Ще разкрие ли "Евклид", че пространството не е Евклидово?

Ваня Милева Последна промяна на 29 юни 2023 в 09:25 24145 0

Изображението показва карта на космическия микровълнов фон
Изображението показва карта на космическия микровълнов фон в небето. Тук цветовете представляват процентни вариации (както е посочено от цветната лента) на параметрите, монтирани към BAO (барионни акустични осцилации) в малък мащаб. Жълтият цвят съответства на липсата на вариация или на средната стойност. Показаният конкретен случай съответства на стойности на вакуумната енергия в небето (Омега Ламбда или космологична константа ΩΛ), което в този случай се равнява на противоположни колебания в съдържанието на материя (това е защото геометрията е плоска). Както може да се види на изображението, вариациите запълват област (маркирана с големи сиви кръгове и означена с H1, H2 и H3), където вариациите спират. Кредит: Pablo Fosalba et al.

Представата ни за Вселената се основават на опростяване, известно като космологичен принцип, който предполага, че когато се осредни в големи мащаби, Вселената е хомогенен и материята е разпределена равномерно навсякъде.

Това позволява математическото описание на пространство-времето, което опростява приложението на Общата теория на относителността на Айнщайн към Вселената като цяло.

Нашите космологични модели се основават на това предположение. Но тъй като новите телескопи, както на Земята, така и в космоса, предоставят все по-прецизни изображения и астрономите откриват масивни обекти, тази основа е все повече изглежда несигурна.

В наскоро публикуван преглед на група физици и космолози се обсъжда как тези нови открития радикално налагат да се преразгледат предположенията и да се промени нашето разбиране за Вселената.

Наследството на Айнщайн

Алберт Айнщайн е бил изправен пред огромни дилеми преди 106 години, когато за първи път прилага своите уравнения за гравитацията към Вселената като цяло. Никой физик не е опитвал нещо толкова смело, но това е  било естествено следствие от ключовата му идея:

Материята казва на пространството как да се извива, а пространството казва на материята как да се движи.

През 1917 г. е имало много малко данни и малко астрономи са възприемали идеята, че галактиките са обекти на огромни разстояния.

Конвенционалната гледна точка на Айнщайн е, че цялата Вселена изглежда като вътрешността на нашата галактика. Това предлага звездите да се третират като течности без налягане, разпределени на случаен принцип, но с добре дефинирана средна плътност – еднаква или хомогенна навсякъде в пространството.

Въз основа на идеята, че Вселената е една и съща навсякъде, Айнщайн въвежда своята космологична константа Λ (ламбда), сега известна като "тъмна енергия". Сега стандартният ни космологичен модел се нарича ΛCDM (съкратено от Lambda-Cold Dark Matter).

В малки мащаби уравненията на Айнщайн ни казват, че пространството никога не стои неподвижно. Но налагането на това на Вселената в голям мащаб е било неестествено. Затова Айнщайн е бил облекчен от откриването на разширяването на Вселената в края на 20-те години на миналия век. Той дори описа Λ като най-големия си гаф.

Идеите за материята са еволюирали, но не и геометрията

Сега разполагаме с удивително подробни модели на физиката на звездите и галактиките, вградени в еволюиращата  Вселена. Можем да проследим астрофизиката на "нещата" от мънички вълнички (смущения) на "семена" в първичната огнена топка до сложни структури днес.

Нашите телескопи са прекрасни машини на времето. Те гледат назад чак до момента, когато са се образували първите атоми и Вселената е станала прозрачна.

Отвъд е първичната плазма, непрозрачна като вътрешността и повърхността на Слънцето. Светлината, която напусна "повърхността на последното разпръскване" (реликтовото излъчване) на Вселената, която е била много гореща тогава, около 2700 ℃.

Ние получаваме същата тази светлина днес, но охладена до минус 270 ℃ и разредена от разширяването на Вселената. Това е космическият микровълнов фон и той е удивително еднороден във всички посоки.

Това е силно доказателство, че Вселената е била много близка до пространствено хомогенна, когато е била огнена топка. Но днес няма преки доказателства за такова еднообразие.

Една "развълнувана" Вселена

Далеч назад във времето нашите телескопи разкриват малки сливащи се галактики, прерастващи във все по-големи структури до наши дни.

Разширяването на Вселената е спряно изцяло в рамките на най-големите концентрации на материя, известни като галактически клъстери. Там, където пространството се разширява, клъстерите се опъват в нишки, които обграждат огромни празнини (или войдове), всички нарастващи с времето, но с различна скорост. Вместо да бъде гладка, материята образува "космическа мрежа" от мащабни структури.

Вселената е била хомогенна отдавна, но развива космическа мрежа с нарастването на структурите. Компютърни модели, използващи проста геометрия, както е показано, сега ще бъдат тествани спрямо по-сложни. Кредит: Wikimedia Commons, CC BY-ND

Но идеята, че Вселената е пространствено хомогенна, остава.

Би имало грубо несъответствие между наблюдаваната космическа мрежа и средната извита геометрия на пространството, ако всичко, което виждаме, е всичко, което съществува. Доказателства за липсваща материя съществуват от първите наблюдения на галактически купове през 1933 г., която наричаме тъмна материя.

