геометрии — в искривленном пространстве — сумма углов треугольника будет зависеть от кривизны этого пространства. Два классических примера — это треугольник на сфере, где кривизна положительна, и треугольник на седлообразной поверхности, где кривизна отрицательна. В первом случае сумма углов треугольника больше 180 градусов, а во втором случае — меньше.

Так вот, исследование ученых из Университета Портсмута показало, что в нашей Вселенной сумма углов треугольника всегда будет равна 180 градусам в евклидовой геометрии. Ее пространство не искривлено ни в виде сферы или тора (именно это предположение долго доминировало в научном мире), ни в виде седлообразной поверхности. Никакой практической пользы из этого знания извлечь нельзя, но одним вопросом о структуре окружающего нас мира, кажется, стало меньше.

Вдобавок, исследование позволило заново и точно измерить постоянную Хаббла, значение которой в последние годы является объектом жарких дискуссий среди астрономов.

Для того чтобы примирить два конфликтующих метода расчета постоянной Хаббла, швейцарский физик-теоретик Лукас Ломбрайзер предположил, что Вселенная не гомогенна, причем в космологических масштабах. Возможно, считает он, в ней есть множество гигантских пузырей, в которых плотность материи ниже, чем в остальной Вселенной.

Постскриптум. Обложка к новости — шутка. Редакция Хайтек+ не относится ни к сторонникам плоской Земли, ни тем более к сторонникам плоской в буквальном смысле Вселенной.

Откуда мы знаем, что Вселенная плоская? Открытие топологии Вселенной

Теория большого взрыва: история Вселенной, начинающаяся с сингулярности и с тех пор расширяющаяся. Кредит: grandunificationtheory.com

Всякий раз, когда мы говорим о расширяющейся Вселенной, все хотят знать, чем это закончится. Конечно, говорят они, тот факт, что большинство галактик, которые мы можем видеть, удаляются от нас во всех направлениях, действительно интересен. Конечно, говорят они, Большой взрыв имеет смысл, поскольку миллиарды лет назад все было ближе друг к другу.

Но чем это закончится? Это продолжается вечно? Галактики в конечном итоге замедляются, останавливаются, а затем снова сближаются в Большом сжатии? Получим ли мы непрерывный цикл Больших Взрывов, навсегда?

Мы написали кучу статей по многим различным аспектам этого вопроса, и на данный момент астрономы пришли к выводу, что, поскольку Вселенная плоская, она никогда не схлопнется сама по себе и не вызовет еще один Большой взрыв.

Но подождите, что значит сказать, что Вселенная «плоская»? Почему это важно и откуда мы вообще знаем?

Прежде чем мы начнем говорить о плоскостности Вселенной, нам нужно поговорить о плоскостности вообще. Что значит сказать, что что-то плоское?

Если вы находитесь в квадратной комнате и ходите по углам, вы вернетесь в исходную точку, сделав четыре поворота на 90 градусов. Вы можете сказать, что ваша комната плоская. Это евклидова геометрия.

ut если совершить такое же путешествие по поверхности Земли. Начните с экватора, сделайте поворот на 90 градусов, подойдите к Северному полюсу, сделайте еще 9Поворот на 0 градусов, возвращение к экватору, еще один поворот на 90 градусов и возвращение в исходную точку.

В одной ситуации вы сделали четыре поворота, чтобы вернуться в исходную точку, в другой ситуации потребовалось только 3. Это потому, что топология поверхности, по которой вы шли, определяла, что произойдет, когда вы сделаете поворот на 90 градусов.

Вы можете представить еще более экстремальный пример, когда вы идете внутри кратера, и вам требуется более четырех ходов, чтобы вернуться в исходную точку.

Другой аналогией, конечно, является идея параллельных прямых. Если запустить две параллельные линии на Северном полюсе, они удалятся друг от друга, следуя топологии Земли, а затем снова сойдутся.

Понял? Большой.

А как насчет самой вселенной? Вы можете представить ту же аналогию. Представьте, как вы летите в космос на ракете на миллиарды световых лет, выполняете маневры на 90 градусов и возвращаетесь в исходную точку.

За три или за пять не получится, нужно четыре, а это значит, что топология Вселенной плоская. Что абсолютно интуитивно понятно, верно? Я имею в виду, это будет ваше предположение.

