Редактор GeekTimes
879,1
рейтинг
9 мая 2015 в 20:24

Спросите Итана №87: Форма вселенной: возможностей много, но реальность одна

image

Перевод статьи Ask Ethan #87: The Shape Of The Universe

Не пытайтесь стереть прошлое. Оно формирует вас сегодняшнего и помогает вам стать тем, кем вы будете завтра.

Зиад К. Абдельнуар

Вселенная даже больше, чем мы с вами, сформирована условиями, существовавшими во время её рождения. Но какую же форму она приняла? Я выбрал вопрос читателя Тома Берри, который спрашивает:

Я так понимаю, что у вселенной форма седла. Интересно, почему в момент Большого взрыва вся материя не разлетелась равномерно во все стороны и не придала вселенной шарообразную форму?

Начнём с того, что уберём одно измерение, и поговорим о том, что формирует двумерную поверхность. Вы, наверно, представите себе плоскость – типа листа бумаги. Её можно скатать в цилиндр, и хотя поверхность окажется самосвязанной – с одной стороны можно перейти на другую, это всё равно будет плоская поверхность.

Что это значит? Например, можно нарисовать треугольник и сложить размеры внутренних углов. Если мы получим 180 градусов, то поверхность – плоская. Если нарисовать две параллельные линии, они останутся такими на всём протяжении.

Но это лишь один из вариантов.

image

Поверхность сферы – двумерная, но не плоская. Любая линия начинает закругляться, и если вы сложите углы треугольника, вы получите величину больше, чем 180 градусов. Нарисовав параллельные линии (линии, которые начинаются, как параллельные), вы увидите, что, в конце концов, они встретятся и пересекутся. Такие поверхности имеют положительную кривизну.

Поверхность седла, с другой стороны, представляет другой тип неплоской двумерной поверхности. Она вогнутая по одному направлению и выпуклая по другому, перпендикулярному, и является поверхностью с отрицательной кривизной. Если вы нарисуете на ней треугольник, то получите сумму углов меньше 180 градусов. Две параллельные линии будут расходится в разные стороны.

image

Ещё можно представить плоский круглый кусочек бумаги. Если вырезать из него клин и заново его склеить, вы получите поверхность положительной кривизны. Если вставить этот клин в другой такой же кусок, вы получите поверхность отрицательной кривизны, как на картинке.

Двумерную поверхность довольно просто представить из трёхмерного пространства. Но в нашей трёхмерной Вселенной всё обстоит несколько сложнее.

image

Что до кривизны Вселенной, у нас есть три варианта:

— положительная кривизна, как бы сфера в высших измерениях
— отрицательная, как бы седло в высших измерениях
— нулевая (плоская) – как трёхмерная решётка

Можно было бы подумать, что наличие Большого взрыва предполагает первый, сферический вариант, поскольку Вселенная вроде бы одинакова во всех направлениях — но это не так. Есть очень интересная причина, по которой Вселенная одинаковая во всех направлениях – и она никак не связана с кривизной.

image

То, что Вселенная одинакова во всех местах (гомогенна) и направлениях (изотропна), доказывает существование Большого взрыва, гипотеза о котором говорит, что всё началось с горячего и плотного однородного состояния, в котором начальные условия и законы природы везде были одинаковы.

С течением времени небольшие отклонения приводят к появлению структур – звёзд, галактик, кластеров, и великих пустот. Но причина однородности вселенной – в том, что всё имело одно и то же начало, а не в кривизне.

Но мы можем померить величину кривизны.

image

На картинке представлены шаблоны флуктуаций, запечатлённые в фоновом космическом излучении. От того, как работает Вселенная и из чего она состоит, зависят пики флуктуаций – самые горячие и холодные места на конкретных угловых масштабах. Если у Вселенной отрицательная кривизна (седло), Вселенная склоняется к меньшему масштабу, если положительная – к большему.

Причина та же, что мы описывали – как прямые линии ведут себя на этих поверхностях.

image

Поэтому нам просто необходимо изучить флуктуации фонового космического микроволнового излучения, и мы сможем измерить кривизну наблюдаемой Вселенной.

И что же мы получим?

image

А получим мы, что величина кривизны, показанная в голубых кружочках, равна примерно 0.5%. Это говорит о том, что кривизна Вселенной неотличима от плоскости.

Она действительно расширялась равномерно во все стороны, но к кривизне это отношения не имеет. Конечно, на гораздо больших, чем мы можем наблюдать, масштабах, кривизна Вселенной может быть ненулевой. Инфляционный процесс, происходивший после Большого взрыва, экспоненциально увеличивает каждый участок Вселенной.

image

То есть, возможно, что кривизна Вселенной положительная или отрицательная, что она похожа на седло или сферу, что она может быть самосвязанной, и мы сможем выйти с одного конца и попасть на другой. Этого исключать нельзя – но в наблюдаемой части этого нет. И для нас Вселенная неотличима от плоской. Но, как показано на рисунке в части D, можно считать, что ваше пространство плоское, а при этом Вселенная может не быть плоской. Это вывод из той информации, которой мы располагаем.

Оригинал материала.
Вячеслав Голованов @SLY_G
карма
133,2
рейтинг 879,1
Редактор GeekTimes
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (14)

  • +5
    Это перевод?
    • +17
      Нет, что вы, просто SLY_G решил, что ему будет удобнее картинки делать на английском языке. :)

      Я нашёл оригинал вот здесь: medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-87-the-shape-of-the-universe-bce004916a33

      Автор: Ethan Siegel
      • +14
        А почему подобные деяния никак не пресекаются? Ссылки на источник даже нет.
  • +3
    Если кому интересно, вот тут https://youtu.be/fDQiwEgj9VM?t=25m Лоуренс Краус рассказывает про это и еще много всяких интересностей (Русская озвучка)
    PS
    Ссылка ведет на видео начиная с 25 минуты (начало рассказа про форму вселенной)
    • 0
      Вот спасибо большое! Давеча смотрел это замечательное видео и забыл сохранить его, а когда захотел освежить в памяти не смог вспомнить ни имени лектора ни найти видео, теперь-то сохраню.
  • +1
    Как в старые добрые, не хватает только китов и черепахи…
  • 0
    А как возможная кривизна пространства сочетается с принципом относительности?
    Ведь если в искривленном пространстве две материальные точки двигаются параллельно, то они будут сближаться или отдаляться в зависимости от знака кривизны (за счет этого в Hyperrogue легко убегать от толпы монстров :-)). Получается, что на движещиеся твердые тела действует сжимающая или растягивающая сила, перпендикулярная направлению движения, и существует выделенная система отсчета, где эта сила исчезает.
    • 0
      Наше пространство вроде тоже искривлено, в соответствии с ОТО. Солнце искривляет пространство вокруг него, поэтому Земля и вращается по своей траектории.
      • 0
        Это искривление привязано к источнику гравитационного поля. То есть есть выделенная инерциальная система, привязанная к центру масс, и ни чего удивительного в том, что можно померять скорость относительно нее.
        Для всего пространства такой системы быть, вроде как, не должно.
        • 0
          Тут я хотел что-то написать, но понял, что цельную картину не хватает воображения представить. Вот насчет «вроде как» хотелось бы что-то почитать/понять.
          • 0
            Кстати, на нас (возьмем Землю в пример) действует не только гравитация Солнца. На нас действует Альфа-Центавра, галактика Андромеда, и даже Большая Стена Слоуна. По сути, на нас действуют любые тела в нашей вселенной, только с разной силой и с разных направлений. Их настольно много, что ни о каком конкретном центре масс речь идти не может.
        • 0
          Можно взять, например, за точку отсчета центр масс вселенной. И если вселенная достаточно тяжелая то будет сфера. А если существуют, достаточно большие, отталкивающие силы то (если не ошибаюсь) седло.
          • 0
            Если Вселенная бесконечна или замкнута, понятие центра масс не удасться определить корректно.
            • 0
              Если в физике гдето появляется бесконечность то это, скорее всего, ошибка. И если нет никакой возможности заглянуть дальше определённой границы и то что там не оказывает на нас существенного влияния то нет оснований учитывать то что там есть. Можно посчитать массу известной вселенной и найти её цент мас.
              И как сказал int03e, возле нашей планеты пространство искривлено, и это не противоречит ОТО. И я не вижу причин почему искривление пространства вселенной должно противоречить ОТО.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.