Първите наблюдения на космическото микровълново фоново лъчение и неговите вълни през десетилетието от 1965 г. променят тази идея.

Моделите на ядрената физика са в съответствие с наблюденията само ако липсващата маса в галактическите купове е нещо като неутрино, което не може да излъчва светлина. Така се въвежда студената тъмна материя, която прави гравитацията по-силна в галактическите купове.

Милиарди са изразходвани в опити за директно откриване на тъмната материя, но десетилетия на такива усилия не са довели до окончателно откриване на това, което съставлява 80% от цялата материя и 20% от цялата енергия във Вселената днес.

Аномално небе

Космическото микровълново фоново лъчение не е съвършено равномерно. Върху нея се наслагват флуктуации, една от които е необичайно голяма и има формата на дипол - ин-ян диаграма, покриваща цялото небе.

Диполна структура на Вселената. Кредит: Planck mission/ESA.

Можем да се интерпретира това като ефект, дължащ се на относителното движение, при условие че се дефинира космическото микровълново фоново лъчение като рамката на покой на Вселената. Ако не направим това, ще имаме нужда от физическо обяснение за големия дипол.

Голяма част от загадката се свежда до асиметрия на енергията, което води до една изкривена Вселена. Температурите на полукълбата над и под равнината на Млечния път са малко по-различни от очакванията.

Тези аномалии отдавна се обясняват като резултат от неотчетени физически процеси при моделирането на микровълнови емисии от Млечния път.

Европейската космическа агенция ще изстреля сателита "Евклид" (Euclid) на 1 юли 2023 г., за да погледне надлъж и шир, отговаряйки на някои от най-фундаменталните въпроси за нашата Вселена. Кредит: ESA/ATG, CC BY-SA

Материята в небето

Космическото микровълново фоново лъчение не е единственото наблюдение на цялото небе, което показва дипол. Миналата година изследователите са използвали наблюдения на 1,36 милиона далечни квазари и 1,7 милиона радиоизточника, за да тестват космологичния принцип. Те откриват, че материята също е неравномерно разпределена.

Изгладената карта на небето на радиоизточниците на NRAO VLA Sky Survey (NVSS) (вляво) и квазари от WISE (вдясно), показващи характерната диполна анизотропия поради аберация, която се очаква поради нашето локално движение. Някои части от небето са скрити, за да се гарантира еднаквост на броя на източниците и да се блокира предния план. Кредит: A challenge to the standard cosmological model (Предизвикателство към стандартния космологичен модел), Secrest et al, 2022, Astrophysical Journal Letters.

Друга още по-широко обсъждана мистерия е "напрежението на Хъбъл".

Напрежението на Хъбъл

В астрономията съществуват две точни измервания на разширяването на Вселената, определено от "константата на Хъбъл" (H0). Едното се изчислява от близките наблюдения на свръхнови, а второто използва "космическия микровълнов фон" (H0 ~ 73 km/s/Mpc ), или радиацията, която е започнала да се разпространява свободно във Вселената малко след Големия взрив (H0 ~ 67 km/s/Mpc). Тези две измервания обаче се различават с около 10%, което предизвика дебат сред физиците и астрономите - дискусия, известна като напрежението на Хъбъл. Ако и двете измервания са точни, това означава, че настоящата теория на учените за устройството на Вселената е непълна.

Обикновено приемаме, че средната стойност за цялото небе на текущата скорост на разширяване на Вселената дава една добре дефинирана стойност: константата на Хъбъл. Но измерената стойност се различава от очакваната, като се има предвид стандартна история на разширение, базирана на космическото микровълново фоново лъчение. Ако се допусне нехомогенна космология, този проблем може да изчезне.

Използвайки космически микровълнови фонови данни от отделни противоположни полукълба, стандартната история на разширение предполага различни "константи на Хъбъл" от всяка страна на небето днес.

Тези загадки се усложняват от непрекъснатото нарастващ списък от неочаквани открития: огромната гигантска дъга от квазари и сложна, ярка и изпълнена с елементи от ранната Вселена, разкрита от космическия телескоп "Джеймс Уеб".

Ако материята е много по-разнообразна и интересна от очакваното, тогава може би геометрията също е такава.

Има модели, които са изоставили космологичния принцип и те правят прогнози.

Те просто са по-малко изучавани от стандартната космология.

Сателитът Евклид на Европейската космическа агенция ще бъде изстрелян скоро.

Ще разкрие ли Евклид, че пространството не е Евклидово?

Ако е така, тогава скоро трябва да очакваме фундаментална революция във физиката и космологията.

Авторите на статията са:

Дейвид Уилтшър (David Wiltshire)
Професор по теоретична физика, Университет на Кентърбъри
Джон О Колган (Eoin O Colgain)
Асистент-преподавател по физически науки, Атлантически технологичен университет
Джени Вагнер (Jenny Wagner)
Учен изследовател по космология, Бахамски институт за напреднали изследвания
Шахин Шейх Джабари (Shahin Sheikh-Jabbari)
Професор по физика, Институт за изследване на фундаменталните науки

The Conversation

Тази статия е публикувана за първи път в The Conversation.

Източник: Cosmological models are built on a simple, century-old idea – but new observations demand a radical rethink, The Conversation

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.

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Космос

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !