Este universul însuși viu? Ar putea Universul nostru să fie finit și complex din punct de vedere topologic? Este universul finit
Știați că Universul pe care îl observăm are limite destul de clare? Suntem obișnuiți să asociem Universul cu ceva infinit și de neînțeles. Cu toate acestea, știința modernă, întrebată despre „infinitul” Universului, oferă un răspuns complet diferit la o astfel de întrebare „evidentă”.
Conform conceptelor moderne, dimensiunea Universului observabil este de aproximativ 45,7 miliarde de ani lumină (sau 14,6 gigaparsecs). Dar ce înseamnă aceste numere?
Prima întrebare care vine în minte unei persoane obișnuite este cum poate Universul să nu fie infinit? S-ar părea că este incontestabil că containerul a tot ceea ce există în jurul nostru ar trebui să nu aibă limite. Dacă aceste limite există, care sunt ele mai exact?
Să presupunem că un astronaut ajunge la granițele Universului. Ce va vedea în fața lui? Un zid solid? Bariera de incendiu? Și ce este în spatele ei - golul? Alt Univers? Dar golul sau alt Univers poate însemna că ne aflăm la granița universului? La urma urmei, asta nu înseamnă că nu există „nimic” acolo. Golul și un alt Univers sunt, de asemenea, „ceva”. Dar Universul este ceva care conține absolut totul „ceva”.
Ajungem la o contradicție absolută. Se pare că granița Universului trebuie să ne ascundă ceva care nu ar trebui să existe. Sau granița Universului ar trebui să îndepărteze „totul” de „ceva”, dar acest „ceva” ar trebui, de asemenea, să facă parte din „totul”. În general, absurditate totală. Atunci cum pot oamenii de știință să declare dimensiunea limită, masa și chiar vârsta Universului nostru? Aceste valori, deși neînchipuit de mari, sunt încă finite. Contestă știința cu evidentul? Pentru a înțelege acest lucru, să urmărim mai întâi cum au ajuns oamenii la înțelegerea noastră modernă a Universului.
Extinderea granițelor
Din timpuri imemoriale, oamenii au fost interesați de cum este lumea din jurul lor. Nu este nevoie să dăm exemple ale celor trei piloni și ale altor încercări ale anticilor de a explica universul. De regulă, în cele din urmă totul s-a rezumat la faptul că baza tuturor lucrurilor este suprafața pământului. Chiar și în vremurile antichității și Evul Mediu, când astronomii aveau cunoștințe extinse despre legile mișcării planetare de-a lungul sferei cerești „fixate”, Pământul a rămas centrul Universului.
Desigur, chiar și în Grecia Antică existau cei care credeau că Pământul se învârte în jurul Soarelui. Au fost cei care au vorbit despre multele lumi și despre infinitul Universului. Dar justificări constructive pentru aceste teorii au apărut abia la cotitura revoluției științifice.
În secolul al XVI-lea, astronomul polonez Nicolaus Copernic a făcut prima descoperire majoră în cunoașterea Universului. El a demonstrat ferm că Pământul este doar una dintre planetele care se învârt în jurul Soarelui. Un astfel de sistem a simplificat foarte mult explicația unei mișcări atât de complexe și complicate a planetelor din sfera cerească. În cazul unui Pământ staționar, astronomii au fost nevoiți să vină cu tot felul de teorii inteligente pentru a explica acest comportament al planetelor. Pe de altă parte, dacă Pământul este acceptat ca în mișcare, atunci o explicație pentru astfel de mișcări complicate vine de la sine. Astfel, o nouă paradigmă numită „heliocentrism” a luat loc în astronomie.
Mulți Sori
Cu toate acestea, chiar și după aceasta, astronomii au continuat să limiteze Universul la „sfera stelelor fixe”. Până în secolul al XIX-lea, ei nu au putut estima distanța până la stele. Timp de câteva secole, astronomii au încercat fără niciun rezultat să detecteze abaterile de poziție a stelelor în raport cu mișcarea orbitală a Pământului (paralaxe anuale). Instrumentele acelor vremuri nu permiteau măsurători atât de precise.
În cele din urmă, în 1837, astronomul ruso-german Vasily Struve a măsurat paralaxa. Acesta a marcat un nou pas în înțelegerea dimensiunii spațiului. Acum, oamenii de știință ar putea spune cu siguranță că stelele sunt asemănări îndepărtate cu Soarele. Iar lumina noastră nu mai este centrul tuturor, ci un „rezident” egal al unui grup de stele nesfârșit.
Astronomii s-au apropiat și mai mult de a înțelege scara Universului, deoarece distanțele până la stele s-au dovedit a fi cu adevărat monstruoase. Chiar și dimensiunea orbitelor planetelor părea nesemnificativă în comparație. În continuare a fost necesar să înțelegem cum sunt concentrate stelele în .
Multe Căi Lactee
Celebrul filozof Immanuel Kant a anticipat bazele înțelegerii moderne a structurii pe scară largă a Universului încă din 1755. El a emis ipoteza că Calea Lactee este un uriaș grup de stele în rotație. La rândul lor, multe dintre nebuloasele observate sunt, de asemenea, „căile lactee” mai îndepărtate - galaxii. În ciuda acestui fapt, până în secolul al XX-lea, astronomii credeau că toate nebuloasele sunt surse de formare a stelelor și fac parte din Calea Lactee.
Situația s-a schimbat când astronomii au învățat să măsoare distanțele dintre galaxii folosind . Luminozitatea absolută a stelelor de acest tip depinde strict de perioada de variabilitate a acestora. Comparând luminozitatea lor absolută cu cea vizibilă, este posibil să se determine distanța până la ele cu mare precizie. Această metodă a fost dezvoltată la începutul secolului al XX-lea de Einar Hertzschrung și Harlow Scelpi. Datorită lui, astronomul sovietic Ernst Epic a determinat în 1922 distanța până la Andromeda, care s-a dovedit a fi cu un ordin de mărime mai mare decât dimensiunea Căii Lactee.
Edwin Hubble a continuat inițiativa lui Epic. Măsurând luminozitatea Cefeidelor din alte galaxii, el le-a măsurat distanța și a comparat-o cu deplasarea spre roșu din spectrele lor. Așa că în 1929 și-a dezvoltat faimoasa lege. Lucrarea sa a infirmat definitiv punctul de vedere conform căruia Calea Lactee este marginea Universului. Acum era una dintre multele galaxii care fuseseră odată considerate parte a ei. Ipoteza lui Kant a fost confirmată la aproape două secole de la dezvoltarea ei.
Ulterior, legătura descoperită de Hubble între distanța unei galaxii de la un observator în raport cu viteza de îndepărtare a acesteia de la acesta, a făcut posibilă realizarea unei imagini complete a structurii la scară largă a Universului. S-a dovedit că galaxiile erau doar o parte nesemnificativă a acesteia. S-au conectat în clustere, clustere în superclustere. La rândul lor, superclusterele formează cele mai mari structuri cunoscute din Univers - fire și pereți. Aceste structuri, adiacente supervidurilor uriașe (), constituie structura pe scară largă a Universului cunoscut în prezent.
Infinit aparent
Din cele de mai sus rezultă că, în doar câteva secole, știința a trecut treptat de la geocentrism la o înțelegere modernă a Universului. Totuși, acest lucru nu răspunde de ce limităm Universul astăzi. Până la urmă, până acum vorbeam doar despre scara spațiului, și nu despre însăși natura lui.
Primul care a decis să justifice infinitul Universului a fost Isaac Newton. După ce a descoperit legea gravitației universale, el a crezut că, dacă spațiul ar fi finit, toate corpurile sale s-ar contopi mai devreme sau mai târziu într-un singur întreg. Înaintea lui, dacă cineva a exprimat ideea de infinitatea Universului, a fost exclusiv filozofic. Fără nicio bază științifică. Un exemplu în acest sens este Giordano Bruno. Apropo, ca și Kant, el a fost cu multe secole înaintea științei. El a fost primul care a declarat că stelele sunt sori îndepărtați, iar planetele se învârt și ele în jurul lor.
S-ar părea că însuși faptul infinitului este destul de justificat și evident, dar punctele de cotitură ale științei secolului al XX-lea au zguduit acest „adevăr”.
Univers staționar
Primul pas semnificativ către dezvoltarea unui model modern al Universului a fost făcut de Albert Einstein. Celebrul fizician și-a prezentat modelul de Univers staționar în 1917. Acest model se baza pe teoria generală a relativității, pe care o dezvoltase cu un an mai devreme. Conform modelului său, Universul este infinit în timp și finit în spațiu. Dar, după cum sa menționat mai devreme, potrivit lui Newton, un Univers cu o dimensiune finită trebuie să se prăbușească. Pentru a face acest lucru, Einstein a introdus o constantă cosmologică, care a compensat atracția gravitațională a obiectelor îndepărtate.
Oricât de paradoxal ar suna, Einstein nu a limitat însăși finitudinea Universului. În opinia sa, Universul este o înveliș închisă a unei hipersfere. O analogie este suprafața unei sfere tridimensionale obișnuite, de exemplu, un glob sau Pământul. Indiferent cât de mult călătorește un călător peste Pământ, el nu va ajunge niciodată la marginea acestuia. Totuși, asta nu înseamnă că Pământul este infinit. Călătorul se va întoarce pur și simplu la locul din care și-a început călătoria.
Pe suprafața hipersferei
În același mod, un rătăcitor spațial, care traversează Universul lui Einstein pe o navă, se poate întoarce înapoi pe Pământ. Numai că de această dată rătăcitorul se va deplasa nu de-a lungul suprafeței bidimensionale a unei sfere, ci de-a lungul suprafeței tridimensionale a unei hipersfere. Aceasta înseamnă că Universul are un volum finit și, prin urmare, un număr finit de stele și masă. Cu toate acestea, Universul nu are nici granițe, nici centru.
Einstein a ajuns la aceste concluzii conectând spațiul, timpul și gravitația în celebra sa teorie. Înainte de el, aceste concepte erau considerate separate, motiv pentru care spațiul Universului era pur euclidian. Einstein a demonstrat că gravitația în sine este o curbură a spațiului-timp. Acest lucru a schimbat radical ideile timpurii despre natura Universului, bazate pe mecanica newtoniană clasică și geometria euclidiană.
Univers în expansiune
Nici chiar descoperitorul „noului Univers” însuși nu era străin de iluzii. Deși Einstein a limitat Universul în spațiu, el a continuat să-l considere static. Conform modelului său, Universul a fost și rămâne etern, iar dimensiunea lui rămâne mereu aceeași. În 1922, fizicianul sovietic Alexander Friedman a extins semnificativ acest model. Conform calculelor sale, Universul nu este deloc static. Se poate extinde sau contracta în timp. Este de remarcat faptul că Friedman a ajuns la un astfel de model bazat pe aceeași teorie a relativității. A reușit să aplice mai corect această teorie, ocolind constanta cosmologică.
Albert Einstein nu a acceptat imediat acest „amendament”. Acest nou model a venit în ajutorul descoperirii Hubble menționate anterior. Recesiunea galaxiilor a dovedit incontestabil faptul expansiunii Universului. Așa că Einstein a trebuit să-și recunoască greșeala. Acum Universul avea o anumită vârstă, care depinde strict de constanta Hubble, care caracterizează rata de expansiune a acestuia.
Dezvoltarea în continuare a cosmologiei
Pe măsură ce oamenii de știință au încercat să rezolve această întrebare, au fost descoperite multe alte componente importante ale Universului și au fost dezvoltate diverse modele ale acestuia. Așa că în 1948, George Gamow a introdus ipoteza „Universului fierbinte”, care s-a transformat mai târziu în teoria big bang-ului. Descoperirea din 1965 i-a confirmat suspiciunile. Acum, astronomii au putut observa lumina care a venit din momentul în care Universul a devenit transparent.
Materia întunecată, prezisă în 1932 de Fritz Zwicky, a fost confirmată în 1975. Materia întunecată explică de fapt însăși existența galaxiilor, a clusterelor de galaxii și a structurii universale în sine. Așa au aflat oamenii de știință că cea mai mare parte a masei Universului este complet invizibilă.
În cele din urmă, în 1998, în timpul unui studiu al distanței până la, s-a descoperit că Universul se extinde într-un ritm accelerat. Acest ultim punct de cotitură în știință a dat naștere înțelegerii noastre moderne a naturii universului. Coeficientul cosmologic, introdus de Einstein și infirmat de Friedman, și-a găsit din nou locul în modelul Universului. Prezența unui coeficient cosmologic (constantă cosmologică) explică expansiunea accelerată a acestuia. Pentru a explica prezența unei constante cosmologice, a fost introdus conceptul de câmp ipotetic care conține cea mai mare parte a masei Universului.
Înțelegerea modernă a mărimii Universului observabil
Modelul modern al Universului este numit și modelul ΛCDM. Litera „Λ” înseamnă prezența unei constante cosmologice, ceea ce explică expansiunea accelerată a Universului. „CDM” înseamnă că Universul este umplut cu materie întunecată rece. Studii recente indică faptul că constanta Hubble este de aproximativ 71 (km/s)/Mpc, ceea ce corespunde vârstei Universului de 13,75 miliarde de ani. Cunoscând vârsta Universului, putem estima dimensiunea regiunii sale observabile.
Conform teoriei relativității, informațiile despre orice obiect nu pot ajunge la un observator cu o viteză mai mare decât viteza luminii (299.792.458 m/s). Se pare că observatorul vede nu doar un obiect, ci și trecutul său. Cu cât un obiect este mai departe de el, cu atât trecutul este mai îndepărtat. De exemplu, privind Luna, vedem așa cum a fost cu puțin mai mult de o secundă în urmă, Soarele - cu mai bine de opt minute în urmă, cele mai apropiate stele - ani, galaxii - cu milioane de ani în urmă etc. În modelul staționar al lui Einstein, Universul nu are limită de vârstă, ceea ce înseamnă că regiunea sa observabilă nu este, de asemenea, limitată de nimic. Observatorul, înarmat cu instrumente astronomice din ce în ce mai sofisticate, va observa obiecte din ce în ce mai îndepărtate și mai vechi.
Avem o imagine diferită cu modelul modern al Universului. Potrivit acesteia, Universul are o vârstă, și deci o limită de observație. Adică, de la nașterea Universului, niciun foton nu ar fi putut parcurge o distanță mai mare de 13,75 miliarde de ani lumină. Se pare că putem spune că Universul observabil este limitat de la observator la o regiune sferică cu o rază de 13,75 miliarde de ani lumină. Cu toate acestea, acest lucru nu este chiar adevărat. Nu trebuie să uităm de expansiunea spațiului Universului. Până când fotonul ajunge la observator, obiectul care l-a emis se va afla deja la 45,7 miliarde de ani lumină de noi. ani. Această dimensiune este orizontul particulelor, este granița Universului observabil.
Peste orizont
Deci, dimensiunea Universului observabil este împărțită în două tipuri. Dimensiunea aparentă, numită și raza Hubble (13,75 miliarde de ani lumină). Și dimensiunea reală, numită orizont de particule (45,7 miliarde de ani lumină). Important este că ambele aceste orizonturi nu caracterizează deloc dimensiunea reală a Universului. În primul rând, ele depind de poziția observatorului în spațiu. În al doilea rând, se schimbă în timp. În cazul modelului ΛCDM, orizontul de particule se extinde cu o viteză mai mare decât orizontul Hubble. Știința modernă nu răspunde la întrebarea dacă această tendință se va schimba în viitor. Dar dacă presupunem că Universul continuă să se extindă cu accelerație, atunci toate acele obiecte pe care le vedem acum vor dispărea mai devreme sau mai târziu din „câmpul nostru vizual”.
În prezent, cea mai îndepărtată lumină observată de astronomi este radiația cosmică de fond cu microunde. Privind în el, oamenii de știință văd Universul așa cum a fost la 380 de mii de ani după Big Bang. În acest moment, Universul s-a răcit suficient de mult încât a fost capabil să emită fotoni liberi, care sunt detectați astăzi cu ajutorul radiotelescoapelor. În acel moment, în Univers nu existau stele sau galaxii, ci doar un nor continuu de hidrogen, heliu și o cantitate nesemnificativă de alte elemente. Din neomogenitățile observate în acest nor, grupurile de galaxii se vor forma ulterior. Se pare că tocmai acele obiecte care se vor forma din neomogenități în radiația cosmică de fond cu microunde sunt situate cel mai aproape de orizontul particulelor.
Adevărate Granițe
Dacă Universul are granițe adevărate, neobservabile, este încă o chestiune de speculație pseudoștiințifică. Într-un fel sau altul, toată lumea este de acord asupra infinitului Universului, dar interpretează acest infinit în moduri complet diferite. Unii consideră Universul ca fiind multidimensional, unde Universul nostru tridimensional „local” este doar unul dintre straturile sale. Alții spun că Universul este fractal - ceea ce înseamnă că Universul nostru local poate fi o particulă a altuia. Nu ar trebui să uităm de diferitele modele ale Multiversului cu Universurile sale închise, deschise, paralele și găurile de vierme. Și există multe, multe versiuni diferite, al căror număr este limitat doar de imaginația umană.
Dar dacă activăm realismul rece sau pur și simplu ne dăm înapoi de la toate aceste ipoteze, atunci putem presupune că Universul nostru este un container omogen infinit al tuturor stelelor și galaxiilor. Mai mult, în orice punct foarte îndepărtat, fie că este vorba de miliarde de gigaparsec de la noi, toate condițiile vor fi exact aceleași. În acest moment, orizontul particulelor și sfera Hubble vor fi exact aceleași, cu aceeași radiație relictă la marginea lor. Vor fi aceleași stele și galaxii în jur. Interesant, acest lucru nu contrazice expansiunea Universului. La urma urmei, nu doar Universul se extinde, ci spațiul său însuși. Faptul că în momentul Big Bang-ului Universul a apărut dintr-un punct înseamnă doar că dimensiunile infinit de mici (practic zero) care erau atunci s-au transformat acum în unele neimaginat de mari. În viitor, vom folosi tocmai această ipoteză pentru a înțelege clar amploarea Universului observabil.
Reprezentare vizuala
Diverse surse oferă tot felul de modele vizuale care permit oamenilor să înțeleagă scara Universului. Cu toate acestea, nu este suficient să realizăm cât de mare este cosmosul. Este important să ne imaginăm cum se manifestă de fapt concepte precum orizontul Hubble și orizontul particulelor. Pentru a face acest lucru, să ne imaginăm modelul pas cu pas.
Să uităm că știința modernă nu știe despre regiunea „străină” a Universului. Renunțând la versiunile multiversurilor, a Universului fractal și a celorlalte „variete” ale sale, să ne imaginăm că este pur și simplu infinit. După cum sa menționat mai devreme, acest lucru nu contrazice extinderea spațiului său. Desigur, să ținem cont de faptul că sfera sa Hubble și sfera de particule sunt de 13,75 și, respectiv, 45,7 miliarde de ani lumină.
Scara Universului
Apăsați butonul START și descoperiți o lume nouă, necunoscută!
În primul rând, să încercăm să înțelegem cât de mare este scara universală. Dacă ați călătorit în jurul planetei noastre, vă puteți imagina cât de mare este Pământul pentru noi. Acum imaginați-vă planeta noastră ca un bob de hrișcă care se mișcă pe orbită în jurul unui pepene verde - Soare de mărimea unei jumătăți de teren de fotbal. În acest caz, orbita lui Neptun va corespunde mărimii unui oraș mic, zona va corespunde Lunii, iar zona limitei de influență a Soarelui va corespunde lui Marte. Se dovedește că Sistemul nostru Solar este la fel de mare decât Pământul pe cât este Marte mai mare decât hrișca! Dar acesta este doar începutul.
Acum să ne imaginăm că această hrișcă va fi sistemul nostru, a cărui dimensiune este aproximativ egală cu un parsec. Atunci Calea Lactee va avea dimensiunea a două stadioane de fotbal. Cu toate acestea, acest lucru nu va fi suficient pentru noi. Calea Lactee va trebui, de asemenea, redusă la dimensiunea în centimetri. Va semăna oarecum cu spuma de cafea învelită într-un vârtej în mijlocul spațiului intergalactic negru ca cafea. La douăzeci de centimetri de ea există aceeași „fărâmitură” spirală - Nebuloasa Andromeda. În jurul lor va fi un roi de galaxii mici ale Clusterului nostru Local. Dimensiunea aparentă a Universului nostru va fi de 9,2 kilometri. Am ajuns la o înțelegere a dimensiunilor Universale.
În interiorul bulei universale
Cu toate acestea, nu este suficient să înțelegem scara în sine. Este important să realizăm Universul în dinamică. Să ne imaginăm ca niște giganți, pentru care Calea Lactee are un diametru de centimetru. După cum am menționat tocmai acum, ne vom găsi în interiorul unei mingi cu o rază de 4,57 și un diametru de 9,24 kilometri. Să ne imaginăm că suntem capabili să plutim în interiorul acestei mingi, să călătorim, acoperind megaparsec întregi într-o secundă. Ce vom vedea dacă Universul nostru este infinit?
Desigur, nenumărate galaxii de tot felul vor apărea în fața noastră. Eliptice, spiralate, neregulate. Unele zone vor fi pline de ele, altele vor fi goale. Caracteristica principală va fi că vizual, toate vor fi nemișcate în timp ce noi suntem nemișcați. Dar de îndată ce facem un pas, galaxiile înseși vor începe să se miște. De exemplu, dacă putem discerne un sistem solar microscopic în Calea Lactee lungă de un centimetru, vom putea observa dezvoltarea lui. Depărtându-ne la 600 de metri de galaxia noastră, vom vedea protosteaua Soarele și discul protoplanetar în momentul formării. Apropiindu-ne de el, vom vedea cum apare Pământul, apare viața și apare omul. În același mod, vom vedea cum se schimbă și se mișcă galaxiile pe măsură ce ne îndepărtăm sau ne apropiem de ele.
În consecință, cu cât ne uităm galaxiile mai îndepărtate, cu atât vor fi mai vechi pentru noi. Deci cele mai îndepărtate galaxii vor fi situate la mai mult de 1300 de metri de noi, iar la cotitura de 1380 de metri vom vedea deja radiații relicte. Adevărat, această distanță va fi imaginară pentru noi. Cu toate acestea, pe măsură ce ne apropiem de radiația cosmică de fundal cu microunde, vom vedea o imagine interesantă. În mod firesc, vom observa cum se vor forma și dezvolta galaxiile din norul inițial de hidrogen. Când ajungem la una dintre aceste galaxii formate, vom înțelege că nu am parcurs deloc 1,375 de kilometri, ci toți 4,57.
Micșorează
Ca urmare, vom crește și mai mult în dimensiune. Acum putem plasa goluri întregi și pereți în pumn. Așa că ne vom găsi într-o bulă destul de mică din care este imposibil să ieșim. Nu numai că distanța până la obiectele de la marginea bulei va crește pe măsură ce se apropie, dar marginea în sine se va deplasa la infinit. Acesta este punctul central al mărimii Universului observabil.
Indiferent cât de mare este Universul, pentru un observator va rămâne întotdeauna o bulă limitată. Observatorul va fi întotdeauna în centrul acestei bule, de fapt el este centrul acesteia. Încercând să ajungă la orice obiect de la marginea bulei, observatorul își va deplasa centrul. Pe măsură ce vă apropiați de un obiect, acest obiect se va deplasa din ce în ce mai departe de marginea bulei și, în același timp, se va schimba. De exemplu, dintr-un nor de hidrogen fără formă se va transforma într-o galaxie cu drepturi depline sau, mai departe, într-un cluster galactic. În plus, calea către acest obiect va crește pe măsură ce vă apropiați de el, deoarece spațiul înconjurător în sine se va schimba. După ce am ajuns la acest obiect, îl vom muta doar de la marginea bulei în centrul său. La marginea Universului, radiațiile relicte vor pâlpâi în continuare.
Dacă presupunem că Universul va continua să se extindă într-un ritm accelerat, fiind apoi în centrul bulei și avansând timpul cu miliarde, trilioane și chiar ordine de ani mai mari, vom observa o imagine și mai interesantă. Deși bula noastră va crește, de asemenea, în dimensiune, componentele ei în schimbare se vor îndepărta și mai repede de noi, lăsând marginea acestei bule, până când fiecare particulă a Universului rătăcește separat în bula sa singuratică, fără posibilitatea de a interacționa cu alte particule.
Deci, știința modernă nu are informații despre dimensiunea reală a Universului și dacă are limite. Dar știm cu siguranță că Universul observabil are o graniță vizibilă și adevărată, numită respectiv raza Hubble (13,75 miliarde de ani lumină) și raza particulelor (45,7 miliarde de ani lumină). Aceste limite depind în întregime de poziția observatorului în spațiu și se extind în timp. Dacă raza Hubble se extinde strict cu viteza luminii, atunci expansiunea orizontului particulelor este accelerată. Întrebarea dacă accelerarea orizontului particulelor va continua în continuare și dacă va fi înlocuită de compresie rămâne deschisă.
După ce Einstein și-a încheiat în mare măsură experimentul cu teoria relativistă a gravitației, a încercat în mod repetat să construiască pe aceasta modelul său al universului, pe care mulți îl consideră a fi poate cea mai importantă parte a lucrării sale.
Cu toate acestea, ecuația gravitației lui Einstein, cu aceeași presupunere a unei distribuții uniforme a „materiei” („omogenitatea și izotropia spațiului”), nu a oferit scutire de paradoxurile cosmologice: „universul” s-a dovedit a fi instabil și, în ordine pentru a preveni contractarea acesteia prin gravitație, Einstein nu a găsit nimic mai bun, cum, la fel ca Zeliger, introduceți un alt termen în ecuația voastră - aceeași așa-numită constantă cosmologică universală. Această constantă exprimă forța ipotetică de repulsie dintre stele. Prin urmare, chiar și în absența maselor în modelul relativist de Sitter, se obține o curbură negativă constantă a spațiului-timp.
În aceste condiții, rezolvarea ecuațiilor gravitaționale i-a dat lui Einstein o lume finită, închisă în sine datorită „curburei spațiului”, ca o sferă cu rază finită - un model matematic sub formă de cilindru, unde spațiul tridimensional curbat îi formează suprafața, iar timpul este o dimensiune necurbă care curge de-a lungul formând cilindrul.
Universul a devenit „nelimitat”: deplasându-se de-a lungul unei suprafețe sferice, este clar că este imposibil să dai peste vreo graniță, dar totuși nu este infinit, ci finit, astfel încât lumina, ca și Magellan, să o poată ocoli și să se întoarcă. din partea cealaltă. Astfel, se dovedește că un observator, observând printr-un telescop fantastic de puternic două stele diferite de pe părți opuse ale cerului, se poate dovedi că va vedea aceeași stea din părțile ei opuse, iar identitatea lor poate fi stabilită de unele caracteristici ale spectrului. . Deci, se dovedește că închiderea lumii se dovedește a fi accesibilă observației experimentale.
Pe baza unui astfel de model, se dovedește că volumul lumii, precum și masa materiei sale, se dovedește a fi egal cu o valoare finită bine definită. Raza de curbură depinde de cantitatea de „materie” (masă) și de rarefacția (densitatea) acesteia în univers.
Cosmologii au început marile calcule ale „razei lumii”. Potrivit lui Einstein, este egal cu 2 miliarde de ani lumină! Dincolo de această rază, din cauza „curburii spațiului” generală, nu există raze sau corpuri; nu pot ieși.
Această „idee modernă” de înlocuire a infinitului cu închiderea nelimitată, unde reproșurile pentru finitudine se spune că sunt o „neînțelegere” pentru că nu există „linii drepte finite”, a apărut cel puțin la mijlocul secolului al XIX-lea, când a fost realizată. de Riemann 3.
Și de un secol și jumătate încoace, se explică printr-o pildă despre limitările instructive ale creaturilor plate, ca umbrele, târându-se pe o minge bidimensională: neștiind nici înălțimea, nici adâncimea, înțeleptele „făpturi plate” descoperă cu uimire. că lumea lor nu are nici început, nici sfârșit și încă finită.
Pe această bază, întrebarea în sine: ce se află dincolo de granițele universului închis? - conform obiceiului pozitivist, ei răspund doar cu ironie condescendentă - ca „fără sens”, deoarece sfera nu are limite.
În ceea ce privește paradoxul fotometric al lui Olbers, modelul static al lui Einstein nu a oferit nici măcar o aparență de rezoluție, deoarece lumina trebuie să se rotească pentru totdeauna în el.
Opoziția atracției și respingerii a însemnat instabilitatea universului: cea mai mică împingere - și modelul fie ar începe să se extindă - și atunci insula noastră de stele și lumină s-ar risipi în oceanul nesfârșit, lumea va fi devastată. Sau micșorați - în funcție de ceea ce depășește, care este densitatea materiei din lume.
În 1922, matematicianul de la Leningrad A. A. Friedman a rezolvat ecuațiile lui Einstein fără un termen cosmologic și a descoperit că universul ar trebui să se extindă dacă densitatea materiei în spațiu este mai mare de 2 x 10 până la minus 29 de grade g/cm3. Einstein nu a fost imediat de acord cu concluziile lui Friedman, dar în 1931-1932 a remarcat marea lor semnificație fundamentală. Și când în anii 1920 de Sitter a găsit în lucrările lui Slipher indicii ale unei „deplasări roșii” în spectrele nebuloaselor spiralate, confirmate de cercetările Hubble, iar astronomul belgian Abbot Lemaitre a sugerat, folosind Doppler, motivul împrăștierii lor, unele fizicienii, inclusiv Einstein, au văzut în aceasta o confirmare experimentală neașteptată a teoriei „universului în expansiune”.
Înlocuirea infinitului cu închiderea „nelimitată” este un sofism. Expresia „curbura spațiu-timp” înseamnă fizic o schimbare în spațiu („curbura”) a câmpului gravitațional; Acest lucru este recunoscut direct sau indirect de cei mai mari experți în teoria lui Einstein. Componentele tensorului metric sau ale altor dimensiuni ale „curburei” joacă rolul potențialelor newtoniene în el. Astfel, „spațiul” aici se referă pur și simplu la un tip de materie - un câmp gravitațional.
Aceasta este o confuzie comună de concepte în rândul pozitiviștilor, care se întoarce la Platon, Hume, Maupertuis, Clifford și Poincaré și duce la absurdități. În primul rând, la separarea spațiului de materie: dacă gravitația nu este materie, ci doar forma existenței sale - „spațiu”, atunci se dovedește că „forma materiei” se extinde departe de „materie” (cum numesc pozitiviștii doar masa) si acolo se curba si se inchide. În al doilea rând, acest lucru duce la ideea de „spațiu” ca substanță specială - pe lângă materie: „spațiul” transportă energie și interacționează cauzal cu materia. În al treilea rând, aceasta duce la absurditatea „spațiului în spațiu” - ambiguitatea obișnuită în rândul pozitiviștilor în utilizarea acestui cuvânt: geometria „spațiului” este determinată de distribuția materiei în spațiu - într-un astfel de loc în spațiu. („lângă masele”) „spațiul” s-a curbat .
Între timp, „închiderea universului” a lui Einstein în realitate poate însemna închiderea doar a formării sale individuale, ceea ce nu este nimic extraordinar: sistemele stelare, planetele, organismele, moleculele, atomii și particulele elementare sunt închise. Forțele nucleare nu se extind dincolo de regiunea de 3 x 10 până la minus 13 grade de cm, dar acest spațiu este deschis forțelor electromagnetice și gravitaționale.
Astronomii presupun ipoteza existenței unor „găuri negre” - stele prăbușite cu un câmp gravitațional atât de puternic încât nu „eliberează” lumină. Se poate presupune că există undeva o limită a răspândirii forțelor gravitaționale, deschisă unor alte forțe. Într-un mod similar, viscolul negru și sclipitor al galaxiilor accesibile telescoapelor noastre - o parte a lumii care include lumea cunoscută de noi - poate fi relativ închisă.
Dacă cosmologii ar înțelege clar că vorbim despre închiderea relativă a unei părți a universului, atunci calculele razei acestei părți nu ar atrage atenția atât de entuziasmată din partea misticilor.
Atunci când se postulează diferite condiții suplimentare în teorii newtoniene, einsteiniene și în alte teorii ale gravitației, se obțin multe modele cosmologice posibile. Dar fiecare dintre ele, aparent, descrie doar o zonă limitată a universului. Oricât de inspirați am fi de succesele cunoașterii, este simplificat și eronat să ne imaginăm întreaga lume după modelul a ceea ce știm - o grămadă monotonă a acelorași, absolutizând proprietățile și legile părții sale individuale.
Infinitul este fundamental de necunoscut prin mijloace finite. Nici cosmologia, nici alte științe speciale nu pot fi o știință despre întreaga lume infinită. Și în plus, o astfel de extrapolare oferă și hrană pentru diverse speculații mistice.
La începutul anului 2003, au apărut primele date de observație ale fondului cosmic cu microunde, realizate pe sonda spațială WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Pentru prima dată, mulți parametri cosmologici au fost măsurați cu o precizie neobișnuit de mare. Dar, în câteva luni, au fost făcute primele, cele mai importante rezultate și predicții, entuziasmul s-a domolit și curiozitatea oamenilor de știință s-a mutat de la rezultatele obținute la probleme care au rămas neexplicate.
Observatii
Una dintre aceste probleme este amplitudinile foarte mici ale celor mai mici doi multipoli (armonici sferici) ai CMB: cvadrupolul și octupolul. Această problemă era cunoscută înainte, dar numai în datele WMAP foarte precise a ajuns la maxim. De fapt, cea mai joasă armonică sferică este un dipol. Descrie comportamentul relicvei pe scale unghiulare egale cu 180 o: într-o emisferă a sferei cerești temperatura și luminozitatea fundalului cu microunde sunt mai mari, iar în cealaltă - mai scăzute. Din păcate, această armonică nu poate fi separată de influența asupra fundalului efectului Doppler asociat cu mișcarea observatorului. A doua armonică (cvadrupol) descrie distribuția fluctuațiilor de temperatură ale relicvei pe scale unghiulare de 90 o, iar a treia armonică (octupol), respectiv, pe 60 o (vezi Fig. 1). S-a dovedit că amplitudinea cvadrupolului observată este doar 1/7 din nivelul prezis de teorie, iar amplitudinea octupolului este de 72% (vezi Fig. 2). Această abatere este prea mare și greu de explicat prin fluctuațiile aleatorii ale fondului cosmic observat cu microunde. Unii cercetători au început să propună introducerea „noii fizicii” pentru a explica această abatere (vezi, de exemplu, preprint astro-ph/0306597), alții nu au fost de acord cu ei. Până acum, însă, nimeni nu a propus vreun mecanism fizic care să ducă la o scădere a amplitudinilor celor două armonice cele mai joase.
 |
|
Orez. 2. Spectrul de putere al distribuțiilor unghiulare ale fluctuațiilor radiației cosmice de fond cu microunde conform datelor WMAP și a altor experimente. Amplitudinea fluctuațiilor este reprezentată vertical, numărul de armonici (începând de la l =2) sau scale unghiulare. Punctele negre sunt date observaționale, linia roșie sunt predicții ale modelului teoretic pentru un Univers plat care sunt cel mai bine în acord cu observațiile, bara gri este eroarea acceptabilă a predicțiilor teoretice. Valorile celor mai joase două armonice sunt prea scăzute și sunt afișate cu verde. Amplitudine scăzută a unui singur octupol ( l =3) nu este suficient de semnificativ, dar împreună cu foarte jos valoarea celei de-a doua armonice devin un fapt observațional important. |
Topologie
Este foarte ușor de imaginat situația opusă, când dimensiunea părții vizibile a Universului este mai mică decât cifra inițială. În acest caz, imaginea pe care o observăm nu va diferi de ceea ce am vedea într-un Univers infinit cu o topologie simplă (această diferență poate apărea ulterior, la scară cosmologică).
