Бесконечность без ограничений. Какова форма Вселенной?

У ученых есть простой ответ на этот один из самых сложных вопросов. На что похожа вселенная? Вы просто должны использовать свое воображение …

Прежде чем мы начнем говорить о форме Вселенной , несколько слов о конечности, бесконечности и пределах. Тот факт, что что-то не имеет границ, не означает, что оно бесконечно . Белый лист бумаги имеет границы, и он готов, но если вырезать из него нужную форму, склеить и сделать шар, то окажется, что этот кусок бумаги не имеет границ. Хотя он еще закончен.

То же самое происходит и с Землей . Оно, конечно, закончено (в чем, например, могут убедиться астронавты, работающие на Международной космической станции ), но без границ . Другими словами: вы можете идти вперед, идти, идти, и в лучшем случае вы вернетесь туда же, откуда пришли. Ты не достигнешь ни берега, ни стены. Вселенная выглядит так же?

Теория большого взрыва, или как была создана Вселенная

Это вопрос из пяти пунктов. Собственно, за Нобелевскую премию . Потому что как проверить форму чего-то вроде всей вселенной? Начнем с самого начала.

Теория Большого Взрыва утверждает, что Вселенная началась в бесконечно маленьком плотном и горячем месте . Точка, которая заняла все пространство одновременно. Ничего не существовало вне его. Оставим в стороне тот факт, что вышеупомянутая теория не объясняет, что это была за точка и откуда она взялась, или что вызвало ее «взрыв». К счастью, дальше все становится немного проще.

Из «нулевой точки» пространство начало раздуваться, увлекая за собой материю. Это событие произошло примерно 13,7 миллиарда лет назад . То, что это было правдой, подтверждается полетом галактик , фоновым микроволновым излучением и количеством легких элементов в космосе.

Из трех столпов, поддерживающих Теорию большого взрыва, легче всего понять первый. В 1929 году Эдвин Хаббл объявил, что все галактики постоянно удаляются друг от друга , в какую бы сторону вы ни смотрели. Сегодня они ближе друг к другу, чем будут завтра, вчера они были ближе, чем сегодня. Мало того — несколько лет назад выяснилось, что это удаление неуклонно ускоряется уже почти 14 миллиардов лет .

Эти наблюдения дали физикам пищу для размышлений, но решающим для них стал другой эксперимент. В 1948 году Георгий Гамов подсчитал, что излучение вокруг нас должно свидетельствовать о Большом взрыве . Что-то вроде отголоска тех событий, которые он назвал микроволновым фоновым излучением, или реликтовым излучением . Теория подразумевала, что если на самом деле вся материя Вселенной когда-то находилась в одной точке , то в начальный период расширения космос должен был быть настолько плотным, что кванты излучения не могли «оторваться» от материи.

Это отделение не могло произойти до тех пор, пока Вселенная уже немного не расширилась, а плотность материи несколько не упала. Расчеты Гамова показали, что это не могло произойти раньше 300 000 лет. лет после Большого взрыва.  В 1948 году это предположение звучало очень абстрактно. Спустя 15 лет реликтовое излучение, описанное теоретически Гамовым, было действительно обнаружено . 

Форма Вселенной — интеллектуальная провокация

Реликтовое излучение — это не диковинка или ниша, в которой свободно разгуливают всего несколько физиков в мире. Это ключевая тема для понимания формы и возможных границ Вселенной. Потому что, составляя карту микроволнового фонового излучения, мы получаем одновременно что-то вроде картины Вселенной в младенчестве.

Почти через 14 миллиардов лет после Большого взрыва, благодаря реликтовому излучению, мы получаем изображение того времени, когда Вселенной было всего 300 000 лет. годы! Это более или менее похоже на снимок 90-летнего старика, на котором после проявления мы видим его всего через дюжину или около того часов после его рождения.

Сделав такой снимок, мы заглянем в прошлое – во времена, когда весь космос был размером с маковое зернышко (по сравнению с объемом, который он занимает сейчас). В этом зерне еще не было галактик, только места большей плотности материи, из которых в будущем сформируются скопления галактик. По их форме и расположению можно сделать выводы о форме помещения. Вы также можете быть более склонны «предсказывать» будущее. Реликтовое излучение настолько важно для космологов, что уже много лет они посылают в космос зонды, единственной задачей которых является измерение микроволнового фонового излучения .

В 1989 году был запущен зонд COBE . В 2003 году настала очередь зонда WMAP , а в середине 2009 года к ним присоединился европейский зонд Planck . Это включает их исследования показывают, что Вселенная конечна и замкнута, но не имеет предела. Какова его форма?

