Сколько вселенных во вселенной? Размер вселенной Ли вселенная.

Мы видим звездное небо постоянно. Космос кажется загадочным и необъятным, а мы являемся лишь крохотной частью этого огромного мира, загадочного и безмолвного.

Всю жизнь человечество задается разными вопросами. Что находится там, за пределами нашей галактики? Есть ли что-то за границей космоса? Да и существует ли у космоса граница? Даже ученые долгое время размышляют над этими вопросами. Бесконечен ли космос? В этой статье приведена информация, которой на сегодняшний день располагают ученые.

Границы бесконечного

Считается, что наша Солнечная система образовалась в результате Большого взрыва. Он произошел из-за сильного сжатия материи и разорвал ее, разбросав газы в разные стороны. Этот взрыв дал жизнь галактикам и солнечным системам. Раннее считалось, что возраст Млечного Пути составляет 4,5 миллиардов лет. Однако в 2013 году телескоп «Планк» позволил ученым пересчитать возраст Солнечной системы. Теперь он оценивается в 13,82 миллиардов лет.

Самая современная техника не может охватить весь космос. Хотя новейшие аппараты способны поймать свет звезд, удаленных от нашей планеты на 15 миллиардов световых лет! Это могут быть даже те звезды, которые уже умерли, но их свет все еще путешествует по космосу.

Наша Солнечная система - лишь маленькая часть огромной галактики, которая называется Млечный Путь. Сама же Вселенная вмещает тысячи подобных галактик. И бесконечен ли космос - неизвестно...

То, что Вселенная постоянно расширяется, образуя все новые и новые космические тела, является научным фактом. Вероятно, ее внешний вид постоянно меняется, поэтому миллионы лет назад, как уверены некоторые ученые, она выглядела совершенно иначе, чем сегодня. И если Вселенная растет, то она определенно имеет границы? Сколько Вселенных существует за нею? Увы, этого никто не знает.

Расширение космоса

Сегодня ученые утверждают, что космос расширяется очень быстро. Быстрее, чем они считали раннее. Из-за расширения Вселенной экзопланеты и галактики удаляются от нас с разной скоростью. Но при этом скорость ее роста одинакова и равномерна. Просто эти тела находятся от нас на различном расстоянии. Так, ближайшая к Солнцу звезда, "убегает" от нашей Земли со скоростью 9 см/с.

Теперь ученые ищут ответ еще на один вопрос. Что заставляет Вселенную расширяться?

Темная материя и темная энергия

Темная материя - это гипотетическое вещество. Она не производит энергию и свет, но занимает 80% пространства. О наличии этого неуловимого вещества в космосе ученые догадывались еще в 50 годах прошлого века. Хотя прямых доказательств ее существования не было, сторонников этой теории с каждым днем становилось все больше. Возможно, в ее составе присутствуют неизвестные нам вещества.

Как появилась теория о темной материи? Дело в том, что галактические скопления давно бы разрушились, если бы их массу составляли только видимые нам материалы. В итоге получается, что большая часть нашего мира представлена неуловимым, неизвестным пока нам веществом.

В 1990 году была обнаружена так называемая темная энергия. Ведь раньше физики думали, что сила притяжения работает на замедление, однажды расширение Вселенной прекратится. Но обе команды, которые взялись за изучение этой теории, неожиданно выявили ускорение расширения. Представьте себе, что вы подбрасываете в воздух яблоко и ждете, когда она упадет, но вместо этого оно начинает удаляться от вас. Это говорит о том, что на расширение влияет некая сила, которая была названа темной энергией.

Сегодня ученые устали спорить о том, бесконечен космос или нет. Они пытаются понять, как выглядела Вселенная до Большого взрыва. Однако этот вопрос не имеет смысла. Ведь время и пространство сами по себе так же бесконечны. Итак, рассмотрим несколько теорий ученых о космосе и его границах.

Бесконечность - это...

Такое понятие, как "бесконечность", является одним из наиболее удивительных и относительных понятий. Издавна оно интересует ученых. В реальном мире, в котором мы живем, все имеет конец, в том числе и жизнь. Поэтому бесконечность манит своей таинственностью и даже некоей мистичностью. Бесконечность трудно представить. Но она существует. Ведь именно с ее помощью решается множество задач, и не только математических.

Бесконечность и ноль

Многие ученые уверены в теории бесконечности. Однако израильский математик Дорон Зельбергер не разделяет их мнение. Он утверждает, что существует огромное число и, если прибавить к нему единицу, конечный результат окажется нулевым. Однако данное число лежит так далеко за пределами человеческого понимания, что его наличие никогда не будет доказано. Именно на этом факте базируется математическая философия под названием "Ультрабесконечность".

Бесконечный космос

Есть ли вероятность того, что при сложении двух одинаковых чисел получится то же число? На первый взгляд это кажется абсолютно невозможным, но если речь идет о Вселенной... Согласно расчетам ученых, при отнимании от бесконечности единицы получается бесконечность. При сложении двух бесконечностей вновь выходит бесконечность. А вот если вычесть бесконечность из бесконечности, вероятнее всего, получится единица.

Древние ученые также задавались вопросом о том, существует ли граница у космоса. Их логика была простой и одновременно гениальной. Их теория выражается в следующем. Представьте себе, что вы достигли края Вселенной. Протянули руку за ее границу. Однако рамки мира раздвинулись. И так бесконечно. Представить это очень трудно. Но еще труднее представить, что же существует за ее границей, если она действительно есть.

Тысячи миров

Эта теория гласит, что космос бесконечен. Вероятно, в нем есть миллионы, миллиарды других галактик, которые вмещают в себя миллиарды других звезд. Ведь, если мыслить обширно, все в нашей жизни начинается снова и снова - фильмы следуют один за другим, жизнь, заканчиваясь в одном человеке, начинается в другом.

В мировой науке на сегодняшний день считается общепринятой концепция о многокомпонентной Вселенной. Но сколько Вселенных существует? Никто из нас этого не знает. В других галактиках могут находиться совсем иные небесные тела. В этих мирах господствуют совершенно другие законы физики. Но как доказать их наличие экспериментальным способом?

Сделать это можно лишь обнаружив взаимодействие между нашей Вселенной и другими. Это взаимодействие происходит через некие кротовые норы. Но как найти их? Одно из последних предположений ученых гласит, что такая нора есть прямо в центре нашей Солнечной системы.

Ученые предполагают, что в том случае, если космос бесконечен, где-то на его просторах находится двойник нашей планеты, а, возможно, и всей Солнечной системы.

Другое измерение

Еще одна теория гласит, что размеры космоса имеют пределы. Все дело в том, что ближайшую мы видим такой, какой она была миллион лет назад. Еще дальше - значит еще раньше. Расширяется не космос, расширяется пространство. Если мы сможем превысить скорость света, зайдем за границу космоса, то попадем в прошлое состояние Вселенной.

А что же находится за этой пресловутой границей? Возможно, другое измерение, без пространства и времени, которое только может представить наше сознание.

Показана возможность избежания сингулярности Большого Взрыва а, следовательно, и гарантирования вечности Вселенной не только в будущем, но и в прошлом. Реальность вечности Вселенной подтверждается результатами наблюдений далеких сверхновых звезд и основывается на отсчете космологического времени в несопутствующей веществу системе отсчета, в которой по гипотезе Вейля галактики расширяющейся Вселенной квазинеподвижны.

Is Universe Eternal?

The possibility to avoid the singularity of Big Bang of the Universe in general theory of relativity, and thereby – the possibility to guarantee Universe eternity not only in future, but also in the past, is shown. The reality of Universe eternity is confirmed by the results of observations of distant supernovas and is based on the counting of cosmological time in the frame of reference not co-moving with matter, in which by the Weyl hypothesis galaxies of expanding Universe are quasimotionless.

Введение

1. Анализ исследований и публикаций.

2. Постановка задачи.

3. О невозможности прямого отсчета космологического времени в СО мира людей.

4. Выбор и верификация системы отсчета космологического времени.

5. Обоснование результатов астрономических наблюдений сверхновых.

