![image](http://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/21a/435/76d/21a43576db8116303e757e445e9a9c1f.jpg)
Перевод статьи Ask Ethan #87: The Shape Of The Universe
Не пытайтесь стереть прошлое. Оно формирует вас сегодняшнего и помогает вам стать тем, кем вы будете завтра.
Зиад К. Абдельнуар
Вселенная даже больше, чем мы с вами, сформирована условиями, существовавшими во время её рождения. Но какую же форму она приняла? Я выбрал вопрос читателя Тома Берри, который спрашивает:
Я так понимаю, что у вселенной форма седла. Интересно, почему в момент Большого взрыва вся материя не разлетелась равномерно во все стороны и не придала вселенной шарообразную форму?
Начнём с того, что уберём одно измерение, и поговорим о том, что формирует двумерную поверхность. Вы, наверно, представите себе плоскость – типа листа бумаги. Её можно скатать в цилиндр, и хотя поверхность окажется самосвязанной – с одной стороны можно перейти на другую, это всё равно будет плоская поверхность.
Что это значит? Например, можно нарисовать треугольник и сложить размеры внутренних углов. Если мы получим 180 градусов, то поверхность – плоская. Если нарисовать две параллельные линии, они останутся такими на всём протяжении.
Но это лишь один из вариантов.
![image](http://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/448/a71/084/448a710841f46a9363dccab81260cca8.jpg)
Поверхность сферы – двумерная, но не плоская. Любая линия начинает закругляться, и если вы сложите углы треугольника, вы получите величину больше, чем 180 градусов. Нарисовав параллельные линии (линии, которые начинаются, как параллельные), вы увидите, что, в конце концов, они встретятся и пересекутся. Такие поверхности имеют положительную кривизну.
Поверхность седла, с другой стороны, представляет другой тип неплоской двумерной поверхности. Она вогнутая по одному направлению и выпуклая по другому, перпендикулярному, и является поверхностью с отрицательной кривизной. Если вы нарисуете на ней треугольник, то получите сумму углов меньше 180 градусов. Две параллельные линии будут расходится в разные стороны.
![image](http://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/c55/bfd/717/c55bfd7173a2ab277e8a86b64f52c687.jpg)
Ещё можно представить плоский круглый кусочек бумаги. Если вырезать из него клин и заново его склеить, вы получите поверхность положительной кривизны. Если вставить этот клин в другой такой же кусок, вы получите поверхность отрицательной кривизны, как на картинке.
Двумерную поверхность довольно просто представить из трёхмерного пространства. Но в нашей трёхмерной Вселенной всё обстоит несколько сложнее.
![image](http://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/ae6/620/c4d/ae6620c4de0bb27fe827eca8a3d9123f.jpg)
Что до кривизны Вселенной, у нас есть три варианта:
— положительная кривизна, как бы сфера в высших измерениях
— отрицательная, как бы седло в высших измерениях
— нулевая (плоская) – как трёхмерная решётка
Можно было бы подумать, что наличие Большого взрыва предполагает первый, сферический вариант, поскольку Вселенная вроде бы одинакова во всех направлениях — но это не так. Есть очень интересная причина, по которой Вселенная одинаковая во всех направлениях – и она никак не связана с кривизной.
![image](http://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/e8e/8ae/547/e8e8ae547ab8180f965e129ae020a22b.jpg)
То, что Вселенная одинакова во всех местах (гомогенна) и направлениях (изотропна), доказывает существование Большого взрыва, гипотеза о котором говорит, что всё началось с горячего и плотного однородного состояния, в котором начальные условия и законы природы везде были одинаковы.
С течением времени небольшие отклонения приводят к появлению структур – звёзд, галактик, кластеров, и великих пустот. Но причина однородности вселенной – в том, что всё имело одно и то же начало, а не в кривизне.
Но мы можем померить величину кривизны.
![image](http://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/a0e/dcc/709/a0edcc709199eb6407c09c97c33ac3d0.jpg)
На картинке представлены шаблоны флуктуаций, запечатлённые в фоновом космическом излучении. От того, как работает Вселенная и из чего она состоит, зависят пики флуктуаций – самые горячие и холодные места на конкретных угловых масштабах. Если у Вселенной отрицательная кривизна (седло), Вселенная склоняется к меньшему масштабу, если положительная – к большему.
Причина та же, что мы описывали – как прямые линии ведут себя на этих поверхностях.
![image](http://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/339/55c/c78/33955cc785ce0d3434453882c19badd7.jpg)
Поэтому нам просто необходимо изучить флуктуации фонового космического микроволнового излучения, и мы сможем измерить кривизну наблюдаемой Вселенной.
И что же мы получим?
