С тремя пространственными измерениями возможности огромны. Но только один ответ соответствует тому, что мы видим.
“Никогда не стирайте свое прошлое. Это формирует то, кем вы являетесь сегодня, и поможет вам стать тем, кем вы станете завтра». - Зиад К. Абдельнур
Даже в большей степени, чем мы, Вселенная формируется условиями, в которых она родилась. Каждый переход, взаимодействие и компонент позволили ему стать таким, каким мы его наблюдаем сегодня. Но что это за форма? После тщательного изучения ваших вопросов и предложений сегодняшняя статья «Спросите Итана» была выбрана читателем Томом Берри, который спрашивает:
Насколько я понимаю, Вселенная имеет седловидную форму. Мой вопрос: почему во время Большого взрыва все не расширилось во всех направлениях одинаково, создав вселенную сферической формы?
Давайте начнем с того, что уберем измерение и поговорим о том, какие формы может иметь двумерная поверхность - или воображаемая Вселенная - .
Когда вы думаете о двухмерной поверхности, вы, вероятно, думаете о плоскости: что-то вроде плоского листа бумаги. Вы можете представить, как сворачиваете его в цилиндр, и хотя это может сделать его более связной поверхностью - в том смысле, что вы можете "выйти" с одной стороны и "вновь войти" с другой - но даже если мы это сделаем, это все равно плоская поверхность.
Откуда вы знаете, что он плоский? Один из способов - нарисовать треугольник и сложить углы трех углов внутри. Если в сумме они составляют 180 градусов, вы получаете плоскую поверхность. Кроме того, если вы нарисуете две параллельные линии, они останутся параллельными, насколько вы сможете их провести.
Конечно, «плоская» - не единственный вариант кривизны поверхности.
Поверхность сферы тоже двухмерна, но не плоская. Любая точка, на которую вы смотрите, изгибается «вниз» с обеих сторон, если вы двигаетесь в одном направлении, а также «вниз» с обеих сторон, если вы двигаетесь в направлении, перпендикулярном первому. Если вы сложите углы внутри этого треугольника, вы получите число больше 180 градусов. И если вы начертите две параллельные линии (или, вернее, линии, которые начинались параллельно), вы обнаружите, что они точно так же, как линии долготы на земном шаре, в конце концов всегда пересекаются и пересекаются в двух местах. (Линии широты, кстати, на самом деле не являются прямыми линиями, за исключением экватора.) Этот тип поверхности известен как поверхность с положительной кривизной.
Поверхность седла, с другой стороны, представляет собой другой вид неплоской двумерной поверхности. Она изогнута «вниз» в одном направлении (где вы кладете ноги вокруг седла), но «вверх» в перпендикулярном направлении (вдоль позвоночника лошади), что делает ее отрицательно изогнутой поверхностью. Если вы нарисуете треугольник с тремя прямыми линиями на такой поверхности, сумма углов составит менее 180 градусов. И если вы начертите две изначально параллельные линии, вы обнаружите, что они расходятся в обоих направлениях и в конечном итоге будут отдаляться друг от друга все дальше и дальше.
Еще один способ визуализировать это - представить себе плоский круглый лист бумаги. Если вы вырежете клин из этой бумаги и снова соедините края вместе, вы создадите положительно изогнутую поверхность из плоской. Если вы затем вырежете «срез» в новый круг и вставите этот клин, вы получите какую-то отрицательно изогнутую поверхность, подобную той, что показана выше.
Но это только в двух измерениях: такую поверхность легко представить с трехмерной точки зрения. Но наша трехмерная Вселенная гораздо сложнее.
Когда дело доходит до кривизны Вселенной, остаются три основные возможности:
- положительная кривизна, похожая на многомерную сферу,
- отрицательная кривизна, похожая на многомерное седло,
- или нулевая (плоская) кривизна, похожая на трехмерную сетку.
Вы можете подумать, что Большой взрыв предпочел бы «сферический» ответ, поскольку совершенно ясно, что Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях, но это оказывается отвлекающим маневром. Есть веская причина, по которой Вселенная выглядит одинаково во всех направлениях, и это не имеет ничего общего с кривизной.
Вселенная, выглядящая одинаково в любом месте (однородная) и во всех направлениях (изотропная), является доказательством в пользу Большого Взрыва, который предсказывает, что вся Вселенная все, что мы можем наблюдать - началось с горячего, плотного, однородного состояния, где все законы и начальные условия были везде одинаковы.
Со временем крошечные несовершенства или отклонения от единообразия порождают структуру: звезды, галактики и скопления, а также большие космические пустоты. Но причина, по которой она выглядит одинаково во всех этих направлениях и местах, заключается в том, что все во Вселенной имело общее происхождение, а не из-за кривизны.
Но есть способ измерить, какова эта кривизна на самом деле.
Вы посмотрите на узоры флуктуаций, отпечатанные на космическом микроволновом фоне! Основываясь на том, как работает наша Вселенная и из чего она состоит, эти флуктуации должны иметь свои «пики» - или самые горячие горячие точки и самые холодные холодные точки - в очень определенных угловых масштабах. Если ваша Вселенная имеет отрицательную (седлоподобную) кривизну, эта шкала будет немного меньше. Если ваша Вселенная имеет положительную (сфероподобную) кривизну, эта шкала становится больше.
Причина этого та же самая, о которой мы говорили ранее: то, как прямые линии изгибаются вдоль каждого из этих трех типов поверхностей. То, что верно в двух измерениях, даже количественно, в данном случае остается верным и в трех измерениях.
Итак, все, что нам нужно сделать, это наблюдать флуктуации космического микроволнового фона, и мы можем напрямую измерить кривизну (наблюдаемой) Вселенной!
Что мы находим, когда делаем именно это?
Мы обнаруживаем - достаточно убедительно - что величина кривизны, показанная выше в синих кружках, составляет самое большее около 0,5%, то есть кривизна Вселенной неотличима от плоской.
Он расширялся во всех направлениях одинаково, но плоскостность тут ни при чем. Конечно, в масштабах намного, намного больших, чем мы наблюдаем, Вселенная все еще может быть искривленной. Помните, что то, что было до Большого Взрыва, было периодом космологической инфляции, когда любая область Вселенной, начавшая раздуваться, экспоненциально растягивается до смехотворно больших размеров, чем ее первоначальный размер.
Это может означать, что Вселенная на самом деле имеет положительную или отрицательную кривизну, что она сфероподобна или седлообразна, или, возможно, что она «связана» в том смысле, что мы можем оставить один конец и снова введите другой. Мы не можем этого исключить, но мы можем исходить только из того, что можем наблюдать. И из того, что мы видим, Вселенная кажется неотличимой от плоской. Но так же, как если бы вы могли видеть только то, что изображено на нижней правой панели (D) выше, вы бы пришли к выводу, что ваше «пространство» плоское, и Вселенная на самом деле может быть не такой. Это просто так, в пределах доступной нам информации.
И это, Том (и все остальные), то, что мы знаем о форме Вселенной. Спасибо за отличный вопрос, и если у вас есть идея для следующей колонки «Спросите Итана», присылайте ее сюда. Увидимся на следующей неделе за новыми чудесами и радостями Вселенной!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs.