Защо Вселената е еднаква навсякъде и във всички посоки

Основният космологичен принцип звучи така: Вселената е хомогенна (т.е. всеки голям произволен избран район е неразличим от друг произволен район от нея) и изотропна (еднаква във всички посоки). Това е така и е потвърдено от наблюденията. Но защо?

Три са основните доказателства за еволюцията на нашата Вселена и са съгласувани с общата теория на относителността:

• червеното отместване, свързано с разстоянието до галактиката;
• съществуването и свойствата на космическото микровълново фоново лъчение - почти идеално еднородно излъчване на абсолютно черно тяло във всички посоки, с температура малко над абсолютната нула;
• изобилието от леки елементи - водород, деутерий, хелий 3 и 4 и литий в младата Вселена, до образуването на звездите.

Това ни подсказва, че Вселената е еволюирала и се е разширила от по-горещо и плътно състояние, както и че в сегашното си състояние вече е около 13,8 млрд години - дълго време, но не и безкрайно дълго. Тази парадигма е известна като "Големия взрив".

13,8 милиарда години Вселената се е разширявала в съответствие със законите на общата теория на относителността, което означава, че скоростта на разширяване на пространството се определя набор от начални условия и енергийното съдържание на Вселената (обикновена материя, тъмна материя, лъчения, неутрино, тъмна енергия, пространствена кривина и т.н.). Проблемът е, че Вселената е хомогенна и има приблизително едни и същи свойства във всички посоки, накъдето и да погледнем.

Модел на галактиките и квазарите, намерени от Sloan Digital Sky Survey - 250 000 галактики и 40 000 квазари.

Плътността и свойствата на клъстерите от галактики от едната страна на Вселената са еднакви с тези от другата, без значение как ще я разделите.

Знаем, че след Големия взрив информацията не може да се предава по-бързо от скоростта на светлината. Ние можем да видим парче от Вселената от 46 милиарда светлинни години, защото такова разстояние може да измине светлината в разширяващата се Вселената за последните 13,8 милиарда години. Ето защо, ако погледнем в едната посока в участък на 23 млрд св. г., а след това - в противоположната страна, би трябвало да очакваме, че тези два участъка не са свързани помежду си. Просто светлината не би могла да измине разстоянието между тях за времето , откакто съществува Вселената.

Благодарение на това, че водата не обменя информация на по-далечни разстояние, каякарят може да наблюдава срещата на лавата от вулкана Килауеа в Хавай. Снимка whenonearth.

Това може представи със следната аналогия. В тенджера водата ври навсякъде едновременно. Това е така, защото молекулите се движат, блъскат се една с друга и обменят енергия. Времето, необходимо за обмен на енергия (информация) на водата в долната част с водата от горната част е по-малко от времето, необходимо да се кипне водата.

Но при големи обеми вода, се случва нещо различно. На снимката вдясно потоци лава от активен вулкан се втичат в океана. Температурата на лавата е над 1000° C и при контакт с водата, тя се изпарява моментално. Но океанът е голям, а скоростта на разпространение на топлината е ограничена. Не много далече от това място температурата на водата почти няма да се промени. Такива далечни области не споделят информация или свойства помежду си.

Затова е странно, че толкова далечни една от друга области, които нямат връзка помежду си и не обменят информация, да имат една и съща температура. Но във Вселената е така.

Космическото микровълново фоново лъчение се е излъчвало, когато Вселената е била само на 380 хиляди години и за това време светлината не може да отиде на повече от един милион светлинни години в коя да е посока. Ако запълним микровълновото небе с кръгове с радиус един милион светлинни години, ще ни трябват повече от 10 милиарда независими области, за да се запълни всичко, което виждаме. Въпреки това, в тези региони, които не са свързани един с друг, температурата, спектърът и плътността са еднакви с точност 99.99%.

Този проблем, когато области, без контакт помежду си, поради някаква причина имат еднакви свойства, се нарича проблем на хоризонта.

Но дори тези области и да не са имали време да обменят информация помежду си, проблемът на хоризонта се решава, ако по време на Големия взрив, те вече са имали едни и същи свойства.

Това, което се случило преди Големия взрив е подготвило началните условия, които има в нашата Вселена. Ако вземем малка област, да речем дори безкрайно малка и я разширим експоненциално, и я разтеглим до размер, по-голям от видимата Вселена, тогава се случва следното:

• всяка материя, частици, енергия или топологични дефекти, които са съществували в този област преди разширението, така намаляват на плътност, че не остава нито една от тези частици във Вселената (така се решава проблема с монополите - магнитите с един полюс, разглеждани като топологичен дефект;
• каквато и кривината на пространство да е имало преди разширяването, разширяването толкова я разтегля, че става неразличима от плоско пространство (решен е проблема с плоската Вселена);
• каквото и разлики да е имало на температурата и плътността да са съществували в различни области на пространството преди разширяването, нашата видима Вселена е еволюирала от много малка област, затова температурата и плътността на Вселената са еднакви навсякъде (решава се проблема на хоризонта);
• квантовите флуктуации, наблюдавани по време на разширяването, са довели до ясен набор от прогнози флуктуациите на температурата и плътността в обозримата част на Вселената.

Ако отхвърлим инфлационната теория, ще трябва да пренебрегнем трите проблема (монополи, плоска вселената и хоризонт) и прогнозата за флуктуациите на температурата и плътността на Вселената.

Алтернативата е инфлационният модел, който е прост, елегантен и директен начин за решаване на всички тези проблеми.

Ето защо Вселената, която познаваме, е една и съща навсякъде и във всички посоки.

Още по темата

11/06/2015

Космос

Странните звуци на Вселената

13/05/2015

Физика

Природата на светлината

07/03/2015

Физика

Обща теория на относителността

26/02/2015

Космос

Открити са най-яркия квазар с най-масивната черна дупка