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

почему Вселенная плоская? / Хабр

Двигаясь по прямой линии в гиперторовой модели Вселенной, вы вернётесь в исходную точку, даже если пространство-время не будет искривлённым. Также Вселенная может быть замкнутой, имея положительную кривизну – как гиперсфера.

Какой формы Вселенная? Если бы вы жили до XIX века, вам бы, наверное, не пришло в голову, что у Вселенной вообще может быть какая-то форма. Вы, как и все остальные, начали бы изучать геометрию с правил Евклида, для которого пространство было всего лишь трёхмерной решёткой. Затем вы применяли бы физические законы Ньютона, и предполагали, что взаимодействия двух любых объектов направлены вдоль одной прямой линии, их соединяющей. Но с тех пор мы очень многое поняли. Пространство не просто искривляется в присутствии материи и энергии – мы можем это наблюдать. И всё же, если речь заходит о Вселенной в целом, пространство ничем не отличается от идеально плоского. Почему? На эту тему задаёт вопрос и наш читатель:

Почему вселенная относительно плоская, а не имеет форму сферы? Разве вселенная не будет расширяться перпендикулярно к плоской поверхности?


Давайте начнём со старого определения пространства, которое большинство из нас и представляет: в виде некоей трёхмерной решётки.

Мы часто представляем себе пространство в виде трёхмерной решётки, несмотря на то, что с точки зрения концепции пространства-времени это чрезмерное упрощение картины, зависящее от системы отсчёта. На самом деле пространство-время искривляется в присутствии материи и энергии, а расстояния не остаются неизменными, меняясь с расширением или сжатием Вселенной.

В Евклидовой геометрии, которую учило большинство из нас, есть пять постулатов, из которых можно вывести всё остальное.

  1. Две любых точки можно соединить отрезком прямой.

  2. Любой отрезок прямой можно продлить до бесконечности.

  3. Любой отрезок можно использовать для создания круга, где один его конец будет в центре, а другой опишет окружность.

  4. Все прямые углы одинаковы, и равняются 90° (или π/2 в радианах).

  5. Параллельные прямые нигде не пересекаются.

Прим. пер.: пятый постулат Евклид формулировал так: «если прямая, пересекающая две прямые, образует внутренние односторонние углы, меньшие двух прямых углов, то, продолженные неограниченно, эти две прямые встретятся с той стороны, где углы меньше двух прямых углов». То есть, если одна прямая пересекает две других под прямыми углами, то те две прямые параллельны.

Всё, что вы рисовали на бумаге, подчиняется этим правилам, и всем нам известно представление о том, что Вселенная просто подчиняется трёхмерной версии правил Евклида.

Но это не обязательно так, и всё дело в пятом постулате. Чтобы понять это, посмотрим на линии долготы на глобусе.

Диаграмма Земного шара, отцентрированная на линии перемены дат, где также видно линии широты и долготы. На экваторе все линии долготы параллельны, но они всё равно пересекаются в двух местах: на Северном и Южном полюсах.

Любая линия долготы совершает полный круг, обходя Землю, пересекая экватор под углом в 90°. Поскольку экватор прямой, и все линии долготы – прямые, получается, что по определению на экваторе линии долготы параллельны. И если бы пятый постулат Евклида был истинным, то две линии долготы не могли бы пересекаться.

Но линии долготы пересекаются. Все они пересекаются в двух точках: на Северном и Южном полюсах.

По этой же причине нельзя развернуть сферу и разложить её на плоскости в квадрат: поверхность сферы фундаментально искривлённая и не плоская. Вообще существует три типа фундаментально отличных поверхностей в пространстве. Есть поверхности положительной кривизны, как сфера; поверхности отрицательной кривизны, как седло; и поверхности нулевой кривизны, как плоский лист бумаги. Если вам нужно узнать кривизну поверхности, вам нужно всего лишь нарисовать на ней треугольник. При этом кривизну будет измерить тем легче, чем он будет больше. Затем нужно просто измерить величину трёх его углов и сложить.

В зависимости от пространственной кривизны сумма получится разной. У Вселенной с положительной кривизной (вверху), отрицательной (в середине) или с нулевой (внизу) сумма углов треугольника окажется больше, меньше или равной 180° соответственно.

Большинство из нас знает, что будет, если нарисовать треугольник на плоском, не искривлённом листе бумаги. Три его внутренних угла дадут в сумме 180°. Но если вы возьмёте поверхность положительной кривизны, например, сферу, ваша сумма будет больше 180°, и чем больше треугольник относительно радиуса сферы, тем больше будет сумма. Если же вы возьмёте поверхность отрицательной кривизны, типа седла или гиперболоида, сумма внутренних углов всегда будет меньше 180°, и чем больше будет треугольник, тем больше сумма будет отличаться от 180°.

Идея о существовании фундаментально искривлённых поверхностей, не подчиняющихся пятому постулату Евклида, на которых параллельные прямые могут пересекаться или расходиться, почти 200 лет назад привело к появлению новой области, неевклидовой геометрии. Работали над ней и опубликовали свои работы в 1820-1830-х годах независимо российский математик Николай Иванович Лобачевский и венгерский математик Янош Бойяи. Эту идею далее развил Бернхард Риман, расширив её на произвольное количество измерении, и первым записал то, что сегодня известно нам, как метрический тензор, различные параметры которого описывают кривизну конкретной геометрии.

