15 декември 2018
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Има ли Вселената край? (видео)

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 03 април 2016 в 09:55119691
Въпреки, че изглежда така, това не е гравюра върху дърво от Средните векове, а имитация от 19-ти. Снимка: Wikimedia Commons

Съществува една теория, според която ако някой някога открие точно какво представлява Вселената и защо я има, тя моментално ще изчезне и на нейно място ще се появи нещо още по-странно и необяснимо.
Съществува и една друга теория, според която това вече се е случило.

Дъглас Адамс, Ресторант „На края на Вселената“

Има ли край Вселената и ако е така, дали не означава, че космологичният принцип е невалиден?

Изводите на статията от миналата седмица за размера на Вселената отвъд видимата й част се основават на космологичния принцип, който определя, че Вселената е навсякъде хомогенна и изотропна. Интересен е въпросът дали това важи и за наблюдателите в една галактика на края на Вселената.

За да се изясни това, трябва да си отговорим на основният въпрос - каква е формата на Вселената, кривината и топологията й. 

Най-общо казано съществуват три вида възможни кривини, които може да има Вселената:

Кривината на Вселената

Източник: Shashi M. Kanbur at SUNY Oswego. 

1. Първата графика е на Вселена, която няма кривина, т.е. - "плоска" Велена, в която геометрията е евклидово пространство (E³), т.е. успоредните линии никога няма да се пресекат. Ние знаем от Айнщайновата Обща теория за относителността (ОТО), че масата изкривява пространството. Това може да ни накара да си помислим, че една вселена изпълнена с маса би трябвало да е огъната.

Но една локална кривина на пространството, например, пространството около Слънцето, не означава непременно, че кривината на пространството е навсякъде и Вселената е изкривена като цяло.

И това ни води до извода: ако пространството е плоско, то тогава Вселената е безкрайна! Във всяка посока може да продължим до безкрайност. Тогава обемът на Вселената ще е безкраен.

Но не може ли Вселената е едновременно ограничена по размер и без край, тоест "без граници"?

Тор от правоъгълник. Източник: Wikimedia Commons

Ако Вселената всъщност е ограничена в своя обем, но плоска, тя може да бъде без край. Някои смятат, че формата на Вселената не е на обикновена сфера, а на тор. Това е форма без краища, но в която пространството е евклидово, както се вижда на изображението горе. 

2. Вселената е с положителна кривина, Вселената е сферична, със сферична геометрия (S³). Такава Вселена има достатъчно маса, за да спре разширението на Вселената и във всеки един момент да се огъне в контракция.

Астрономите са въвели величината критична плътност на масата Ω, която е точно 1 за плоска Вселена, а за Вселена с положителна кривина Ω > 1. Такава Вселена има ограничен обем, който първо се разширява, а след това свива, но това не означава, че има край.

По принцип вселената би могла да бъде крайна и без граница – точно като повърхността на Земята, но с едно измерение повече – в три измерения. Когато Айнщайн формулира своите космологични възгледи, основани на неговата теория на гравитацията, приема, че Вселената е крайна. Айнщайновият светоглед може би произлиза от естетично чувство - най-симетричната триизмерна форма е тази на тримерната сфера. 

3. Има възможност и Вселената да е с отрицателна кривина, а геометрията ѝ да е хиперболична. Точно както плоската вселена, вселената с отрицателна кривина е безкрайна. Масата в такава вселена има по-ниска плътност от критичната Ω <1. Вселената с отрицателна кривина е отворена вселена. Разширяването ѝ ще бъде забавена от гравитацията, но никога няма да спре.

Едно околовселенско пътешествие

Да си представим, че Вселената е ограничена, но безкрайна е лесно, ако вземем за пример едно пътешествие на повърхността на Земята. Ако започнем от точката, в която сме в момента, изберем произволна посока и продължим да се движим напред, в крайна сметка ще се върнем на мястото, от където сме започнали - няма да стигнем край, от който да паднем. Така че повърхността на земята има свойствата, които търсим. Той е ограничена по площ. Тя само 510 милиона квадратни километра. Но няма край.

Естествено примерът изглежда малко пресилен и некоректен. Ние се връщаме там, от където започнахме, но не се движехме по права линия, а по голяма окръжност. Двумерната повърхност на Земята е ограничена, без край и получава тези свойства, защото е извита в третото измерение.

Представете си тогава, че бяхме плоски същества, хванати в капана на двумерната повърхност на Земята, които не могат да усетят съществуването на това трето измерение. Всичко, което знаем за повърхността на Земята е това, което може да разберем в нашите двумерни карти. Тогава всички ще знаем, е, че живеем в ограничено двуизмерно пространство, без край. А дали третото измерение има нещо общо с това, за нас би било спекулация с малко практическо значение. Ние така или иначе нямаме достъп до това трето измерение.

Може ли нещо аналогично да се случи за тримерното пространство? Едно от най-големите открития на геометрията на 19 век е, че това е напълно възможно. Представете си, че има четвърто измерение на пространството, в което се изкривяват нашите три измерения. Тогава бихме могли да имаме тримерно пространство, което има ограничен обем, но не и край. Един хипотетичен космически кораб, който пътува достатъчно дълго, в крайна сметка ще се върне на мястото, от където е стартирал, без да се удари в "края" на Вселената.

През 1917 г., малко след като Айнщайн завършва своята Обща теория на относителността, изказва предположението, че нашето космическо пространство наистина е изкривено в едно по-висше измерение. Това е първата релативистичната космология. Дали пространство има тази структура остава един от най-интересните отворени въпроси на съвременната космология. В оригиналната вселена на Айнщайн, пространството има ограничен обем:

1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 кубически светлинни години

това е единица, последвана от 30 нули. И все пак отговорът не е "безкрайност", а определен брой.

Накратко, изглежда всички модели на сочат, че Вселената няма край. Вселената е безкрайна или заради кривината, или защото топологията ѝ е такава. Ние никога няма да стигнем до нейния край, защото светлина или космическите пътешественици през вселената ще се върнат в началната точка.

Наблюденията на WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, космически апарат на НАСА, предназначен за изучаване на реликтовия фон, останал в резултат от Големия взрив) сочат, че изглежда живеем в плоска Вселена, в която  

Ω = 1.00 ± 0.02 

Дали ще е "+" или "-"  няма значение, защото всички възможни модели са на вселени без край.

А това означава, че космологичния принцип се запазва. 

Източници:

Can a finite universe have no edge?, John D. Norton, Катедра по история и философия на науката, Университет на Питсбърг

Какво означава твърдението “Вселената е плоска”? , Д. Кастелвеки

Infinite, but Finite, Вrian Кoberlein


Препоръчани материали

Рейтинг :
03.04 2016 в 11:41 1
+ 8
- 1
Утвърдените понятия са: вселена, която е неограничена да се нарича безкрайна, вселена, която е ограничена но няма край/граница да се нарича безгранична. Например евклидовата равнина е безкрайна, сферата (повърхноста на земята) е крайна, но безгранична.
 
Още от : Космология
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.