Космическое микроволновое фоновое излучение. Кредит: НАСА

Но астрономы были настроены скептически, им нужно было знать наверняка, и поэтому они решили проверить это предположение.

Чтобы доказать плоскостность Вселенной, вам нужно проделать долгий путь. И астрономы используют максимально возможное наблюдение, которое они могут сделать. Космическое микроволновое фоновое излучение, послесвечение Большого Взрыва, видимое во всех направлениях как смещенный в красную область, затухающий момент, когда Вселенная стала прозрачной примерно через 380 000 лет после Большого Взрыва.

Когда это излучение было высвобождено, температура во всей Вселенной составляла примерно 2700 C. Это был момент, когда стало достаточно прохладно, чтобы фотоны наконец-то могли свободно перемещаться по Вселенной. Расширение Вселенной растянуло эти фотоны на 13,8 миллиардов лет пути, сдвинув их в микроволновый спектр, всего на 2,7 градуса выше абсолютного нуля.

С помощью самых чувствительных космических телескопов астрономы могут обнаруживать крошечные колебания температуры этого фонового излучения.

А вот то, что поражает меня каждый раз, когда я думаю об этом. Эти крошечные вариации температуры соответствуют структурам самого большого масштаба наблюдаемой Вселенной. Область, которая была на долю градуса теплее, превратилась в обширное скопление галактик с поперечником в сотни миллионов световых лет.

Космическое микроволновое фоновое излучение все дает и дает, и когда дело доходит до выяснения топологии Вселенной, оно дает ответ, который нам нужен. Если бы Вселенная была каким-либо образом искривлена, эти изменения температуры выглядели бы искаженными по сравнению с реальными размерами, которые мы видим сегодня.

Наличие неплоской Вселенной привело бы к искажению того, что мы видели в реликтовом излучении, по сравнению с текущей Вселенной. Авторы и права: НАСА / научная группа WMAP.

Но это не так. В меру своих возможностей космический телескоп ESA Planck вообще не может обнаружить никаких искажений. Вселенная плоская.

Ну, это не совсем так. Согласно лучшим измерениям, которые когда-либо были в состоянии сделать астрономы, кривизна Вселенной находится в пределах диапазона погрешностей, что указывает на то, что она плоская. Будущие наблюдения с помощью какого-нибудь супертелескопа Планка могут показать небольшую кривизну, но на данный момент лучшие измерения говорят… плоская.

Мы говорим, что Вселенная плоская, а это значит, что параллельные линии всегда останутся параллельными. Повороты на 90 градусов ведут себя как настоящие повороты на 90 градусов, и все имеет смысл.

Но каковы последствия для всей вселенной? Что это говорит нам?

К сожалению, самое главное, что он нам не говорит. Мы до сих пор не знаем, конечна Вселенная или бесконечна. Если бы мы могли измерить ее кривизну, мы могли бы узнать, что находимся в конечной вселенной, и понять, каков ее настоящий истинный размер за пределами наблюдаемой вселенной, которую мы можем измерить.

Мы знаем, что объем Вселенной как минимум в 100 раз больше, чем мы можем наблюдать. Как минимум. Если планки ошибок плоскостности снижаются, минимальный размер Вселенной увеличивается.

Наблюдаемая или предполагаемая Вселенная. Это может быть просто небольшой компонент всей игры с мячом.

И помните, бесконечная вселенная все еще на столе.

Еще одна вещь, которую это делает, заключается в том, что это фактически создает проблему для исходной теории Большого Взрыва, требуя разработки теории, подобной инфляции.

Поскольку Вселенная сейчас плоская, она должна была быть плоской и в прошлом, когда Вселенная была невероятно плотной сингулярностью. И то, что он поддерживает этот уровень плоскостности на протяжении 13,8 миллиардов лет расширения, просто поразительно.

На самом деле, по оценкам астрономов, Вселенная должна была быть плоской с точностью до 1 части в пределах 1×10 ⁵⁷ частей.

Что похоже на безумное совпадение. Развитие инфляции, однако, решает эту проблему, расширяя Вселенную на непостижимую величину через несколько мгновений после Большого взрыва. Вселенные до и после инфляции могут иметь совершенно разные уровни кривизны.

В былые времена космологи говорили, что плоскостность Вселенной влияет на ее будущее. Если Вселенная была искривлена так, что вы могли совершить полное путешествие менее чем за четыре оборота, это означало, что она закрыта и обречена на саморазрушение.

Новые результаты исследования галактики Эволюция НАСА и англо-австралийского телескопа на вершине горы Сайдинг-Спринг в Австралии подтверждают, что темная энергия (представленная фиолетовой сеткой) представляет собой гладкую, однородную силу, которая теперь доминирует над эффектами гравитации (зеленая сетка). Авторы и права: НАСА/Лаборатория реактивного движения-Калифорнийский технологический институт.

И это было более четырех поворотов, оно было открыто и суждено расширяться вечно.

Ну, это уже не имеет значения. В 1998 году астрономы открыли темную энергию — таинственную силу, ускоряющую расширение Вселенной. Независимо от того, открыта Вселенная, закрыта или плоская, она будет продолжать расширяться. На самом деле, это расширение будет ускоряться навсегда.

Надеюсь, это поможет вам лучше понять, что имеют в виду космологи, когда говорят, что Вселенная плоская. А откуда мы знаем, что он плоский? Очень точные измерения космического микроволнового фонового излучения.

Источник:
Вселенная сегодня

Цитата :
Откуда мы знаем, что Вселенная плоская? Открытие топологии Вселенной (2017, 7 июня)
получено 5 декабря 2022 г.
с https://phys.org/news/2017-06-universe-flat-topology.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Вселенная плоская — что теперь?

Космический телескоп Хаббл накопил около 555 часов времени экспозиции, чтобы сделать это изображение Хаббла с экстремально глубоким полем. Показанная область представляет собой кажущийся пустым участок неба шириной примерно с зубочистку, которую держат на расстоянии вытянутой руки. На снимке только две звезды переднего плана (обозначены шипами вокруг). Любой другой объект — это галактика. Свет самых далеких галактик покраснел из-за расширения Вселенной. Мы видим свет, который оставил их 13,2 миллиарда лет назад.
(Изображение предоставлено: NASA)

Пол Саттер — астрофизик из Университета штата Огайо и главный научный сотрудник Научного центра COSI. Саттер также ведет программы Ask a Spaceman, RealSpace и COSI Science Now.

Спойлер: Вселенная плоская. Но в этом невинном заявлении заключено много тонкостей. Что значит для 3D-объекта быть «плоским»? Как мы вообще измеряем форму Вселенной? Поскольку Вселенная плоская, это… это? Есть еще что интересное сказать?

О да, есть.

Пройти по линии

Во-первых, нам нужно определить, что мы подразумеваем под плоскостью. Экран, на котором вы это читаете, явно плоский (надеюсь), и вы знаете, что Земля искривлена (надеюсь). Но как мы можем измерить это математически? Такое упражнение может оказаться полезным, если мы хотим измерить форму всей Вселенной. [История и строение Вселенной (инфографика)]

Один ответ лежит в параллельных линиях. Если вы начнете рисовать две параллельные линии на бумаге и позволите им продолжаться, они останутся идеально параллельными навсегда (или, по крайней мере, до тех пор, пока у вас не закончится бумага). По сути, это было определение параллельной линии на пару тысяч лет, так что все должно быть в порядке.

Повторим упражнение на поверхности Земли. Начните с экватора и нарисуйте пару параллельных линий, каждая из которых указывает прямо на север. Поскольку линии продолжаются, они никогда не поворачивают ни влево, ни вправо, но все равно пересекаются на Северном полюсе. Кривизна самой Земли привела к тому, что эти изначально параллельные линии оказались не такими уж параллельными. Следовательно, Земля искривлена.

Противоположностью искривленной формы Земли является седло: на этой поверхности линии, которые начинаются параллельно, в конечном итоге расходятся друг от друга (в модных математических кругах это известно как «ультрапараллельность»). [В этом видео я исследую возможные формы Вселенной.]

Форма Вселенной зависит от ее плотности. Если плотность больше критической плотности, Вселенная замкнута и изогнута как сфера; если меньше, то он будет изгибаться, как седло. Но если фактическая плотность Вселенной равна критической плотности, как думают ученые, то она будет простираться вечно, как плоский лист бумаги. (Изображение предоставлено NASA/WMAP Science team.)

Итак, вот оно: вы можете измерить «плоскостность» конструкции, просто наблюдая, как ведут себя параллельные линии. В нашей трехмерной вселенной мы могли бы наблюдать лучи света: если бы, скажем, два лазера были запущены идеально параллельно, то их долгосрочное поведение могло бы сказать нам важные вещи.