В начале XX века Альберт Эйнштейн использовал метрический тензор Римана для разработки Общей теории относительности: четырёхмерной теории пространства-времени и гравитации.

Иллюстрация гравитационного линзирования показывает, как изображение фоновых галактик, или любой луч света, искажается в присутствии массы. Но ещё это показывает, как само пространство изгибается и искажается в присутствии на переднем фоне массы. Если несколько фоновых объектов выстраиваются в линию с одной гравитационной линзой, находящейся на переднем плане, правильно расположенный наблюдатель увидит несколько наборов из нескольких изображений.

Проще говоря, Эйнштейн понял, что нет смысла рассуждать об абсолютных пространстве и времени. В ОТО при путешествии со скоростью, близкой к световой, пространство будет сжиматься вдоль направления вашего движения, а время – замедляться. У разных наблюдателей, движущихся с разными скоростями, часы будут идти по-разному. Есть правила, по которым пространство и время преобразуются для каждого из наблюдателей, они были описаны в СТО для вселенной без гравитации.

Но в нашей Вселенной гравитация есть. В частности, наличие не только массы, но вообще любой формы энергии, заставляет ткань пространства-времени искривляться определённым образом. У Эйнштейна ушло полных десять лет (с публикации СТО в 1905 году до приведения ОТО с гравитацией в окончательный, правильный вид) на то, чтобы понять, как включить гравитацию в теорию относительности, основываясь на ранней работе Римана. И результат его работы, ОТО, до сих пор успешно проходил все экспериментальные испытания.

Что тут примечательно: применяя уравнения поля из ОТО к нашей Вселенной, заполненной энергией и материей, расширяющейся, изотропной (имеющей одинаковую среднюю плотность по всем направлениям) и гомогенной (имеющей одинаковую среднюю плотность во всех местах), мы обнаруживаем тесную взаимосвязь между тремя следующими величинами:

  1. количеством материи и энергии всех видов во Вселенной,

  2. скоростью расширения Вселенной на крупнейших масштабах,

  3. кривизной наблюдаемой части Вселенной.

Автор этих строк на фоне видеостены в Американском астрономическом сообществе, рядом с первым уравнением Фридмана. Самый левый член уравнения — это хаббловская скорость расширения в квадрате, определяющая развитие пространства-времени. Правее идут члены, относящиеся ко всем различным формам материи и энергии, а справа описывается кривизна пространства, определяющая будущее развитие Вселенной. Это уравнение называют важнейшим для всей космологии. Его в 1922 году вывел Фридман, практически в современном виде.

В самые первые моменты горячего Большого взрыва Вселенная была чрезвычайно горячей, плотной и крайне быстро расширялась. Поскольку в ОТО эволюция ткани пространства-времени так сильно зависит от содержащейся в ней материи и энергии, то такая Вселенная могла развиваться только тремя путями:

  1. Если скорость расширения будет слишком малой для того количества материи и энергии, что есть во Вселенной, их общий гравитационный эффект замедлит скорость расширения, потом сведёт её к нулю, а потом заставит изменить знак на противоположный, что приведёт к сжатию. Вскоре Вселенная вновь схлопнется, придя к Большому сжатию.

  2. Если скорость расширения будет слишком большой для того количества материи и энергии, что есть во Вселенной, их общий гравитационный эффект не только не сможет замедлить и обратить вспять расширение, он, возможно, даже не сильно его и замедлит. Опасность ускоренного расширения заключается в том, что довольно скоро во Вселенной исчезнет возможность формирования галактик, звёзд и даже атомов.

  3. Если баланс двух этих величин будет как раз подходящим, получится Вселенная, вечно расширяющаяся и в изобилии формирующая в процессе богатые сложные структуры.


Последний вариант описывает нашу Вселенную, в которой всё хорошо сбалансировано. Но для этого нужна такая плотность материи и энергии, которая очень чётко соответствует скорости расширения с самых ранних времён.

Деликатный баланс между скоростью расширения и общей плотностью Вселенной настолько шаткий, что отклонение в любую сторону даже на 0,00000000001% приведёт к невозможности возникновения во Вселенной какой бы то ни было жизни, звёзд и даже, вероятно, молекул.

И то, что наша Вселенная существует, обладая наблюдаемыми нами свойствами, говорит о том, что на самом раннем этапе своей жизни она должна была быть очень приближена к плоской. У Вселенной со слишком большим количеством материи и энергии на данную скорость расширения была бы положительная кривизна, а со слишком малым – отрицательная. И только идеально сбалансированный случай даёт плоскую Вселенную.

Однако возможно, что Вселенная искривлена на чрезвычайно больших масштабах – возможно, больших, чем наблюдаемая нами часть Вселенной. Вы, наверное, представляете себе эксперимент по рисованию треугольника между нашим местоположением и двумя удалёнными галактиками и подсчёт суммы его углов. Но это можно будет сделать, только добравшись до этих галактик, чего мы пока не можем. В настоящее время технология не позволяет нам выбраться из нашего уголка Вселенной. Так же, как вы не можете точно измерить кривизну земной поверхности, не выходя со двора, мы не можем построить достаточно большой треугольник, будучи ограниченными пределами нашей Солнечной системы.

