Вселенная плоская: 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.

Почему Вселенная плоская, а не сферическая?

Астрономия

14.09.2019

3 261 2 минут чтения

Значение Большого взрыва очень часто неправильно понимают. Считается, что что-то взорвалось где-то, а затем взорванная часть расширилась до того места, где мы сейчас находимся. Это не правильно. До Большого взрыва не было ни пространства, ни времени. Таким образом, нет ничего «вне» Большого взрыва. Вселенная просто расширилась от очень маленького объема до огромного объема, и это расширение происходит даже сегодня. Итак, место, где мы сейчас находимся, соответствует некоторому месту в очень маленьком объеме в самой ранней Вселенной. Следовательно, Большой Взрыв произошел ВЕЗДЕ во Вселенной. Это происходило во всех местах, включая то место, где мы сейчас находимся.

Почему Вселенная выглядит плоской? Это был один из сложных вопросов в космологии долгое время. Сегодня большинство астрономов верят в теорию инфляции (и есть доказательства, подтверждающие это). Согласно этой теории, Вселенная подверглась экспоненциальному расширению примерно через 10-30 секунд после Большого взрыва. В результате к концу инфляционной эпохи что-то размером с атом расширилось до размеров Солнечной системы.

Если бы это было так, независимо от исходной геометрии Вселенной, это казалось бы нам плоским. Аналогия будет взять воздушный шар; мы можем легко увидеть его округленным; Теперь взорвите шарик до очень большого объема, а затем положите на его поверхность маленького муравья. Муравей будет думать, что это на листе; он не может обнаружить кривизну. Иными словами, расстояния, которые мы исследуем, слишком малы, чтобы обнаружить любую возможную кривизну во Вселенной.

Если, как вы говорите, «расстояния, которые мы исследуем, слишком малы, чтобы обнаружить любую возможную кривизну во Вселенной» … как мы можем принять недавние «доказательства» плоской вселенной? Все попытки доказать плоскостность или нет вселенной ограничены данными, собранными из наблюдаемой вселенной? Если это так, и мы предполагаем, что наш взгляд эквивалентен взгляду близорукого муравья на земле, то, безусловно, невозможно найти такое доказательство, если, конечно, информация не может распространяться быстрее света.

Во-первых, вы должны различать «вселенную» и «наблюдаемую вселенную». Технически, «вселенная» представляет собой все, что существует, в то время как «наблюдаемая вселенная» представляет собой все, что существует внутри нашего горизонта (то есть объем вселенной, в которой свет успел добраться до нас). Каждое наблюдение, которое мы можем когда-либо сделать, ограничено наблюдаемой вселенной, и у нас нет никакого способа точно знать, что происходит за горизонтом. Но многие люди используют «вселенную» как сокращение от «наблюдаемой вселенной», что может создать некоторую путаницу. Поэтому, когда мы говорим «WMAP предоставляет убедительные доказательства того, что Вселенная плоская», мы действительно имеем в виду «WMAP предоставляет убедительные доказательства того, что наблюдаемая Вселенная плоская».

WMAP (англ. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва. Запущен 30 июня 2001 года.

Однако, согласно теории инфляции, даже если у вселенной есть некоторая кривизна, наблюдаемая вселенная должна быть плоской на уровне, на котором мы можем ее измерить. Но мы не * знаем *, что теория инфляции верна. Так что да, важно проводить эксперименты, подобные тем, которые проводятся WMAP. Если бы мы обнаружили отклонения от плоскостности в наблюдаемой вселенной, то это дало бы доказательства против инфляции.

Подпишитесь на нас:Дзен.Новости / Вконтакте / Telegram

Back to top button

Какова форма Вселенной?

Существует также сценарий Вселенной Златовласки, который, по мнению ученых, является наиболее правдоподобным. Большинство космологических свидетельств указывает на то, что плотность Вселенной составляет , ровно — эквивалент примерно шести протонов на 1,3 кубических ярда — и что она расширяется во всех направлениях, не изгибаясь ни положительно, ни отрицательно. Другими словами, Вселенная плоская. (Возможно, это станет некоторым утешением для тех, кто разочарован округлостью нашей планеты.)

Плоская в 3D

Что же означает плоская Вселенная? Эта плоскость не является двухмерной, с которой мы часто сталкиваемся в повседневной жизни, но вы можете представить ее с помощью нескольких аналогий.

Допустим, вы стоите в углу квадратной комнаты. Пройдите 10 футов вдоль стены до следующего угла, затем поверните на 90 градусов. Пройдите еще 10 футов и снова повернитесь на 90 градусов. Сделайте это еще дважды, и вы вернетесь к тому, с чего начали — вы завершили квадрат. Это стандартная евклидова геометрия, которую мы все изучали в средней школе, и если вы добавите еще одно измерение, то получите плоскую Вселенную.

Но проведение этого эксперимента на положительно искривленном пространстве, представляющем замкнутую вселенную, привело бы к другому результату. На этот раз начните с экватора Земли и идите к Северному полюсу. Затем повернитесь на 90 градусов и идите обратно к экватору. Повернитесь еще раз на 90 градусов и вернитесь к исходной точке. В примере с плоской вселенной потребовалось четыре хода, чтобы вернуться к тому, с чего вы начали, а в примере с закрытой вселенной — только три.

Если вы (по понятным причинам) все еще в замешательстве, вот еще один пример: в плоской вселенной две ракеты, летящие рядом друг с другом, всегда будут оставаться параллельными. Это не похоже на закрытую вселенную, в которой траектории этих двух ракет будут расходиться, двигаться вдоль кривизны пространства и, в конце концов, петлять, чтобы встретиться там, где они стартовали. А в отрицательно искривленной открытой вселенной ракеты разделятся и никогда больше не пересекутся.

‘Космологический кризис’

Лучший ключ к разгадке формы Вселенной заключен в космическом микроволновом фоне (CMB), послесвечении Большого Взрыва, которое излучается к нам со всех сторон. За последние несколько десятилетий ученые неоднократно измеряли флуктуации температуры в реликтовом излучении — по сути, выполняя тригонометрию в максимально возможном масштабе — и почти не обнаруживали кривизны.

Плоская Вселенная является ключевым элементом стандартной космологической модели, также известной как модель лямбда-холодной темной материи (ΛCDM). (Λ — греческая буква лямбда, обозначающая темную энергию.) Но в конце 2019 г., Алессандро Мельхиорри из Римского университета Сапиенца и его коллеги опубликовали статью, в которой делается вывод о том, что измерения реликтового излучения космической обсерваторией «Планк» указывают на замкнутую Вселенную.

Они проанализировали величину гравитационного линзирования — насколько свет от реликтового излучения был отклонен гравитацией вещества на его пути — и нашли цифру выше, чем предсказывает модель ΛCDM. Если вы уберете предположение о плоской Вселенной вместо того, чтобы «попытаться подогнать данные под неправильную модель», — говорит он, — отклонение исчезнет.

Коллаборация Planck (частью которой является Мельхиорри) также обнаружила аномалию линз, но не сочла ее столь значительной. «С этим можно легко смириться», — говорит Энтони Льюис, космолог из Университета Сассекса в Брайтоне, Англия, и член команды Планка. Он, как и большинство исследователей, приписывает расхождение статистической случайности. «Если у вас есть большой набор данных и вы ищете странности, — говорит Льюис, — вы обязательно их найдете».

Мельхиорри признает, что он «немного играет роль адвоката дьявола», но он считает, что ученые должны оставаться скромными и не отвергать данные «Планка». Его точка зрения не в том, что Вселенная закрыта как таковая, а в том, что это несоответствие может говорить нам о чем-то важном. Он также признает последствия этого заявления. Он и его соавторы назвали это «космологическим кризисом». «Как только вы предполагаете замкнутую вселенную, это что-то вроде катастрофы, — говорит он, — потому что есть много наборов данных, которые начинают противоречить [данным Планка]».

Плоский, насколько хватает глаз

Если это правда, то это опровергнет десятилетия астрономических открытий. Но помимо этих данных нет ни малейших причин сомневаться в том, что Вселенная плоская. Все другие измерения реликтового излучения, например, проведенные космологическим телескопом Атакама (ACT) в Чили и микроволновым зондом анизотропии Уилкинсона, согласуются с плоскостностью. Данные из других источников, в первую очередь барионные акустические колебания — отпечатки, оставленные на галактиках первичными звуковыми волнами, возникшими после Большого взрыва, — также предполагают плоскостность.

Любая теория, подкрепленная такими неопровержимыми доказательствами, заставила бы большинство ученых скептически относиться к единственному отклонению. «Работа Мельхиорри не смешна, — говорит Спергель, — поскольку она действительно описывает особенность данных Планка, которая способствует положительной кривизне. «Но, — добавляет он, — когда вы идете и получаете больше данных, вы видите довольно непротиворечивую картину плоской Вселенной».

В статье, опубликованной в декабре, Спергель и десятки других исследователей, связанных с ACT, объединили свои собственные данные и другие наборы данных с данными Планка. Они не обнаружили «никаких доказательств отклонения от плоскостности, подтверждающих интерпретацию того, что [отклонение Планка] является статистической флуктуацией». Другие исследования после публикации статьи Мельхиорри, в том числе проведенный в феврале космологами Кембриджского университета Джорджем Эфстатиу и Стивеном Граттоном, пришли к такому же выводу. С их точки зрения, нет необходимости обновлять модель ΛCDM.

Итак, по крайней мере сейчас, Вселенная кажется трехмерным листом бумаги. Но точно так же, как Мельхиорри не настаивает на том, что она на самом деле закрыта, не все ученые настаивают на том, что она на самом деле плоская — именно так она выглядит с нашей точки зрения. Наши наблюдения по определению ограничены наблюдаемой Вселенной, поэтому мы можем что-то упустить.

Однако, если Вселенная искривлена, она должна быть настолько колоссальной, что все 93 миллиарда световых лет, которые мы можем видеть, не являются достаточно большой частью, чтобы обнаружить кривизну. Если взять пример с Земли, говорит Граттон, может показаться, что мы стоим в тумане и не можем видеть дальше небольшого плоского участка земли, но где-то вне поля зрения горизонт доказывает, что мы живем на сфере. «Когда мы говорим, что Вселенная плоская, — говорит он, — мы имеем в виду, что маленькая часть Вселенной, которую мы можем видеть, согласуется с тем, что она является частью [3D-аналога] плоской поверхности».

Что значит, 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, по их словам, довольно убедительные доказательства того, что Вселенная (имеется в виду трехмерное пространство) плоская или, по крайней мере, очень близка к плоской .

Точное значение плоского пространства по сравнению с искривленным пространством 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 — 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. « — Конечно 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.