В древности люди считали, что Земля плоская, однако время показало, что они ошибались. Сейчас мы можем также обманываться насчет формы Вселенной. Общая теория относительности имеет дело с четырехмерным пространством, где в качестве четвертой координаты представлено время, и, согласно этой теории, любое массивное тело искривляет это пространство, а вся масса Вселенной превращает его плоскость в сферу. Но это плоскость в четырехмерном пространстве, а какую форму примет само это пространство, было до сих пор неизвестно. Большинство склонялось к тому, что оно имеет форму тора.
Григор Асланян (Grigor Aslanyan), космолог из Калифорнийского университета, считает, что это не совсем тор. Форма Вселенной, говорит он, зависит от протяженности ее координат. Она может быть конечна по всем трем пространственным измерениям; может иметь два конечных измерения и одно бесконечное; также может иметь два бесконечных измерения и одно конечное - три бесконечных измерения Асланян воспринимать не хотел. И в каждом из этих трех вариантов пространство будет иметь свою особую четырехмерную форму. И, что самое главное, Асланян знает, как проверить, какой вариант принят в нашей Вселенной. Он попытался это узнать, сравнивая свои расчеты с данными, полученными космическим зондом WMAP, исследующим распределение реликтового излучения в небосводе.
Правда, тут возникла проблема - Асланян быстро понял, что расчеты такой сложности обычному компьютеру не под силу. Тогда он обратился к помощи ГРИД - системы распределенных вычислений, охватывающей через подобие интернета множество компьютеров. Сами расчеты было легко распараллелить и 500 тысяч часов, необходимых для получения результата, превратились во вполне приемлемое время.
Результат подтвердил ожидания - вариант трех бесконечных измерений он отверг. Получилось интересное - пространство имеет форму вытянутого тора, грубо говоря, баранки, вытянутой в том самом направлении, в котором направлена недавно обнаруженная астрофизиками "ось зла" - направление в небе, где значения реликтового излучения отличаются от значений в других направлениях. Более точно узнать форму Вселенной Асланян надеется, получив в этом году данные от другого спутника под названием "Планк".
Комментарии (10):
"Общая теория относительности имеет дело с четырехмерным пространством, где в качестве четвертой координаты представлено время"
Речь идёт про 4-е пространственные координаты.
Время же координата не пространственная, а эволюционная.
В этом то и заключёны основные некорректности в выводах теории относительности.
Они (эти выводы) поразумевают обращение с направлением времени, как с обычным вектором.
Но время не есть пространственный вектор... Время мера эволюции процессов, скаляр.
И именно поэтому оно необратимо!
Начнем с бублика. Нет никакого бублика. Ноги же у этого образа растут из того факта, что наша Вселенная имеет хоть и очень большой, но все же конечный объем, но при этом не имеет границ. Представить это довольно просто на двухмерном примере: в некоторых простых компьютерных играх объект, уходящий за правую границу игрового поля, появляется слева, а ушедший вниз – сверху. Еще более наглядный пример – трехмерный – можно узреть, если на любом из уровней игры "Quake" (во всяком случае, первой или второй игры серии; может, и других подобных 3D-шутеров, я просто не пробовал) воспользоваться одновременно читами, позволяющими проходить сквозь стены и летать, и прямиком двинуться в любую сторону: камера быстро выйдет за пределы локации, ваш виртуальный герой какое-то время будет лететь в черной пустоте, а потом перед ним появится оставшееся вроде бы сзади скопление коридоров и комнат, и герой вернется в ту же точку, откуда начал, но с противоположной стороны, как будто обошел вокруг земного шара – хотя летел-то он по прямой. Двигаться можно в любую сторону бесконечно долго – границ нет, но за пределы уровня не выйти, и ни в какое "другое пространство" не прилетишь – объем конечен и замкнут. Вот такова же и реальная Вселенная, только попросторнее.
В общей теории относительности принимается, что физическое пространство является неевклидовым, наличие материи искривляет его; кривизна зависит от плотности и движения вещества.
Оказывается, что то критическое значение плотности, от которого зависит будущее Вселенной (неограниченный разлет или остановка и сжатие), является критическим и для пространственной структуры Вселенной как целого.
Наши представления о пространстве зависят от соотношения между $\rho$ и $\rho_{cr}$
Суть подхода следующая.
Мы видим красное смещение от далеких галактик и делаем вывод, что свет от них идет из пространства большей кривизны чем у нас, это заставляет задуматься над топологией Вселенной, то есть мы ищем топологию, наблюдая картинку красного смещения и напрочь отказываясь от идеи расширения пространства Вселенной, как заведомо избыточной, нарушающей принцип Оккама
Итак, возможный вариант пространства Вселенной - гиперТор
1. Представим себе сферу (А) внутри сферы большего радиуса (B) и склеим обе сферы.
Свет, двигаясь от малой сферы, достигает поверхности большой и тут же оказывается выходящим из поверхности малой. Малая сфера внутри большой, а большая внутри малой.
2. Это же можно представить еще вот так (с некоторой натяжкой, для единственного луча света)
Пусть есть две сферы равного диаметра, свет идет от одной сферы доходит до другой и тут же выходит из первой, пока свет шел до середины сфер он краснел, а потом начал синеть, для света кажется, что это разные сферы, но это одна и таже сфера. Сферы как бы гравитируют (это подпорка, чтобы представить гиперТор с переменной кривизной)
Большинство моделей исходят из того, что (3+1) пространство это данность с момента БВ. На этом постулате и строятся модели. Шар, заполненный пузырями-зародышами будущих вселенных (Александр Кашинский), тонкостенный пузырь в виде додекаэдра (Джеффи Уиксоном), тор на подобии пончика или бублика (Франк Шнайдер). Я думаю, что размерность надо рассматривать как переменную величину, при этом каждой размерности соответствует своя вселенная.. Эволюция на мой взгляд прошла следующие этапы: (0+1), (1+1), (2+1), (3+1) и возможно более. Они вложены друг в друга. Например, вселенная (2+1) существует и развивается на той же временной координате, что и (3+1). Проверить такое предположение сложно - так как попасть из вселенной одной размерности в другую маловероятно или даже более категорично- невозможно.
Для вывода формул можно пользоваться окружением "$$" и \TeX разметкой.
> Какая форма у Вселенной?
В какой форме существует Вселенная : исследование бесконечного пространства, карта реликтового излучения WMAP, геометрия Вселенной и предполагаемые формы с фото.
Стоит ли вообще размышлять над тем, какой формы Вселенная? С чем мы имеем дело? Сфера? Конус? Плоская? И как это определить?
Вселенная - это единственное место, в котором мы существуем и за пределы которого не вырваться (потому что их нет). Благодаря физическим законам, природным постоянным и извергающимся тяжелым металлам, нам удалось создать жизнь на небольшом скалистом шаре, затерянном в одной из множества галактик.
Но разве вам не хочется узнать, где вы живете? Просто получить возможность посмотреть на все со стороны, как мы сделали это с родной планетой Землей. Чтобы вы увидели? Бесконечная темнота? Множество пузырьков? Снежный шар? Крысиный лабиринт в руках инопланетян или что-то еще? Какая форма у Вселенной?
Что же, ответ намного проще, но также и страннее. О форме Вселенной начали задумываться еще в древние времена. И люди, в силу нехватки информации, предлагали довольно чудные вещи. В индуистских текстах это было яйцо в форме человека. Греки видели остров, плавающий в пустоте. Аристотель говорит, что Вселенная имеет форму бесконечной сферы или же просто черепахи.
Интересно, что вклад Альберта Эйнштейна помогает проверить каждую из этих моделей. Ученые выдвинули три любимейших формы: положительно-изогнутая, отрицательно-изогнутая и плоская. Мы понимаем, что Вселенная существует в 4-х измерениях и любая из фигур граничит с безумной геометрией Лавкрафта. Поэтому включите максимальное воображение и поехали!
При положительно-изогнутом варианте мы получаем четырехмерную сферу. У этой разновидности есть конец, но не выделяется четкая граница. Если точнее, то две частицы пересекли бы ее, прежде чем вернуться на старт. Вы можете даже протестировать это в домашних условиях. Возьмите воздушный шар и проведите прямую линию, пока она не вернется в начальную точку.
Этот вид вписывается в три измерения и появляется, если в космосе есть огромное количество энергии. Чтобы полностью изогнуться или замкнуться, пространству пришлось бы остановить расширение. Это произойдет, если появится масштабный энергетический запас, способный создать край. Современные данные показывают, что расширение – бесконечный процесс. Так что этот сценарий отпадает.
Отрицательно-изогнутая форма Вселенной – четырехмерное седло. Она открыта, лишена границ в пространстве и времени. Здесь мало энергии, поэтому Вселенная не перестанет расширяться. Если пустить две частицы по ровным линиям, то они никогда не встретятся, а просто будут расходиться, пока не уйдут в разные стороны.
Если критическое количество энергии будет колебаться между крайностями, то спустя бесконечность расширение прекратится. Это плоская Вселенная. Здесь две частицы будут путешествовать параллельно, но никогда не разойдутся и не встретятся.
Легко представить эти три формы, но есть еще множество вариантов. Футбольный мяч напоминает идею со сферической Вселенной. Пончик – технически плоская, но связанная в определенных точках. Некоторые считают, что в пользу этого варианта говорят огромные теплые и прохладные пятна. Можете рассмотреть предполагаемые формы Вселенной на фото.
И вот мы подошли к трубе. Это еще один вид отрицательного искривления. Один ее конец будет зауженный, а второй – широкий. В первой половине все казалось бы узким и существовало в двух измерениях. А в широком можно было бы путешествовать на максимальные расстояния, но возвращаться приходилось бы в обратную сторону (в изгибе меняется направление).
Тогда что? С чем мы имеем дело? Рогалик? Духовой инструмент? Гигантская сырная голова? Ученые все еще не исключили варианты с трубой и седлом.
Ворчуны будут утверждать, что все это бессмысленно и нам никогда не узнать правду. Но давайте не будем столь категоричны. Последние данные Планка показывают, что наша Вселенная… плоская! Бесконечно конечная, совершенно не изогнутая и с точным критическим количеством энергии.
Немыслимо, что мы можем не только узнать, как Вселенная выглядит, но есть и люди, которые постоянно пытаются найти еще больше информации. Если «плоская» кажется вам скучной, то не забывайте, что у нас еще нет достаточной информации. Поэтому вполне вероятно, что все мы можем существовать в гигантском пончике.
Очередную версию строения Вселенной выдвинул физик Франк Штайнер (Frank Steiner) из университета Ульма (Universität Ulm), повторно проанализировав вместе с коллегами данные, собранные космическим зондом Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), запущенным некогда для детальной съёмки реликтового излучения.
Однако не спешите говорить о краях Вселенной. Дело в том, что многогранник этот замкнут сам на себя, то есть добравшись до одной из его граней, вы просто попадёте обратно внутрь через противоположную сторону этой многомерной «петли Мёбиуса».
Из этого представления следуют любопытные выводы. Например, что полетев на какой-нибудь «сверхскоростной» ракете по прямой, можно в конце концов вернуться к точке старта, или, если взять «очень большой» телескоп, можно увидеть в разных сторонах космоса одни и те же объекты, только в силу конечности скорости света — на разных стадиях жизни.
Такие наблюдения учёные пробовали проводить, но ничего похожего на «зеркальные отражения» найдено не было. Либо потому, что неверна модель, либо потому, что не хватает «дальнобойности» современной наблюдательной астрономии. Тем не менее обсуждение формы и размера Вселенной всё продолжается.
Теперь же новые дровишки в огонь подбросили Штайнер со товарищи.
Planck весит около двух тонн. Он должен курсировать вокруг точки Лагранжа L2. Поворачиваясь вокруг оси, спутник постепенно отснимет полную карту микроволнового фона с невиданной ранее точностью и чувствительностью (иллюстрации ESA/AOES Medialab и ESA/C. Carreau).
Немецкий физик составил несколько моделей Вселенной и проверил, как в них формируются волны плотности микроволнового фона. Он утверждает, что наибольшее совпадение с наблюдающимся реликтовым излучением даёт Вселенная-пончик, и даже посчитал его диаметр. «Пончик» оказался 56 миллиардов световых лет в поперечнике.
Правда, этот тор — не вполне обычный. Учёные называют его 3-тор (3-torus). Его настоящую форму трудно представить, но исследователи объясняют, как хотя бы попытаться это сделать.
Сначала представьте, как формируется обычный «бублик». Вы берёте лист бумаги и сворачиваете его в трубку, склеивая два противоположных края. Затем вы сворачиваете трубку в тор, склеивая два её противоположных «выхода».
С 3-тором — всё тоже самое, за исключением того, что в качестве исходного ингредиента берётся не лист, а куб, а склеивать нужно не края плоскостей, а каждую пару противоположных граней. Причём склеивать таким образом, что покинув куб через одну из его граней, вы обнаружите, что опять попали внутрь через противоположную его грань.
Несколько специалистов, прокомментировавших работу Штайнера, отметили, что она не доказывает окончательно, что Вселенная — это «многомерный бублик», но лишь говорит, что данная форма — одна из наиболее вероятных. Также некоторые учёные добавляют, что додекаэдр (который часто сравнивают с футбольным мячом, хотя это и некорректно) — всё ещё остаётся «хорошим кандидатом».
Франк на это отвечает просто: окончательный выбор между формами можно будет сделать после более точных измерений реликтового излучения, нежели те, что выполнил WMAP. И такая съёмка вскоре будет проведена европейским спутником Planck , который должен стартовать 31 октября 2008 года.
«С точки зрения философии, мне нравится идея, что Вселенная конечна и в один прекрасный день мы могли бы в полной мере изучить её и узнать о ней всё. Но, поскольку вопросы физики не могут быть решены при помощи философии, я надеюсь, что на них ответит Planck», — говорит Штайнер.
Доктор физико-математических наук А. МАДЕРА.
Что общего между листом бумаги, поверхностью стола, бубликом и кружкой?
Двухмерные аналоги евклидовой, сферической и гиперболической геометрий.
Лист Мёбиуса с точкой a на его поверхности, нормалью к ней и маленькой окружностью с заданным направлением v.
Плоский лист бумаги можно склеить в цилиндр и, соединив его торцы, получить тор.
Тор с одной ручкой гомеоморфен сфере с двумя ручками - их топология одинакова.
Если вырезать эту фигуру и склеить из нее куб, станет понятно, как выглядит трехмерный тор, бесконечно повторяющий копии зеленого "червячка", сидящего в его центре.
Трехмерный тор можно склеить из куба, подобно тому, как тор двухмерный - из квадрата. Разноцветные "червячки", путешествующие внутри его, наглядно демонстрируют, какие грани куба склеены вместе.
Куб - фундаментальная область трехмерного тора - разрезан на тонкие вертикальные слои, которые при склеивании образуют кольцо, состоящее из двухмерных торов.
Если две грани исходного куба склеены с поворотом на 180 градусов, образуется 1/2 -повернутое кубическое пространство.
Поворот двух граней на 90 градусов дает 1/4- повернутое кубическое пространство. Попробуйте эти рисунки и аналогичные рисунки на стр. 88 как инверсные стереопары. "Червячки" на неповернутых гранях приобретут объем.
Если в качестве фундаментальной области взять шестигранную призму, склеить каждую ее грань с противоположной напрямую, а шестиугольные торцы с поворотом на 120 градусов, получится 1/3-повернутое шестиугольное призматическое пространство.
Поворот шестиугольной грани перед склейкой на 60 градусов дает 1/6-повернутое шестиугольное призматическое пространство.
Двойное кубическое пространство.
Пластинчатое пространство возникает, если склеить верхнюю и нижнюю стороны бесконечной пластины.
Трубчатые пространства - прямое (А) и повернутое (Б), в котором одна из поверхностей склеена с противоположной с поворотом на 180 градусов.
Карта распределения микроволнового реликтового излучения демонстрирует то распределение плотности материи, которое было 300 тысяч лет назад (показано цветом). Ее анализ позволит определить, какую топологию имеет Вселенная.
В древности люди полагали, что живут на обширной плоской поверхности, хотя и покрытой кое-где горами и впадинами. Это убеждение сохранялось на протяжении многих тысяч лет, пока Аристотель в IV веке до н. э. не заметил, что уходящее в море судно пропадает из виду не потому, что по мере удаления уменьшается до недоступных глазу размеров. Напротив, сначала исчезает корпус корабля, потом паруса и, наконец, мачты. Это привело его к заключению, что Земля должна быть круглой.
За прошедшие тысячелетия сделано множество открытий, накоплен колоссальный опыт. И тем не менее до сих пор остаются без ответа фундаментальные вопросы: конечна или бесконечна Вселенная, внутри которой мы обитаем, и какова ее форма?
Последние наблюдения астрономов и исследования математиков показывают, что форму нашей Вселенной следует искать среди восемнадцати так называемых трехмерных ориентируемых евклидовых многообразий, причем претендовать на нее могут только десять.
НАБЛЮДАЕМАЯ ВСЕЛЕННАЯЛюбые умозаключения о возможной форме нашей Вселенной должны опираться на реальные факты, полученные из астрономических наблюдений. Без этого даже самые красивые и правдоподобные гипотезы обречены на неудачу. Поэтому посмотрим, что говорят о Вселенной результаты наблюдений.
Прежде всего, заметим, что, в каком бы месте Вселенной мы ни находились, вокруг любой ее точки можно очертить сферу произвольного размера, содержащую внутри пространство Вселенной. Такое несколько искусственное построение говорит космологам, что пространство Вселенной представляет собой трехмерное многообразие (3-многообразие).
Сразу же возникает вопрос: а какое именно многообразие представляет нашу Вселенную? Математики давно установили, что их так много, что полного списка до сих пор не существует. Многолетние наблюдения показали, что Вселенная обладает рядом физических свойств, которые резко сокращают число возможных претендентов на ее форму. И одно из главных таких свойств топологии Вселенной - ее кривизна.
Согласно принятой на сегодняшний день концепции, примерно через 300 тысяч лет после Большого взрыва температура Вселенной упала до уровня, достаточного для объединения электронов и протонов в первые атомы (см. "Наука и жизнь" №№ 11, 12, 1996 г.). Когда это произошло, излучение, которое вначале рассеивалось заряженными частицами, внезапно получило возможность беспрепятственно проходить через расширяющуюся Вселенную. Это известное ныне как космическое микроволновое фоновое, или реликтовое, излучение удивительно однородно и обнаруживает только очень слабые отклонения (флуктуации) интенсивности от среднего значения (см. "Наука и жизнь" № 12, 1993 г.). Такая однородность может быть только во Вселенной, кривизна которой всюду постоянна.
Постоянство кривизны означает, что пространство Вселенной имеет одну из трех возможных геометрий: плоскую евклидову сферическую с положительной кривизной или гиперболическую с отрицательной. Эти геометрии обладают совершенно разными свойствами. Так, например, в евклидовой геометрии сумма углов треугольника равна точно 180 градусам. В сферической и гиперболической геометриях это не так. Если на сфере взять три точки и провести между ними прямые, то сумма углов между ними составит больше 180 градусов (вплоть до 360). В гиперболической же геометрии эта сумма меньше 180 градусов. Имеются и другие кардинальные отличия.
Так какую же геометрию для нашей Вселенной выбрать: евклидову, сферическую или гиперболическую?
Немецкий математик Карл Фридрих Гаусс еще в первой половине XIX столетия понимал, что реальное пространство окружающего мира может быть и неевклидовым. Проводя многолетние геодезические работы в Ганноверском королевстве, Гаусс задался целью с помощью прямых измерений исследовать геометрические свойства физического пространства. Для этого он выбрал три удаленные одна от другой горные вершины - Хохенгаген, Инзельберг и Броккен. Стоя на одной из этих вершин, он направлял отраженные зеркалами солнечные лучи на две другие и измерял углы между сторонами огромного светового треугольника. Тем самым он пытался ответить на вопрос: искривляются ли траектории световых лучей, проходящих над сферическим пространством Земли? (Кстати, примерно в это же время российский математик, ректор Казанского университета Николай Иванович Лобачевский предложил экспериментально исследовать вопрос о геометрии физического пространства, используя звездный треугольник.) Если бы Гаусс обнаружил, что сумма углов светового треугольника отличается от 180 градусов, то последовал бы вывод, что стороны треугольника искривлены и реальное физическое пространство неевклидово. Однако в пределах ошибки измерений сумма углов "проверочного треугольника Броккен - Хохенгаген - Инзельберг" составляла ровно 180 градусов.
Итак, в малых (по астрономическим меркам) масштабах Вселенная предстает как евклидова (хотя, конечно, экстраполировать выводы Гаусса на всю Вселенную нельзя).
Недавние исследования, проведенные с помощью высотных аэростатов, поднятых над Антарктидой, также подтверждают этот вывод. При измерении углового спектра мощности реликтового излучения был зарегистрирован пик, который, как полагают исследователи, может быть объяснен только существованием холодной черной материи - относительно больших, медленно движущихся объектов - именно в евклидовой Вселенной. Другие исследования также подтверждают этот вывод, что резко сокращает количество вероятных претендентов на возможную форму Вселенной.