![image](http://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/295/6fe/c18/2956fec18915ae6e2473be668e915719.jpg)
А получим мы, что величина кривизны, показанная в голубых кружочках, равна примерно 0.5%. Это говорит о том, что кривизна Вселенной неотличима от плоскости.
Она действительно расширялась равномерно во все стороны, но к кривизне это отношения не имеет. Конечно, на гораздо больших, чем мы можем наблюдать, масштабах, кривизна Вселенной может быть ненулевой. Инфляционный процесс, происходивший после Большого взрыва, экспоненциально увеличивает каждый участок Вселенной.
![image](http://habrastorage.org/getpro/geektimes/post_images/963/625/5d1/9636255d166ace55ba08ce1ecc0b4d78.png)
То есть, возможно, что кривизна Вселенной положительная или отрицательная, что она похожа на седло или сферу, что она может быть самосвязанной, и мы сможем выйти с одного конца и попасть на другой. Этого исключать нельзя – но в наблюдаемой части этого нет. И для нас Вселенная неотличима от плоской. Но, как показано на рисунке в части D, можно считать, что ваше пространство плоское, а при этом Вселенная может не быть плоской. Это вывод из той информации, которой мы располагаем.
Оригинал материала.
Комментарии (14)
EvilGenius18
10.05.2015 20:44+3Если кому интересно, вот тут https://youtu.be/fDQiwEgj9VM?t=25m Лоуренс Краус рассказывает про это и еще много всяких интересностей (Русская озвучка)
PS
Ссылка ведет на видео начиная с 25 минуты (начало рассказа про форму вселенной)romanjoe
13.05.2015 13:10Вот спасибо большое! Давеча смотрел это замечательное видео и забыл сохранить его, а когда захотел освежить в памяти не смог вспомнить ни имени лектора ни найти видео, теперь-то сохраню.
potan
13.05.2015 17:27А как возможная кривизна пространства сочетается с принципом относительности?
Ведь если в искривленном пространстве две материальные точки двигаются параллельно, то они будут сближаться или отдаляться в зависимости от знака кривизны (за счет этого в Hyperrogue легко убегать от толпы монстров :-)). Получается, что на движещиеся твердые тела действует сжимающая или растягивающая сила, перпендикулярная направлению движения, и существует выделенная система отсчета, где эта сила исчезает.int03e
13.05.2015 19:39Наше пространство вроде тоже искривлено, в соответствии с ОТО. Солнце искривляет пространство вокруг него, поэтому Земля и вращается по своей траектории.
potan
13.05.2015 19:48Это искривление привязано к источнику гравитационного поля. То есть есть выделенная инерциальная система, привязанная к центру масс, и ни чего удивительного в том, что можно померять скорость относительно нее.
Для всего пространства такой системы быть, вроде как, не должно.int03e
13.05.2015 19:54Тут я хотел что-то написать, но понял, что цельную картину не хватает воображения представить. Вот насчет «вроде как» хотелось бы что-то почитать/понять.
int03e
13.05.2015 19:58Кстати, на нас (возьмем Землю в пример) действует не только гравитация Солнца. На нас действует Альфа-Центавра, галактика Андромеда, и даже Большая Стена Слоуна. По сути, на нас действуют любые тела в нашей вселенной, только с разной силой и с разных направлений. Их настольно много, что ни о каком конкретном центре масс речь идти не может.
sanchousf
13.05.2015 23:21Можно взять, например, за точку отсчета центр масс вселенной. И если вселенная достаточно тяжелая то будет сфера. А если существуют, достаточно большие, отталкивающие силы то (если не ошибаюсь) седло.
potan
14.05.2015 16:13Если Вселенная бесконечна или замкнута, понятие центра масс не удасться определить корректно.
sanchousf
14.05.2015 21:34Если в физике гдето появляется бесконечность то это, скорее всего, ошибка. И если нет никакой возможности заглянуть дальше определённой границы и то что там не оказывает на нас существенного влияния то нет оснований учитывать то что там есть. Можно посчитать массу известной вселенной и найти её цент мас.
И как сказал int03e, возле нашей планеты пространство искривлено, и это не противоречит ОТО. И я не вижу причин почему искривление пространства вселенной должно противоречить ОТО.
anatoly314
Это перевод?
Xu4
Нет, что вы, просто SLY_G решил, что ему будет удобнее картинки делать на английском языке. :)
Я нашёл оригинал вот здесь: medium.com/starts-with-a-bang/ask-ethan-87-the-shape-of-the-universe-bce004916a33
Автор: Ethan Siegel
ForhaxeD
А почему подобные деяния никак не пресекаются? Ссылки на источник даже нет.