De fapt, totul este mai complicat. Când observăm alte galaxii, ne uităm nu numai în depărtare, ci și în trecut. Acest lucru se datorează caracterului finit al vitezei luminii. Dacă dimensiunea Universului nostru ar fi câțiva megaparsecs, lumina din copiile Galaxiei noastre ar ajunge la noi în câteva milioane de ani, timp în care galaxia nu se schimbă prea mult și ne-am putea „recunoaște” în aceste „reflecții” și poate chiar a încercat să găsească sistemul solar în ei. Dacă creștem dimensiunea lumii inițiale la sute de mii de ani lumină, o astfel de identificare devine dificilă și pur și simplu nu am fi capabili să recunoaștem Calea Lactee 2-3 miliarde de ani î.Hr. Cu toate acestea, toate căutările de structuri periodice cu dimensiuni de 1000 de megaparsecs și mai puțin, care au fost efectuate în ultimii 10-20 de ani, nu au dat un rezultat pozitiv. Aceasta înseamnă că, chiar dacă Universul nostru are un volum limitat, atunci dimensiunile lui sunt foarte mari; dacă ne vedem pe noi înșine, este într-un trecut atât de îndepărtat încât orice identificare cu obiectele moderne devine aproape imposibilă.
Cosmologie
Ce predicții face modelul dodecaedral al Universului și cum se compară cu observațiile?
În acest model, spațiul trebuie să aibă curbură pozitivă (să fie închis) și să aibă o valoare strict definită a raportului dintre densitatea medie și densitatea critică $\Omega\simeq1.013$ (această valoare este o constantă matematică care poate fi calculată cu orice număr de zecimale). Și această valoare se încadrează în intervalul acceptabil! Datele WMAP oferă $\Omega=1,02\pm0,02$.
Cum funcționează un astfel de Univers?
Pentru un model cosmologic cu $\Omega=1,013$, raza orizontului va fi de 38% din raza de curbură a Universului ( R ), iar limitele dodecaedrului se vor situa în intervalul de la 31% R (centrele fețelor) până la 39% R (vârfurile) din centrul său. Volumul unui astfel de poliedru va fi de 83% din volumul sferei orizontului. Raportul dintre dimensiunile dodecaedrului și raza de curbură rămâne constant, deoarece odată cu expansiunea Universului aceste cantități se modifică proporțional unele cu altele. Orizontul Universului se comportă diferit. Comportamentul său depinde de legea expansiunii; aceasta este descrisă mai detaliat în (și legăturile date în aceasta).
Pete pe cer
Topologia complexă a Universului nostru se va manifesta în observații numai dacă dimensiunile orizontului depășesc dimensiunile poliedrului original și secțiuni ale copiilor acestuia se încadrează cel puțin parțial în regiunea Universului accesibilă nouă. Dacă figura originală depășește orizontul în mărime, imaginea observată nu va diferi de aspectul Universului infinit. Această afirmație este prezentată schematic în Fig. 12.
Pentru dimensiunea orizontului indicată mai sus (0,38 R ) prezenţa unor copii ale Universului se va manifesta sub forma a şase perechi de cercuri cu diametrul de 70 o situate în direcţii opuse pe sfera cerească. Ele se formează atunci când sfera ultimei împrăștieri intersectează fețele dodecaedrului. Conform datelor WMAP, ultima sferă de împrăștiere (limită de recombinare) este situată la deplasarea spre roșu medie z=1089$\pm$1, i.e. puțin mai puțin decât orizontul. Temperatura radiației cosmice de fond cu microunde în fiecare dintre cercurile unei astfel de perechi va diferi în același mod de valoarea sa medie, deoarece Radiația înregistrată din cercuri este emisă de regiuni ale Universului pline cu aceeași substanță (vezi Fig. 13).
Aspecte teoretice
Faptul că Universul nostru se poate dovedi a fi închis ridică anumite întrebări înainte, care astăzi explică cu succes majoritatea proprietăților Universului din jurul nostru. Nu există o claritate completă asupra acestei probleme (inflația într-un Univers închis), dar se pare că cosmologii sunt gata să o rezolve.
Concluzie
Cum să confirmi sau să infirmi modelul descris în acest articol? Acesta prezice două consecințe care pot fi testate experimental și în viitorul apropiat:
- Universul trebuie să fie închis cu $\Omega=1.013$;
- Pe cer trebuie observate 6 perechi de cercuri cu diametrul de 70 o (ale căror centre corespund punctelor medii ale fețelor unui dodecaedru obișnuit), distribuția perturbărilor CMB în care ar trebui să se coreleze în perechi între ele.
Și, desigur, rămâne posibilitatea ca pentru faptele prezentate la începutul acestui articol să se găsească explicații complet diferite. (Acest lucru poate fi de așteptat, deoarece indicii în favoarea exact asa Există foarte puține modele topologic complexe ale Universului. Până acum, acestea sunt doar amplitudinile scăzute ale primelor două armonice din spectrul de putere al radiației cosmice de fond cu microunde. Acest lucru este suficient pentru a începe să discutăm despre acest model, dar sunt necesare argumente suplimentare pentru a convinge comunitatea științifică de „seriozitatea” acestuia.
M. E. Prohorov SAISH, Moscova
Comentarii (12):
Bun articol.
Sunt multe de gândit.
Aici la începutul secțiunii
Topologie
se menţionează construcţia unui spaţiu euclidian infinit cu volum finit. Astfel de structuri trebuie manipulate cu mare atenție. cu grija.
Sub asemenea presupuneri sofistic efecte care duc gândirea într-o fundătură. În această schemă, astfel de obscenități sunt folosite într-o formă voalată. abstractizare ca Null_space (permiteți-mi să vă reamintesc că Null_space este spațiu fără extensie și timp).
Cu aproximativ 30 de ani în urmă, sau chiar acum 50 de ani, toate revistele științifice și semiștiințifice, într-o formă sau alta, discutau despre proprietățile acestei substanțe materiale. Iar scriitorii de science fiction... practic l-au folosit sub denumirile „Zero_jump”, „Zero_transition”...
Cât de brusc s-a dovedit că această substanță are unu, dar o proprietate extrem de neplăcută:
„Apărut” undeva în apropiere_contact cu o consistență mai_mai puțin reală
Null_space începe invariabil să absoarbă această consistență și, după ce a absorbit-o, se autodistruge.
Astăzi, chiar și scriitorii de science fiction l-au abandonat, înlocuindu-l cu găuri de vierme sau găuri de vierme.
Universul poate avea forma nu a unei bile sau a unui dodecaedru, ci... a unui corn sau a unei forje. Mai exact, întregul nostru cosmos se dovedește a fi întins într-un fel de tub lung, cu un capăt îngust pe o parte și un „clopot” pe cealaltă. Această „construcție” a Universului nostru, printre altele, implică faptul că acesta este finit, iar în unele locuri există zone în care îți poți vedea ceafa. Poate că pentru oamenii „sensibili” toate acestea vor suna ca o prostie completă sau ca visul unui suprarealist, dar calculele matematicianului Frank Steiner de la Universitatea Germană din Ulm (Universität Ulm) și ale colegilor săi se bazează pe date experimentale autorizate obținute în 2003 de același celebra sondă WMAP (sonda Wilkinson Microwave Anisotropy Probe de la NASA).
Noul model ciudat este conceput pentru a explica două circumstanțe misterioase care i-au nedumerit atât de mult pe astrofizicieni: în primul rând, natura neobișnuită a distribuției punctelor „fierbinte” și „reci” în radiația cosmică cu microunde și, în al doilea rând, „bruciarea” semnalului la solzi mari (absența oricăror sau distincte puncte „fierbinte” sau „reci” la unghiuri mai mari de aproximativ 60 de grade). Volumul actual al Universului, conform lui Steiner, este de aproximativ 10 32 de ani lumină cubi. Când Universul avea doar 380 de mii de ani, era atât de mic încât pur și simplu nu puteau să apară fluctuații suficient de mari în el.
În noul model, definit de așa-numita topologie Picard, Universul este curbat într-un mod foarte complicat. Un capăt al acestuia este infinit alungit, dar atât de îngustat încât rezultă un volum finit. Pe de altă parte, „clopotul” se extinde brusc, dar în niciun caz la infinit, și dacă am zbura către capătul „umflat” pe o navă spațială, atunci la un moment dat ne-am întoarce înapoi de cealaltă parte a „țevii”. (vezi poza de sus). Emile Picard (1856-1941) este un matematician francez care a studiat ecuațiile diferențiale, punctele singulare, soluțiile asimptotice, teoria funcției etc., apropo, este membru corespondent străin al Academiei de Științe din Sankt Petersburg (1895), și membru de onoare străin al Academiei de Științe a URSS (1925).
Modelul în formă de corn a fost propus în anii 1990 pentru a descrie corect anomaliile care au apărut din datele de la satelitul COBE (Cosmic Background Explorer), predecesorul WMAP, dar grupul lui Steiner a fost primul care a arătat că ideea se potrivește și datele WMAP. În 2003, a fost deja prezentat un alt model, conceput să corespundă rezultatelor WMAP și, potrivit acestuia, Universul s-a dovedit și el finit, dar forma lumii era diferită (un dodecaedru, numit în mod eronat „fotbal minge” în presă). Alte opțiuni pentru forma posibilă a Universului sunt o „gogoșă” (forma toroidală) sau o sferă aplatizată (propusă cu câteva luni în urmă de oamenii de știință din statul american Pennsylvania).
Ideea clasică a spațiului fizic îl înzestrează cu o proprietate topologică fundamentală precum conectivitatea. Spațiul fizic - esența unei varietăți tridimensionale conectate - este unit cu timpul într-un singur spațiu-timp cu patru dimensiuni. Dacă luăm acum în considerare un model de spațiu-timp conectat, dar nu pur și simplu conectat, atunci este foarte posibil să detectăm secțiuni tridimensionale asemănătoare spațiului deconectate. Mai mult, secțiunea deconectată $M_1$ poate fi obținută din $M_0$ conectată folosind o rearanjare sferică și, prin urmare, secțiunile conectate și deconectate pot fi considerate stările inițiale și finale ale unui proces geometrodinamic (cobordismul Lorentz). În timpul acestui proces, 3-geometria suferă o tranziție printr-o anumită stare critică $M_(1/2)$, care corespunde unei încălcări a conectivității secțiunii asemănătoare spațiului.
Ar fi interesant să aflăm în ce condiții este încălcată conexiunea secțiunilor asemănătoare spațiului sau, dacă lăsăm deoparte modelul topologic diferențial specific, să aflăm dacă este posibil ca, în cursul unui proces fizic, cele trei spațiul dimensional $M_0$ devine deconectat. Luându-ne libertăți cu cuvintele, putem spune că încălcarea conectivității înseamnă separarea regiunii $D_0$ de $M_0.$
În esență, acesta este un articol popular despre topologia Universului. Lumine este cunoscută ca autorul unui articol senzațional în care datele despre radiația cosmică de fond cu microunde au fost interpretate în cadrul unui model cu o topologie non-trivială. Această recenzie vorbește despre cum arată astfel de modele, cum pot fi verificate folosind datele disponibile etc.
Starea actuală a Universului este încă foarte puțin înțeleasă. Cu toate acestea, probabil că răspunsul la întrebare există deja: care este forma actuală a universului? Observațiile pe termen lung au arătat că Universul are o serie de proprietăți fizice care reduc drastic numărul de posibili candidați pentru forma sa.
Și una dintre principalele proprietăți ale topologiei Universului este curbura acestuia. Conform conceptului acceptat în prezent, la aproximativ 300 de mii de ani după Big Bang, temperatura Universului a scăzut la un nivel suficient pentru ca electronii și protonii să se combine în primii atomi.
Când s-a întâmplat acest lucru, radiația care fusese inițial împrăștiată de particulele încărcate a fost brusc capabilă să treacă nestingherită prin Universul în expansiune. Această radiație, cunoscută acum sub numele de fundal cosmic cu microunde, sau fundal cosmic cu microunde, este remarcabil de omogenă și prezintă doar abateri (fluctuații) foarte slabe în intensitate față de valoarea medie. O astfel de omogenitate poate exista doar în Univers, a cărui curbură este constantă peste tot.
Constanța curburii înseamnă că spațiul Universului are una dintre cele trei geometrii posibile: sferică euclidiană plată cu curbură pozitivă sau hiperbolică cu negativă.
În prima jumătate a secolului al XIX-lea, matematicianul german Carl Friedrich Gauss și-a propus să răspundă la întrebarea: sunt îndoite traiectoriile razelor de lumină care trec peste spațiul sferic al Pământului? S-a dovedit că la scară mică (după standardele astronomice) Universul apare ca euclidian. Studiile recente care folosesc baloane de mare altitudine zburate peste Antarctica susțin, de asemenea, această concluzie.
La măsurarea spectrului de putere unghiular al CMB, a fost detectat un vârf, despre care cercetătorii cred că poate fi explicat doar prin existența materiei negre reci - obiecte relativ mari, care se mișcă încet - tocmai în Universul euclidian. Adică, oamenii de știință spun cu destulă încredere că spațiul Universului nostru ar trebui să fie descris satisfăcător de geometria euclidiană, ca un spațiu tridimensional cu o curbură foarte mică.
„Din teoria generală a relativității decurge o nouă idee despre Univers, o nouă cosmologie. Einstein a considerat câmpurile gravitaționale ale diferitelor corpuri drept curburi ale spațiului-timp în regiunile din jurul acestor corpuri... să luăm spațiu-timp cu patru dimensiuni, adică. totalitatea liniilor lumii ale tuturor corpurilor naturale. Aceste linii ale lumii se îndoaie mai puternic în apropierea centrelor de greutate. Dar nu au în general o curbură generală?...
Einstein a sugerat că doar spațiul este curbat, dar timpul nu este curbat. Prin urmare, plecând dintr-un punct geografic dat de-a lungul celei mai scurte căi într-o călătorie prin Univers, vom descrie o traiectorie spațială închisă și ne vom întoarce la același punct la un moment diferit, să zicem, în al treilea an d.Hr. e. Aceasta înseamnă că spațiul mondial este finit (în același sens în care suprafața spațială bidimensională a Pământului nostru este finită), iar timpul este infinit. Putem găsi prin analogie un spațiu bidimensional - o suprafață, curbă și finită într-o dimensiune, dar dreaptă și infinită într-o altă dimensiune, așa este suprafața unui cilindru.
Dacă trasăm (pe calea cea mai scurtă) o linie în jurul unui cilindru de lungime infinită, vom reveni la același punct. Dacă tragem o linie de-a lungul cilindrului, aceasta va fi dreaptă și infinită. Pe baza acestei analogii, ipoteza lui Einstein despre spațiul mondial curbat și timpul necurbat a fost numită ipoteza lumii cilindrice.
În 1922 A.A. Friedman a sugerat că curbura spațiului mondial se schimbă în timp. Aparent, Universul se extinde.”
Ce înseamnă afirmația despre tridimensionalitatea spațiului? Cum au apărut ideile moderne despre dimensiunea spațiului în fizică și matematică? Ce rol joacă tridimensionalitatea spațiului în legile fundamentale ale fizicii? Cartea este dedicată acestor întrebări. Sunt luate în considerare rolul conceptului de dimensiune în fizica micro și megalumilor, relația dintre diferitele abordări ale conceptului de dimensiune și relația dintre fizică și geometrie. Alături de istoria creării ideilor moderne despre dimensiunea spațiului, este relatată și munca unor oameni de știință remarcabili - fizicieni și matematicieni: A. Einstein, P. Ehrenfest, A. Poincare, P. S. Uryson și alții.
O problemă importantă a geometriei diferențiale moderne este construcția și studiul exemplelor de spații specifice cu proprietăți geometrice date. Una dintre astfel de probleme este căutarea varietăților riemanniene cu un grup de holonomie dat și studiul proprietăților lor topologice. Cunoscând grupul de holonomie a unei varietăți, se pot spune multe despre curbura acesteia - principala caracteristică a varietăților riemanniene; pe de altă parte, studiul holonomiei este o sarcină mai simplă din punct de vedere tehnic.
Deși constanta structurii fine a fost introdusă de fizicianul teoretician german Arnold Sommerfeld încă din 1916, întrebarea dacă este cu adevărat constantă rămâne fără răspuns astăzi. „Judecând după rezultatele măsurătorilor noastre, nu, nu este!” – spune fizicianul australian John Webb, profesor la Universitatea din New South Wales din Sydney. În urmă cu zece ani, un grup de oameni de știință condus de el a analizat, folosind telescopul american Keck din Hawaii, modificările pe care le suferă lumina quasarului îndepărtat atunci când trece prin norii intergalactici de gaz și praf și au descoperit că spectrele de absorbție erau oarecum diferite de cele prezis. Acest fenomen ar putea avea o singură explicație: în urmă cu câteva miliarde de ani, valoarea constantei structurii fine era puțin mai mică decât este astăzi.
Cercetările la interfața dintre topologie și mecanica cuantică sugerează existența unei forme complet noi de materie.
În 1970, un tânăr fizician sovietic a făcut o presupunere neobișnuită. Vitaly Efimov, care lucrează în prezent la Universitatea din Washington (SUA), a arătat că obiectele cuantice care nu pot forma perechi între ele pot forma tripleți.
În 2006, o echipă de oameni de știință australieni a descoperit primul exemplu al acestei așa-numite „stare Efimov” într-un gaz rece format din atomi de cesiu.