Еще в тридцатых годах XX столетия математики доказали, что существует только 18 различных евклидовых трехмерных многообразий и, следовательно, только 18 возможных форм Вселенной вместо их бесконечного числа. Понимание свойств этих многообразий помогает экспериментально определить истинную форму Вселенной, так как целенаправленный поиск всегда эффективнее поиска вслепую.
Однако число возможных форм Вселенной можно сократить еще. Действительно, среди 18 евклидовых 3-многообразий имеется 10 ориентируемых и 8 неориентируемых. Поясним, что представляет собой понятие ориентируемости. Для этого рассмотрим интересную двухмерную поверхность - лист Мёбиуса. Его можно получить из прямоугольной полоски бумаги, перекрученной один раз и склеенной концами. Теперь возьмем на листе Мёбиуса точку а , проведем к ней нормаль (перпендикуляр), а вокруг нормали начертим небольшую окружность с направлением против часовой стрелки, если смотреть из конца нормали. Начнем перемещать точку вместе с нормалью и направленной окружностью по листу Мёбиуса. Когда точка обойдет весь лист и вернется в исходное положение (зрительно она будет на другой стороне листа, но в геометрии поверхность толщины не имеет), направление нормали изменится на обратное, а направление окружности - на противоположное. Такие траектории называются путями, обращающими ориентацию. А поверхности, имеющие их, называют неориентируемыми или односторонними. Поверхности же, на которых не существует обращающих ориентацию замкнутых путей, например сфера, тор и неперекрученная лента, называют ориентируемыми или двухсторонними. Заметим кстати, что лист Мёбиуса представляет собой евклидово неориентируемое двухмерное многообразие.
Если допустить, что наша Вселенная - неориентируемое многообразие, то физически это означало бы следующее. Если мы полетим с Земли вдоль замкнутой петли, обращающей ориентацию, то, конечно, вернемся домой, но окажемся в зеркальной копии Земли. Мы не заметим в себе никаких изменений, но по отношению к нам у остальных жителей Земли сердце окажется справа, все часы пойдут против часовой стрелки, а тексты предстанут в зеркальном отображении.
Маловероятно, что мы живем в таком мире. Космологи полагают, что если бы наша Вселенная была неориентируемой, то происходило бы излучение энергии из пограничных зон, в которых взаимодействуют материя и антиматерия. Однако ничего подобного никогда не наблюдалось, хотя теоретически и можно предположить, что подобные зоны существуют за пределами области Вселенной, доступной нашему взгляду. Поэтому резонно исключить из рассмотрения восемь неориентируемых многообразий и ограничить возможные формы нашей Вселенной десятью ориентируемыми евклидовыми трехмерными многообразиями.
ВОЗМОЖНЫЕ ФОРМЫ ВСЕЛЕННОЙТрехмерные многообразия в четырехмерном пространстве необычайно трудны для наглядного представления. Однако можно попытаться представить себе их структуру, если применить подход, используемый в топологии для визуализации двухмерных многообразий (2-многообразий) в нашем трехмерном пространстве. Все объекты в нем считаются как бы сделанными из какого-то прочного эластичного материала вроде резины, допускающего любые растяжения и искривления, но без разрывов, складок и склеек. В топологии фигуры, которые можно с помощью таких деформаций преобразовывать одну в другую, называют гомеоморфными; они имеют одинаковую внутреннюю геометрию. Поэтому с точки зрения топологии бублик (тор) и обычная чашка с ручкой - одно и то же. А вот футбольный мяч перевести в бублик невозможно. Эти поверхности топологически различны, то есть имеют различные внутренние геометрические свойства. Однако если на сфере вырезать круглую дырку и приделать к ней одну ручку, то получившаяся фигура уже будет гомеоморфна тору.
Существует множество поверхностей, которые топологически отличны от тора и сферы. Например, добавив к тору ручку, подобную той, что мы видим у чашки, мы получим новую дырку, а значит, и новую фигуру. Тор с ручкой будет гомеоморфен фигуре, напоминающей крендель, которая в свою очередь гомеоморфна сфере с двумя ручками. Добавление каждой новой ручки создает еще одну дырку, а значит, и другую поверхность. Таким способом можно получать бесконечное их количество.
Все такие поверхности называются двухмерными многообразиями или просто 2-многообразиями. Это означает, что вокруг любой их точки можно очертить окружность произвольного радиуса. На поверхности Земли можно нарисовать круг, содержащий ее точки. Если мы видим только такую картину, резонно считать, что она представляет собой бесконечную плоскость, сферу, тор или вообще любую другую поверхность из бесконечного числа торов или сфер с различным числом ручек.
Эти топологические формы могут быть довольно сложны для понимания. И чтобы легче и отчетливее представи ть их себе, склеим цилиндр из квадратного листа бумаги, соединив его левую и правую стороны. Квадрат в этом случае называется фундаментальной областью для тора. Если теперь мысленно склеить основания цилиндра (материал цилиндра эластичен), получится тор.
Представим себе, что есть некое двухмерное существо, скажем насекомое, движение которого по поверхности тора нужно исследовать. Сделать это непросто, и гораздо удобнее наблюдать его движение по квадрату - пространству с той же топологией. Этот прием имеет два преимущества. Во-первых, позволяет наглядно увидеть путь насекомого в трехмерном пространстве, следя за его перемещением в двухмерном пространстве, а во-вторых, позволяет оставаться в рамках хорошо развитой евклидовой геометрии на плоскости. В евклидовой геометрии содержится постулат о параллельных прямых: для любой прямой линии и точки вне ее существует единственная прямая, параллельная первой и проходящая через эту точку. Кроме того, сумма углов плоского треугольника в точности равна 180 градусам. Но поскольку квадрат описывается евклидовой геометрией, мы можем распространить ее на тор и утверждать, что тор - евклидово 2-многообразие.
Неразличимость внутренних геометрий для самых разных поверхностей связана с важной их топологической характеристикой, называемой развертываемостью. Так, поверхности цилиндра и конуса выглядят совершенно различными, но тем не менее их геометрии абсолютно одинаковы. Обе они могут быть развернуты в плоскости без изменения длин отрезков и углов между ними, поэтому для них справедлива евклидова геометрия. Это же относится и к тору, поскольку он представляет собой поверхность, развертывающуюся в квадрат. Такие поверхности называют изометричными.
Бесчисленное число торов можно сформировать и из других плоских фигур, например из различных параллелограммов или шестиугольников, склеивая их противоположные края. Однако для этого годится далеко не каждый четырехугольник: длины его склеенных сторон должны быть одинаковы ми. Такое требование необходимо, чтобы избежать при склейке удлинений или сжиманий краев области, которые нарушают евклидову геометрию поверхности.
Теперь перейдем к многообразиям большей размерности.
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ФОРМ ВСЕЛЕННОЙПопробуем представить себе возможные формы нашей Вселенной, которые, как мы уже видели, надо искать среди десяти ориентируемых евклидовых трехмерных многообразий.
Для представления евклидова 3-многообразия применим использованный выше метод для двухмерных многообразий. Там мы использовали в качестве фундаментальной области тора квадрат, а для представления трехмерного многообразия станем брать трехмерные объекты.
Возьмем вместо квадрата куб и подобно тому, как мы склеивали противоположные края квадрата, склеим вместе противоположные грани куба во всех их точках.
Получившийся трехмерный тор представляет собой евклидово 3-многообразие. Если мы каким-то образом оказались бы в нем и посмотрели вперед, то увидели бы свой затылок, а также свои копии в каждой грани куба - впереди, сзади, слева, справа, вверху и внизу. За ними мы бы увидали бесконечное множество других копий, подобно тому, как если бы оказались в комнате, где стены, пол и потолок покрыты зеркалами. Но изображения в трехмерном торе будут прямыми, а не зеркальными.
Важно отметить круговую природу этого и многих других многообразий. Если бы Вселенная действительно имела такую форму, то, покинув Землю и летя без каких-либо изменений курса, мы в конце концов вернулись бы домой. Нечто подобное наблюдается и на Земле: двигаясь на запад вдоль экватора, мы рано или поздно вернемся в исходную точку с востока.
Разрезав куб на тонкие вертикальные слои, мы получим набор квадратов. Противоположные края этих квадратов должны быть склеены вместе, потому что они составляют противоположные грани куба. Так что трехмерный тор оказывается кольцом, состоящим из двухмерных торов. Вспомним, что передний и задний квадраты также склеены и служат гранями куба. Топологи обозначают такое многообразие как T 2 xS 1 , где T 2 означает двухмерный тор, а S 1 - кольцо. Это пример связки, или пучка, торов.
Трехмерные торы могут быть получены не только с помощью куба. Подобно тому как параллелограмм образует 2-тор, склеивая противоположные грани параллелепипеда (трехмерного тела, ограниченного параллелограммами), мы создадим 3-тор. Из разных параллелепипедов образуются пространства с различными замкнутыми путями и углами между ними.
Эти и все другие конечные многообразия очень просто включаются в картину расширяющейся Вселенной. Если фундаментальная область многообразия постоянно расширяется, образованное ею пространство будет расширяться тоже. Каждая точка в расширяющемся пространстве все дальше отдаляется от остальных, что в точности соответствует космологической модели. При этом, однако, нужно принять во внимание, что точки вблизи одной грани всегда будут соседствовать с точками на противоположной грани, поскольку, вне зависимости от размера фундаментальной области, противоположные грани склеены.
Следующее трехмерное многообразие, похожее на трехмерный тор, называется 1/2- повернутое кубическое пространство. В этом пространстве фундаментальной областью снова служит куб или параллелепипед. Четыре грани склеены как обычно, а оставшиеся две, передняя и задняя, склеены с поворотом на 180 градусов: верхняя часть передней грани приклеена к нижней части задней. Если бы мы оказались в таком многообразии и посмотрели на одну из этих граней, то увидели бы собственную копию, но перевернутую вверх ногами, за ней обычную копию и так до бесконечности. Подобно трехмерному тору, фундаментальная область 1/2-повернутого кубического пространства может быть нарезана на тонкие вертикальные слои, так что при склейке получится снова пучок двухмерных торов, с той только разницей, что на этот раз передний и задний торы склеены с поворотом на 180 градусов.
1/4-повернутое кубическое пространство получается так же, как предыдущее, но с поворотом на 90 градусов. Однако поскольку поворот осуществляется только на четверть, оно может получиться не из всякого параллелепипеда - его передняя и задняя части должны быть квадратами, чтобы избежать искривления и перекашивания фундаментальной области. В передней грани куба мы увидели бы за своей копией еще одну, повернутую относительно ее на 90 градусов.
1/3-повернутое шестиугольное призматическое пространство использует в качестве фундаментальной области не куб, а шестиугольную призму. Для его получения нужно склеить каждую грань, представляющую собой параллелограмм, с ее противоположной гранью, а две шестиугольные грани - с поворотом на 120 градусов. Каждый шестиугольный слой этого многообразия - тор, и, таким образом, пространство также представляет собой пучок торов. Во всех шестиугольных гранях мы увидели бы копии, повернутые на 120 градусов относительно предыдущей, а копии в гранях - параллелограммах - прямые.
1/6-повернутое шестиугольное призматическое пространство сконструировано подобно предыдущему, но с той разницей, что передняя шестиугольная грань приклеена к задней с поворотом на 60 градусов. Как и прежде, в получившемся пучке торов оставшиеся грани - параллелограммы - приклеены одна к другой непосредственно.
Двойное кубическое пространство радикально отличается от предыдущих многообразий. Это конечное пространство уже не является пучком торов и имеет необычную структуру склейки. Двойное кубическое пространство, однако, использует простую фундаментальную область, которая представляет собой два куба, расположенных один на другом. При склейке не все грани соединяются напрямую: верхние передняя и задняя грани приклеиваются к граням, расположенным непосредственно под ними. В этом пространстве мы бы видели себя в своеобразной перспективе - ступни ног оказались бы прямо перед глазами.
На этом заканчивается список конечных ориентируемых евклидовых трехмерных, так называемых компактных многообразий. Вполне вероятно, что среди них и нужно искать форму нашей Вселенной.
Многие космологи полагают, что Вселенная конечна: трудно представить себе физический механизм возникновения бесконечной Вселенной. Тем не менее рассмотрим четыре оставшихся ориентируемых некомпактных евклидовых трехмерных многообразия, пока не получены реальные данные, исключающие их существование.
Первое и самое простое бесконечное трехмерное многообразие - евклидово пространство, которое изучается в средней школе (оно обозначается R 3). В этом пространстве три оси декартовых координат простираются до бесконечности. В нем мы не видим никаких своих копий, ни прямых, ни повернутых, ни перевернутых.
Следующее многообразие - так называемое пластинчатое пространство, фундаментальной областью которого служит бесконечная пластина. Верхняя часть пластины, представляющая собой бесконечную плоскость, приклеивается напрямую к ее нижней части, также бесконечной плоскости. Эти плоскости должны быть параллельны одна другой, но могут быть произвольно сдвинуты при склейке, что несущественно, учитывая их бесконечность. В топологии это многообразие записывается как R 2 xS 1 , где R 2 обозначает плоскость, а S 1 - кольцо.
Последние два 3-многообразия используют в качестве фундаментальных областей бесконечно длинные трубки. Трубки имеют четыре стороны, их сечения представляют собой параллелограммы, они не имеют ни верха, ни низа - четыре их стороны простираются бесконечно. Как и раньше, характер склейки фундаментальной области определяет форму многообразия.
Трубчатое пространство формируется посредством склейки обеих пар противоположных сторон. После склеивания первоначальное сечение в виде параллелограмма становится двухмерным тором. В топологии это пространство записывается как произведение T 2 xR 1 .
Повернув на 180 градусов одну из склеиваемых поверхностей трубчатого пространства, получим повернутое трубчатое пространство. Этот поворот с учетом бесконечной длины трубки придает ему необычные характеристики. Например, две точки, расположенные очень далеко одна от другой, по разным концам фундаментальной области, после склейки окажутся рядом.
Какова же все-таки форма нашей Вселенной?
Чтобы из приведенных выше десяти евклидовых 3-многообразий выбрать одно в качестве формы нашей Вселенной, необходимы дополнительные данные астрономических наблюдений.
Проще всего было бы отыскать копии нашей Галактики в ночном небе. Обнаружив их, мы сможем установить характер склейки фундаментальной области Вселенной. Если окажется, что Вселенная представляет собой 1/4-повернутое кубическое пространство, то прямые копии нашей Галактики будут видны с четырех сторон, а повернутые на 90 градусов - с оставшихся двух. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, этот способ мало пригоден для установления формы Вселенной.
Свет распространяется с конечной скоростью, поэтому, наблюдая Вселенную, мы, в сущности, смотрим в прошлое. Даже если мы однажды обнаружим изображение нашей Галактики, то не сможем узнать ее, потому что в свои "молодые годы" она выглядела совершенно иначе. Слишком сложно из огромного количества галактик узнать копию нашей.
В начале статьи говорилось, что Вселенная имеет постоянную кривизну. Однородность космического микроволнового фонового излучения прямо указывает на это. Однако оно имеет легкие пространственные вариации, примерно 10 -5 кельвинов, показывающие, что в ранней Вселенной имели место незначительные флуктуации плотности вещества. Когда расширяющаяся Вселенная остывала, материя в этих областях со временем создала галактики, звезды и планеты. Карта микроволнового излучения позволяет посмотреть в прошлое, во времена первоначальных неоднородностей, увидеть наметки Вселенной, которая была тогда в тысячу раз меньше. Чтобы оценить значение этой карты, рассмотрим гипотетический пример: Вселенная в виде двухмерного тора.
В трехмерной Вселенной мы наблюдаем небо по всем направлениям, то есть в пределах сферы. Двухмерные жители двухмерной Вселенной смогли бы наблюдать его только в пределах круга. Если бы этот круг был меньше фундаментальной области их Вселенной, они не могли бы получить никаких указаний о ее форме. Если, однако, круг видения двухмерных созданий больше фундаментальной области, они смогли бы увидеть пересечения и даже повторение образов Вселенной и попытаться найти точки с одинаковыми температурами, которые соответствуют одной и той же ее области. Если в их круге видения оказалось бы достаточно много таких точек, они смогли бы заключить, что живут в торовой Вселенной.
Несмотря на то, что мы живем в трехмерной Вселенной и видим сферическую область, перед нами встает та же проблема, что и перед двухмерными созданиями. Если наша сфера видения меньше фундаментальной области Вселенной 300 000-летней давности, мы ничего необычного не увидим. В противном случае сфера будет пересекать ее по кругам. Обнаружив два круга, имеющих одинаковые вариации микроволнового излучения, космологи смогут сравнить их ориентацию. Если круги расположены крест-накрест, это будет означать наличие склейки, но без поворота. Некоторые из них, однако, могут сочетаться в соответствии с поворотом на четверть или на половину. Если этих кругов удастся обнаружить достаточно много, тайна фундаментальной области Вселенной и ее склейки будет раскрыта.
Однако до тех пор, пока не появится точная карта микроволнового излучения, космологи никаких заключений сделать не смогут. В 1989 году исследователи из НАСА попытались создать карту реликтового излучения космического пространства. Однако угловое разрешение спутника составляло порядка 10 градусов, что не позволило сделать точные измерения, удовлетворяющие космологов. Весной 2002 года НАСА предприняло вторую попытку и запустило зонд, который нанес на карту температурные флуктуации с угловым разрешением уже порядка 0,2 градуса. В 2007 году Европейское космическое агентство планирует использовать спутник "Планк", имеющий угловое разрешение 5 дуговых секунд.
Если запуски пройдут успешно, то в течение четырех-десяти лет будут получены точные карты флуктуаций реликтового излучения. И если размер сферы нашего видения окажется достаточно большой, а измерения - достаточно точными и надежными, мы наконец узнаем, какую форму имеет наша Вселенная.
По материалам журналов "American Scientist" и "Popular Science".Космологи давно предполагали, что Вселенная – бесконечна, но не беспредельна. Это означает, что у нее есть ограниченные размеры, но добраться «до конца мира» - невозможно. Если бы даже нашелся кто-то, кто попытался пересечь Вселенную, он вернулся бы к той точке, с которой начал – подобному тем, кто совершил кругосветное путешествие вокруг Земли.
Давняя гипотеза о конечности Вселенной стала особенно популярна в результате исследования космического микроволнового фона или реликтового излучения, оставшегося во Вселенной после Большого взрыва. Ученые предполагают, что в случае, если Вселенная имела бы неограниченные размеры, в ней можно было бы найти волны всех вероятных длин. Однако все мы знаем, что спектр микроволнового фона очень ограничен – и именно поэтому он так называется.
«Вселенная обладает свойствами музыкального инструмента, – объясняет Френк Штайнер из университета Ульма в Германии. – И длина волн внутри нее не может превосходить длину самого инструмента.
К настоящему времени космологи выдвинули несколько предполагаемых вариантов формы Вселенной. Самыми популярными стали тыква (либо мяч для американского футбола) и бублик, а также три бублика, причудливым образом соединенные друг с другом. Некоторые физики даже предложили красивую модель, по-видимому, позаимствованную из восточной философии – о Вселенной,представляющий собой коридор зеркал с изображениями различных объектов, которые повторяются в небе много раз. Эти «световые портреты» могут отражаться от предполагаемых стенок Вселенной и таким образом многократно дублироваться. Глен Старкман из Университета Кейз Вестерн Резерв в Кливленде (Огайо, США) и его коллеги начали пытаться как-то совместить предложенные модели с экспериментальными данными, но пока еще не выбрали, какая форма подходит нашей Вселенной больше всего.
В то же время, Штайнер и его коллеги начали повторно анализировать данные, полученные в 2003 году с помощью космического аппарата NASA , известного как Микроволновой анизотропный зонд Уилкинсона и попытались использовать и для обоснования их гипотезы о том, что Вселенная имеет форму бублика и трех бубликов. Ученые также хотели проверить распространенную гипотезу о беспредельной и "безразмерной" Вселенной.
Выяснилось, что лучше всего данные космического аппарата обосновывают теорию Вселенной в виде бублика. Ученые также попытались угадать вероятный размер Вселенной – согласно сведениям, полученным с помощью Зонда, он может достичь 56 миллиардов световых лет.
Жан-Пьер Люмине из Парижской обсерватории во Франции придерживается гипотезы о том, что Вселенная имеет форму мяча для американского футбола либо тыквы. Однако ему очень понравилась работа Штайнера.По его мнению, анализ коллеги из Германии показывает, что бублик – вполне вероятная форма Вселенной, но идею о тыкве (футбольном мяче) все-таки не отвергает. «Думаю, что мой футбольный мяч все еще жив и здоров», - шутит Люмине.
Сам Штайнер считает, что более точно определить форму Вселенной позволит исследование реликтового излучения, которые сейчас проводит европейский спутник Planck . Глен Старкман также считает, что данных еще недостаточно. «С философской точки зрения мне нравится идея о том, что Вселенная конечна, - рассуждает он. – Однако физику нельзя поверять философией, и поэтому я остерегусь делать выводы, пока не появятся новые экспериментальные данные».