К счастью, мы можем провести два основных наблюдения, раскрывающих кривизну Вселенной. И оба они приводят нас к одинаковым выводам.

Различные угловые размеры флуктуаций реликтового излучения присущи разным вариантам пространственной кривизны. На сегодня Вселенная выглядит плоской, однако мы провели измерения с погрешностью в 0,4%. Если измерить точнее, возможно, проявится какая-либо кривизна – однако из имеющихся наблюдений следует, что даже если Вселенная имеет кривизну, её масштабы в 2503 раз (более, чем в 15 млн раз) больше размера обозримой Вселенной.

1. Угловой размер флуктуаций температуры, наблюдаемых в реликтовом излучении


На ранних стадиях горячего Большого взрыва наша Вселенная была очень однородной – очень, но не идеально. В ней были крохотные несовершенства – участки, в которых плотность была чуть меньше или чуть больше средней. Наложились воздействия гравитации, притягивающей материю и энергию к более плотным участкам, и излучения, расталкивающего материю. В итоге получилось распределение флуктуаций температур, наложившее свой отпечаток на излучение, оставшееся от Большого взрыва, которое мы можем наблюдать: реликтовое излучение [или, как его называют в англоязычных источниках, космический микроволновой фон / прим. пер.].

У этих флуктуаций есть определённый спектр: они бывают теплее или холоднее на определённую величину на определённых масштабах расстояний. В плоской Вселенной эти масштабы выглядят такими, какие они есть. В искривлённой Вселенной они казались бы больше (при положительной кривизне) или меньше (при отрицательной). Судя по видимому размеру флуктуаций, которые мы наблюдаем при помощи космического телескопа «Планк» и других приборов, мы можем сказать, что Вселенная плоская с точностью до 99,6%.

Это говорит нам о том, что если Вселенная искривлена, масштаб этих искривлений в 250 раз больше наблюдаемой нами части Вселенной, диаметр которой составляет уже 92 млрд световых лет.

Можно заглянуть сколь угодно далеко в прошлое Вселенной, так далеко, как нам позволят наши телескопы, и скопления галактик дадут определённую шкалу расстояний – т. н. акустическую шкалу – развивающуюся во времени определённым образом. Подобный детальный анализ позволит понять, искривлена ли Вселенная, или же плоская.

2. Видимые угловые различия галактик, скапливавшихся в различные эпохи существования Вселенной


Существует определённая шкала расстояний, на которой вероятность скопления галактик увеличивается. Если выбрать сегодня любую галактику во Вселенной, и отойти от неё на определённое расстояние, можно задать вопрос: «какова вероятность найти другую галактику на таком расстоянии от первой?». Оказывается, что вероятность найти другую галактику велика на небольших расстояниях, и что эта вероятность при удалении будет падать определённым образом, с одной интересной характерной особенностью: вероятность найти другую галактику на расстоянии порядка 500 млн световых лет от первой будет чуть выше, чем на расстояниях в 400 или 600 млн световых лет.

Эта шкала расстояний расширялась вместе со всей Вселенной, поэтому в ранней вселенной «характерное расстояние» было меньше. Если бы Вселенная имела положительную или отрицательную кривизну, на эту особенность наложился бы дополнительный эффект. Это бы изменило видимые масштабы кластеризации галактик. То, что ничего подобного мы не наблюдаем, вкупе с результатами изучения реликтового излучения, даёт нам ещё более строгое ограничение: Вселенная плоская с точностью до 99,75%.

Иначе говоря, если Вселенная искривлена – к примеру, если это гиперсфера (четырёхмерный аналог трёхмерной сферы) – то её радиус должен быть по меньшей мере в 400 раз больше размера наблюдаемой Вселенной.

Квантовые флуктуации, появившиеся во время инфляции, растягиваются на всю Вселенную, а также вызывают флуктуации общей плотности энергии. Те, в свою очередь, вызывают появление несовершенств в ранней Вселенной, из-за которых и появляются температурные флуктуации, наблюдаемые нами в реликтовом излучении. По теории инфляции эти флуктуации должны быть адиабатическими.

Всё это говорит нам о том, откуда нам известно, что Вселенная плоская. Но чтобы понять, почему она плоская, нам нужно обратиться к теории нашего космического происхождения, приведшего к Большому взрыву: космической инфляции. Инфляция взяла Вселенную в том виде, в каком она была ранее, и растянула до огромных масштабов. К окончанию инфляции Вселенная оказалась гораздо больше: настолько огромной, что наблюдаемая нами часть неотличима от плоской.

Единственным отклонением от этой плоской картины будет сумма всех квантовых флуктуаций, растянувшихся по космосу во время самой инфляции. Насколько мы понимаем природу этих флуктуаций, их особенности дают новое предсказание, которое ещё только предстоит проверить с достаточной точностью: наблюдаемая нами Вселенная должна отличаться от идеально плоской картины на величину в диапазоне от 1/10 000 до 1/1 000 000.

Квантовые флуктуации, происходившие во время инфляции, растянулись на всю Вселенную, и по её окончанию превратились в флуктуации плотности. Со временем это породило крупномасштабные структуры сегодняшней Вселенной, а также температурные флуктуации, наблюдаемые нами в реликтовом излучении. Подобные новые предсказания необходимы для подтверждения предлагаемого механизма тонкой подстройки.

Пока что мы измерили кривизну с точностью до 1/400, и обнаружили, что от плоской она неотличима. Но если бы мы смогли добраться до сверхточных измерений, у нас была бы возможность подтвердить или опровергнуть предсказания ведущей теории космической эволюции на новом уровне. Мы не можем знать истинной формы Вселенной, но мы можем измерять и предсказывать её кривизну.

И хотя сегодня она кажется нам неотличимой от плоской, вполне может оказаться, что у неё есть небольшое, но реальное отклонение от нулевой кривизны. Через одно-два поколения, в зависимости от скорости технического прогресса, мы, возможно, узнаем, насколько наша Вселенная отличается от идеально плоской.

«Плоская» Вселенная • Айк Акопян • Научно-популярные задачи на «Элементах» • Физика, Астрономия

Для того, чтобы понять, почему некоторые объекты (а, точнее, гравитационно связанные системы) в нашей Вселенной плоские, давайте сперва поговорим о том, почему другие объекты шарообразные. Возьмем, к примеру, Солнце (или любую другую «обычную» звезду). Оно, к счастью для нас, относительно стабильно. Это равновесное состояние определяется двумя факторами: гравитацией и давлением газа. Гравитация стремится притянуть различные области звезды друг к другу, тем самым минимизируя потенциальную энергию. При этом, что примечательно, гравитационное взаимодействие обладает сферической симметрией, то есть для него нет выделенного направления. Гравитации противодействует давление ионизированного газа внутри звезды, которое для каждой выделенной области имеет ровно такое значение, которое достаточно для компенсации гравитационных сил. И, опять же, важно, что у силы давления тоже нет выделенного направления: маленькая область ионизированного газа оказывает абсолютно одинаковое давление на все соседние области. В случае с «твердыми» небесными телами (например, планетами) сила давления обеспечивается веществом во внешнем и внутреннем ядре.

Эти два факта — что гравитация сферически симметрична и что ей противодействует такая же сферически симметричная сила давления — и определяют форму Солнца и других звезд и планет. Раз нет выделенного направления у единственных двух сил, определяющих баланс системы, то и у самой системы не может быть выделенного направления.

Теперь к этой картине можно добавить то, у чего есть выделенное направление. А именно, вращение. Поговорим сперва о Земле. Земля постоянно вращается вокруг собственной оси. При этом экватор находится, очевидно, дальше от оси вращения чем полюса. А при удалении от оси вращения растет линейная скорость, с которой движутся части крутящегося тела (поскольку угловая скорость одинакова, ведь тело сохраняет свою форму). Из-за этого на человека, находящегося на экваторе, будет действовать дополнительная центробежная сила, направленная противоположно притяжению Земли. Величина дополнительного ускорения (для экватора) равна 0,034 м/с2.

Стоит оговориться, что центробежная сила — это не совсем сила в обычном понимании. По сути, она представляет собой центростремительное ускорение, которое испытывает вращающийся вместе с объектом наблюдатель. Иногда центробежную силу вообще называют мнимой силой, так как в неинерциальной системе отсчета вращающегося наблюдателя (где, конечно же, у самого наблюдателя никакого ускорения нет) она играет роль неинерциальной силы.

Это означает, что если бы Земля была идеальным шаром и вращалась бы вокруг своей оси с той же скоростью, то человек на полюсе испытывал бы большее ускорение свободного падения, чем человек на экваторе.

К счастью для нас, вращение Земли достаточно медленное, и вкладом центробежной силы зачастую можно пренебречь. Но что будет, если Землю раскрутить сильнее, одновременно «отключив» или уменьшив силу давления? Тогда, если Земля будет вращаться достаточно быстро, двумя силами, которые будут «пытаться» сбалансировать друг друга, будут являться гравитация и центробежная сила.

В отличие от давления, у центробежной силы есть выделенное направление: она всегда направлено перпендикулярно оси вращения. То есть компонента гравитационной силы, направленная вдоль оси вращения, остается нескомпенсированной. В результате, телу легче сплющиваться вдоль оси вращения, пока в некоторый момент возрастающее из-за сплющивания давление не скомпенсирует эту компоненту гравитационной силы.

Солнечная система образовалась примерно 4,5 млрд лет назад из медленно сжимающегося газопылевого облака. При сжатии облака сохраняется момент импульса, благодаря чему оно начинает вращаться быстрее (подобно фигуристке, выполняющей вращение). Со временем роль центробежной силы растет (так как увеличивается скорость вращения), и газопылевое облако начинает сплющиваться под действием нескомпенсированной гравитационной силы. После этого из уже дискообразного газопылевого облака начинают постепенно образовываться планеты и другие объекты зарождающейся планетарной системы, которым потом достаются орбиты, лежащие примерно в одной плоскости. Эта плоскость наследуется от уже сжавшегося облака газа, из которой они образовались. Схожие аргументы, но на значительно больших масштабах, можно применить и к плоским спиральным галактикам.