Реферат

Космогонические вопросы «вечности» и «бесконечности» Вселенной будоражили умы философов и астрономов (астрологов) издревле. Обращение к ним можно найти в древнеиндийских «Ведах», «Махабхарате», «Авесте» и в произведениях античных авторов. Наиболее важную роль в истории философии и космологии все же сыграли «антиномии», сформулированные Кантом в своем главном труде – «Критике чистого разума»:

Тезис. Мир имеет начало во времени и ограничен также в пространстве.

Антитезис. Мир не имеет начала во времени и границ в пространстве; он бесконечен и во времени и в пространстве .

Нестационарные решения уравнений гравитационного поля общей теории относительности (ОТО), найденные Фридманом , а также гипотеза Большого Взрыва Вселенной, выдвинутая Гамовым, казалось бы «сдвинули чашу весов» в пользу конечности «возраста» Вселенной. Тем более что обнаруженное астрономами смещение длин волн излучения далеких галактик в красную область спектра и установленная Хабблом линейная зависимость от расстояния скорости удаления от наблюдателя галактик расширяющейся Вселенной, казалось бы, тоже подтверждали это. Однако сразу же возникли принципиально не имеющие ответа философские вопросы: «А что же было до этого Большого Взрыва?» и «В чем же размещалось до этого и расширяется сейчас изначально сжатое в точку пространство?»

Анализ исследований и публикаций

Философскими проблемами пространства и времени занимались многие философы, как за рубежом, так и в СССР. Особо следует отметить Венский и Берлинский кружки так называемых «аналитических философов», слишком огрубленно зачисляемых у нас целиком по ведомству «неопозитивизма» . Это представители «левого» (Шлик, Нейрат и др.) и «правого» (Крафт и др.) крыла, а также «центристы» (Карнат, Рейхенбах). Одним из самых обстоятельных исследований философских проблем пространства и времени, не утратившим актуальности и сейчас (особенно в части топологических свойств пространства и времени) является исследование Рейхенбаха .

Результаты обобщения исследований по вопросам «вечности» и «бесконечности» Вселенной изложены в работах . Однако все они преимущественно базируются на теории Большого Взрыва Вселенной. Среди оригинальных идей, развивающих теорию Большого Взрыва, следует отметить гипотезу колебательного режима приближения к особой точке (космологической сингулярности) , а также нефридмановские космологические модели с замкнутым мировым временем . Однако эти модели ведут к отступлению от принципа причинности и к нарушению аксиом временного порядка.

Из альтернативных теорий наибольшего внимания заслуживает теория Голда–Бонди–Хойла , согласно которой вблизи горизонта видимости любого астрономического тела происходит непрерывное зарождение вещества. Если под «зарождением вещества» понимать лишь «актуализацию» виртуального состояния элементарных частиц (переход физического вакуума от хаотического возбужденного состояния, в котором в нем содержались лишь плотно «упакованные» виртуальные проточастицы) и рассматривать этот процесс не в космологическом времени, а в собственном времени какого-либо астрономического тела, то это будет формально соответствовать рассмотренному в и обосновываемому здесь эволюционному процессу расширения Вселенной. Ведь в соответствии с этим процессом с каждым событием, произошедшим в ближайшей окрестности наблюдателя, одновременным по его часам всегда является на горизонте видимости лишь бесконечно далекое космологическое прошлое Вселенной. И это связано с несоблюдением в собственном времени самосжимающегося вещества одновременности в разных точках его собственного пространства событий, одновременных в космологическом времени.

Из результатов астрономических исследований, способствующих решению исследуемой проблемы, следует отметить обнаружение у сверхновых с умеренно и чрезвычайно высоким красным смещением спектра излучения более тусклого свечения, чем это ожидалось при гораздо меньшей дальности, определяемой до них согласно линейной зависимости Хаббла . Такой результат заставил астрономов и астрофизиков перейти от концепции замедляющегося расширения к концепции ускоряющегося расширения Вселенной. А это в свою очередь привело к необходимости обязательного введения в уравнения гравитационного поля ОТО космологического λ-члена, ответственного за «антигравитацию». При не нулевом же значении космологической постоянной λ в жесткой системе отсчета пространственных координат и времени (СО), соответствующей решению Шварцшильда, возникает статический горизонт видимости, на котором несобственное (координатное) значение скорости света равно нулю .

Независимость же от времени радиуса этого горизонта указывает на то, что он не может быть горизонтом событий а, следовательно, и не может соответствовать теории Большого Взрыва Вселенной. При этом гравитационное поле, заставляющее далекие астрономические объекты свободно (инерциально) падать на горизонт видимости, однако и не позволяющее им никогда достичь его, является принципиально устранимым соответствующими преобразованиями координат и времени. И, следовательно, этот горизонт может быть сформирован лишь за счет неравномерных лоренцевых сокращений радиальных отрезков в мировом пространстве и бесконечно большого на нем лоренцева замедления времени, что вызвано самосжатием в этом пространстве, как самого астрономического тела, так и жестко связанного с ним его собственного пространства .

Важную роль в физической трактовке кривизны и в конформной трактовке бесконечности пространства и времени сыграли работы Пуанкаре (так называемая сфера Пуанкаре ) и Пенроуза . Для решения рассматриваемой здесь проблемы чрезвычайно важны, как исследования Вейля по калибровочной инвариантности мира людей к масштабным преобразованиям пространства, приводящим к его метрической неоднородности (анизометрии) для вещества , так и гипотеза Вейля о существовании несопутствующей веществу СО, в которой галактики расширяющейся Вселенной квазинеподвижны, то есть совершают лишь малые пекулярные движения . В этой СО Вейля вместо явления расширения Вселенной имеет место принципиально ненаблюдаемое в СО вещества явление калибровочного для мира людей самосжатия этого вещества в мировом пространстве (абсолютном пространстве Ньютона – Вейля ). К СО Вейля, ввиду отсутствия в ней явления расширения Вселенной, могут быть адаптированы теории стационарной Вселенной многих авторов. Хотя эти теории базируются и на ином (не связанном с калибровочным постепенным самосжатием вещества в мировом пространстве) механизме эволюционного уменьшения частоты излучения, космологические возрасты событий в далеком прошлом Вселенной, предсказываемые некоторыми из них, более соответствуют результатам астрономических наблюдений, нежели возрасты, предсказываемые теорией Большого Взрыва.

Постановка задачи

Ковариантность уравнений гравитационного поля ОТО относительно преобразований пространственных координат и времени а, следовательно, и их независимость от формирования пространственно-временных континуумов (ПВК) и соответствующих им СО создают проблемы выбора этих ПВК и СО и их верификации (установления соответствия выбранных ПВК и СО какой-либо физической реальности). В соответствии с этим основной задачей, которую необходимо решить для получения ответа на вопрос: «Вечна ли Вселенная?», является поиск и обоснование фундаментального ПВК, в СО которого следует отсчитывать космологическое время.

О невозможности прямого отсчета космологического времени в СО мира людей

Если, основываясь на антропоцентризме (благодаря которому человечество в течение многих тысячелетий считало, что Земля абсолютно неподвижна, а Солнце и звёзды перемещаются по небосводу), мы будем отсчитывать космологическое время в мире людей, то неизбежно придём к концепции Большого Взрыва и к конечности возраста Вселенной. Тем самым будет констатироваться возможность зарождения Вселенной «неизвестно где и в чём» (из гипотетического её «точечного» состояния) а, следовательно, неизбежно возникнет и принципиально не имеющий ответа философский вопрос: «А что же всё-таки было до этого?». К тому же мы придем и к выводу, что все физические процессы, и в том числе эволюционные, в галактиках, удаляющихся от нас со скоростью Хаббла, протекают в космологическом времени значительно медленнее, чем на Земле. Ведь в них происходит релятивистское (лоренцево) замедление хода времени. Поэтому прямое (без дополнительных преобразований показаний часов) использование времени, отсчитываемого в сопутствующей веществу СО мира людей, неприемлемо для определения промежутков космологического времени между событиями на далеких объектах Вселенной.

