Kozmológovia dlho predpokladali, že vesmír je nekonečný, ale nie neobmedzený. To znamená, že má obmedzené rozmery, no dostať sa na „koniec sveta“ je nemožné. Aj keby sa našiel niekto, kto by sa pokúsil prejsť vesmírom, vrátil by sa do bodu, z ktorého začal – podobne ako tí, ktorí urobili cestu okolo Zeme.

Dlhoročná hypotéza o konečnosti vesmíru sa stala populárnou najmä v dôsledku štúdia kozmického mikrovlnného pozadia alebo kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia, ktoré zostalo vo vesmíre po Veľkom tresku. Vedci naznačujú, že ak by mal vesmír neobmedzené rozmery, bolo by možné v ňom nájsť vlny všetkých pravdepodobných dĺžok. Všetci však vieme, že spektrum mikrovlnného pozadia je veľmi obmedzené – a preto sa tak aj nazýva.

„Vesmír má vlastnosti hudobného nástroja,“ vysvetľuje Frank Steiner z Univerzity v Ulme v Nemecku. „A vlnové dĺžky v ňom nemôžu presiahnuť dĺžku samotného nástroja.

Dodnes kozmológovia prišli s niekoľkými hypotézami o tvare vesmíru. Najpopulárnejšie boli tekvica (alebo lopta amerického futbalu) a bagel, ako aj tri bagety, ktoré sú navzájom bizarne spojené. Niektorí fyzici dokonca navrhli krásny model vesmíru, zjavne prevzatý z východnej filozofie, čo je koridor zrkadiel s obrázkami rôznych objektov, ktoré sa na oblohe mnohokrát opakujú. Tieto „svetelné portréty“ sa môžu odrážať od údajných stien vesmíru a tak sa môžu mnohokrát duplikovať. Glen Starkman z Case Western Reserve University v Clevelande (Ohio, USA) a jeho kolegovia sa začali pokúšať nejakým spôsobom skombinovať navrhované modely s experimentálnymi dátami, no zatiaľ si nevybrali, ktorý tvar nášmu Vesmíru vyhovuje najviac.

V rovnakom čase Steiner a jeho kolegovia začali znovu analyzovať údaje z kozmickej lode NASA z roku 2003 známej ako Wilkinsonova mikrovlnná anizotropná sonda a pokúsili sa ju použiť na podporu svojej hypotézy, že vesmír má tvar šišky a troch šišiek. Vedci chceli tiež otestovať rozšírenú hypotézu o neobmedzenom a „bezrozmernom“ vesmíre.

Ukázalo sa, že údaje z kozmickej lode najlepšie dokladajú teóriu vesmíru v podobe šišky. Vedci sa pokúsili uhádnuť aj pravdepodobnú veľkosť vesmíru – podľa informácií získaných pomocou sondy môže dosiahnuť 56 miliárd svetelných rokov.

Jean-Pierre Luminet z Parížskeho observatória vo Francúzsku zastáva hypotézu, že vesmír má tvar amerického futbalu alebo tekvice. Steinerova práca sa mu však veľmi páčila. Analýza kolegu z Nemecka podľa neho ukazuje, že šiška je celkom pravdepodobnou formou Vesmíru, no napriek tomu nezavrhuje myšlienku tekvice (futbalovej lopty). „Myslím, že moja futbalová lopta je stále nažive a v poriadku,“ vtipkuje Lumine.

Sám Steiner verí, že štúdium reliktného žiarenia, ktoré teraz vykonáva európsky satelit Planck, presnejšie určí tvar vesmíru. Glen Starkman sa tiež domnieva, že zatiaľ nie je dostatok údajov. „Z filozofického hľadiska sa mi páči myšlienka, že vesmír je konečný,“ hovorí. "Filozofia však nemôže dôverovať fyzike, a preto budem dávať pozor, aby som nerobil závery, kým sa neobjavia nové experimentálne údaje."

V dávnych dobách si ľudia mysleli, že Zem je plochá a stojí na troch veľrybách, potom sa ukázalo, že naša ekumena je guľatá a ak sa budete neustále plaviť na západ, po chvíli sa vrátite do východiskového bodu z na východ. Podobne sa menili aj pohľady na vesmír. Svojho času Newton veril, že priestor je plochý a nekonečný. Einstein dovolil, aby bol náš svet nielen neohraničený a pokrivený, ale aj uzavretý. Najnovšie údaje získané v procese štúdia žiarenia pozadia naznačujú, že vesmír môže byť uzavretý do seba. Ukazuje sa, že ak neustále lietate zo Zeme, v určitom bode sa k nej začnete približovať a nakoniec sa vrátite späť, obídete celý vesmír a urobíte cestu okolo sveta, rovnako ako jedna z Magellanových lodí, obleteli celú zemeguľu a doplavili sa do španielskeho prístavu Sanlúcar de Barrameda.

Hypotéza, že náš vesmír sa zrodil v dôsledku Veľkého tresku, sa dnes považuje za všeobecne akceptovanú. Hmota bola na začiatku veľmi horúca, hustá a rýchlo expandovala. Potom teplota vesmíru klesla na niekoľko tisíc stupňov. Látka sa v tom momente skladala z elektrónov, protónov a častíc alfa (jadier hélia), čiže išlo o vysoko ionizovaný plyn – plazmu, nepriepustný pre svetlo a akékoľvek elektromagnetické vlny. Rekombinácia (spájanie) jadier a elektrónov, ktorá sa v tom čase začala, teda vznik neutrálnych atómov vodíka a hélia, radikálne zmenila optické vlastnosti Vesmíru. Stal sa transparentným pre väčšinu elektromagnetických vĺn.

Štúdiom svetla a rádiových vĺn teda možno vidieť len to, čo sa stalo po rekombinácii, a všetko, čo sa stalo predtým, je pre nás uzavreté akousi „ohnivou stenou“ ionizovanej hmoty. Oveľa hlbšie do histórie Vesmíru je možné nahliadnuť len vtedy, ak sa naučíme registrovať reliktné neutrína, pre ktoré sa horúca hmota stala transparentnou oveľa skôr, a primárne gravitačné vlny, pre ktoré hmota akejkoľvek hustoty nie je prekážkou, ale toto. je vecou budúcnosti a ani zďaleka nie.najbližšie.

Od vzniku neutrálnych atómov sa náš vesmír rozrástol asi 1000-krát a žiarenie z éry rekombinácií je dnes na Zemi pozorované ako reliktné mikrovlnné pozadie s teplotou asi tri stupne Kelvina. Toto pozadie, prvýkrát objavené v roku 1965 pri testovaní veľkej rádiovej antény, je prakticky rovnaké vo všetkých smeroch. Podľa moderných údajov existuje sto miliónkrát viac reliktných fotónov ako atómov, takže náš svet sa jednoducho kúpe v prúdoch silne načervenalého svetla vyžarovaného v prvých minútach života vesmíru.

Klasická topológia priestoru

Na mierkach väčších ako 100 megaparsekov je časť vesmíru, ktorú vidíme, celkom homogénna. Všetky husté zhluky hmoty – galaxie, ich kopy a nadkopy – sú pozorované len na kratšie vzdialenosti. Vesmír je navyše izotropný, to znamená, že jeho vlastnosti sú v akomkoľvek smere rovnaké. Tieto experimentálne fakty sú základom všetkých klasických kozmologických modelov, ktoré predpokladajú sférickú symetriu a priestorovú homogenitu rozloženia hmoty.

Klasické kozmologické riešenia Einsteinových rovníc všeobecnej relativity (GR), ktoré našiel v roku 1922 Alexander Friedman, majú najjednoduchšiu topológiu. Ich priestorové rezy pripomínajú roviny (pre nekonečné riešenia) alebo gule (pre ohraničené riešenia). Ale ukazuje sa, že takéto vesmíry majú alternatívu: vesmír bez hrán a hraníc, vesmír konečného objemu uzavretý sám do seba.

Prvé riešenia, ktoré našiel Friedman, opisovali vesmíry naplnené len jedným druhom hmoty. Rôzne obrázky vznikli kvôli rozdielu v priemernej hustote hmoty: ak prekročila kritickú úroveň, získal sa uzavretý vesmír s pozitívnym priestorovým zakrivením, konečnými rozmermi a životnosťou. Jeho expanzia sa postupne spomalila, zastavila a vystriedala ju kontrakcia do bodu. Vesmír s hustotou pod kritickou mal záporné zakrivenie a rozpínal sa nekonečne, miera jeho inflácie mala tendenciu k nejakej konštantnej hodnote. Tento model sa nazýva otvorený. Plochý vesmír, medziprípad s hustotou presne rovnou kritickej, je nekonečný a jeho okamžité priestorové rezy sú plochým euklidovským priestorom s nulovým zakrivením. Plochý, podobne ako otvorený, sa rozširuje donekonečna, ale miera jeho rozširovania má tendenciu k nule. Neskôr boli vynájdené zložitejšie modely, v ktorých bol homogénny a izotropný vesmír naplnený viaczložkovou hmotou, ktorá sa časom mení.