Но как же тогда могут существовать эллиптические галактики (которых, кстати, большинство)? Может ли быть, что это просто молодые галактики, и им просто не хватило времени, чтобы стать плоскими?

Любопытно, что похожая интерпретация была у Эдвина Хаббла в начале XX века. Он считал, что эллиптические галактики рано или поздно эволюционируют в плоские спиральные. Благодаря Хабблу в астрофизике укоренилось условное разделение «ранних» и «поздних» типов галактик, которое, используется и по сей день, но, как оказалось позже, абсолютно не соответствует действительности. На самом деле эллиптические галактики, как правило, гораздо взрослее спиральных.

Можно вспомнить, что бывают и шаровые звездные скопления, возраст которых сравним с возрастом Вселенной. Они каким-то образом умудрились не сплюснуться за все это время.

Почему же аргументы, приведенные выше, не работают для эллиптических галактик, шаровых скоплений, гало темной материи и других подобных систем? Оказывается, что у них нет одного важного свойства, которое мы неявно использовали при объяснении уплощения газовых облаков: мы считали, что газовое облако можно рассматривать как единое целое. То есть предполагалось, что «частицы» газа (маленькие области в газопылевом облаке, из которого формируется звезда и планетная система) вращались не независимо, а взаимодействовали. Благодаря этому у них есть общий момент импульса. Такое свойство системы (ее составные части могут «переговариваться» и «знают» о существовании друг друга) обеспечивает процесс, который в астрофизическом жаргоне называется переносом момента импульса (или переносом углового момента). Важно, чтобы характерное время взаимодействия (например, трения) между различными областями системы было меньше, чем время, за которое система меняет размеры и форму, — благодаря этому еще до того, как система сожмется, ее отдельно взятые части успеют «переговориться» между собой, «узнав», что у них есть общий момент импульса. По сути, перенос углового момента — это необходимое условие, чтобы система вращалась как единое целое с некоторым эффективным суммарным моментом импульса и осью вращения. Оно легко выполняется, когда плотность газа достаточно велика, однако чем разреженнее газ, тем сложнее различным областям системы взаимодействовать друг с другом. Если же это условие не выполняется, составные части системы будут вращаться, не взаимодействуя друг с другом, и не подозревая о том, что они являются частью общего. Таким образом у системы не будет никакого выделенного направления, так как каждая его составная часть будет иметь свой момент импульса, направленный произвольным образом.

Темная материя является замечательным примером этого: составные части гало темной материи не могут никак взаимодействовать друг с другом (помимо взаимного притяжения). Поэтому сгустки темной материи могут свободно вращаться в произвольных плоскостях, не подозревая о существовании других сгустков. Подумайте, кстати, в качестве дополнительного вопроса, почему темная материя не коллапсирует в центр (ведь давления у нее нет)?

То же самое происходит и в эллиптических галактиках: из-за того, что в этих галактиках слабее темп звездообразования, мы знаем, что плотность межзвездного газа там значительно меньше, чем в спиральных. Недостаток межзвездного газа значительно ослабляет взаимодействие между различными областями галактики, так как звезды сами по себе не могут напрямую взаимодействовать друг с другом (кроме как гравитационно).

По этой же причине на внешних рубежах Солнечной системы объекты вращаются не в единой плоскости. По всей видимости, плотность протопланетного облака была недостаточно высокой для обеспечения взаимодействия, и внешние части Солнечной системы не успели вовремя схлопнуться в диск, до того, как из газопылевого облака стали образовываться крупные астероиды и карликовые планеты, которые уже не способны взаимодействовать друг с другом через трение и вязкость.

Ученые согласились с теорией «плоской» Вселенной

https://ria.ru/20101124/300524998.html

Ученые согласились с теорией «плоской» Вселенной

Ученые согласились с теорией «плоской» Вселенной — РИА Новости, 24.11.2010

Ученые согласились с теорией «плоской» Вселенной

Проверка справедливости космологической модели Вселенной, по которой около 72% ее массы приходится на темную энергию, по новой методике подтвердила, что Вселенная «плоская», а так называемая космологическая постоянная, которую Альберт Эйнштейн называл своей главной ошибкой, может быть объяснением ускорения ее расширения, считают авторы статьи, которая будет опубликована в журнале Nature в четверг.

2010-11-24T22:36

2010-11-24T22:36

2010-11-24T22:36

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/sharing/article/300524998.jpg?1290627373

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2010

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4. 7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

1

5

4.7

96

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

МОСКВА, 24 ноя — РИА Новости. Проверка справедливости космологической модели Вселенной, по которой около 72% ее массы приходится на темную энергию, по новой методике подтвердила, что Вселенная «плоская», а так называемая космологическая постоянная, которую Альберт Эйнштейн называл своей главной ошибкой, может быть объяснением ускорения ее расширения, считают авторы статьи, которая будет опубликована в журнале Nature в четверг.

Альберт Эйнштейн добавил космологическую постоянную, характеризующую свойства вакуума, в собственные уравнения общей теории относительности, чтобы те допускали существование стабильной Вселенной, которая не сжимается и не расширяется. Однако через некоторое время после этого американский астроном Эдвин Хаббл показал, что на самом деле Вселенная расширяется, а сам Эйнштейн назвал космологическую постоянную своей «самой большой ошибкой».