Выбор и верификация системы отсчета космологического времени

Расширение Вселенной, аналогично ежедневному перемещению Солнца по небосводу, можно рассматривать лишь как вторичное явление, наблюдаемое в некоторой избранной СО – СО мира людей и являющееся следствием какого-либо первичного процесса, происходящего в фундаментальной СО – СО неувлекаемого движущимся веществом физического вакуума . Эта фундаментальная СО ПВК физического вакуума является тождественной СО Вейля и в ней идентичные физические процессы протекают с одинаковой скоростью во всех точках с пренебрежительно малыми или же одинаковыми потенциалами принципиально неустранимого гравитационного поля. Поэтому отсчитываемое в СО Вейля время T (r, t ) = T i + (t – t i ) – F (r, r b )H /c , темп течения которого не отличается от темпа течения собственного координатного (астрономического) времени t , отсчитываемого в СО вещества (в СО мира людей), вполне может претендовать на роль космологического времени. Здесь: F (r, r b ) – функция, зависящая лишь от значений фотометрического радиуса r в собственном пространстве вещества и определяющая взаимную десинхронизацию космологического времени и собственного времени вещества в точках пространства, удаленных от точки i синхронизации отсчетов этих времен; H = c (λ/ 3) 1/2 и c – соответственно постоянная Хаббла и постоянная (собственное значение) скорости света.

Чтобы это претендование соответствовало физической реальности, мы должны исходить из псевдодиссипативности среды эволюционирующего («стареющего») физического вакуума. В соответствии с синергетикой лишь только тогда и обеспечивается возможность непрерывной самоорганизации в физическом вакууме самоподдерживающихся автоволновых структурных элементов (виртуальных элементарных частиц), регистрируемых в ядерных исследованиях. Принципиально ненаблюдаемая в СО вещества эволюционная самостягиваемость в СО Вейля сходящихся спиральноволновых образований, соответствующих элементарным частицам вещества , и является ответственной за калибровочное для мира людей непрерывное уменьшение размеров вещества в мировом пространстве СО Вейля, а следовательно, и за явление расширения Вселенной в СО мира людей.

Поэтому расстояния между квазинеподвижными в СО Вейля галактиками постепенно удлиняются в СО, сопутствующих эволюционно самосжимающемуся веществу, не из-за расширения космического пространства в «никуда», а из-за монотонного сокращения в СО Вейля вещественного эталона длины. Обусловленность же процесса, который имеет место в мегамире, процессами, которые происходят в микромире, хорошо согласуется с наличием многих соответствий в соотношениях между атомными, гравитационными и космологическими характеристиками – «большими числами» Эддингтона–Дирака . При этом она гарантирует вечное существование Вселенной, как в прошлом, так и в будущем и не противоречит современным физическим представлениям.

Такое калибровочное (для собственного наблюдателя) самосжатие вещества, которое проявляется в релятивистском сокращении размеров движущегося тела, впервые было признано физически реальным в специальной теории относительности. В ОТО оно вызвано влиянием гравитационного поля на вещество и может быть довольно значительным при релятивистском гравитационном коллапсе. Однако, если при перемещении вещества вдоль силовых линий гравитационного поля происходит калибровочное самодеформирование его в мировом пространстве, то тогда почему оно не может быть возможным и при «перемещении» тела лишь во времени? Ведь, благодаря объединению пространства и времени в единый ПВК (четырехмерное пространство-время Минковского) координатное время в ОТО равноценно пространственным координатам.

Таким образом, если исходить из познаваемости не только наблюдаемых, но и принципиально скрытых от наблюдения (калибровочных) физических процессов, то проблема выбора между антропоцентрической СО, соответствующей Большому Взрыву Вселенной, и СО Вейля, соответствующей эволюционному процессу калибровочного самосжатия вещества в мировом пространстве, может быть решена в пользу последней (как не ставящей на пути познания природы принципиально неразрешимых вопросов и, поэтому, гносеологически более приемлемой).

Обоснование результатов астрономических наблюдений сверхновых

В пределах горизонта видимости собственного метрического пространства эволюционно самосжимающегося в СО Вейля тела заключено все бесконечное пространство СО Вейля, так что из-за горизонта видимости не могут появиться, как и скрыться за ним, никакие астрономические объекты . С любым событием (где бы и когда бы оно ни произошло) на горизонте видимости одновременным всегда является бесконечно далекое прошлое. Поэтому устанавливаемый уравнениями гравитационного поля горизонт видимости собственного пространства любого астрономического тела фактически является псевдогоризонтом прошлого. Ввиду, как неподвижности горизонта видимости в собственном метрическом пространстве любого астрономического тела, так и неизменности (при неизменном гравитационном радиусе r g = const (t ) тела) его фотометрического радиуса r c разбегание от наблюдателя далеких галактик нельзя рассматривать буквально как расширение Вселенной в этом пространстве. Эти галактики свободно «падают» на неподвижный горизонт видимости, однако, не в состоянии никогда его достичь, ввиду принадлежности его лишь бесконечно далекому космологическому прошлому. Более высокая концентрация астрономических объектов возле горизонта видимости, обусловленная этим, и конечность собственного пространства физического тела, однако, не обнаруживаются в процессе астрономических наблюдений. Это связано с определением расстояний до далеких звезд непосредственно по их концентрации в определенном телесном угле, исходя из предположения о равномерном распределении их в пространстве, а также по их светимости L ν (Φ ν , r A , r i ), оцениваемой количеством квантов энергии в потоке Φ ν , исходя из предположения об изотропности их светимости. Однако же, это справедливо лишь для евклидова пространства СО Вейля, а не для собственного пространства вещества, имеющего кривизну. И, следовательно, в процессе любых наблюдений определяется не фотометрическое радиальное расстояние r A до далекого объекта A в конечном неевклидовом собственном пространстве тела, из точки i которого ведутся наблюдения. На самом деле, определяется непрерывно перенормируемое радиальное расстояние до объекта A в бесконечном евклидовом пространстве СО Вейля:

R A * = R A R i " * / R i = R A r i / R i " =
= r A (c – Hr i ) / (c – Hr A ) ≈ r A (r c – r i ) / (r c – r A ) >> r A ,

где при r i >> r g : r c ≈ c /H . Это расстояние до объекта A имеет место в момент космологического времени, в который объект A испустил излучение. Определяется же оно с помощью метрической шкалы, откалиброванной по вещественному эталону длины у наблюдателя, однако, не в момент испускания, а в момент регистрации излучения в точке i (R i " * = r i ). Поэтому то расстояния R A *, определяемые по светимости в максимуме блеска сверхновых с умеренно (0,3 z z > 1) высокими значениями смещения z = Δλ c / i i λ c ≈ HR A */c длины волны излучения λ с в красную область спектра, значительно и превышают хаббловы фотометрические расстояния r A ≈ v AH / H до этих сверхновых в собственном пространстве наблюдателя . И, следовательно, «несоответствие» зависимости Хаббла расстояний до сверхновых с умеренно и чрезвычайно высоким длинноволновым смещением спектра излучения никоим образом не вызвано постепенным увеличением значения постоянной Хаббла, предусматриваемым гипотезой «ускоряющегося расширения Вселенной» . Оно лишь подтверждает обоснованность отсчета космологического времени в СО Вейля.

К тому же из-за несоблюдения одновременности в собственном времени вещества событий, имеющих одинаковый космологический возраст, при нестабильности значения постоянной Хаббла в космологическом времени ее величина была бы неодинаковой в разных точках пространства в один и тот же момент собственного времени любого астрономического объекта расширяющейся Вселенной. Это же, как и следовало ожидать, в астрономических наблюдениях отсутствует. Однако, несмотря на строго экспоненциальное ускорение расширения Вселенной, вызванная самосжатием вещества в СО Вейля «антигравитация» в собственной СО любого астрономического тела конечно присутствует. При этом космологическая постоянная уравнений гравитационного поля однозначно определяется постоянной Хаббла, значение которой неизменно не только в пространстве, но и во времени.