La prima vedere, acest lucru poate părea contraintuitiv. La urma urmei, conexiunile care țin un trio de obiecte împreună sunt exact aceleași ca cele dintr-o pereche. Dar, în realitate, acesta nu este cazul; există o diferență subtilă, dar importantă între cele două.
Pentru a afișa formule, puteți utiliza mediul „$$” și marcajul \TeX.
Doctor în Științe Pedagogice E. LEVITAN.
Priviți în adâncurile de neatins ale Universului.
Un pelerin iscoditor a ajuns la „sfârșitul lumii” și încearcă să vadă: ce este acolo, dincolo de margine?
Ilustrație pentru ipoteza nașterii metagalaxiilor dintr-o bulă gigantică în descompunere. Bula a crescut la dimensiuni enorme în stadiul de „inflație” rapidă a Universului. (Desen din revista „Pământ și Univers”.)
Nu este un titlu ciudat pentru un articol? Nu există un singur Univers? Până la sfârșitul secolului al XX-lea, a devenit clar că imaginea universului este nemăsurat mai complexă decât cea care părea complet evidentă acum o sută de ani. Nici Pământul, nici Soarele, nici galaxia noastră nu s-au dovedit a fi centrul Universului. Sistemele geocentric, heliocentric și galactocentric ale lumii au fost înlocuite de ideea că trăim într-o Metagalaxie în expansiune (Universul nostru). Există nenumărate galaxii în ea. Fiecare, ca și al nostru, este format din zeci sau chiar sute de miliarde de stele-soare. Și nu există centru. Numai locuitorilor fiecărei galaxii li se pare că alte insule stelare se împrăștie din ele în toate direcțiile. Cu câteva decenii în urmă, astronomii puteau doar presupune că sisteme planetare similare cu sistemul nostru solar existau undeva. Acum, cu un grad ridicat de certitudine, ei numesc un număr de stele în care au fost descoperite „discuri protoplanetare” (din ele se vor forma într-o zi planete) și vorbesc cu încredere despre descoperirea mai multor sisteme planetare.
Procesul de a învăța despre Univers este nesfârșit. Și cu cât mergem mai departe, cu atât sunt mai îndrăznețe, uneori aparent absolut fantastice, sarcinile pe care cercetătorii și le-au stabilit. Deci, de ce să nu presupunem că astronomii vor descoperi într-o zi alte universuri? La urma urmei, este destul de probabil ca Metagalaxia noastră să nu fie întregul Univers, ci doar o parte a acestuia...
Este puțin probabil ca astronomii moderni și chiar astronomii din viitorul foarte îndepărtat să poată vedea vreodată alte universuri cu proprii lor ochi. Și totuși, știința are deja unele dovezi că Metagalaxia noastră se poate dovedi a fi unul dintre multele mini-universuri.
Aproape nimeni nu se îndoiește că viața și inteligența pot să apară, să existe și să se dezvolte doar într-un anumit stadiu al evoluției Universului. Este greu de imaginat că orice formă de viață a apărut mai devreme decât stelele și planetele care se mișcă în jurul lor. Și nu orice planetă, după cum știm, este potrivită pentru viață. Sunt necesare anumite condiții: o gamă de temperatură destul de îngustă, o compoziție de aer adecvată pentru respirație, apă... În Sistemul Solar, Pământul s-a găsit într-o astfel de „centră de viață”. Iar Soarele nostru este probabil situat în „centrul de viață” al Galaxiei (la o anumită distanță de centrul său).
Multe galaxii extrem de slabe (în luminozitate) și îndepărtate au fost fotografiate în acest fel. Cei mai frapanți dintre ei au putut examina câteva detalii: structură, caracteristici structurale. Luminozitatea celor mai slabe galaxii din imagine este de 27,5 m, iar obiectele punctiforme (stelele) sunt și mai slabe (până la 28,1 m)! Să ne amintim că cu ochiul liber, oamenii cu vedere bună și în cele mai favorabile condiții de observare văd stele de aproximativ 6 m (sunt obiecte de 250 de milioane de ori mai strălucitoare decât cele cu magnitudinea de 27 m).
Telescoapele terestre similare care sunt create în prezent sunt deja comparabile în ceea ce privește capacitățile lor cu cele ale telescopului spațial Hubble și, într-un fel, chiar le depășesc.
Ce condiții sunt necesare pentru ca stelele și planetele să apară? În primul rând, acest lucru se datorează unor astfel de constante fizice fundamentale precum constanta gravitațională și constantele altor interacțiuni fizice (slabe, electromagnetice și puternice). Valorile numerice ale acestor constante sunt bine cunoscute de fizicieni. Chiar și școlarii, care studiază legea gravitației universale, se familiarizează cu constanta gravitației. Studenții de la cursul de fizică generală vor învăța și despre constantele altor trei tipuri de interacțiune fizică.
Mai recent, astrofizicienii și specialiștii din domeniul cosmologiei au realizat că tocmai valorile existente ale constantelor interacțiunilor fizice sunt necesare pentru ca Universul să fie ceea ce este. Cu alte constante fizice, Universul ar fi complet diferit. De exemplu, durata de viață a Soarelui ar putea fi de numai 50 de milioane de ani (aceasta este prea scurtă pentru apariția și dezvoltarea vieții pe planete). Sau, să zicem, dacă Universul ar fi format doar din hidrogen sau numai heliu, acest lucru l-ar face, de asemenea, complet lipsit de viață. Variantele Universului cu alte mase de protoni, neutroni și electroni nu sunt în niciun caz potrivite pentru viață în forma în care o cunoaștem. Calculele ne conving: avem nevoie de particule elementare exact așa cum sunt! Și dimensiunea spațiului este de o importanță fundamentală atât pentru existența sistemelor planetare, cât și a atomilor individuali (cu electroni care se mișcă în jurul nucleelor). Trăim într-o lume tridimensională și nu am putea trăi într-o lume cu mai multe sau mai puține dimensiuni.
Se dovedește că totul în Univers pare să fie „ajustat” astfel încât viața în el să poată apărea și să se dezvolte! Desigur, am pictat o imagine foarte simplificată, pentru că nu numai fizica, ci și chimia și biologia joacă un rol imens în apariția și dezvoltarea vieții. Cu toate acestea, cu o fizică diferită, atât chimia, cât și biologia ar putea deveni diferite...
Toate aceste argumente conduc la ceea ce în filosofie se numește principiul antropic. Aceasta este o încercare de a considera Universul într-o dimensiune „uman-dimensională”, adică din punctul de vedere al existenței sale. Principiul antropic în sine nu poate explica de ce Universul este modul în care îl observăm. Dar într-o oarecare măsură îi ajută pe cercetători să formuleze noi probleme. De exemplu, „ajustarea” uimitoare a proprietăților fundamentale ale Universului nostru poate fi considerată o circumstanță care indică unicitatea Universului nostru. Și de aici, se pare, este un pas până la ipoteza despre existența unor universuri complet diferite, lumi absolut diferite de ale noastre. Iar numărul lor, în principiu, poate fi nelimitat.
Acum să încercăm să abordăm problema existenței altor universuri din punctul de vedere al cosmologiei moderne, o știință care studiază Universul ca întreg (spre deosebire de cosmogonia, care studiază originea planetelor, stelelor și galaxiilor).
Amintiți-vă, descoperirea că Metagalaxia se extinde aproape imediat a condus la ipoteza Big Bang-ului (vezi „Știința și viața” nr. 2, 1998). Se crede că a avut loc acum aproximativ 15 miliarde de ani. Materia foarte densă și fierbinte a trecut printr-o etapă după alta a „Universului fierbinte”. Astfel, la 1 miliard de ani după Big Bang, „protogalaxiile” au început să iasă din norii de hidrogen și heliu care se formaseră până atunci și primele stele au apărut în ele. Ipoteza „Universului fierbinte” se bazează pe calcule care ne permit să urmărim istoria Universului timpuriu începând literalmente din prima secundă.
Iată ce a scris celebrul nostru fizician academician Ya. B. Zeldovich despre asta: „Teoria Big Bang-ului în acest moment nu are deficiențe notabile. Aș spune chiar că este la fel de sigur stabilită și adevărată pe cât este adevărat că Pământul. se rotește în jurul Soarelui. Ambele teorii ocupau un loc central în tabloul universului timpului lor și ambele aveau mulți oponenți care susțineau că noile idei conținute în ele sunt absurde și contrare bunului simț. Dar astfel de afirmații nu sunt capabile să împiedică succesul noilor teorii”.
Acest lucru s-a spus la începutul anilor 80, când se făceau deja primele încercări de a completa semnificativ ipoteza „Universului fierbinte” cu o idee importantă despre ceea ce s-a întâmplat în prima secundă a „creației”, când temperatura era peste 10 28 K. Fă încă un pas către „ „de la bun început” a fost posibil datorită celor mai recente realizări în fizica particulelor. La intersecția dintre fizică și astrofizică a început să se dezvolte ipoteza „Universului umflat” (vezi „Știința și viața” nr. 8, 1985). Datorită naturii sale neobișnuite, ipoteza „Universului umflat” poate fi considerată una dintre cele mai „nebunești”. Cu toate acestea, din istoria științei se știe că tocmai astfel de ipoteze și teorii devin adesea repere importante în dezvoltarea științei.