Космологическая постоянная осталась предметом интереса ученых, но до 1990-х годов считалось, что она незначительно отличается от нуля. В 1998-1999 годах наблюдения за сверхновыми показали, что Вселенная расширяется с ускорением, а затем данные зонда WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), изучающего реликтовое излучение, «эхо» Большого взрыва, заставили ученых предположить, что «расталкивает» Вселенную таинственная темная энергия, на которую приходится около 72% ее массы. Эти выводы пробудили новый интерес к космологической постоянной.

Кристиан Маринони (Christian Marinoni) и Эдлин Буцци (Adeline Buzzi) из университета Прованса (Франция)

24 ноября 2010, 22:41

Комментарий к доказательству по «плоской Вселенной» (инжект)

предложили новую методику проверки справедливости представлений о структуре и свойствах Вселенной, основанную на геометрии пар галактик с большим красным смещением, то есть сильно удаленных от наблюдателя. Они воспользовались тем фактом, что, по современным представлениям, «форма» Вселенной зависит от ее «содержания», а значит, геометрические измерения можно использовать для определения состава Вселенной и, в частности, количества в ней темной энергии.

Ученые использовали модификацию теста Элкока-Пачиньски, разработанного американским и польским астрономами более 30 лет назад. Этот тест основан на рассмотрении симметричных объектов в космическом пространстве как «стандартных сфер», любые искажения которых будут связаны с искажением пространства, вызванным расширением Вселенной.

Этот тест неоднократно пытались применить, например, для скоплений галактик, однако для этого не хватало точности измерений. Маринони и Буцци изучили распределение взаимной ориентации пар галактик, обращающихся друг вокруг друга. Во Вселенной без темной энергии это распределение было бы сферически симметричным — то есть количество пар, ориентированных в любом из направлений, было бы одинаковым.

Наблюдения показали, что на самом деле, чем дальше от Земли находятся пары галактик, тем более асимметричным было распределение их ориентации — больше пар было расположено вдоль луча обзора от Земли. Это, как отмечают ученые, соответствует

24 ноября 2010, 22:39

Плоская Вселенная (инжект)

с темной энергией.

Кроме того, как отмечают исследователи, им удалось показать, что наиболее удачным объяснением феномена темной энергии может быть именно эйнштейновская космологическая постоянная, обозначающая энергию вакуума. Ученые, по их словам, получили и самую точную на сегодня оценку величины этой постоянной.

Что вы имеете в виду, говоря, что Вселенная плоская? (Часть I)

Вселенная трехмерна.

Вселенная четырехмерна — три для пространства, одно для времени.

Вселенная имеет девять, десять или одиннадцать измерений.

Материя искривляет пространство-время.

Вселенная плоская.

Вселенная бесконечна.

Ширина Вселенной составляет 84 миллиарда световых лет.

Вселенная — это пузырь или луковица.

Или зеркальный зал в форме футбольного мяча.

Или образ из «Божественной комедии» Данте.

Утверждения, подобные этим, довольно часто появляются в научно-популярных журналах, включая Scientific American , и они, кажется, полностью противоречат друг другу. Но все они верны или, по крайней мере, правдоподобны. Что дает?

Тонкость в том, что слово «вселенная» имеет разные значения в разных контекстах. В разговорном английском это слово часто означает «все, что существует». Так что это интуитивное представление о вселенной кажется хорошим началом. Если мы будем следовать этому ходу мысли, первое, что мы заметим, это то, что настоящее время глагола «существовать» имплицитно предполагает, что мы имеем в виду «все, что существует».0003 теперь ».

Оставляя в стороне вопрос о том, может ли «сейчас» иметь универсальное значение, и еще более тонкий онтологический вопрос о том, что значит существовать, — имеет смысл думать о тотальности пространства и всех его содержаниях в настоящем. времени и представить эту тотальность как непрерывное целое.

Пространство или пространство-время?

Если мы пойдем по этому пути, мы можем сначала заметить, что пространство кажется нам трехмерным. Таким образом, мы могли бы сделать предположение, что можем определить местонахождение чего угодно во Вселенной, используя три декартовых координаты: в этот застывший момент времени, который мы называем настоящим, каждый объект занимает определенное x , y и z в нашем трехмерном континууме.

Итак, вот одно из естественных представлений о вселенной: все трехмерное пространство в настоящее время. Назовите это вместо .

А как же все остальные измерения?

Причудливые теоретические построения, такие как теория струн, постулируют, что на самом деле в космосе есть нечто большее, чем мы можем видеть, но пока у этих теорий нет экспериментальных подтверждений. Итак, на данный момент мы можем просто сосредоточиться на наших знакомых трех измерениях.

Время, с другой стороны, действительно является дополнительным измерением и вместе с пространством образует большую четырехмерную сущность, называемую пространством-временем. Естественно думать о нынешнем мире как о трехмерном срезе в этом четырехмерном пространстве, точно так же, как горизонтальные плоскости являются двумерными срезами в нашем трехмерном мире. Поскольку большинству людей (включая вашего покорного слугу) трудно визуализировать четырехмерные объекты, распространенный способ представления пространства-времени состоит в том, чтобы притвориться, что пространство имеет только два измерения. Пространство-время, таким образом, имело бы более управляемое количество из трех. При таком взгляде на вещи современная вселенная является одной из многих параллельных плоскостей, каждая из которых представляет вселенную в определенное время ее истории.

Таким образом, кажущееся несоответствие

Вселенная трехмерна.

Вселенная четырехмерна — три для пространства, одно для времени.

Вселенная имеет девять, десять или одиннадцать измерений.

— это просто вопрос разъяснения языка. Насколько нам известно, пространство трехмерно, а пространство-время четырехмерно; но если теория струн верна, то пространство оказывается 9-мерным, а пространство-время 10-мерным.

Кстати, когда космологи говорят о расширении Вселенной, они имеют в виду, что расширялось пространство, а не пространство-время.

Плоский или изогнутый?

За последнее десятилетие — вы, возможно, читали эту новость бесчисленное количество раз — космологи нашли, как они говорят, довольно убедительные доказательства того, что Вселенная (имеется в виду трехмерное пространство) плоская или, по крайней мере, очень близка к плоской .

Точное значение плоского, а не искривленного пространства заслуживает отдельного поста, и именно об этом будет часть II этой серии [обновление от 31 июля: прочитайте Что вы имеете в виду, говоря, что Вселенная плоская? Часть II: в которой мы фактически отвечаем на вопрос ]. Пока удобно просто визуализировать плоскость как наш архетип плоского объекта, а поверхность Земли как наш архетип искривленного. Оба они двухмерны, но, как я расскажу в следующем выпуске, плоскостность и криволинейность имеют смысл в любом количестве измерений.

Здесь я хочу поговорить о том, что должно быть плоским.

Когда космологи говорят, что Вселенная плоская, они имеют в виду пространство — настоящее и его параллельные братья и сестры в прошлом. Пространство-время не является плоским . Этого не может быть: общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что материя и энергия искривляют пространство-время, а материи и энергии вокруг достаточно, чтобы обеспечить кривизну. Кроме того, если бы пространство-время было плоским, я бы не сидел здесь, потому что не было бы гравитации, удерживающей меня на стуле. Короче говоря: пространство может быть плоским, даже если пространство-время не плоское.

Более того, говоря о плоскостности космоса, космологи имеют в виду крупномасштабность Вселенной. Когда вы «увеличиваете масштаб» и смотрите на что-то менее космического масштаба, например на Солнечную систему, пространство — не только пространство-время — становится определенно не плоский. Замечательные новые доказательства этого факта были недавно получены в ходе самого продолжительного эксперимента в истории НАСА, Gravity Probe B , в ходе которого было проведено прямое измерение кривизны пространства вокруг Земли. (Считается, что самый крайний случай неплоскостности пространства возникает внутри горизонта событий черной дыры, но это уже другая история.) , пылевые облака, галактики и т. д. представляют собой всего лишь кучу маленьких бугорков на скучно плоском пространстве.

Отсюда кажущееся противоречие:

Материя искривляет пространство-время. Вселенная плоская

тоже легко объяснима: пространство-время искривлено, как и пространство; но в большом масштабе пространство в целом плоское.

Конечный или бесконечный?

Если все во Вселенной имеет x , y и z , было бы естественно предположить, что мы можем подтолкнуть эти координаты к любому значению, независимо от того, насколько оно велико. Космический корабль, улетающий «вдоль x ось» может продолжаться вечно. Ведь что могло ее остановить? Пространство должно иметь какую-то границу; большинство космологов так не думают.

Тот факт, что вы можете жить вечно, не означает, что пространство бесконечно. Подумайте о двухмерной сфере, на которой мы живем, о поверхности Земли. Если вы сядете в самолет и пролетите над экватором, вы можете просто продолжать полет — вы никогда не столкнетесь с «краем Земли». Но через некоторое время (при условии, что у вас достаточно топлива) вы вернетесь на то же место. Нечто подобное, в принципе, могло бы произойти и в нашей Вселенной: космический корабль, улетевший в одном направлении, через долгое время мог появиться вновь с противоположного направления.

А может и нет. Космологи, кажется, верят, что Вселенная существует вечно, не возвращаясь, и, в частности, что пространство имеет бесконечную протяженность. Но под давлением большинство космологов также признают, что на самом деле они понятия не имеют, конечна она или бесконечна.

В принципе, Вселенная может быть конечной и не иметь границ — точно так же, как поверхность Земли, но в трех измерениях. Фактически, когда Эйнштейн сформулировал свое космологическое видение, основанное на его теории гравитации, он постулировал, что Вселенная конечна. Мировоззрение Эйнштейна коренилось в его глубоком, почти мистическом чувстве эстетики; наиболее симметричной, эстетически совершенной трехмерной формой является трехмерная сфера. (Некоторые предполагают, что то, как Данте описывает Вселенную в своих Божественная комедия тоже как-то связана с трехмерной сферой: я думаю, это тоже придется подождать до следующего поста.) пытался проверить, может ли пространство быть трехмерной сферой или, возможно, более сложным трехмерным пространством, которое, по сути, является сферой, обернутой вокруг себя [см. « Конечное ли пространство? » Гленна Д. Старкмана, Жан-Пьера Люмине и Джеффри Р. Уикса; Научный американец , апрель 1999]. Во вселенной, которая имеет одну из этих форм, можно было бы наблюдать триповые эффекты типа зеркала зала.

Причина, по которой мы не знаем, является ли пространство конечным или бесконечным, заключается в том, что у нас, похоже, нет возможности наблюдать за пределами ограниченного горизонта. Вселенной 13,7 миллиарда лет, и поскольку ничто не может двигаться быстрее скорости света, у нас нет никакой информации о событиях, происходящих за пределами определенного расстояния. (По причинам, которые было бы слишком сложно обсуждать здесь, это максимальное расстояние на самом деле не равно 13,7 миллиарда световых лет.)

Наблюдаемая Вселенная

Итак, мы знаем то, чего не можем знать: Вселенная, которую мы можем наблюдать, имеет конечную протяженность. Космологи часто называют ее наблюдаемой Вселенной.

Насколько велика наблюдаемая Вселенная? Это удивительно сложный вопрос, который станет предметом еще одного следующего поста.

А пока отметим, что самые далекие галактики , свет которых мы обнаружили, излучали этот свет около 13,2 миллиарда лет назад. Поскольку Вселенная (имеется в виду пространство) с тех пор расширяется, эти галактики теперь находятся на гораздо большем расстоянии — примерно в 26 миллиардах световых лет.

Даже дальше, чем самые далекие галактики, самый далекий объект, который мы могли наблюдать, плазма, существовавшая до эпохи рекомбинации [см. 400 тысячелетий после Большого взрыва. Свету, исходящему от него, потребовалось 13,7 миллиарда световых лет, чтобы добраться до нас. Материя, которую мы «видим» в этой плазме, также ушла дальше: сейчас эта материя находится примерно в 42 миллиардах световых лет от нас. Так вот о чем говорят космологи, когда говорят, что наблюдаемая Вселенная имеет радиус 42 миллиарда световых лет. (Конечно, ответ должен был быть 42.)

Странный факт об наблюдаемой Вселенной заключается в том, что она не является частью вселенной Now. Поскольку свет от далеких галактик шел к нам миллионы лет, то, что мы видим, находится в прошлом, а не в настоящем, и чем оно дальше, тем старше. Итак, если наблюдаемая вселенная не является частью вселенной, как мы можем ее изобразить? Где в пространстве-времени мы должны его разместить? [ продолжение следует ]

Читать Часть II: В которой мы фактически отвечаем на вопрос

 

Этот пост является частью серии статей о космологии. Вот другие сообщения:  

Что вы имеете в виду, говоря, что Вселенная плоская? Часть 2: в которой мы фактически отвечаем на вопрос

Быть мистером Фантастиком

(О визуализации конечной скорости света)

Под кроваво-красным небом

(О послесвечении Большого взрыва и о том, почему небо раньше светилось красным)

Все еще впереди: откуда мы знаем, что искривление пространства является фактом жизни; на что был бы похож мир, если бы пространство было очень искривленным; какова кривизна (и размер) наблюдаемой Вселенной; и какое отношение наблюдаемая вселенная имеет к Данте.

Сверхглубокое поле зрения Хаббла предоставлено НАСА. Изображение сферы и плоскости Джо Долинера.

Большое спасибо гуру космологии Scientific American Джорджу Массеру.

Высказанные мнения принадлежат автору (авторам) и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.

ОБ АВТОРАХ

    Давиде Кастельвекки — штатный репортер Nature , который практически всю свою жизнь был одержим квантовым вращением. Подпишитесь на него в Твиттере @dcastelvecchi

    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.

    Пройдите 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 световые лучи: если бы, скажем, два лазера были запущены идеально параллельно, то их поведение в долгосрочной перспективе рассказало бы нам о важных вещах.

    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 мелкие 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.

    Нет ложки

    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.

    Вы впервые услышали это здесь: 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 не существует законов физики, которые предсказывают или ограничивают топологию.

    Концы двухмерного 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 эпизод «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+. Оригинал статьи 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, а затем стажировался 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. Он ведущий популярной программы «Спроси космонавта!» подкаста, автор книг «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», часто появляется на телевидении, в том числе на канале «Погода», где он является официальным специалистом по космосу.

    Откуда мы знаем, что Вселенная плоская? Открытие топологии Вселенной

    Фрейзер Кейн, Universe Today

    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 множество статей по многим различным аспектам этого вопроса, и в настоящее время астрономы пришли к выводу, что, поскольку Вселенная плоская, она никогда не схлопнется сама по себе и не вызовет новый 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 линий. 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 сторону, 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, которые у них есть, астрономы могут обнаруживать крошечные изменения 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, у него есть ответ, который нам нужен. Если бы Вселенная была каким-то образом искривлена, эти колебания 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 искривлена ​​таким образом, что вы можете совершить полное путешествие менее чем за четыре оборота, это означает, что она закрыта и обречена на саморазрушение.

    Новые результаты исследования галактики Evolution Explorer 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.