Наблюдаемое в точке i уменьшение частоты j i ν c A излучения источника A , условно неподвижного в мировом пространстве СО Вейля и движущегося в точке j в собственной СО наблюдателя со скоростью Хаббла, определяется при пренебрежении слабой напряженностью собственного гравитационного поля на излучающей поверхности источника следующим образом :

j i β ν A = j i ν c A / i i ν c = 1/(1 + z ) =
= exp [H (T j – T i )] ≈ 1 – Hr A / c ≈ (1 + HR A */c ) –1 ,

где: r A = r j , r g r i r j r c . Совершенно такая же зависимость смещения z спектра излучения далекого астрономического объекта от длительности космологического времени ΔT = T i – T j распространения этого излучения к наблюдателю имеет место и в большинстве теорий стационарной Вселенной. Статистический анализ результатов наблюдения сверхновых звезд , выполненный в работе , подтверждает хорошее соответствие этой зависимости результатам наблюдений сверхновых.

При не слишком большом расстоянии до источника излучения это уменьшение мало отличается от псевдодоплеровского уменьшения частоты, не учитывающего связанной с явлением расширения Вселенной физической неоднородности собственного пространства наблюдателя (эта неоднородность заключается в неодинаковости наблюдаемых из точки i несобственных значений скорости света j i ν c в других точках этого пространства). На больших же расстояниях влияние на него физической неоднородности собственного пространства наблюдателя очень существенно. Поэтому используемое в космологии нормированное по скорости света псевдодоплеровское значение скорости удаления объектов расширяющейся Вселенной является немного завышенным по сравнению с его истинным значением

j i ν AH / j i ν c ≈ Hr A / c ≈ HR A * / (c + HR A *).

Однако оно является существенно меньшим его псевдохабблова значения

j i v APH / j i v c ≈ HR A * / c >> Hr 7 / c .

В соответствии с этим при использовании псевдодоплеровского смещения частоты излучения (не учитывающего физической неоднородности собственного пространства эволюционно самосжимающегося тела, в СО которого ведется наблюдение) также определяется значение расстояния, более близкое к непрерывно перенормируемому значению расстояния в мировом пространстве СО Вейля, а не к фотометрическому значению расстояния в собственном пространстве наблюдателя.

Выводы

Рассмотренный здесь гносеологический подход к формированию СО в ОТО и определяемая им верификация этих СО позволяют уйти от константирования физической реальности такого псевдособытия как Большой Взрыв Вселенной. Космологическая сингулярность ОТО соответствует бесконечно далекому космологическому прошлому Вселенной и, поэтому, на самом деле она физически не реализуется. Процесс расширения вечной Вселенной является бесконечно долгим эволюционным процессом, не имеющим ни начала, ни конца. Вызван этот процесс эволюционной изменчивостью свойств физического вакуума и непрерывной «адаптацией» элементарных частиц вещества к постоянно обновляемым условиям их взаимодействия. Все это хорошо согласуется, как с ОТО и с синергетикой, так и с результатами астрономических наблюдений.

Источники информации:

1. Кант И. Сочинения в шести томах, т. 3.
2. Фридман А.А. О кривизне пространства // УФН, 1967, т. 93, №2, С. 280.
3. Акчурин И.А. Методологический анализ концепций пространства и времени Рейхенбаха // Г. Рейхенбах. Философия пространства и времени – М.: Прогресс, 1985. – С. 323...334.
4. Рейхенбах Г. Философия пространства и времени. – М.: Прогресс, 1985. – 313 с.
5. Мелюхин С.Т. Проблема конечного и бесконечного. – М.: Госполитиздат, 1958. – 262 с.
6. Мостепаненко А.М. Пространство и время в макро-, мега- и микромире. – М.: Политиздат, 1974. – 240 с.
7. Чудинов Э.М. Теория относительности и философия. – М.: Политиздат, 1974. – 304 с.
8. Турсунов А. Философия и современная космология. – М.: Политиздат, 1977. – 191 с.
9. Кармин А.С. Познание бесконечного. – М.: Мысль, 1981. – 214 с.
10. Белинский В.А., Лифшиц Е.М., Халатников И.М. Колебательный режим приближения к особой точке в релятивистской космологии // УФН, 1970, т. 102, №3.
11. Уитроу Дж.Дж. Естественная философия времени. – М., 1964.
12. Иваненко Д.Д. Актуальность теории гравитации Эйнштейна // Проблемы физики: классика и современность / ред. Г.-Ю. Тредер – М.: Мир, 1982. С. 127...154.
13. Bondi H. Cosmology. – Cambridge, 2nd Ed., 1960.
14. Даныльченко П.И. Основы калибровочно-эволюционной теории Мироздания (пространства, времени, тяготения и расширения Вселенной). – Винница, 1994. – 78 с.; . Интернет-издание , 2005.
15. Даныльченко П.И. О возможностях физической нереализуемости космологической и гравитационной сингулярностей в ОТО // Калибровочно-эволюционная интерпретация специальной и общей теорий относительности . – Вінниця: О. Власюк, 2004. – С. 35...81.
16. Даныльченко П.И. Пространство-время: физическая сущность и заблуждения // Sententiae, спецвипуск №3, Філософія і космологія. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2004. – С. 47...55.
17. Даныльченко П.И. Гносеологический подход к формированию систем отсчета в ОТО // Сборник материалов научно-практического семинара «Проблемы верификации в электоральном процессе». – Керчь, 2004. – С. 56...61.
18. Perlmutter S. et al. Measurements of Omega and Lambda from 42 High-Redshift Supernovae // Astrophys. J. – 1999, v. 517, – P. 565...586.
19. Даныльченко П.И. Физическая сущность сингулярностей в шварцшильдовом решении уравнений гравитационного поля ОТО // Sententiae, спецвипуск №1, Філософія і космологія. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2005. – С. 95...104.
20. Пуанкаре А. О науке. – М.: Наука, 1983. – С. 5...152.
21. Сойер У. Прелюдия к математике. – М.: Просвещение, 1972. – С. 72...75.
22. Пенроуз Р. Конформная трактовка бесконечности // Гравитация и топология. Актуальные проблемы / ред. Д. Иваненко. – М.: Мир, 1966. – С. 152...181.
23. Пенроуз Р. Структура пространства-времени. – М.: Мир, 1972. – С. 183.
24. Утияма Р. К чему пришла физика? (От теории относительности к теории калибровочных полей). – М.: Знание, 1986. – С. 153...177.
25. Weyl H. Raum-Zeit-Materie, 5-th ed. – Berlin, 1923.
26. Weyl H. Phys. Z., 1923, b. 24, S. 230.
27. Weyl H. Philos. Mag., 1930, v. 9, P. 936.
28. Мёллер К. Теория относительности. – М.: Атомиздат, 1975. – С. 400.
29. Даныльченко П.И. Спиральноволновая природа элементарных частиц // Матеріали Міжнародної наукової конференції «Д.Д. Іваненко – видатний фізик-теоретик, педагог». (23...24 вересня 2004 р.) – Полтава, 2004. – С. 44...55.
30. Дирак П.А.М. Космология и гравитационная постоянная // Воспоминания о необычайной эпохе / ред. Я. Смородинский. – М.: Нака, 1990. – С. 178...188.
31. Горелик Г.Е. История релятивистской космологии и совпадение больших чисел // Эйнштейновский сборник 1982...1983 / ред. И. Кобзарев. – М.: Наука, 1986. – С. 302.
32. Riess A. et al. Type Ia Supernova Discoveries at z>1 From the Hubble Space Telescope: Evidence for Past Deceleration and Constraints on Dark Energy Evolution // Astrophysical Journal, 2004, v. 607. – P. 665...687.
33. Цветков Д.Ю., Павлюк Н.Н., Братунов О.С., Псковский Ю.П.

Доктор педагогических наук Е. ЛЕВИТАН.

Вглядитесь в недостижимые ранее глубины Вселенной.

Любознательный пилигрим добрался до "края света" и пытается увидеть: а что же там, за краем?

Иллюстрация к гипотезе рождения метагалактик из распадающегося гигантского пузыря. Пузырь вырос до огромных размеров на стадии стремительного "раздувания" Вселенной. (Рисунок из журнала "Земля и Вселенная".)