Moderné pozorovania ukazujú, že vesmír sa teraz rozširuje so zrýchlením (pozri „Beyond the Universe's Event Horizon“, č. 3, 2006). Takéto správanie je možné, ak je priestor vyplnený nejakou látkou (často nazývanou tmavá energia) s vysokým podtlakom blízkym hustote energie tejto látky. Táto vlastnosť temnej energie vedie k vzniku akejsi antigravitácie, ktorá vo veľkom prekonáva príťažlivé sily bežnej hmoty. Prvý takýto model (s takzvaným lambda termínom) navrhol sám Albert Einstein.

Špeciálny spôsob expanzie vesmíru nastáva, ak tlak tejto hmoty nezostáva konštantný, ale s časom rastie. V tomto prípade nárast veľkosti narastá tak rýchlo, že vesmír sa v konečnom čase stane nekonečným. Takáto prudká inflácia priestorových rozmerov, sprevádzaná deštrukciou všetkých hmotných objektov, od galaxií až po elementárne častice, sa nazýva Big Rip.

Všetky tieto modely nepredpokladajú žiadne špeciálne topologické vlastnosti vesmíru a reprezentujú ho podobne ako náš obvyklý priestor. Tento obrázok je v dobrej zhode s údajmi, ktoré astronómovia získavajú pomocou ďalekohľadov, ktoré zaznamenávajú infračervené, viditeľné, ultrafialové a röntgenové žiarenie. A iba údaje z rádiových pozorovaní, konkrétne podrobné štúdium reliktného pozadia, prinútili vedcov pochybovať, že náš svet je usporiadaný tak priamočiaro.

Vedci sa nebudú môcť pozrieť za „ohnivú stenu“, ktorá nás oddeľuje od udalostí prvých tisíc rokov života nášho vesmíru. Ale s pomocou laboratórií vypustených do vesmíru sa každý rok dozvedáme viac a viac o tom, čo sa stalo po premene horúcej plazmy na teplý plyn.

Orbitálny rádiový prijímač

Prvé výsledky, ktoré získalo vesmírne observatórium WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), ktoré meralo silu žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia, boli zverejnené v januári 2003 a obsahovali toľko dlho očakávaných informácií, že ich pochopenie nebolo dokončené ani dnes. Fyzika sa zvyčajne používa na vysvetlenie nových kozmologických údajov: stavových rovníc hmoty, zákonov expanzie a spektier počiatočných porúch. No tentoraz si povaha zistenej uhlovej nehomogenity žiarenia vyžiadala úplne iné vysvetlenie – geometrické. Presnejšie - topologické.

Hlavným účelom WMAP bolo vytvoriť podrobnú mapu teploty kozmického mikrovlnného pozadia (alebo, ako sa to tiež nazýva, mikrovlnného pozadia). WMAP je ultracitlivý rádiový prijímač, ktorý súčasne registruje signály prichádzajúce z dvoch takmer diametrálne odlišných bodov na oblohe. Observatórium bolo vypustené v júni 2001 na mimoriadne pokojnú a „tichú“ obežnú dráhu, ktorá sa nachádza v takzvanom Lagrangiánskom bode L2, jeden a pol milióna kilometrov od Zeme. Táto 840 kg vážiaca družica sa v skutočnosti nachádza na obežnej dráhe okolo Slnka, no spoločným pôsobením gravitačných polí Zeme a Slnka má periódu revolúcie presne jeden rok a zo Zeme nikam neodletí. Satelit bol vypustený na takú vzdialenú obežnú dráhu, aby rušenie pozemskou ľudskou činnosťou nerušilo príjem reliktného rádiového vyžarovania.

Na základe údajov získaných vesmírnym rádiovým observatóriom sa podarilo určiť obrovské množstvo kozmologických parametrov s bezprecedentnou presnosťou. Po prvé, pomer celkovej hustoty vesmíru ku kritickej je 1,02 ± 0,02 (to znamená, že náš vesmír je plochý alebo uzavretý s veľmi malým zakrivením). Po druhé, Hubbleova konštanta, ktorá charakterizuje expanziu nášho sveta vo veľkom meradle, je 72±2 km/s/Mpc. Po tretie, vek vesmíru je 13,4 ± 0,3 miliardy rokov a červený posun zodpovedajúci času rekombinácie je 1088 ± 2 (toto je priemerná hodnota, hrúbka hranice rekombinácie je oveľa väčšia ako uvedená chyba). Najsenzačnejším výsledkom pre teoretikov bolo uhlové spektrum porúch reliktného žiarenia, presnejšie príliš malá hodnota druhej a tretej harmonickej.

Takéto spektrum je konštruované reprezentáciou teplotnej mapy ako súčtu rôznych sférických harmonických (multipólov). V tomto prípade sa premenné zložky odlišujú od všeobecného obrazu porúch, ktoré sa na guľu zmestia celý počet krát: kvadrupól - 2 krát, octupól - 3 krát atď. Čím vyššie je číslo sférickej harmonickej, tým viac vysokofrekvenčných kmitov pozadia opisuje a tým menšia je uhlová veľkosť zodpovedajúcich „škvŕn“. Teoreticky je počet sférických harmonických nekonečný, ale pre skutočnú mapu pozorovania je obmedzený uhlovým rozlíšením, s ktorým boli pozorovania uskutočnené.

Pre správne meranie všetkých sférických harmonických je potrebná mapa celej nebeskej sféry a WMAP dostáva overenú verziu práve o rok. Prvé takéto nie príliš podrobné mapy boli získané v roku 1992 v experimentoch Relic a COBE (Cosmic Background Explorer).

Ako vyzerá bagel ako šálka kávy?
Existuje taká oblasť matematiky - topológia, ktorá skúma vlastnosti telies, ktoré sú zachované pri akejkoľvek ich deformácii bez medzier a lepenia. Predstavte si, že geometrické teleso, ktoré nás zaujíma, je pružné a ľahko sa deformuje. V tomto prípade je možné napríklad kocku alebo pyramídu ľahko premeniť na guľu alebo fľašu, torus („donut“) na šálku kávy s rukoväťou, ale nebude možné zmeniť guľu na guľu. pohár s uškom, ak toto ľahko deformovateľné telo neroztrhnete a nezlepíte. Na rozdelenie gule na dva nespojené časti stačí urobiť jeden uzavretý rez a na to isté s torusom môžete urobiť iba dva rezy. Topológovia jednoducho milujú všelijaké exotické konštrukcie ako plochý torus, rohatú guľu alebo Kleinovu fľašu, ktoré sa dajú správne zobraziť iba v priestore s dvojnásobnými rozmermi. Takže náš trojrozmerný vesmír, uzavretý do seba, si možno ľahko predstaviť len tým, že žijeme v šesťrozmernom priestore. Kozmickí topológovia zatiaľ nezasahujú do času a ponechávajú mu možnosť jednoducho lineárne prúdiť bez toho, aby sa do čohokoľvek zamykal. Takže schopnosť pracovať v priestore siedmich dimenzií je dnes celkom dostatočná na to, aby sme pochopili, aký zložitý je náš dvanásťstenný vesmír.

Konečná teplotná mapa CMB je založená na dôkladnej analýze máp zobrazujúcich intenzitu rádiového vyžarovania v piatich rôznych frekvenčných rozsahoch.

Nečakané rozhodnutie

Pre väčšinu sférických harmonických sa získané experimentálne údaje zhodovali s modelovými výpočtami. Iba dve harmonické, štvorpólová a osempólová, sa ukázali byť jednoznačne pod úrovňou očakávanou teoretikmi. Navyše, pravdepodobnosť, že by k takýmto veľkým odchýlkam mohlo dôjsť náhodou, je extrémne malá. Potlačenie kvadrupólov a oktupólov bolo zaznamenané už v údajoch COBE. Mapy získané v tých rokoch však mali slabé rozlíšenie a veľký šum, preto sa diskusia o tejto problematike odložila na lepšie časy. Z akého dôvodu boli amplitúdy dvoch najväčších výkyvov intenzity kozmického mikrovlnného pozadia také malé, bolo spočiatku úplne nepochopiteľné. Zatiaľ sa nepodarilo vymyslieť fyzikálny mechanizmus na ich potlačenie, pretože musí pôsobiť v mierke celého pozorovateľného Vesmíru, čím sa stáva homogénnejším a zároveň prestať fungovať na menších mierkach, čo umožňuje jeho kolísanie. silnejšie. Zrejme preto začali hľadať alternatívne spôsoby a našli topologickú odpoveď na otázku, ktorá vznikla. Matematické riešenie fyzikálneho problému sa ukázalo ako prekvapivo elegantné a nečakané: stačilo predpokladať, že vesmír je dvanásťsten uzavretý do seba. Potom sa potlačenie nízkofrekvenčných harmonických dá vysvetliť priestorovou vysokofrekvenčnou moduláciou žiarenia pozadia. Tento efekt vzniká v dôsledku opakovaného pozorovania tej istej oblasti rekombinácie plazmy cez rôzne časti uzavretého dodekaedrického priestoru. Ukazuje sa, že nízke harmonické, ako to bolo, samy zhasnú v dôsledku prechodu rádiového signálu cez rôzne aspekty vesmíru. V takomto topologickom modeli sveta sa udalosti vyskytujúce sa v blízkosti jednej z tvárí dvanásťstenu ukážu ako blízko a na opačnej strane, pretože tieto oblasti sú identické av skutočnosti sú jednou a tou istou časťou vesmíru. Z tohto dôvodu sa ukázalo, že reliktné svetlo prichádzajúce na Zem z diametrálne opačných strán je vyžarované rovnakou oblasťou primárnej plazmy. Táto okolnosť vedie k potlačeniu nižších harmonických v CMB spektre aj vo vesmíre, ktorý je len o málo väčší ako viditeľný horizont udalostí.

Mapa anizotropie
Štvorpól uvedený v texte článku nie je najnižšia sférická harmonická. Okrem neho existuje monopól (nulová harmonická) a dipól (prvá harmonická). Veľkosť monopólu je určená priemernou teplotou žiarenia pozadia, ktorá je dnes 2,728 K. Po odčítaní od celkového pozadia sa dipólová zložka ukáže ako najväčšia, čo ukazuje, aká je teplota v jednej z hemisfér. priestoru, ktorý nás obklopuje, je vyšší ako v druhom. Prítomnosť tejto zložky je spôsobená najmä pohybom Zeme a Mliečnej dráhy vzhľadom na CMB. V dôsledku Dopplerovho javu teplota v smere pohybu stúpa a v opačnom smere klesá. Táto okolnosť umožní určiť rýchlosť akéhokoľvek objektu vzhľadom na CMB a zaviesť tak dlho očakávaný absolútny súradnicový systém, ktorý je vzhľadom na celý Vesmír lokálne v pokoji.

Hodnota dipólovej anizotropie súvisiacej s pohybom Zeme je 3,353*10-3 K. To zodpovedá pohybu Slnka voči žiareniu pozadia rýchlosťou asi 400 km/s. Zároveň „letíme“ smerom k hranici súhvezdí Lev a Kalich a „odlietame“ zo súhvezdia Vodnára. Naša Galaxia sa spolu s miestnou skupinou galaxií, kam patrí, pohybuje voči relikvii rýchlosťou asi 600 km/s.

Všetky ostatné poruchy (začínajúce od kvadrupólu a vyššie) na mape pozadia sú spôsobené nehomogenitami v hustote, teplote a rýchlosti hmoty na hranici rekombinácie, ako aj rádiovým vyžarovaním z našej Galaxie. Po odčítaní dipólovej zložky sa ukáže, že celková amplitúda všetkých ostatných odchýlok je len 18 * 10-6 K. Aby sa vylúčilo vlastné žiarenie Mliečnej dráhy (hlavne sústredené v rovine galaktického rovníka), pozorovania mikrovlnnej pozadia sa uskutočňujú v piatich frekvenčných pásmach v rozsahu od 22,8 GHz do 93,5 GHz.

Kombinácie s Thorom

Najjednoduchším telesom s topológiou zložitejšou ako guľa alebo rovina je torus. Každý, kto držal donut v rukách, si to vie predstaviť. Iný správnejší matematický model plochého torusu demonštrujú obrazovky niektorých počítačových hier: je to štvorec alebo obdĺžnik, ktorého protiľahlé strany sú označené a ak pohybujúci sa objekt klesá, objavuje sa zhora; po prekročení ľavého okraja obrazovky sa objaví spoza pravého a naopak. Takýto torus je najjednoduchším príkladom sveta s netriviálnou topológiou, ktorý má konečný objem a nemá žiadne hranice.

V trojrozmernom priestore sa dá podobný postup urobiť aj s kockou. Ak identifikujete jeho opačné strany, vytvorí sa trojrozmerný torus. Ak sa vo vnútri takejto kocky pozriete na okolitý priestor, môžete vidieť nekonečný svet pozostávajúci z kópií jej jedinej a jedinečnej (neopakujúcej sa) časti, ktorej objem je celkom obmedzený. V takomto svete neexistujú hranice, ale existujú tri vybrané smery rovnobežné s hranami pôvodnej kocky, pozdĺž ktorých sú pozorované periodické rady pôvodných objektov. Tento obrázok je veľmi podobný tomu, čo možno vidieť vo vnútri kocky so zrkadlovými stenami. Je pravda, že pri pohľade na ktorúkoľvek z jeho strán obyvateľ takého sveta uvidí svoju hlavu, a nie svoju tvár, ako v pozemskej miestnosti smiechu. Správnejším modelom by bola miestnosť vybavená 6 TV kamerami a 6 plochými LCD monitormi, ktoré zobrazujú obraz snímaný filmovou kamerou umiestnenou oproti. V tomto modeli sa viditeľný svet uzatvára do seba kvôli výstupu do inej televíznej dimenzie.

Vyššie opísaný obraz potlačenia nízkofrekvenčných harmonických je správny, ak je čas, za ktorý svetlo prejde počiatočným objemom, dostatočne malý, teda ak sú rozmery počiatočného telesa malé v porovnaní s kozmologickými mierkami. Ak sa ukážu rozmery časti vesmíru prístupnej na pozorovanie (tzv. horizont vesmíru) menšie ako rozmery počiatočného topologického objemu, potom sa situácia nebude nijako líšiť od toho, čo vidíme na obvyklý nekonečný Einsteinovský vesmír a nebudú pozorované žiadne anomálie v spektre CMB.

Maximálnu možnú priestorovú mierku v takomto kubickom svete určuje veľkosť pôvodného telesa – vzdialenosť medzi akýmikoľvek dvoma telesami nemôže presiahnuť polovicu hlavnej uhlopriečky pôvodnej kocky. Svetlo prichádzajúce k nám z hranice rekombinácie môže po ceste niekoľkokrát prekročiť pôvodnú kocku, akoby sa odrážalo v jej zrkadlových stenách, v dôsledku toho sa skresľuje uhlová štruktúra žiarenia a nízkofrekvenčné výkyvy sa stávajú vysokofrekvenčnými. Výsledkom je, že čím menší je počiatočný objem, tým silnejšie je potlačenie najmenších veľkých uhlových fluktuácií, čo znamená, že štúdiom reliktného pozadia je možné odhadnúť veľkosť nášho vesmíru.

3D mozaiky

Plochý topologicky zložitý trojrozmerný vesmír možno postaviť iba na základe kociek, rovnobežnostenov a šesťhranných hranolov. V prípade zakriveného priestoru má takéto vlastnosti širšia trieda postáv. V tomto prípade sú uhlové spektrá získané v experimente WMAP v najlepšej zhode s dodekaedrickým modelom vesmíru. Tento pravidelný mnohosten, ktorý má 12 päťuholníkových plôch, pripomína futbalovú loptu ušitú z päťuholníkových záplat. Ukazuje sa, že v priestore s malým kladným zakrivením môžu pravidelné dvanásťsteny vyplniť celý priestor bez otvorov a vzájomných priesečníkov. Pri určitom pomere medzi veľkosťou dvanástnika a zakrivením je na to potrebných 120 guľových dvanásťstenov. Okrem toho možno túto zložitú štruktúru stoviek „gulí“ zredukovať na topologicky ekvivalentnú štruktúru pozostávajúcu iba z jedného dvanástnika, v ktorom sú identifikované protiľahlé plochy otočené o 180 stupňov.

Vesmír vytvorený z takého dvanástnika má množstvo zaujímavých vlastností: nemá žiadne preferované smery a lepšie ako väčšina iných modelov popisuje veľkosť najnižších uhlových harmonických CMB. Takýto obraz vzniká iba v uzavretom svete s pomerom skutočnej hustoty hmoty ku kritickej 1,013, čo spadá do rozsahu hodnôt, ktoré umožňujú dnešné pozorovania (1,02±0,02).

Pre bežného obyvateľa Zeme všetky tieto topologické zložitosti na prvý pohľad nemajú veľký význam. Ale pre fyzikov a filozofov - úplne iná záležitosť. Ako pre svetonázor ako celok, tak aj pre jednotnú teóriu vysvetľujúcu štruktúru nášho sveta je táto hypotéza veľmi zaujímavá. Po objavení anomálií v spektre relikvie preto vedci začali hľadať ďalšie fakty, ktoré by mohli potvrdiť alebo vyvrátiť navrhovanú topologickú teóriu.

Zvuková plazma
Na fluktuačnom spektre CMB červená čiara označuje predpovede teoretického modelu. Sivá chodba okolo nej sú prípustné odchýlky a čierne bodky sú výsledkom pozorovaní. Väčšina údajov bola získaná v experimente WMAP a len pre najvyššie harmonické sú pridané výsledky štúdií CBI (balón) a ACBAR (antarktická zem). Na normalizovanom grafe uhlového spektra fluktuácií reliktného žiarenia je vidieť niekoľko maxím. Ide o takzvané „akustické vrcholy“ alebo „Sacharovove oscilácie“. Ich existenciu teoreticky predpovedal Andrej Sacharov. Tieto vrcholy sú spôsobené Dopplerovým efektom a sú spôsobené pohybom plazmy v čase rekombinácie. Maximálna amplitúda kmitov pripadá na veľkosť kauzálne súvisiacej oblasti (zvukového horizontu) v momente rekombinácie. Na menších mierkach boli oscilácie plazmy utlmené viskozitou fotónov, zatiaľ čo na veľkých mierkach boli poruchy navzájom nezávislé a neboli vo fáze. Preto maximálne fluktuácie pozorované v modernej dobe spadajú do uhlov, v ktorých je dnes viditeľný zvukový horizont, to znamená oblasť primárnej plazmy, ktorá žila v čase rekombinácie jediným životom. Presná poloha maxima závisí od pomeru celkovej hustoty vesmíru ku kritickej. Pozorovania ukazujú, že prvý, najvyšší vrchol sa nachádza približne na 200. harmonickej, čo podľa teórie s vysokou presnosťou zodpovedá plochému euklidovskému vesmíru.

Veľa informácií o kozmologických parametroch je obsiahnutých v druhom a nasledujúcich akustických vrcholoch. Ich samotná existencia odráža fakt „fázovania“ akustických oscilácií v plazme v ére rekombinácií. Ak by takéto spojenie nebolo, potom by sa pozoroval iba prvý vrchol a kolísanie na všetkých menších mierkach by bolo rovnako pravdepodobné. Aby však k takémuto kauzálnemu vzťahu fluktuácií na rôznych mierkach došlo, tieto (veľmi vzdialené od seba) regióny museli byť schopné vzájomnej interakcie. Práve táto situácia prirodzene nastáva v inflačnom modeli Vesmíru a istá detekcia druhého a ďalších vrcholov v uhlovom spektre fluktuácií CMB je jedným z najvážnejších potvrdení tohto scenára.

Reliktné žiarenie bolo pozorované v oblasti blízkej maximu tepelného spektra. Pre teplotu 3K je to pri rádiovej vlnovej dĺžke 1mm. WMAP vykonával svoje pozorovania na o niečo dlhších vlnových dĺžkach: od 3 mm do 1,5 cm Tento rozsah je celkom blízko maxima a má nižší šum z hviezd našej Galaxie.

Mnohostranný svet

V dvanásťstennom modeli horizont udalostí a hranica rekombinácie ležiaca veľmi blízko k nemu pretínajú každú z 12 stien dvanástnika. Priesečník rekombinačnej hranice a pôvodného mnohostenu tvorí na mape mikrovlnného pozadia 6 párov kruhov umiestnených v opačných bodoch nebeskej sféry. Uhlový priemer týchto kruhov je 70 stupňov. Tieto kruhy ležia na opačných stranách pôvodného dvanásťstena, to znamená, že sa geometricky a fyzicky zhodujú. V dôsledku toho by sa distribúcia fluktuácií kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia pozdĺž každého páru kruhov mala zhodovať (berúc do úvahy rotáciu o 180 stupňov). Na základe dostupných údajov sa takéto kruhy zatiaľ nepodarilo odhaliť.

Ale tento jav, ako sa ukázalo, je zložitejší. Kruhy budú rovnaké a symetrické iba pre pozorovateľa, ktorý je nehybný vzhľadom na pozadie pozadia. Zem sa oproti nej oproti nej pohybuje dostatočne vysokou rýchlosťou, vďaka čomu sa v žiarení pozadia objavuje výrazná dipólová zložka. V tomto prípade sa kruhy menia na elipsy, mení sa ich veľkosť, umiestnenie na oblohe a priemerná teplota pozdĺž kruhu. Je oveľa ťažšie odhaliť identické kruhy v prítomnosti takýchto skreslení a presnosť údajov, ktoré sú dnes k dispozícii, sa stáva nedostatočnou - sú potrebné nové pozorovania, ktoré pomôžu zistiť, či tam sú alebo nie sú.

Viacnásobná inflácia

Azda najvážnejší problém zo všetkých topologicky zložitých kozmologických modelov, ktorých sa už objavilo značné množstvo, má najmä teoretický charakter. Dnes sa inflačný scenár vývoja vesmíru považuje za štandardný. Bolo navrhnuté vysvetliť vysokú homogenitu a izotropiu pozorovateľného vesmíru. Vesmír, ktorý sa zrodil, bol podľa neho spočiatku dosť nehomogénny. Potom, v procese inflácie, keď sa vesmír rozširoval podľa zákona blízkeho exponenciálnemu rozpätiu, jeho počiatočné rozmery sa zväčšili o mnoho rádov. Dnes vidíme len malú časť Veľkého vesmíru, v ktorom stále pretrvávajú heterogenity. Pravda, majú taký veľký priestorový rozsah, že sú neviditeľné vo vnútri nám dostupnej oblasti. Inflačný scenár je zďaleka najlepšie vyvinutá kozmologická teória.

Pre viacnásobne prepojený vesmír nie je takýto sled udalostí vhodný. V ňom je na pozorovanie k dispozícii celá jeho unikátna časť a niektoré z jeho najbližších kópií. V tomto prípade nemôžu existovať štruktúry alebo procesy opísané mierkami oveľa väčšími ako pozorovaný horizont.

Smery, ktorými sa bude musieť vyvinúť kozmológia, ak sa potvrdí mnohonásobná prepojenosť nášho vesmíru, sú už jasné: ide o neinflačné modely a takzvané modely so slabou infláciou, v ktorých sa veľkosť vesmíru počas inflácie zväčšuje len niekoľkokrát (alebo desaťkrát). Zatiaľ neexistujú žiadne takéto modely a vedci, ktorí sa snažia zachovať známy obraz sveta, aktívne hľadajú nedostatky vo výsledkoch získaných pomocou vesmírneho rádioteleskopu.

Spracovanie artefaktov

Jedna zo skupín, ktorá vykonala nezávislé štúdie údajov WMAP, upozornila na skutočnosť, že štvorpólové a oktopólové zložky kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia majú blízko k sebe a ležia v rovine, ktorá sa takmer zhoduje s galaktickým rovníkom. Záver tejto skupiny je, že pri odčítaní pozadia Galaxie od údajov pozorovaní mikrovlnného pozadia došlo k chybe a skutočná veľkosť harmonických je úplne iná.

Pozorovania WMAP sa uskutočnili na 5 rôznych frekvenciách špecificky s cieľom správne oddeliť kozmologické a miestne pozadie. A hlavný tím WMAP je presvedčený, že spracovanie pozorovaní bolo vykonané správne a odmieta navrhované vysvetlenie.

Dostupné kozmologické údaje, publikované ešte začiatkom roku 2003, boli získané po spracovaní výsledkov iba prvého roku pozorovaní WMAP. Na testovanie navrhovaných hypotéz je ako obvykle potrebné zvýšenie presnosti. Začiatkom roku 2006 vykonáva WMAP nepretržité pozorovania štyri roky, čo by malo stačiť na zdvojnásobenie presnosti, ale tieto údaje ešte neboli zverejnené. Musíme chvíľu počkať a možno naše predpoklady o dodekaedrickej topológii vesmíru nadobudnú úplne presvedčivý charakter.

Michail Prochorov, doktor fyzikálnych a matematických vied

Okrem klasických kozmologických modelov vám všeobecná relativita umožňuje vytvárať veľmi, veľmi, veľmi exotické imaginárne svety.

Existuje niekoľko klasických kozmologických modelov zostrojených pomocou všeobecnej teórie relativity, doplnených o homogenitu a izotropiu priestoru (pozri „PM“ č. 6, 2012, Ako bolo objavené rozpínanie vesmíru). Einsteinov uzavretý vesmír má neustále kladné zakrivenie priestoru, ktorý sa stáva statickým v dôsledku zavedenia takzvaného kozmologického parametra do rovníc GR, ktorý pôsobí ako antigravitačné pole. V zrýchľujúcom sa de Sitterovom vesmíre s nezakriveným priestorom neexistuje obyčajná hmota, ale je vyplnený aj antigravitačným poľom. Existujú aj uzavreté a otvorené vesmíry Alexandra Friedmana; hraničný svet Einstein - de Sitter, ktorý v priebehu času postupne znižuje rýchlosť expanzie na nulu, a nakoniec vesmír Lemaitre vyrastajúci z ultra kompaktného počiatočného stavu, predchodca kozmológie Veľkého tresku. Všetky, a najmä Lemaitrov model, sa stali predchodcami moderného štandardného modelu nášho Vesmíru.

Existujú však aj iné vesmíry, ktoré sú tiež generované veľmi kreatívnym, ako sa dnes zvykne hovoriť, použitím rovníc GR. Oveľa menej zodpovedajú (alebo vôbec nezodpovedajú) výsledkom astronomických a astrofyzikálnych pozorovaní, no často sú veľmi krásne, ba niekedy až elegantne paradoxné. Pravda, matematici a astronómovia ich vymysleli v takom množstve, že sa budeme musieť obmedziť len na niekoľko najzaujímavejších príkladov imaginárnych svetov.

Od šnúrky po palacinku

Po objavení sa (v roku 1917) kľúčového diela Einsteina a de Sittera mnohí vedci začali používať rovnice všeobecnej relativity na vytváranie kozmologických modelov. Jedným z prvých, komu sa to podarilo, bol newyorský matematik Edward Kasner, ktorý svoje riešenie zverejnil v roku 1921.

Jeho vesmír je veľmi nezvyčajný. Nemá nielen žiadnu gravitačnú hmotu, ale ani antigravitačné pole (inými slovami, neexistuje žiadny einsteinovský kozmologický parameter). Zdalo by sa, že v tomto ideálne prázdnom svete sa nemôže stať vôbec nič. Kasner však priznal, že jeho hypotetický vesmír sa vyvíjal nerovnomerne rôznymi smermi. Rozširuje sa pozdĺž dvoch súradnicových osí, ale zužuje sa pozdĺž tretej osi. Preto je tento priestor zjavne anizotropný a geometricky podobný elipsoidu. Keďže je takýto elipsoid natiahnutý v dvoch smeroch a stiahnutý v treťom, postupne sa mení na plochú placku. Kasnerov vesmír sa zároveň v žiadnom prípade nestenčuje, jeho objem narastá úmerne s vekom. V počiatočnom momente sa tento vek rovná nule - a teda aj objem je nula. Kasnerove vesmíry sa však nerodia z bodovej singularity ako svet Lemaitre, ale z niečoho ako nekonečne tenký lúč – jeho počiatočný polomer sa rovná nekonečnu pozdĺž jednej osi a nule pozdĺž ďalších dvoch.

Aké je tajomstvo vývoja tohto prázdneho sveta? Keďže sa jeho priestor „posúva“ rôznymi smermi, vznikajú gravitačné slapové sily, ktoré určujú jeho dynamiku. Zdalo by sa, že ich možno eliminovať vyrovnaním rýchlostí expanzie pozdĺž všetkých troch osí, a tým odstránením anizotropie, ale matematika takéto slobody nepripúšťa. Pravda, je možné nastaviť dve z troch rýchlostí na nulu (inými slovami, fixovať rozmery vesmíru pozdĺž dvoch súradnicových osí). V tomto prípade bude Kasnerov svet rásť iba jedným smerom a presne úmerne času (to je ľahké pochopiť, pretože takto sa musí zväčšiť jeho objem), ale to je všetko, čo môžeme dosiahnuť.

Kaznerov vesmír môže zostať sám sebou len pod podmienkou úplnej prázdnoty. Ak k tomu pridáte trochu hmoty, bude sa postupne vyvíjať ako izotropný vesmír Einstein-de Sitter. Rovnakým spôsobom, keď sa do jej rovníc pridá nenulový Einsteinov parameter, vstúpi (s hmotou alebo bez nej) asymptoticky do režimu exponenciálnej izotropnej expanzie a zmení sa na de Sitterov vesmír. Takéto „prísady“ však skutočne menia iba vývoj už vzniknutého vesmíru. V čase jeho zrodu prakticky nehrajú rolu a vesmír sa vyvíja podľa rovnakého scenára.

Hoci je Kasnerov svet dynamicky anizotropný, jeho zakrivenie je v ľubovoľnom čase rovnaké pozdĺž všetkých súradnicových osí. Rovnice GR však umožňujú existenciu vesmírov, ktoré sa nielen vyvíjajú anizotropnými rýchlosťami, ale majú aj anizotropné zakrivenie. Takéto modely zostrojil začiatkom 50. rokov minulého storočia americký matematik Abraham Taub. Jeho priestory sa môžu v niektorých smeroch správať ako otvorené vesmíry a v iných ako uzavreté. Navyše časom môžu zmeniť znamienko z plus na mínus a z mínus na plus. Ich priestor nielen pulzuje, ale doslova sa obracia naruby. Fyzicky môžu byť tieto procesy spojené s gravitačnými vlnami, ktoré deformujú priestor tak silno, že lokálne menia jeho geometriu z guľového na sedlový a naopak. Vo všeobecnosti zvláštne svety, aj keď matematicky možné.

Svety kolíšu

Krátko po zverejnení Kaznerovho diela sa objavili články Alexandra Friedmana, prvý v roku 1922, druhý v roku 1924. Tieto články predložili prekvapivo elegantné riešenia rovníc GR, ktoré mali mimoriadne konštruktívny vplyv na vývoj kozmológie. Friedmanov koncept je založený na predpoklade, že v priemere je hmota rozložená vo vesmíre čo najsymetrickejšie, teda úplne homogénna a izotropná. To znamená, že geometria priestoru v každom okamihu jediného kozmického času je vo všetkých jeho bodoch a vo všetkých smeroch rovnaká (prísne povedané, takýto čas je ešte potrebné správne určiť, ale v tomto prípade je tento problém riešiteľný). Z toho vyplýva, že rýchlosť rozpínania (alebo zmršťovania) vesmíru v danom momente je opäť nezávislá od smeru. Friedmannove vesmíry sú teda dosť odlišné od Kasnerovho modelu.

V prvom článku Friedman zostrojil model uzavretého vesmíru s neustálym pozitívnym zakrivením priestoru. Tento svet vzniká z počiatočného bodového stavu s nekonečnou hustotou hmoty, expanduje do určitého maximálneho polomeru (a následne maximálneho objemu), po ktorom sa opäť zrúti do toho istého špeciálneho bodu (v matematickom jazyku singularita).

Friedman však pri tom neskončil. Nájdené kozmologické riešenie podľa neho nie je v žiadnom prípade nevyhnutne obmedzené na interval medzi počiatočnou a konečnou singularitou, možno v ňom pokračovať v čase dopredu aj dozadu. Výsledkom je nekonečný zväzok vesmírov navlečených na časovej osi, ktoré sa navzájom ohraničujú v bodoch singularity. V jazyku fyziky to znamená, že Friedmannov uzavretý vesmír môže donekonečna oscilovať, po každej kontrakcii umierať a v následnej expanzii sa znovuzrodí k novému životu. Ide o prísne periodický proces, pretože všetky oscilácie trvajú rovnako dlho. Preto je každý cyklus existencie vesmíru presnou kópiou všetkých ostatných cyklov.

Friedman vo svojej knihe Svet ako priestor a čas komentoval tento model takto: „Okrem toho sú možné prípady, keď sa polomer zakrivenia periodicky mení: vesmír sa zmršťuje do bodu (k ničomu), potom znova z bodu, ktorý prináša. jeho polomer na určitú hodnotu, potom sa opäť, zmenšujúc polomer svojho zakrivenia, mení na bod atď. Nedobrovoľne sa pripomína legenda hinduistickej mytológie o obdobiach života; dá sa hovoriť aj o „stvorení sveta z ničoho“, ale to všetko treba zatiaľ považovať za kuriózne fakty, ktoré nemožno spoľahlivo potvrdiť nedostatočným astronomickým experimentálnym materiálom.

Niekoľko rokov po publikovaní Friedmanových článkov získali jeho modely slávu a uznanie. Einstein sa začal vážne zaujímať o myšlienku oscilujúceho vesmíru a nebol sám. Richard Tolman, profesor matematickej fyziky a fyzikálnej chémie na Caltech, prevzal v roku 1932. Nebol ani čistý matematik ako Friedman, ani astronóm a astrofyzik ako de Sitter, Lemaitre a Eddington. Tolman bol uznávaným špecialistom na štatistickú fyziku a termodynamiku, ktoré prvýkrát spojil s kozmológiou.

Výsledky boli veľmi netriviálne. Tolman dospel k záveru, že celková entropia kozmu by sa mala z cyklu na cyklus zvyšovať. Hromadenie entropie vedie k tomu, že čoraz väčšia časť energie vesmíru sa sústreďuje v elektromagnetickom žiarení, ktoré z cyklu na cyklus stále silnejšie ovplyvňuje jeho dynamiku. Z tohto dôvodu sa dĺžka cyklov zvyšuje, každý ďalší sa stáva dlhším ako predchádzajúci. Oscilácie pretrvávajú, ale prestávajú byť periodické. Okrem toho sa v každom novom cykle zväčšuje polomer Tolmanovho vesmíru. V štádiu maximálnej expanzie má teda najmenšie zakrivenie a jeho geometria sa stále viac a viac a viac času približuje euklidovskej.

Richard Tolman pri konštrukcii svojho modelu vynechal zaujímavú možnosť, na ktorú v roku 1995 upozornili John Barrow a Mariusz Dąbrowski. Ukázali, že oscilačný režim Tolmanovho vesmíru je nenávratne zničený zavedením antigravitačného kozmologického parametra. V tomto prípade sa Tolmanov vesmír v jednom z cyklov už nezmršťuje do singularity, ale expanduje so zvyšujúcim sa zrýchlením a mení sa na de Sitterov vesmír, čo robí Kaznerov vesmír v podobnej situácii. Antigravitácia, rovnako ako usilovnosť, prekoná všetko!

Vesmír v Mixeri

V roku 1967 americkí astrofyzici David Wilkinson a Bruce Partridge zistili, že reliktné mikrovlnné žiarenie objavené o tri roky skôr z akéhokoľvek smeru prichádza na Zem s takmer rovnakou teplotou. Pomocou vysoko citlivého rádiometra, ktorý vynašiel ich krajan Robert Dicke, ukázali, že kolísanie teploty fotónov kozmického mikrovlnného pozadia nepresahuje desatinu percenta (podľa moderných údajov je ich oveľa menej). Keďže sa toto žiarenie objavilo skôr ako 400 000 rokov po Veľkom tresku, výsledky Wilkinsona a Partridgea naznačili, že aj keď náš vesmír nebol v čase narodenia takmer dokonale izotropný, túto vlastnosť nadobudol bez veľkého odkladu.

Táto hypotéza predstavovala pre kozmológiu značný problém. V prvých kozmologických modeloch sa izotropia priestoru od samého začiatku predpokladala jednoducho ako matematický predpoklad. Avšak už v polovici minulého storočia sa zistilo, že rovnice GR umožňujú zostaviť mnoho neizotropných vesmírov. V kontexte týchto výsledkov si takmer ideálna izotropia kozmického mikrovlnného pozadia vyžiadala vysvetlenie.

Takéto vysvetlenie sa objavilo až začiatkom 80. rokov a ukázalo sa ako úplne neočakávané. Bol postavený na zásadne novom teoretickom koncepte superrýchleho (ako sa zvyčajne hovorí, inflačného) rozpínania Vesmíru v prvých momentoch jeho existencie (pozri „PM“ č. 7, 2012, Všemohúca inflácia). V druhej polovici 60. rokov veda jednoducho nebola zrelá na takéto prevratné myšlienky. Ale, ako viete, pri absencii opečiatkovaného papiera píšu obyčajne.

Významný americký kozmológ Charles Mizner sa hneď po zverejnení článku Wilkinsona a Partridgea pokúsil vysvetliť izotropiu mikrovlnného žiarenia celkom tradičnými prostriedkami. Podľa jeho hypotézy nehomogenity raného Vesmíru postupne mizli v dôsledku vzájomného „trenia“ jeho častí, v dôsledku výmeny neutrín a svetelných tokov (vo svojej prvej publikácii Mizner nazval tento domnelý efekt viskozita neutrín). Takáto viskozita podľa neho dokáže rýchlo vyhladiť počiatočný chaos a urobiť Vesmír takmer dokonale homogénnym a izotropným.

Miznerov výskumný program vyzeral krásne, ale nepriniesol žiadne praktické výsledky. Hlavný dôvod jeho zlyhania opäť odhalila analýza mikrovlnného žiarenia. Akékoľvek procesy zahŕňajúce trenie vytvárajú teplo, to je elementárny dôsledok zákonov termodynamiky. Ak by sa primárne nehomogenity vesmíru vyhladili v dôsledku neutrína alebo inej viskozity, hustota energie žiarenia kozmického mikrovlnného pozadia by sa výrazne líšila od pozorovanej hodnoty.

Ako koncom 70. rokov ukázali americký astrofyzik Richard Matzner a jeho už spomínaný anglický kolega John Barrow, viskózne procesy dokážu eliminovať len tie najmenšie kozmologické nehomogenity. Na úplné „vyhladenie“ vesmíru boli potrebné iné mechanizmy, ktoré sa našli v rámci inflačnej teórie.

Napriek tomu Mizner dosiahol mnoho zaujímavých výsledkov. Najmä v roku 1969 zverejnil nový kozmologický model, ktorého názov si požičal ... od kuchynského spotrebiča, domáceho mixéra vyrábaného spol. Produkty Sunbeam! Mixmaster Universe celý čas bije v najsilnejších kŕčoch, ktoré podľa Miznera nútia svetlo cirkulovať po uzavretých dráhach, premiešavať a homogenizovať jeho obsah. Neskoršia analýza tohto modelu však ukázala, že hoci fotóny v Misnerovom svete robia dlhé cesty, ich zmiešavací efekt je veľmi malý.

Avšak Mixmaster Universe veľmi zaujímavé. Rovnako ako Friedmannov uzavretý vesmír sa vynorí z nulového objemu, roztiahne sa do určitého maxima a pod vlastnou gravitáciou sa opäť zmrští. Ale tento vývoj nie je plynulý, ako Friedmanov, ale absolútne chaotický, a preto úplne nepredvídateľný v detailoch. V mladosti tento vesmír intenzívne osciluje, rozpína ​​sa v dvoch smeroch a v treťom sa sťahuje – ako u Kasnera. Orientácie expanzií a kontrakcií však nie sú konštantné - náhodne menia miesta. Okrem toho frekvencia oscilácií závisí od času a má tendenciu k nekonečnu, keď sa blíži počiatočný okamih. Takýto vesmír prechádza chaotickými deformáciami, ako keď sa želé chveje na tanieriku. Tieto deformácie možno opäť interpretovať ako prejav gravitačných vĺn pohybujúcich sa rôznymi smermi, oveľa prudšie ako v Kasnerovom modeli.

Mixmaster Universe vstúpil do dejín kozmológie ako najkomplexnejší imaginárny vesmír vytvorený na základe „čistej“ všeobecnej teórie relativity. Od začiatku 80. rokov 20. storočia začali najzaujímavejšie koncepty tohto druhu využívať myšlienky a matematický aparát kvantovej teórie poľa a teórie elementárnych častíc a potom bez veľkého odkladu aj teóriu superstrun.

Nesnažte sa vymazať minulosť. Formuje vás dnes a pomáha vám stať sa tým, kým budete zajtra.

Ziad K. Abdelnoir

Vesmír, ešte viac ako vy a ja, je formovaný podmienkami, ktoré existovali v čase jeho zrodu. Ale akú formu to malo? Vybral som si otázku od čitateľa Toma Berryho, ktorý sa pýta:

Chápem, že vesmír má tvar sedla. Zaujímalo by ma, prečo sa v momente Veľkého tresku všetka hmota nerozletela rovnomerne vo všetkých smeroch a nedala vesmíru sférický tvar?

Začnime odstránením jedného rozmeru a povedzme si o tom, čo tvorí dvojrozmerný povrch. Pravdepodobne si predstavíte lietadlo - ako list papiera. Dá sa zrolovať do valca a hoci povrch bude samolepiaci – môžete prejsť z jednej strany na druhú, stále to bude rovný povrch.

Čo to znamená? Môžete napríklad nakresliť trojuholník a spočítať rozmery vnútorných rohov. Ak dostaneme 180 stupňov, potom je povrch rovný. Ak nakreslíte dve rovnobežné čiary, zostanú tak po celú dobu.

Ale toto je len jedna z možností.

Povrch gule je dvojrozmerný, ale nie plochý. Akákoľvek čiara sa začne zaobľovať a ak pridáte rohy trojuholníka, získate hodnotu väčšiu ako 180 stupňov. Kreslením rovnobežných čiar (čiar, ktoré začínajú ako rovnobežné) uvidíte, že sa nakoniec stretnú a pretnú. Takéto povrchy majú pozitívne zakrivenie.

Sedlová plocha na druhej strane predstavuje iný typ nerovinnej dvojrozmernej plochy. Je konkávny v jednom smere a konvexný v druhom, kolmom smere, a je to povrch s negatívnym zakrivením. Ak naň nakreslíte trojuholník, dostanete súčet uhlov menší ako 180 stupňov. Dve rovnobežné čiary sa budú rozchádzať v rôznych smeroch.

Môžete si tiež predstaviť plochý okrúhly kus papiera. Ak z neho vyrežete klin a zlepíte ho späť, získate povrch s pozitívnym zakrivením. Ak tento klin vložíte do iného podobného kusu, získate povrch negatívneho zakrivenia, ako na obrázku.

