Века назад люди поднимали взгляд на ночное небо и воображали, что черный шар окружал Землю. Они считали, что звезды — это всего лишь точки света. Солнце, Луна и другие планеты вращались вокруг Земли в регулярной, идеальной дисциплине. В их представлениях вселенная была маленькой, центрированной на Земле и организованной в идеальные сферы.
Ученые Коперник и Галилей обнаружили недостатки в этой философии
Прошло более столетия после открытий Галилея, прежде чем мир признал, что Земля не является центром вселенной. С течением времени мы начали узнавать больше о вселенной. Сегодня мы изучаем космос с помощью современных телескопов, спутников и зондов.
Теперь у нас есть изображения галактик, находящихся в миллионах световых лет от Земли. Ученые регулярно изучают далекие звезды. Они даже обнаружили планеты в солнечных системах, находящихся далеко за пределами нашей собственной.
Но что насчет общей картины?
Что мы знаем о вселенной в целом? Она расширяется? Она бесконечна? Если она не бесконечна, то что находится за границей космоса? И каким именно является пространство?
Эти вопросы относятся к космологии, науке, изучающей вселенную. Люди пробовали множество разных подходов к изучению вселенной. Некоторые сосредотачивались на математике. Другие предпочитали использовать физику. И немало тех, кто подходил к этому философски.
Среди космологов нет консенсуса относительно того, каким является пространство, но есть много теорий
Часть сложности в описании пространства заключается в том, что его очень трудно визуализировать. Мы привыкли думать о местоположениях в двух измерениях. Например, вы можете определить свое местоположение на карте, используя долготу и широту. Но пространство имеет четыре измерения. Необходимо добавить глубину к измерениям длины и ширины, а также время. Фактически многие космологи называют эту коллекцию измерений пространством-временем.
Какие существуют основные теории, которые могут помочь нам определить форму пространства?
Большой взрыв, гравитация и общая теория относительности Эйнштейна
Три теории, играющие важную роль в понимании формы вселенной, — это теория большого взрыва, теория гравитации и теория общей теории относительности Эйнштейна. Космологи учитывают все эти теории, формулируя гипотезы о форме пространства. Но что именно пытаются объяснить эти теории?
Теория большого взрыва — это попытка описать начало вселенной
Путем наблюдения и анализа астрономы определили, что вселенная расширяется. Они также обнаружили и изучали свет, который возник миллиарды лет назад, когда вселенная была очень молода. Они теоретизировали, что когда-то весь материал и энергия во вселенной находились в невероятно маленькой точке. Затем вселенная внезапно расширилась. Материя и энергия взорвались на миллионы световых лет каждую долю секунды. Из этого стали строительными блоками для вселенной, какой мы знаем ее сегодня.
Теория гравитации утверждает, что каждая частица материи притягивает другую частицу материи
Конкретно, частицы будут притягивать друг друга с силой, пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Уравнение выглядит так:
F = GMm/r2.
F — сила гравитационного влечения. M и m представляют массы двух объектов вопроса. r2 — расстояние между двумя объектами в квадрате. Итак, что такое G? Это гравитационная постоянная. Она представляет собой постоянную пропорциональность между любыми двумя объектами, независимо от их масс. Гравитационная постоянная составляет 6,672×10^-11 Н м2 кг^-2. Это очень маленькое число, и это объясняет, почему объекты не прилипают друг к другу все время. Для того чтобы объекты имели более чем ничтожное гравитационное воздействие друг на друга, требуются объекты большой массы.
Если теория большого взрыва верна, то когда вселенная началась, должен был произойти огромный всплеск энергии, чтобы толкнуть материю так далеко и так быстро
Этот взрыв должен был преодолеть гравитационное влечение всей материи во вселенной. То, что сейчас пытаются определить космологи, — это сколько на самом деле материи находится во вселенной. При достаточном количестве материи гравитационное влечение постепенно замедлит, а затем изменит расширение вселенной. В конечном итоге вселенная может сжаться в другую сингулярность. Это называется большим сжатием. Но если материи недостаточно, то гравитационное влечение не будет достаточно сильным, чтобы остановить расширение вселенной, и она будет бесконечно расширяться.
А что насчет теории относительности?
Помимо объяснения отношения между энергией и материей, она также приводит к выводу, что пространство само по себе изогнуто. Объекты в пространстве двигаются по эллиптическим орбитам не из-за гравитации, а потому что само пространство изогнуто, и, следовательно, прямая линия на самом деле является петлей. В геометрии прямая линия на изогнутой поверхности называется геодезической.
Вышеописанные три теории составляют основу различных теорий о том, какова на самом деле форма пространства. Но нет точного согласия относительно того, какая форма является правильной.
Формы пространства
Три основные модели вселенной основаны на кривизне: нулевая кривизна, положительная кривизна и отрицательная кривизна.
Нулевая кривизна означает, что вселенная представляет собой плоскую или евклидову вселенную (геометрия Евклида занимается некривыми поверхностями)
Представьте себе пространство как двумерную структуру — евклидова вселенная будет выглядеть как плоская плоскость. Параллельные линии возможны только на плоской плоскости. В плоской вселенной есть ровно столько материи, чтобы вселенная бесконечно расширялась без обратного коллапса, хотя скорость расширения уменьшается со временем.
Если у вселенной положительная кривизна, то это закрытая вселенная
Двумерная модель такой вселенной будет напоминать сферу. Невозможно иметь параллельные геодезические линии (прямые линии на изогнутой поверхности) — две линии пересекутся в какой-то момент. В закрытой вселенной есть достаточно материи для обратного расширения. В конечном итоге такая вселенная сожмется сама в себя. Закрытая вселенная — это конечная вселенная, она будет расширяться только до определенного размера, прежде чем схлопнется.
Отрицательную кривизну немного сложнее представить
Самое распространенное описание — это седло. В моделях с отрицательной кривизной две линии, которые были бы параллельными на плоской плоскости, будут удаляться друг от друга. Космологи называют модели вселенных с отрицательной кривизной открытыми вселенными. В таких вселенных нет достаточно материи, чтобы обратить или замедлить расширение, и поэтому вселенная продолжает расширяться бесконечно.
Означает ли это, что пространство имеет форму плоской плоскости, сферы или седла?
Не обязательно. Помните, что пространство-время измеряется в четырех измерениях, что снижает полезность двумерных примеров. К тому же существует много конкурирующих теорий о том, какова на самом деле форма вселенной.
Одной из возможных форм является тройной тор
На первый взгляд тройной тор похож на обычный куб. Но каждая сторона куба приклеена к противоположной стороне. Представьте себе, что вы находитесь в космическом корабле, который летит внутри большого куба. Вы направляетесь к вершине куба. Вы бы не раздавили себя, как только соприкоснулись. Вместо этого вы появились бы в соответствующем месте у основания куба. Другими словами, вы поднялись через верх и вернулись через низ. Если бы вы двигались достаточно далеко в любом направлении, вы бы в конечном итоге вернулись бы туда, откуда начали.
Это не такая уж и незнакомая концепция, так как на Земле, если вы движетесь по прямой линии, вы в конечном итоге вернетесь в свою начальную точку. Только вы будете очень уставшими.
Другой формой является сферическая форма Пуанкаре-додекаэдра
Додекаэдр — это объект с 12 гранями. Вариация Пуанкаре имеет поверхности, слегка изогнутые вовне. Загадочно то, что проектируемый размер этой вселенной меньше, чем область, которую мы фактически можем наблюдать. Другими словами, наша видимость превышает границы вселенной. Но это не проблема, считают космологи. Когда вы смотрите на далекую галактику, которая, кажется, находится за пределами границ пространства, вы на самом деле испытываете эффект обертывания. Эта галактика на самом деле находится за вами, но вы смотрите через одну из граней додекаэдра, как будто бы это окно. Если бы вы могли видеть достаточно далеко, вы бы смотрели на заднюю сторону своей головы.
Уже почувствовали головокружение?
Есть еще много других теоретических форм, которые может принимать вселенная, но большинство из них не соответствуют имеющимся у нас доказательствам. Какие же это доказательства, и как мы их собираем?
Как измерить пространство
Оптические телескопы позволяют нам исследовать объекты в пределах видимого спектра света, но они относительно слабые инструменты. Это потому, что свет от далеких галактик может перехватывать облака частиц и другие объекты, прежде чем достигнет Земли. Другие устройства могут измерять длины волн, которые лежат далеко за пределами видимого спектра. Многие недавние исследования в космологии сосредотачиваются на космическом микроволновом фоне (КМФ). КМФ — это излучение, которое вселенная генерировала, когда ей было всего 380 000 лет. Изучая это излучение, космологи могут делать выводы о том, какой была вселенная вскоре после своего начала.
Используя обнаружитель микроволновой анизотропии Уилкинсона (WMAP), ученые сделали интересное открытие относительно КМФ. Они обнаружили, что вариация длин волн излучения КМФ останавливается на определенном уровне. В бесконечной и неограниченной вселенной не было бы ограничения размеров волн. Мы ожидали бы видеть изменение и частоты на всех размерах. Это возможно только в конечной вселенной или очень специализированной бесконечной.