Плоский, как (большой) блин

Помните, что измерение формы Вселенной — это вопрос космологии, изучающей всю Вселенную. А в космологии до тебя никому дела нет. Или я. Или солнечные системы. Или черные дыры. Или галактики. В космологии нас интересует вселенная только в самых больших масштабах; мелкомасштабные удары и покачивания не важны для этого вопроса.

Вселенная имеет всевозможные деформации в пространстве-времени, где она отличается от идеально плоской. В любом месте, где есть масса или энергия, есть соответствующее искривление пространства-времени — это Общая теория относительности 101. Таким образом, пара лучей света естественным образом столкнулась бы внутри блуждающей черной дыры или искривилась бы под странными углами после столкновения с галактикой или двумя.

Но усредните все эти мелкомасштабные эффекты и посмотрите на общую картину. Когда мы исследуем очень старый свет — скажем, космический микроволновый фон — который путешествует по Вселенной более 13,8 миллиардов лет, мы получаем истинное представление о форме Вселенной. И ответ, насколько мы можем судить с невероятно малой степенью неопределенности, состоит в том, что Вселенная плоская.

Ложки нет

Что ж, на этом все. Но эта статья еще не закончена, а это значит, что это еще не все.

Вы когда-нибудь задавались вопросом, есть ли разница между цилиндром и сферой? Скорее всего нет, но никогда не поздно попробовать что-то новое.

Возьмите лист бумаги с двумя параллельными линиями. Давай, выкапывай его из хлама. Оберните один конец вокруг другого, чтобы получился цилиндр. Внимательно наблюдайте за параллельными линиями — они остаются параллельными, не так ли? Потому что цилиндры плоские.

Здесь вы впервые услышали: Цилиндры плоские.

Существует важное различие между геометрией, поведением параллельных линий и топологией, тем, как пространство может искривляться. В то время как геометрия Вселенной очень хорошо измерена (опять же, она плоская), топология — нет. И вот бонусный факт: мы не только не можем определить топологию Вселенной из наблюдений, но и нет никаких законов физики, которые предсказывают или ограничивают топологию.

Концы двумерного листа бумаги можно соединить несколькими способами. Соедините одно из измерений нормально, и у вас есть цилиндр. Переверните один край перед соединением, и вы сделали ленту Мебиуса. Соедините два измерения, верх с низом и одну сторону с другой, и у вас получится тор (он же пончик).

В нашей трехмерной вселенной существует множество вариантов — 18 известных, если быть точным. Ленты Мёбиуса, бутылки Клейна и пространственные многообразия Ганцше-Вендта — все это нетривиальные топологии, которые имеют нечто общее: если вы путешествуете достаточно далеко в одном направлении, вы возвращаетесь туда, откуда начали. В случае с перевернутыми измерениями, когда вы вернетесь к исходной точке, вы окажетесь вверх ногами, даже не попытавшись сделать это. [Смотреть: Объяснение формы Вселенной.]

Конечно, мы искали, связана ли наша вселенная таким образом; мы не видим ни копий галактик, ни космического микроволнового фона, пересекающегося с самим собой. Если Вселенная и состоит из кренделей, то ее масштабы намного, намного больше, чем мы можем наблюдать.

Так что не слишком радуйтесь возможности жить в реальной версии игры «Астероиды», в которую, как вы теперь знаете, играют на поверхности пончика.

Узнайте больше, прослушав серию «Какова форма Вселенной?» в подкасте «Спросите космонавта», доступном в iTunes (открывается в новой вкладке) и в Интернете по адресу http://www. askaspaceman.com. Спасибо Грегу С. и Майклу В. за вопросы, которые привели к написанию этой статьи! Задайте свой вопрос в Твиттере, используя хэштег #AskASpaceman или подписавшись на Пола @PaulMattSutter и facebook.com/PaulMattSutter.

Подписывайтесь на нас в @Spacedotcom, Facebook и Google+. Оригинальная статья на Space.com.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Пол М. Саттер — астрофизик из SUNY Stony Brook и Института Флэтайрон в Нью-Йорке. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего получил стажировку в Триесте, Италия. регионов Вселенной до самых ранних моментов Большого Взрыва до охоты за первыми звездами. В качестве «звездного агента» Пол уже несколько лет страстно вовлекает общественность в популяризацию науки.