Esența ipotezei „umflarea Universului” este că la „foarte început” Universul s-a extins monstruos de rapid. În doar 10 -32 s, dimensiunea Universului în curs de dezvoltare a crescut nu de 10 ori, așa cum ar fi cazul unei expansiuni „normale”, ci de 10 50 sau chiar de 10 1000000 de ori. Expansiunea a avut loc într-un ritm accelerat, dar energia pe unitate de volum a rămas neschimbată. Oamenii de știință demonstrează că momentele inițiale de expansiune au avut loc într-un „vid”. Acest cuvânt este pus aici între ghilimele, deoarece vidul nu era obișnuit, ci fals, pentru că este greu de numit un „vid” cu o densitate de 10 77 kg/m 3 obișnuit! Dintr-un astfel de vid fals (sau fizic), care avea proprietăți uimitoare (de exemplu, presiune negativă), s-au putut forma nu una, ci multe metagalaxii (inclusiv, desigur, a noastră). Și fiecare dintre ele este un mini-univers cu propriul său set de constante fizice, propria sa structură și alte caracteristici inerente (pentru mai multe informații despre aceasta, vezi „Pământul și Universul” nr. 1, 1989).
Dar unde sunt aceste „rude” ale Metagalaxiei noastre? După toate probabilitățile, ei, ca și Universul nostru, s-au format ca urmare a „inflației” unui domeniu („domenii” din domeniul francez - zonă, sferă), în care Universul foarte timpuriu s-a destrămat imediat. Deoarece fiecare astfel de regiune s-a umflat la dimensiuni care depășesc dimensiunea actuală a Metagalaxiei, granițele lor sunt separate între ele de distanțe enorme. Poate cel mai apropiat mini-univers este situat la o distanță de aproximativ 10 35 de ani lumină de noi. Să ne amintim că dimensiunea Metagalaxiei este de „doar” 10-10 ani lumină! Se dovedește că nu lângă noi, ci undeva foarte, foarte departe unul de celălalt, există și altele, probabil complet ciudate, după conceptele noastre, lumi...
Deci, este posibil ca lumea în care trăim să fie mult mai complexă decât se presupunea până acum. Este probabil să fie compus din nenumărate universuri din univers. Încă nu știm practic nimic despre acest Univers Mare, complex și uimitor de divers. Dar se pare că încă știm un lucru. Indiferent cât de departe sunt alte mini-lumi de noi, fiecare dintre ele este reală. Nu sunt fictive, ca unele dintre lumile „paralele” la modă, despre care acum se vorbește des de oameni departe de știință.
Ei bine, ce se întâmplă până la urmă? Stele, planete, galaxii, metagalaxii toate împreună ocupă doar cel mai mic loc în întinderile nemărginite ale materiei extrem de rarefiate... Și nu există nimic altceva în Univers? E prea simplu... E cumva chiar greu de crezut.
Și astrofizicienii caută ceva în Univers de mult timp. Observațiile indică existența „masei ascunse”, a unui fel de materie „întunecată” invizibilă. Nu poate fi văzut nici măcar cu cel mai puternic telescop, dar se manifestă prin efectul gravitațional asupra materiei obișnuite. Până de curând, astrofizicienii au presupus că în galaxii și în spațiul dintre ele există aproximativ aceeași cantitate de astfel de materie ascunsă ca și materie observabilă. Cu toate acestea, recent mulți cercetători au ajuns la o concluzie și mai senzațională: nu există mai mult de cinci la sută din materie „normală” în Universul nostru, restul este „invizibil”.
Se presupune că 70 la sută dintre ele sunt mecanice cuantice, structuri de vid distribuite uniform în spațiu (ele sunt cele care determină expansiunea Metagalaxiei), iar 25 la sută sunt diverse obiecte exotice. De exemplu, găuri negre de masă mică, aproape punctiforme; obiecte foarte extinse - „șiruri”; pereții domeniului, despre care am menționat deja. Dar, pe lângă astfel de obiecte, clase întregi de particule elementare ipotetice, de exemplu „particule în oglindă”, pot alcătui masa „ascunsă”. Celebrul astrofizician rus, academician al Academiei Ruse de Științe N.S. Kardashev (pe vremuri, amândoi am fost membri activi ai cercului astronomic de la Planetariul din Moscova), sugerează că „lumea oglindă” ne este invizibilă cu planetele și stelele pot consta din „particule oglindă”. Și substanța din „lumea oglindă” este de aproximativ cinci ori mai mare decât în a noastră. Se pare că oamenii de știință au anumite motive să creadă că „lumea oglindă” pare să pătrundă pe a noastră. Doar că nu am reușit să-l găsim încă.
Ideea este aproape fabuloasă, fantastică. Dar cine știe, poate că unul dintre voi - actualii iubitori de astronomie - va deveni cercetător în secolul XXI și va putea descoperi secretul „universului oglindă”.
Publicații pe această temă în „Știință și viață”
Shulga V. Lentilele cosmice și căutarea materiei întunecate în Univers. - 1994, nr. 2.
Roizen I. Universul dintre o clipă și eternitate. - 1996, nr. 11, 12.
Sazhin M., Shulga V. Misterele corzilor cosmice. - 1998, nr. 4.
Există două opțiuni: fie Universul este finit și are dimensiune, fie este infinit și continuă pentru totdeauna. Ambele opțiuni te fac să te gândești cu atenție. Cât de mare este universul nostru? Totul depinde de răspunsul la întrebările de mai sus. Au încercat astronomii să înțeleagă asta? Bineînțeles că au încercat. Ați putea spune că sunt obsedați să găsească răspunsuri la aceste întrebări și, datorită căutărilor lor, construim telescoape și sateliți spațiali sensibili. Astronomii scrutează fundalul cosmic cu microunde, radiații relicte rămase de la Big Bang. Cum poți testa această idee pur și simplu observând cerul?
Oamenii de știință au încercat să găsească dovezi că trăsăturile de la un capăt al palatului sunt conectate cu trăsăturile de la celălalt, cum ar fi modul în care marginile învelișului unei sticle se conectează între ele. Până acum, nu s-a găsit nicio dovadă că marginile cerului pot fi conectate.
În termeni umani, asta înseamnă că pentru 13,8 miliarde de ani lumină în toate direcțiile, Universul nu se repetă. Lumina călătorește înainte și înapoi în toate cele 13,8 miliarde de ani lumină înainte de a părăsi Universul. Expansiunea Universului a împins cu 47,5 miliarde de ani limitele luminii care părăsesc universul. Ai putea spune că Universul nostru are 93 de miliarde de ani lumină. Și acesta este minimul. Poate că numărul este de 100 de miliarde de ani lumină sau chiar de un trilion. Nu știm. Poate nu vom afla. De asemenea, Universul poate fi infinit.
Dacă Universul este cu adevărat infinit, atunci vom obține un rezultat extrem de interesant, care te va face să te scari serios în cap.
Deci imaginați-vă asta. Într-un metru cub (doar întindeți-vă brațele mai larg) există un număr finit de particule care pot exista în acea regiune, iar acele particule pot avea un număr finit de configurații bazate pe spin, sarcină, poziție, viteză etc.
Tony Padilla de la Numberphile a calculat că acest număr ar trebui să fie de la zece la a zecea până la a șaptezecia putere. Acesta este un număr atât de mare încât nu poate fi notat de toate creioanele din univers. Presupunând, desigur, că alte forme de viață nu au inventat creioanele eterne sau că nu există o dimensiune suplimentară plină în întregime cu creioane. Și totuși, probabil că nu vor fi suficiente creioane.
Există doar 10^80 de particule în universul observabil. Și aceasta este mult mai mică decât configurațiile posibile ale materiei într-un metru cub. Dacă Universul este cu adevărat infinit, atunci pe măsură ce te îndepărtezi de Pământ, vei găsi în cele din urmă un loc cu o copie exactă a metrului nostru cub de spațiu. Și cu cât mergi mai departe, cu atât sunt mai multe duplicate.
Mare lucru, spui tu. Un nor de hidrogen arată la fel ca altul. Dar trebuie să știi că, pe măsură ce te plimbi prin locuri care par din ce în ce mai familiare, vei ajunge în cele din urmă într-un loc în care te regăsești. Și găsirea unei copii a ta este poate cel mai ciudat lucru care se poate întâmpla în Universul infinit.
Pe măsură ce continuați, veți descoperi duplicate întregi ale Universului observabil, cu copii exacte și inexacte ale voastre. Ce urmeaza? Poate exista un număr infinit de duplicate ale Universului observabil. Nici măcar nu trebuie să trageți în multivers pentru a le găsi. Acestea sunt Universuri care se repetă în cadrul propriului nostru Univers infinit.
Răspunsul la întrebarea dacă universul este finit sau infinit este extrem de important, deoarece oricare răspuns va fi uimitor. Astronomii nu știu încă răspunsul. Dar ei nu își pierd speranța.