Dvojrozmerný povrch sa dá celkom ľahko znázorniť z trojrozmerného priestoru. Ale v našom trojrozmernom vesmíre sú veci o niečo komplikovanejšie.

Čo sa týka zakrivenia vesmíru, máme tri možnosti:

Pozitívne zakrivenie, ako guľa vo vyšších dimenziách
- negatívny, ako sedlo vo vyšších dimenziách
- nula (plochá) - ako trojrozmerná mriežka

Niekto by si myslel, že prítomnosť Veľkého tresku naznačuje prvú, sférickú možnosť, pretože vesmír sa zdá byť rovnaký vo všetkých smeroch - ale nie je to tak. Existuje veľmi zaujímavý dôvod, prečo je vesmír vo všetkých smeroch rovnaký – a so zakrivením to nemá nič spoločné.

Skutočnosť, že vesmír je rovnaký na všetkých miestach (homogénny) a smeroch (izotropný), dokazuje existenciu Veľkého tresku, ktorého hypotéza hovorí, že všetko začalo z horúceho a hustého homogénneho stavu, v ktorom boli splnené počiatočné podmienky a zákony príroda bola všade rovnaká.

V priebehu času malé odchýlky vedú k objaveniu sa štruktúr - hviezd, galaxií, zhlukov a veľkých dutín. Ale dôvodom homogenity vesmíru je, že všetko malo rovnaký začiatok a nie zakrivenie.

Ale môžeme zmerať veľkosť zakrivenia.

Obrázok ukazuje vzory fluktuácií zachytené v pozadí kozmického žiarenia. Fluktuačné vrcholy, najteplejšie a najchladnejšie miesta na špecifických uhlových mierkach, závisia od toho, ako vesmír funguje a z čoho sa skladá. Ak má Vesmír negatívne zakrivenie (sedlo), Vesmír má tendenciu k menšej mierke, ak je pozitívna - k väčšej.

Dôvod je rovnaký, ako sme opísali – ako sa na týchto plochách správajú rovné čiary.

Preto jednoducho potrebujeme študovať fluktuácie kozmického mikrovlnného žiarenia na pozadí a budeme môcť zmerať zakrivenie pozorovateľného vesmíru.

A čo dostaneme?

A dostaneme, že miera zakrivenia znázornená v modrých kruhoch je približne 0,5%. To naznačuje, že zakrivenie vesmíru je na nerozoznanie od roviny.

Rozšíril sa naozaj rovnomerne vo všetkých smeroch, ale to nemá nič spoločné so zakrivením. Samozrejme, na mierkach oveľa väčších, ako môžeme pozorovať, môže byť zakrivenie vesmíru nenulové. Inflačný proces, ktorý sa odohral po Veľkom tresku, exponenciálne zväčšuje každú časť vesmíru.

To znamená, že je možné, že zakrivenie vesmíru je pozitívne alebo negatívne, že vyzerá ako sedlo alebo guľa, že môže byť viazané na seba a my môžeme vyjsť z jedného konca a dostať sa na druhý. Nedá sa to vylúčiť – ale v pozorovanej časti nie. A pre nás je Vesmír na nerozoznanie od plochého. Ale, ako je znázornené na obrázku v časti D, môžete predpokladať, že váš priestor je plochý, ale vesmír nemusí byť plochý. Toto je záver z informácií, ktoré máme.

Predstavte si veľmi veľkú loptu. Hoci sa „zvonku“ javí ako trojrozmerný, jeho povrch – guľa – je dvojrozmerný, pretože na gule sú len dva nezávislé smery pohybu. Ak by ste boli veľmi malí a žili na povrchu tejto gule, mohli by ste dobre predpokladať, že vôbec nežijete na guli, ale na veľkej plochej dvojrozmernej ploche. Ak by ste však zároveň presne merali vzdialenosti na gule, pochopili by ste, že nežijete na rovnom povrchu, ale na povrchu veľkej gule ( približne. prekl. Pravdepodobne je lepšie nakresliť analógiu s povrchom zemegule).
Myšlienka zakrivenia povrchu gule sa dá aplikovať na celý vesmír. Toto bol obrovský prelom Einsteinova všeobecná teória relativity. Priestor a čas sa spojili do jedného geometrického celku tzv vesmírny čas, a tento časopriestor mal geometria, to môže byť skrútené, rovnako ako je zakrivený povrch obrovskej gule.
Keď sa pozriete na povrch veľkej gule ako na jednu vec, cítite celý priestor gule ako celok. Matematici milujú povrch gule, takže táto definícia opisuje celú guľu, nielen jej časť. Jedným z kľúčových aspektov opisu geometrie časopriestoru je, že musíme opísať celý priestor a celý čas v jeho celistvosti. To znamená, že je potrebné popísať „všetko“ a „vždy“ „v jednej fľaši“. Časopriestorová geometria je geometria celého priestoru a času spolu ako jedna matematická jednotka.

Čo určuje geometriu časopriestoru?

Fyzici v podstate pracujú nasledujúcim spôsobom – hľadajú pohybové rovnice, ktorých riešenia najlepšie vystihujú systém, ktorý chcú fyzici opísať. Einsteinova rovnica predstavuje klasická pohybová rovnica časopriestoru. Je to klasické, pretože kvantové efekty neboli brané do úvahy pri jeho získaní. A tak sa geometria časopriestoru považuje za výlučne klasický koncept bez akýchkoľvek kvantových neistôt. Preto je to najlepšie priblíženie k presnej teórii.
Podľa Einsteinových rovníc zakrivenie časopriestoru v danom smere priamo súvisí s energiou a hybnosťou všetkého v celom časopriestore, ktorý nie je časopriestorom. Inými slovami, Einsteinove rovnice spájajú gravitáciu s negravitáciou a geometriu s negeometriou. Zakrivenie je gravitácia a všetko ostatné sú elektróny a kvarky, z ktorých sa skladajú atómy, ktoré sa skladajú z hmoty, elektromagnetického žiarenia, každá častica – nositeľ interakcie (okrem gravitácie) – „žije“ v zakrivenom priestore – čas a zároveň určuje toto zakrivenie podľa Einsteinových rovníc.

Aká je geometria nášho časopriestoru?

Ako bolo práve uvedené, úplný popis daného časopriestoru zahŕňa nielen všetok priestor, ale tiež celý čas. Inými slovami, časopriestor zahŕňa všetky udalosti, ktoré sa kedy stali a stanú.
Pravda, teraz, ak budeme v takejto koncepcii príliš doslovní, môžeme naraziť na problémy, pretože nedokážeme brať do úvahy všetky najmenšie zmeny v rozložení energie a hustoty hybnosti vo Vesmíre, ktoré sa práve udiali a ešte len v r. vesmír. Ale, našťastie, ľudská myseľ dokáže operovať s pojmami ako napr abstrakcie a aproximácia, takže môžeme zostaviť abstraktný model, ktorý zhruba popisuje pozorovateľný vesmír celkom dobre vo veľkých mierkach, povedzme, v mierkach kôp galaxií.
Ale na riešenie rovníc to nestačí. Je tiež potrebné urobiť určité zjednodušujúce predpoklady o zakrivení časopriestoru. Prvý predpoklad, ktorý robíme, je taký časopriestor možno úhľadne rozdeliť na priestor a čas. To však nie je vždy možné, napríklad v niektorých prípadoch točenia čiernych dier sa priestor a čas „točia“ dokopy, a preto ich nemožno úhľadne oddeliť. Nič však nenasvedčuje tomu, že by sa náš vesmír mohol takto otáčať. Môžeme teda dobre predpokladať, že časopriestor možno opísať ako priestor, ktorý sa časom mení.
Ďalším dôležitým predpokladom, ktorý vyplýva z teórie veľkého tresku, je to priestor vyzerá rovnako v akomkoľvek smere v akomkoľvek bode. Vlastnosť vyzerať rovnako v akomkoľvek smere sa nazýva izotropia a vyzerať rovnako v akomkoľvek bode sa nazýva uniformita. Teda predpokladáme, že náš priestor homogénne a izotropné. Kozmológovia nazývajú tento predpoklad maximálna symetria. Predpokladá sa, že ide o dostatočne rozumný predpoklad vo veľkom meradle.
Pri riešení Einsteinových rovníc pre geometriu časopriestoru nášho vesmíru kozmológovia zvažujú tri hlavné typy energie, ktoré môžu deformovať časopriestor a robia to:
1. energia vákua
2. žiarenie
3. obyčajná záležitosť
Žiarenie a bežná hmota sa považujú za homogénny plyn napĺňajúci vesmír, pričom určitá stavová rovnica súvisí s tlakom a hustotou.
Po vykonaní predpokladov o homogenite zdrojov energie a maximálnej symetrii je možné Einsteinove rovnice zredukovať na dve diferenciálne rovnice, ktoré sa dajú ľahko vyriešiť pomocou najjednoduchších metód výpočtu. Z riešení dostaneme dve veci: geometria priestoru a potom ako sa časom menia rozmery priestoru.

Otvorené, zatvorené alebo ploché?

Ak v každom okamihu priestor v každom bode vyzerá rovnako vo všetkých smeroch, potom taký priestor musí mať konštantné zakrivenie. Ak sa zakrivenie zmení z bodu do bodu, potom priestor bude vyzerať inak z rôznych bodov a v rôznych smeroch. Ak je teda priestor maximálne symetrický, tak zakrivenie vo všetkých bodoch musí byť rovnaké.
Táto požiadavka trochu zužuje možné geometrie na tri: priestor s konštantným pozitívnym, negatívnym a nulovým zakrivením (plochý). V prípade, že neexistuje energia vákua (lambda termín), je tam len obyčajná hmota a žiarenie, zakrivenie okrem všetkého dáva odpoveď aj na otázku doby evolúcie:
pozitívne zakrivenie: N-rozmerný priestor s konštantným kladným zakrivením je N-rozmerná guľa. Kozmologický model, v ktorom má priestor konštantné kladné zakrivenie, sa nazýva tzv ZATVORENÉ kozmologický model. V takomto modeli sa priestor zväčšuje z nulového objemu v čase Veľkého tresku, potom v určitom časovom bode dosiahne svoj maximálny objem a začne sa zmenšovať až do „Veľkého Crunch“.
Nulové zakrivenie: Priestor s nulovým zakrivením sa nazýva plochý priestor. Takýto plochý priestor je nekompaktný, nekonečne sa rozprestiera do všetkých smerov, len tak predĺžený OTVORENÉ priestor. Takýto vesmír sa v čase nekonečne rozpína.
Negatívne zakrivenie: N-rozmerný priestor s konštantným negatívnym zakrivením je N-rozmerná pseudosféra. Jediná vec, s ktorou možno takýto unikátny svet viac-menej porovnať, je hyperboloid, čo je dvojrozmerná hypersféra. Priestor so záporným zakrivením má nekonečný objem. V priestore s negatívnym zakrivením, OTVORENÉ Vesmír. Rovnako ako plochý sa v čase nekonečne rozširuje.
Čo určuje, či bude vesmír otvorený alebo zatvorený? Pre uzavretý Vesmír musí byť celková hustota energie väčšia ako hustota energie zodpovedajúca plochému Vesmíru, ktorý je tzv kritická hustota. Nechaj . Potom v uzavretom vesmíre w je väčšie ako 1, v plochom vesmíre w=1 a v otvorený vesmír w je menšie ako 1.
Všetko uvedené platí iba v prípade, keď sa berú do úvahy iba bežné druhy hmoty - prašné a radiačné a zanedbané vákuová energia, ktorý môže byť prítomný. Hustota energie vákua je konštantná, tiež tzv kozmologická konštanta.

Odkiaľ pochádza temná hmota?

Vo vesmíre je veľa vecí, ako sú hviezdy alebo horúci plyn alebo čokoľvek, čo vyžaruje viditeľné svetlo alebo žiarenie na iných vlnových dĺžkach. A to všetko je možné vidieť buď očami, alebo pomocou ďalekohľadov, alebo pomocou nejakých zložitých prístrojov. To však nie je všetko, čo sa v našom vesmíre nachádza – za posledné dve desaťročia astronómovia našli dôkazy, že vo vesmíre je množstvo neviditeľnej hmoty.
Napríklad sa ukázalo, že viditeľná hmota vo forme hviezd a medzihviezdneho plynu nestačí na to, aby udržala galaxie gravitačne viazané. Odhady toho, koľko hmoty skutočne potrebuje priemerná galaxia, aby sa nerozletela, viedli fyzikov a astronómov k záveru, že väčšina hmoty vo vesmíre je neviditeľná. Táto látka je tzv temná hmota a je to veľmi dôležité pre kozmológiu.
Keďže vo vesmíre existuje temná hmota, čo to môže byť? Z čoho sa dá vyrobiť? Ak by pozostával z kvarkov, ako je bežná hmota, potom by sa v ranom vesmíre malo produkovať oveľa viac hélia a deutéria, ako je teraz v našom vesmíre. Časticoví fyzici zastávajú názor, že temná hmota pozostáva z supersymetrické častice, ktoré sú veľmi ťažké, ale veľmi slabo interagujú s obyčajnými časticami, ktoré sú teraz pozorované na urýchľovačoch.
Viditeľnej hmoty vo vesmíre je teda oveľa menej, ako je potrebné aj pre plochý vesmír. Preto, ak vo Vesmíre nie je nič iné, potom musí byť otvorený. Existuje však dostatok temnej hmoty na „uzavretie“ vesmíru? Inými slovami, ak w B je hustota bežnej hmoty a w D je hustota tmavej hmoty, potom platí vzťah w B + w D = 1? Štúdium pohybov v kopách galaxií naznačuje, že celková hustota je asi 30% kritickej, zatiaľ čo viditeľná hmota je asi 5% a tmavá hmota 25%.
Ale to nie je koniec – vo Vesmíre máme ešte jeden zdroj energie – kozmologickú konštantu.

A čo kozmologická konštanta?

Einsteinovi sa nepáčili výsledky jeho vlastnej práce. Podľa jeho pohybových rovníc sa vesmír naplnený obyčajnou hmotou musí rozpínať. Ale Einstein chcel teóriu, v ktorej by vesmír zostal vždy rovnako veľký. A aby to urobil, pridal do rovnice termín, ktorý je dnes známy ako kozmologický termín, ktorá po pripočítaní k energetickej hustote bežnej hmoty a žiarenia zabránila vesmíru, aby sa niekedy rozpínal a nikdy nezmršťoval, no zostal navždy rovnaký.
Keď však Hubble zistil, že náš vesmír sa rozpína, Einsteinov kozmologický termín bol zabudnutý a „opustený“. Záujem o ňu však po čase prebudili relativistické kvantové teórie, v ktorých sa kozmologická konštanta objavuje dynamicky prirodzeným spôsobom z kvantových oscilácií virtuálnych častíc a antičastíc. Toto sa nazýva hladina kvantovej nulovej energie a je to veľmi možný kandidát vákuová energia vesmírny čas. Kvantová teória má však svoje „problémy“ – ako túto energiu vákua nezväčšiť, a to je jeden z dôvodov, prečo fyzici skúmajú supersymetrické teórie.
Kozmologická konštanta môže buď urýchliť alebo spomaliť expanziu vesmíru, v závislosti od toho, či je pozitívna alebo negatívna. A keď sa k časopriestoru okrem bežnej hmoty a žiarenia pripočíta aj kozmologická konštanta, obraz sa stane oveľa mätúcim ako najjednoduchšie prípady otvoreného alebo uzavretého vesmíru opísané vyššie.

No, aká je odpoveď?

Takmer okamžite po Veľkom tresku, éra radiačnej dominancie, ktorá trvala prvých desať až stotisíc rokov vývoja nášho Vesmíru. Teraz sú dominantnými formami hmoty obyčajná hmota a energia vákua. Podľa nedávnych pozorovaní astronómov,
1. Náš vesmír je plochý s dobrou presnosťou: Kozmické mikrovlnné žiarenie na pozadí je pozostatkom z čias, keď bol vesmír horúci a naplnený horúcim fotónovým plynom. Odvtedy však vplyvom rozpínania Vesmíru tieto fotóny ochladli a teraz je ich teplota 2,73 K. Toto žiarenie je však mierne nehomogénne, ich uhlová veľkosť nehomogenít, viditeľných z našej aktuálnej polohy, závisí od priestorového zakrivenie vesmíru. Takže pozorovania anizotropie kozmického mikrovlnného pozadia naznačujú práve to naše Vesmír je plochý.
2. Vo vesmíre existuje kozmologická konštanta: Vo vesmíre je energia vákua, alebo aspoň niečo, čo pôsobí ako energia vákua, čo spôsobuje, že sa vesmír rýchlo rozpína. Údaje o červených posunoch vzdialených supernov sú dôkazom zrýchleného rozpínania vesmíru.
3. Väčšina hmoty vo vesmíre je vo forme temnej hmoty: Štúdium pohybu galaxií vedie k záveru, že obyčajná hmota v podobe hviezd, galaxií, planét a medzihviezdneho plynu je len malým zlomkom všetkej hmoty vo vesmíre.
Od súčasnej doby


Takže teraz vo vesmíre je hustota energie vákua viac ako dvojnásobok hustoty energie tmavej hmoty a príspevok baryonickej viditeľnej hmoty možno jednoducho zanedbať. Náš plochý vesmír by sa teda mal navždy rozpínať.

<< Aký starý je náš vesmír? | Obsah | Prehliadka histórie vesmíru >>