Ответить на этот вопрос более чем сложно. Разные группы исследователей делают разные выводы из одних и тех же данных. Новые интерпретации приходят и уходят. Некоторые теоретические рассуждения не более чем интеллектуальная провокация, другие скорее возникли в ходе мозгового штурма космологов или физиков-теоретиков. Среди обсуждаемых моделей есть, например, модель зеркальной камеры, в которой пространство имеет форму додекаэдра .

Существуют также модели, в которых Вселенная представляет собой цилиндр, конус, тор (изогнутый цилиндр, соединенный с основаниями — то есть форму надутой велосипедной камеры) и даже воронку . В последнем случае, с одной стороны, пространство было бы вытянутым и почти бесконечно длинным, а с другой стороны, расширялось бы (завивалось наружу), чем-то напоминая колокол или рог. Самая старая и простая для понимания концепция — это концепция, согласно которой Вселенная — это сфера .

Вселенная имеет три измерения — или больше

Представьте себе надувной шар. Мы, все галактики, вся вселенная — это ее поверхность . Нет такой вещи, как центр воздушного шара, нет такой вещи, как окружающая его область. Есть только поверхность, которая имеет определенную степень кривизны.

Но подождите, наш мир (как минимум) трехмерный, и эта аналогия говорит о двухмерном (поверхностном) мире. Вот в чем трудность. Мозг не может представить себе трехмерное пространство, изогнутое в какой-либо форме. Пожалуйста, не путайте это с изогнутой двухмерной поверхностью. Надутый воздушный шар трехмерен, но третье измерение возникает из-за изгиба плоскости (плоских стенок воздушного шара). А как представить искривление уже трехмерного пространства? Это полная абстракция . Борясь с ней, мы ставим себя в положение существ, живущих в двумерном мире, неспособных представить себе пространственные фигуры, возникающие из изгибающихся плоскостей.

Если бы кто-то в таком плоском мире начал говорить о вышеупомянутом воздушном шаре, который при надувании создает трехмерную форму, он был бы так же неправильно понят, как и сегодняшние космологи, пытающиеся выяснить, какую форму имеет наше трехмерное пространство — возможно, изогнутую в следующее, четвертое измерение . Да, эту дозу абстракции можно еще больше усложнить, добавив, что Вселенная не обязательно имеет только три измерения.

Как изучить форму Вселенной?

Но нам лучше оставить это и вернуться к формам. Поскольку в двумерном мире двумерные люди не смогли бы понять кривизну своего мира, можем ли мы понять кривизну нашего трехмерного пространства? Я не знаю, может быть, нет, но мы определенно можем это расследовать . Чтобы понять как, лучше всего сделать простое упражнение.

Положите на стол лист белой бумаги и начертите две удаленные друг от друга точки А и В. Попробуйте соединить их прямой линией. Вопрос: сколько прямых соединяет две точки на плоскости? Да, ты прав. Единственный. Затем смажьте край листа клеем и склейте цилиндр. Следите за тем, чтобы нарисованные ранее точки находились на его внешней поверхности, чтобы их было хорошо видно. Сколько прямых соединяет эти две точки? Конечно не один. Не один, а несколько! Одна линия может проходить от А до В по правой стороне цилиндра, другая может проходить вокруг левой стороны цилиндра. Третья прямая может проходить через центр цилиндра, а следующие две вверх и вниз. Простых может быть много. И это не геометрическое любопытство. Это блестящая особенность искривленного пространства с обеих сторон .

Если мы с нашей Землей находимся в точке В, а в точке А находится галактика, которую мы наблюдаем, значит, излучаемый ею свет может достигать наших глаз разными путями, с разных сторон неба . Кроме того, каждый из этих путей имеет разную длину, а значит, один и тот же объект можно наблюдать в разном возрасте.

Почему это происходит? Потому что свет имеет конечную скорость . Он движется максимально быстро, но все же — учитывая гигантские расстояния во Вселенной — имеет значительные задержки . Когда мы смотрим на галактику Андромеды, находящуюся в 2,5 миллионах световых лет от нас — наше ближайшее галактическое соседство, — мы видим ее не такой, какая она есть сейчас, а такой, какой она была 2,5 миллиона лет назад. Этот свет, достигающий нас сейчас, только что покинул галактику.

Если предположить, что этот свет может достигать нас разными путями разной длины, то вполне возможно, что, глядя на север в ночном небе, мы увидим галактику X, когда ей было 2 миллиарда лет, а взглянув на юг, когда ей было 3 миллиарда лет. старый, и запад, как только он вспыхнул. Так много для теории.

На практике мы понятия не имеем, видим ли мы, глядя на разные области неба, каждый раз разные галактики, или некоторые из них одни и те же, но находятся на разной стадии развития. Мы даже не знаем, как это проверить. Однако, если бы нам как-то удалось, для определения формы Вселенной и кривизны пространства потребовался бы только компьютер с высокой вычислительной мощностью. Тогда астрономы «подбросили бы» в него информацию о том, какие галактики можно увидеть двойными или тройными, какого они возраста и в каком направлении движется излучаемый ими свет.

Подходящая программа должна уметь вычислять кривизну пространства или форму Вселенной . Ибо изображения галактик будут устроены иначе, когда космос будет шаром, и иначе, когда он будет конусом или тором. Изучение микроволнового фонового излучения происходит точно так же. Трудно представить себе ситуацию, когда пространство меняет свою форму (кривизну) с течением времени. Форма, приданная Вселенной в первые доли секунды после Большого взрыва, вероятно, такая же, как и сегодня. Поэтому космологи придают такое большое значение анализу микроволнового фонового излучения.Они хотят видеть отражения, закономерности или неровности, характерные для искривленного пространства, в этой картине младенческой Вселенной . 

Неевклидова геометрия и описание Вселенной

В космологии мало что можно понять, активировав нашу земную интуицию. То же самое верно и в физике элементарных частиц. Некоторые люди, однако, могут каким-то образом заглушить свою интуицию. А может, их интуиция работает на более высоких уровнях? Можно еще попытаться представить такие вопросы, как Большой Взрыв или расширение пространства, но форму самого пространства — не так уж и много . Между тем невозможно понять устройство Вселенной, не ответив на вопрос об особенностях заполняемого ею пространства. Без него невозможно узнать, каким было его прошлое и каким будет будущее.

В нашем масштабе пространство плоское, как лист бумаги. Как и в масштабах нашего ближайшего окружения, Земля также плоская. Две параллельные прямые при этих условиях всегда будут параллельны, а сумма углов треугольника всегда будет равна 180 градусам. Это основы так называемого Евклидова геометрия. Однако в искривленной странице, в искривленном пространстве все не так однозначно . Тогда две прямые и параллельные линии могут пересекаться или пересекаться. Образцы полей фигур или геометрических соотношений, которые дети усваивают в первых классах школы, перестают быть верными. Теорема Пифагора становится ложной!

Итак, каков наш мир? Если мы посмотрим на него внимательно, он будет евклидовым, плоским. Но если смотреть на него издалека, он становится изогнутым. Жаль, что пока неизвестно, как она изгибается и в какую сторону .

Раскрытие этого секрета может иметь практическое применение. Если две точки могут соединить несколько разных прямых линий в искривленном неевклидовом пространстве, возможно, однажды мы научимся путешествовать на большие расстояния, сокращая путь , например, через самый центр цилиндра. Если бы это произошло, мы могли бы начать готовиться к межзвездным и даже межгалактическим путешествиям — ведь оказалось бы, что расстояния между самыми дальними объектами во Вселенной не так уж и велики.

И каким будет будущее Вселенной? 

Конец будет, например, новым началом. Это то, о чем говорит гипотеза БОЛЬШОГО ХРУСТА . Предполагается, что Вселенная не будет расширяться вечно и что когда-нибудь произойдет обратное, и тогда галактики начнут сближаться. 

На данный момент они удаляются друг от друга все быстрее и быстрее, и нет никаких признаков того, что они когда-либо замедлятся. Так что более вероятной является концепция под названием Большой разрыв (BIG RIP) . Этот разрыв, описанный космологом Робертом Колдуэллом, применим не только к галактикам, но и к атомам. Протоны, нейтроны и электроны, а позже даже кварки разлетелись бы в пространстве, как бусинки из разорванного ожерелья. 

Третья наименее правдоподобная гипотеза — БОЛЬШОЙ ЗАМОРОЗ . Расширение Вселенной остановится; в какой-то момент, когда легкие элементы «сгорают», у них просто заканчивается энергия.

СЦЕНАРИЙ ЧЕТВЕРТЫЙ: МОДИФИЦИРОВАННЫЙ СИЛЬНЫЙ ЗАМОРОЗ 

Согласно этой теории Вселенная (похожая на рог или колокол) будет расширяться со все большей скоростью. Структуры, не связанные гравитацией, будут удаляться друг от друга быстрее скорости света. Так может распухать пространство, не могут распухать материя и излучение (они органически связаны со скоростями до 300 000 км/с, постулируемыми теорией относительности). Great Chill также закончится здесь.