Не правда ли, странное название статьи? Разве Вселенная не одна? К концу ХХ века выяснилось, что картина мироздания неизмеримо сложнее той, которая представлялась совершенно очевидной сто лет назад. Ни Земля, ни Солнце, ни наша Галактика не оказались центром Вселенной. На смену геоцентрической, гелиоцентрической и галактоцентрической системам мира пришло представление о том, что мы живем в расширяющейся Метагалактике (наша Вселенная). В ней бесчисленное множество галактик. Каждая, как и наша, состоит из десятков или даже сотен миллиардов звезд-солнц. И нет никакого центра. Обитателям каждой из галактик лишь кажется, что именно от них во все стороны разбегаются другие звездные острова. Несколько десятилетий назад астрономы могли лишь предполагать, что где-то существуют планетные системы, подобные нашей Солнечной. Сейчас - с высокой степенью достоверности называют ряд звезд, у которых обнаружены "протопланетные диски" (из них когда-нибудь сформируются планеты), и уверенно говорят об открытии нескольких планетных систем.

Процесс познания Вселенной бесконечен. И чем дальше, тем все более дерзкие, порой кажущиеся совершенно фантастическими, задачи ставят перед собой исследователи. Так почему же не предположить, что астрономы откроют когда-нибудь другие вселенные? Ведь вполне вероятно, что наша Метагалактика - это не вся Вселенная, а только какая-то ее часть...

Едва ли современные астрономы и даже астрономы очень далекого будущего смогут когда-нибудь увидеть собственными глазами другие вселенные. И все же наука уже сейчас располагает некоторыми данными о том, что наша Метагалактика может оказаться одной из множества мини-вселенных.

Вряд ли кто-нибудь сомневается в том, что жизнь и разум могут возникнуть, существовать и развиваться лишь на определенном этапе эволюции Вселенной. Трудно вообразить, что какие-то формы жизни появились раньше, чем звезды и движущиеся вокруг них планеты. Да и не всякая планета, как мы знаем, пригодна для жизни. Необходимы определенные условия: довольно узкий интервал температур, состав воздуха, пригодный для дыхания, вода... В Солнечной системе в таком "поясе жизни" оказалась Земля. А наше Солнце, вероятно, расположено в "поясе жизни" Галактики (на определенном расстоянии от ее центра).

Таким образом сфотографировано много чрезвычайно слабых (по блеску) и далеких галактик. У наиболее ярких из них удалось рассмотреть некоторые подробности: структуру, особенности строения. Блеск самых слабых из получившихся на снимке галактик - 27,5 m , а точечные объекты (звезды) еще слабее (до 28,1 m)! Напомним, что невооруженным глазом люди с хорошим зрением и при самых благоприятных условиях наблюдения видят звезды примерно 6 m (это в 250 миллионов раз более яркие объекты, чем те, у которых блеск 27 m).
Создаваемые ныне подобные наземные телескопы по своим возможностям уже сравнимы с возможностями космического телескопа Хаббла, а в чем-то даже превосходят их.
А какие условия нужны для того, чтобы возникли звезды и планеты? Прежде всего, это связано с такими фундаментальными физическими константами, как постоянная тяготения и константы других физических взаимодействий (слабого, электромагнитного и сильного). Численные значения этих констант физикам хорошо известны. Даже школьники, изучая закон всемирного тяготения, знакомятся с константой (постоянной) тяготения. Студенты из курса общей физики узнают и о константах трех других видов физического взаимодействия.

Сравнительно недавно астрофизики и специалисты в области космологии осознали, что именно существующие значения констант физических взаимодействий необходимы, чтобы Вселенная была такой, какая она есть. При других физических константах Вселенная была бы совершенно иной. Например, время жизни Солнца могло быть всего 50 миллионов лет (этого слишком мало для возникновения и развития жизни на планетах). Или, скажем, если бы Вселенная состояла только из водорода или только из гелия - это тоже сделало бы ее совершенно безжизненной. Варианты Вселенной с иными массами протонов, нейтронов, электронов никак не подходят для жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Расчеты убеждают: элементарные частицы нам нужны именно такие, какие они есть! И размерность пространства имеет фундаментальное значение для существования как планетных систем, так и отдельных атомов (с движущимися вокруг ядер электронами). Мы живем в трехмерном мире и не могли бы жить в мире с большим или меньшим числом измерений.

Получается, что во Вселенной все будто "подогнано" так, чтобы жизнь в ней могла появиться и развиваться! Мы, конечно, нарисовали очень упрощенную картину, потому что в возникновении и развитии жизни огромную роль играют не только физика, но и химия, и биология. Впрочем, при иной физике иными могли бы стать и химия, и биология...

Все эти рассуждения приводят к тому, что в философии называют антропным принципом. Это попытка рассматривать Вселенную в "человекомерном" измерении, то есть с точки зрения его существования. Сам по себе антропный принцип не может объяснить, почему Вселенная такова, какой мы ее наблюдаем. Но он в какой-то степени помогает исследователям формулировать новые задачи. Например, удивительную "подгонку" фундаментальных свойств нашей Вселенной можно рассматривать как обстоятельство, свидетельствующее об уникальности нашей Вселенной. А отсюда, похоже, один шаг до гипотезы о существовании совершенно других вселенных, миров, абсолютно не похожих на наш. И их число в принципе может быть неограниченно огромным.

Теперь попробуем приблизиться к проблеме существования других вселенных с позиций современной космологии, науки, изучающей Вселенную как целое (в отличие от космогонии, которая исследует происхождение планет, звезд, галактик).

Вспомните, открытие того, что Метагалактика расширяется, почти сразу же привело к гипотезе о Большом взрыве (см. "Наука и жизнь" № 2, 1998 г.). Считается, что он произошел примерно 15 миллиардов лет назад. Очень плотное и горячее вещество проходило одну за другой стадии "горячей Вселенной". Так, через 1 миллиард лет после Большого взрыва из образовавшихся к тому времени облаков водорода и гелия стали возникать "протогалактики" и в них - первые звезды. Гипотеза "горячей Вселенной" основывается на расчетах, позволяющих проследить историю ранней Вселенной начиная буквально с первой секунды.

Вот что об этом писал наш известный физик академик Я. Б. Зельдович: "Теория Большого взрыва в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков. Я бы даже сказал, что она столь же надежно установлена и верна, сколь верно, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени, и обе имели много противников, утверждавших, что новые идеи, заложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу. Но подобные выступления не в состоянии препятствовать успеху новых теорий".

Это было сказано в начале 80-х годов, когда уже делались первые попытки существенно дополнить гипотезу "горячей Вселенной" важной идеей о том, что происходило в первую секунду "творения", когда температура была выше 10 28 К. Сделать еще один шаг к "самому началу" удалось благодаря новейшим достижениям физики элементарных частиц. Именно на стыке физики и астрофизики стала развиваться гипотеза "раздувающейся Вселенной" (см. "Наука и жизнь" № 8, 1985 г.). По своей необычности гипотеза "раздувающейся Вселенной" может быть вполне отнесена к числу самых "сумасшедших". Однако из истории науки известно, что именно такие гипотезы и теории нередко становятся важными вехами на пути развития науки.

Суть гипотезы "раздувающейся Вселенной" в том, что в "самом начале" Вселенная чудовищно быстро расширялась. За какие-нибудь 10 -32 с размер рождающейся Вселенной вырос не в 10 раз, как это полагалось бы при "нормальном" расширении, а в 10 50 или даже в 10 1000000 раз. Расширение происходило ускоренно, а энергия в единице объема оставалась неизменной. Ученые доказывают, что начальные моменты расширения происходили в "вакууме". Слово это здесь поставлено в кавычках, поскольку вакуум был не обычным, а ложным, ибо трудно назвать обычным "вакуум" плотностью10 77 кг/м 3 ! Из такого ложного (или физического) вакуума, обладавшего удивительными свойствами (например, отрицательным давлением), могла образоваться не одна, а множество метагалактик (в том числе, конечно, и наша). И каждая из них - это мини-вселенная со своим набором физических констант, своей структурой и другими присущими ей особенностями (подробнее об этом см. "Земля и Вселенная" № 1, 1989 г.).

Но где же эти "родственники" нашей Метагалактики? По всей вероятности, они, как и наша Вселенная, образовались в результате "раздувания" домен ("домены" от французского domaine - область, сфера), на которые немедленно разбилась очень ранняя Вселенная. Поскольку каждая такая область раздулась до размеров, превышающих нынешний размер Метагалактики, то их границы удалены одна от другой на огромные расстояния. Возможно, ближайшая из мини-вселенных находится от нас на расстоянии порядка 10 35 световых лет. Напомним, что размер Метагалактики "всего" 10 10 световых лет! Получается, что не рядом с нами, а где-то очень-очень далеко друг от друга существуют иные, вероятно, совершенно диковинные, по нашим понятиям, миры...

Итак, возможно, что мир, в котором мы живем, значительно сложнее, чем предполагалось до сих пор. Вполне вероятно, что он состоит из бесчисленного множества вселенных во Вселенной. Об этой Большой Вселенной, сложной, удивительно многообразной, мы пока практически ничего не знаем. Но одно все-таки, кажется, знаем. Какими бы ни были далекие от нас другие мини-миры, каждый из них реален. Они не вымышлены, подобно некоторым модным ныне "параллельным" мирам, о которых сейчас нередко толкуют люди, далекие от науки.

Ну, а что же все-таки, в конце концов, получается? Звезды, планеты, галактики, метагалактики все вместе занимают лишь самое крошечное место в безграничных просторах чрезвычайно разреженного вещества... И больше во Вселенной ничего нет? Уж слишком просто... В это как-то даже трудно поверить.

И астрофизики уже давно что-то ищут во Вселенной. Наблюдения свидетельствуют о существовании "скрытой массы", какой-то невидимой "темной" материи. Ее нельзя увидеть даже в самый мощный телескоп, но она проявляет себя своим гравитационным воздействием на обычное вещество. Еще совсем недавно астрофизики предполагали, что в галактиках и в пространстве между ними такой скрытой материи примерно столько же, сколько и наблюдаемого вещества. Однако в последнее время многие исследователи пришли к еще более сенсационному выводу: "нормального" вещества в нашей Вселенной - не более пяти процентов, остальное - "невидимки".

Предполагают, что из них 70 процентов - это равномерно распределенные в пространстве квантомеханические, вакуумные структуры (именно они обусловливают расширение Метагалактики), а 25 процентов - различные экзотические объекты. Например, черные дыры малой массы, почти точечные; очень протяженные объекты - "струны"; доменные стенки, о которых уже мы упоминали. Но кроме таких объектов "скрытую" массу могут составлять целые классы гипотетических элементарных частиц, например "зеркальных частиц". Известный российский астрофизик академик РАН Н. С. Кардашев (когда-то очень давно мы с ним оба были активными членами астрономического кружка при Московском планетарии) предполагает, что из "зеркальных частиц" может состоять невидимый нами "зеркальный мир" со своими планетами и звездами. А вещества в "зеркальном мире" примерно в пять раз больше, чем в нашем. Оказывается, у ученых есть некоторые основания предполагать, что "зеркальный мир" как бы пронизывает наш. Вот только найти его пока не удается.

Идея почти сказочная, фантастическая. Но как знать, может быть, кто-нибудь из вас - нынешних любителей астрономии - станет исследователем в грядущем ХХI веке и сумеет раскрыть тайну "зеркальной Вселенной".

Публикации по теме в "Науке и жизни"

Шульга В. Космические линзы и поиск темного вещества во Вселенной. - 1994, № 2.

Ройзен И. Вселенная между мгновением и вечностью. - 1996, №№ 11, 12.

Сажин М., Шульга В. Загадки космических струн. - 1998, № 4.

Здравый смысл подсказывает, что люди никогда не узнают наверняка, как образовалась Вселенная. Сама по себе возникла? Или кто-то создал? С трудом верится, что можно получить точные ответы и на другие фундаментальные вопросы. Бесконечна ли она? Или у мироздания все-таки есть край. И вообще — что оно собой представляет?

Однако физиков не смущает неопределенность — регулярно одаривают человечество оригинальными гипотезами. И вот самая поразительная из них: Вселенная — это голограмма. Эдакая проекция.

Первым со столь неожиданной идеей выступил Дэвид Бом (David Bohm) — физик из Лондонского университета. Еще в 80-е годы. После того как его коллега из Парижского университета Элэйн Аспект (Alain Aspect) экспериментально показал: элементарные частицы могут мгновенно обмениваться информацией на любом расстоянии — хоть в миллионы световых лет. То есть вопреки Эйнштейну осуществлять взаимодействия со сверхсветовой скоростью и, по сути, преодолевать временной барьер. Такое, предположил Бом, может быть, если только наш мир — голограмма. И каждый ее участок содержит информацию о целом — о всей Вселенной.

Полный абсурд, казалось бы. Но в 90-е годы его поддержали лауреат Нобелевской премии по физике Герард Хуфт (Gerard ‘t Hooft) из Утрехтского университета (Нидерланды) и Леонард Зусскинд (Leonard Susskind) из Стэнфордского университета (США). Из их объяснений следовало, что Вселенная — это голографическая проекция физических процессов, которые происходят в двумерном пространстве. То есть на некой плоскости. Представить такое можно, взглянув на любую голографическую картинку. Например, размещенную на кредитной карточке. Картинка — плоская, но создает иллюзию трехмерного объекта.

Очень трудно, прямо скажем, невозможно поверить, что мы — иллюзия, фантом, небылица. Или хотя бы матрица, как в одноименном фильме. Но этому недавно нашлось почти материальное подтверждение.

В Германии под Ганновером вот уже седьмой год работает гигантский интерферометр — прибор под названием GEO600. По масштабам он лишь немного уступает скандальному адронному коллайдеру. С помощью интерферометра физики намерены поймать так называемые гравитационные волны — те, которые должны существовать, если верить выводам теории относительности Эйнштейна. Они — эдакая рябь ткани пространства-времени, которая обязана возникать от каких-нибудь катаклизмов во Вселенной вроде взрывов сверхновых. Подобно кругам на воде от камушка.

Суть ловли проста. Два лазерных луча направляют перпендикулярно друг другу по трубам длиной 600 метров. Потом сводят в один. И смотрят на результат — на интерфериционную картину. Если волна придет, то она сожмет пространство в одном направлении и растянет в перпендикулярном. Расстояния, пробегаемые лучами, изменятся. И это будет видно на той самой картинке.

Увы, за семь лет ничего похожего на гравитационные волны заметить не удалось. Зато ученым, возможно, удалось сделать куда более волнующее открытие. А именно обнаружить «зерна», из которых состоит конкретно наше пространство-время. И это, как оказалось, имеет непосредственное отношение к голографическому образу Вселенной.

Да простят меня квантовые физики за грубое объяснение, но из их заумных теорий следует вот что. Ткань пространства-времени зерниста. Словно фотография. Если ее неустанно увеличивать (будто бы на компьютере), то наступит такой момент, когда «изображение» покажется составленным из пикселей — эдаких невообразимо мелких элементиков. И принято считать, что линейный размер такого элементика — так называемая Планковская длина — не может быть меньше, чем 1,6 на 10 в минус 35-й степени метра. Она несравненно меньше протона. Из этих «зерен» якобы и состоит Вселенная. Подтвердить экспериментально не получается — можно только верить.

Есть основания полагать, что эксперименты на GEO600 показали: реально «зерна» гораздо крупнее — в миллиарды миллиардов раз. И представляют собой кубики со стороной 10 в минус 16-й степени метра.

О существовании больших пикселей недавно заявил один из первооткрывателей темной энергии -Крейг Хоган (Craig Hogan), директор центра квантовой астрофизики лаборатории Ферми (Fermilab’s Center for Particle Astrophysics) и по совместительству профессор астрономии и астрофизики университета Чикаго. Предположил, что на них могли натолкнуться в экспериментах по ловле гравитационных волн. Поинтересовался, не наблюдают ли коллеги нечто странное — вроде помех. И получил ответ — наблюдают. И как раз помехи — некий «шум», который мешает дальнейшей работе.

Хоган считает, что исследователи обнаружили те самые крупные пиксели ткани пространства-времени — они-то и «шумят», сотрясаясь.

Хоган представляет Вселенную в виде сферы, поверхность которой покрыта элементиками Планковской длины. И каждый несет в себе единицу информации — бит. А то, что внутри, — созданная ими голограмма.

Тут, конечно, есть парадокс. Согласно голографическому принципу количество информации, которая содержится на поверхности сферы, должно совпадать с количеством внутри. А ее — в объеме — явно больше.

Не беда, полагает ученый. Если «внутренние» пиксели окажутся гораздо крупнее «внешних», то искомое равенство будет соблюдено. А так и вышло. В смысле размеров.

Рассказывая о голограмме, ученые — а их уже много — придали мирозданию еще более затейливую суть, чем можно было представить себе раньше. Тут уж точно не обойтись без вопроса: а кто так постарался? Может быть, и Бог — сущность более высокого порядка, чем мы, — примитивные голограммы. Но тогда вряд ли стоит искать его в нашей Вселенной. Не мог же он сотворить сам себя и теперь находиться внутри в виде голограммы?! А вот снаружи Творец вполне мог бы быть. Но нам этого не видно.

С 2001 года в космосе летает зонд под названием WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Ловит «сигналы» — так называемые флуктации микроволнового фона — излучения, которыми наполнено пространство. На сегодняшний день наловил столько, что удалось создать карту этого излучения — ученые называют его реликтовым. Мол, сохранилось с момента зарождения Вселенной.

Анализируя карту, астрофизики точно, как им кажется, высчитали возраст Вселенной — она была создана ровно 13,7 миллиарда лет назад. Сделали вывод, что Вселенная не бесконечна. И представляет собой шар, как бы замкнутый сам на себя.

Шар, конечно, огромный, — говорит Дуглас Скотт из университета Британской Колумбии (Канада), — но не настолько, чтобы считать его бесконечным.

О шаре толкуют и «голографисты». И это вселяет призрачные надежды. Не исключено, что, создав подходящие инструменты, ученые смогут проникнуть внутрь этой голограммы. И начнут извлекать из нее записанную информацию — картинки прошлого, а то и будущего. Или далеких миров. Вдруг вообще откроется возможность путешествовать туда-сюда по пространству-времени. Раз и мы, и оно — голограммы…

В самом начале 2003 года появились первые данные наблюдений реликтового фона, выполненные на космическом зонде WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe). Впервые множество космологических параметров были измерены с необычайно высокой точностью. Но за несколько месяцев первые, самые важные результаты и предсказания были сделаны, восторги поутихли и любопытство ученых переместилось от полученных результатов к проблемам, оставшимся необъясненными.

Наблюдения

Одна из этих проблем - очень низкие амплитуды двух низших мультиполей (сферических гармоник) реликтового фона: квадруполя и октуполя. Эта проблема была известна и ранее, то только в очень точных данных WMAP она встала "во весь рост". На самом деле самой низкой сферической гармоникой является диполь. Он описывает поведение реликта на угловых масштабах равных 180 o: в одном полушарии небесной сферы температура и яркость микроволнового фона оказывается выше, а в другой - ниже. К сожалению эту гармонику невозможно отделить от влияния на фон эффекта Допплера, связанного с движением наблюдателя. Вторая гармоника (квадруполь) описывает распределение флуктуаций температуры реликта на угловых масштабах в 90 o , а третья гармоника (октуполь), соответственно на 60 o (см. Рис. 1). Оказалось, что наблюдаемая амплитуда квадруполя составляет только 1/7 от предсказываемого теорией уровня, а амплитуда октуполя - 72% (см. Рис. 2). Это отклонение слишком велико и его трудно объяснить случайными флуктуациями наблюдаемого микроволнового космического фона. Некоторые исследователи начали предлагать ввести для объяснения этого отклонения "новую физику" (см., например, препринт astro-ph/0306597), другие с ними не соглашались. Пока, однако, никто не предложил какой-либо физический механизм, который привел бы к уменьшению амплитуд двух низших гармоник.

Рис. 2. Спектр мощности угловых распределений флуктуаций реликтового фонового излучения по данным WMAP и некоторых других экспериментов. По вертикали отложена амплитуда флуктуаций, по горизонтали номера гармоник (начиная с l=2) или угловые масштабы. Черные точки - наблюдательные данные, красная линия - предсказания теоретической модели для плоской Вселенной, лучше всего согласующиеся с наблюдениями, серая полоса - допустимая ошибка теоретических предсказаний. Слишком низкие значения двух низших гармоник показаны зеленым цветом. Низкая амплитуда только одного октуполя (l=3) недостаточно значима, но вместе с очень низким значением второй гармоники они становятся важным наблюдательным фактом.

Топология

Очень легко представить и противоположную ситуацию, когда размеры видимой части Вселенной меньше начальной фигуры. В этом случае наблюдаемая нами картина не будет отличаться от того, что мы бы увидели в бесконечной Вселенной с простой топологией (это отличие может появиться на более поздних - в космологических масштабах - временах).

На самом деле все более сложно. Когда мы наблюдаем другие галактики, то мы смотрим не только в даль, но и в прошлое. Это связано с конечность скорости света. Если бы размер нашей Вселенной составлял несколько мегапарсек, свет от копий нашей Галактики доходил бы к нам за несколько миллионов лет, за это время галактика изменяется не слишком сильно, и мы смогли бы "узнать себя" в этих "отражения", а может быть даже попытались отыскать в них Солнечную систему. Если увеличить размеры начального мира до сотен тысяч световых лет подобное опознание становится затруднительным, а узнать Млечный Путь за 2-3 миллиарда лет до нашей эры мы бы просто не смогли. Однако, все поиски периодической структуры с размерами от 1000 мегапарсек и меньше, которые проводились последние 10-20 лет, не дали положительного результата. Это означает, что если наша Вселенная и имеет ограниченный объем, то его размеры очень велики, если мы и видим самих себя, то в настолько далеком прошлом, что какое-либо отождествление с современными объектами становится практически невозможным.

Космология

Какие предсказания дает додекаэдральная модель Вселенной и как они соотносятся с наблюдениями?

В данной модели пространство должно обладать положительной кривизной (быть замкнутым), причем обладать строго определенным значением отношения средней плотности к критической $\Omega\simeq1.013$ (это значение - математическая константа, которую можно вычислить с любым числом знаков после запятой). И это значение попадает внутрь допустимого диапазона! Данные WMAP дают $\Omega=1.02\pm0.02$.

Как устроена такая Вселенная?

Для космологической модели с $\Omega=1.013$ радиус горизонта будет составлять 38% от радиуса кривизны Вселенной (R ), а границы додекаэдра будут лежать в интервале от 31% R (центры граней) до 39%R (вершины) от его центра. Объем такого многогранника будет составлять 83% от объема сферы горизонта. Отношение размеров додекаэдра к радиусу кривизны остается постоянным, поскольку при расширении Вселенной эти величины изменяются пропорционально друг другу. Горизонт Вселенной ведет себя по-другому. Его поведение зависит от закона расширения, более подробно это описано в (и ссылках приведенных в ней).

Пятна на небе

Сложная топология нашей Вселенной будет проявляться в наблюдения только в том случае, если размеры горизонта превосходят размеры исходного многогранника и в доступную нам область Вселенной хотя бы частично попадают участки его копий. Если же исходная фигура превосходит по размерам горизонт, но наблюдаемая картина не будет отличаться от вида бесконечной Вселенной. Схематически данное утверждение показано на Рис. 12.

Для указанного выше размера горизонта (0.38R ) наличие копий Вселенной будет проявляться в виде шести пар расположенных в противоположных направлениях на небесной сфере кругов диаметром 70 o . Они образуются при пересечении сферы последнего рассеяния с гранями додекаэдра. Сфера последнего рассеяния (граница рекомбинации) по данным WMAP расположена на среднем красном смещении z=1089$\pm$1, т.е. слегка меньше горизонта. Температура реликтового излучения в каждом из кругов такой пары будет одинаковым образом отличаться от среднего ее значения, т.к. регистрируемое от кругов излучение испускается областями Вселенной, заполненных одним и тем же веществом (см. Рис. 13).

Теоретические аспекты

То, что наша Вселенная может оказаться замкнутой, ставит определенные вопросы перед , который сегодня успешно объясняет большинство свойств окружающей нас Вселенной. Полной ясности в этой проблеме (инфляция в замкнутой Вселенной) пока нет, но, кажется, космологи готовы к ее решению.

Заключение

Как подтвердить или опровергнуть модель, описанную в данной статье? Она предсказывает два следствия, которые допускают экспериментальную проверку, причем в ближайшее время:

1. Вселенная должна быть замкнутой с $\Omega=1.013$;
2. На небе должны наблюдаться 6 пар кругов диаметром 70 o (центры которых соответствуют серединам граней правильного додекаэдра) распределение возмущений реликтового излучения в которых должно попарно кореллировать друг с другом.

Первый аргумент является гораздо более весомым, чем второй. Указанные круги уже искали и пока они не обнаружены (см. astro-ph/0310233), но это еще не конец данной истории. А вот если наблюдения покажут, что $\Omega\neq1.013$, то о двенадцатигранной Вселенной придется забыть. Такие данные можно ожидать от продолжающего свою миссию WMAP или от строящегося аппарата следующего поколения для исследователя космического микроволнового фронта - спутника Planck .

И, конечно, остается возможность, что для приведенных в начале данной статьи фактов найдутся совсем другие объяснения. (Этого вполне можно ожидать, так как указаний в пользу именно такой топологически сложной модели Вселенной очень мало. Пока ими являются только низкие амплитуды двух первых гармоник спектра мощности реликтового излучения. Этого достаточно, чтобы начать обсуждать данную модель, но чтобы убедить научную общественность в ее "серьезности" нужны дополнительные аргументы.)

М. Е. Прохоров ГАИШ, Москва

Комментарии (12):

Хорошая статья.

Есть над чем подумать.

Вот в начале раздела

Топология

упоминается конструкция бесконечного Евклидово пространство с конечным обЪёмом. С такими конструкциями надо обращаться оч. аккуратно.

Именно при таких допущениях возникают софистические эффекты, заводящие мысль в тупик. В этой схеме в завуалированной форме применяется такая мат. абстракция как Нуль_пространство (напомню Нуль_пространство есть пространство без протяжённости и времени).

Лет эдак 30, а то и все 50 назад все научные и около научные журналы в той или иной форме обЪигрывали свойства сей мат.субстанции. А уж фантасты... так практически применяли её под названиями "Нуль_скачёк","Нуль_переход"...

Как вдруг оказалось что у этой субстанции есть одно , но крайне неприятное свойство:

"Возникнув" где-нить в соседстве_контакте с более_менее реальной консистенцией

Нуль_пространство неизменно начинает поглащать эту консистенцию и, поглотив её, самоуничтожается.

Сегодня даже фантасты от неё отказались, заменив её на чевоточины или кротовы норы.

Вселенная может иметь форму не какого-нибудь там шара или додекаэдра, а... рожка или горна. Точнее говоря весь наш космос оказывается вытянут в этакую длинную трубку, с узким концом с одной стороны и "раструбом" с другой. Такая "конструкция" нашей Вселенной кроме всего прочего подразумевает, что она конечна, а в каких-то ее местах встречаются области, где можно увидеть собственный затылок. Возможно, для "здравомыслящих" людей все это прозвучит как полный бред или мечта сюрреалиста, однако выкладки математика Франка Штайнера (Frank Steiner) из германского Университета Ульма (Universität Ulm) и его коллег основаны на авторитетных экспериментальных данных, полученных в 2003 году все тем же знаменитым зондом WMAP (NASA"s Wilkinson Microwave Anisotropy Probe).

Новая диковинная модель призвана объяснить два загадочных обстоятельства, так озадачивающих астрофизиков: во-первых, необычный характер распределения "горячих" и "холодных" пятен в космическом микроволновом излучении, а во-вторых, "глушение" сигнала при больших масштабах (обнаружено отсутствие каких-либо ясно выраженных "горячих" или "холодных" участков при углах свыше примерно 60 градусов). Текущий объем Вселенной по Штайнеру составляет около 10 32 кубических световых лет. Когда же Вселенной было только 380 тысяч лет, то она была столь мала, что в ней просто не могли возникнуть достаточно большие флуктуации.

В новой модели, определяемой так называемой топологией Пикара (Picard topology), Вселенная изогнута весьма прихотливым образом. Один ее конец бесконечно удлинен, но зато столь сужен, что имеет в результате конечный объем. С другой стороны "раструб" резко расширяется, однако отнюдь не бесконечно, и если бы мы летели к "вспухшему" концу на космическом корабле, то в некоторый момент вернулись бы обратно с другой стороны "дудки" (см. верхний рисунок). Эмиль Пикар (1856-1941) - это французский математик, занимавшийся исследованием дифференциальных уравнений, особых точек, асимптотических решений, теорией функций и пр.,кстати говоря, он иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (1895), и иностранный почетный член АН СССР (1925).

Имеющая форму "рога" модель были предложена еще в 1990-х годах, чтобы правильно описать аномалии, которые выявились при анализе данных спутника COBE (Cosmic Background Explorer - Исследователь космического фона) - предшественника WMAP, однако группа Штайнера первая показала, что эта идея соответствует и данным WMAP тоже. В 2003 году уже выдвигалась другая модель, призванная соответствовать результатам WMAP, и согласно ей Вселенная также оказывалась конечной, однако форма мира была иная (додекаэдр, в прессе ошибочно именовавшийся "футбольным мячом"). Другие варианты возможной формы Вселенной - "пончик" (тороидальная форма) или же сплюснутая сфера (предложенная несколько месяцев назад учеными из американского штата Пенсильвания).

Классическое представление о физическом пространстве наделяет его таким фундаментальным топологическим свойством как связность. Физическое пространство - суть трехмерное связное многообразие - объединяется с временем в единое четырехмерное пространство-время. Если теперь рассмотреть модель связного, но не односвязного пространства-времени, то вполне можно обнаружить несвязные трехмерные пространственно-подобные сечения. Более того, несвязное сечение $M_1$ может получиться из связного $M_0$ с помощью сферической перестройки, и, следовательно, связное и несвязное сечения можно рассматривать как начальное и конечное состояния некоторого геометродинамического процесса (лоренцев кобордизм). В ходе этого процесса 3-геометрия претерпевает переход через некоторое критическое состояние $M_{1/2}$, которое отвечает нарушению связности пространственно-подобного сечения.

Было бы интересно выяснить, при каких условиях происходит нарушение связности пространственно-подобных сечений, или, если оставить в стороне конкретную дифференциально-топологическую модель, выяснить - возможно ли, что в ходе некоторого физического процесса трехмерное простран- ство $M_0$ становится несвязным. Допуская вольность в словах, можно сказать, что нарушение связности означает отрывание области $D_0$ от $M_0.$

По сути это популярная статья по топологии Вселенной. Люмине известен как автор нашумевшей статьи, в которой данные по реликтовому излучению интерпретировались в рамках модели в нетривиальной топологией. В данном обзоре рассказано о том, как такие модели выглядят, как их можно проверять по имеющимся данным и тп.

Современное состояние Вселенной еще очень плохо изучено. Однако, вероятно уже существует ответ на вопрос: Какова современная форма вселенной? 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.

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. 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.

Немецкий математик Карл Фридрих Гаусс еще в первой половине XIX задался целью ответить на вопрос: искривляются ли траектории световых лучей, проходящих над сферическим пространством Земли? Оказалось, что в малых (по астрономическим меркам) масштабах Вселенная предстает, как евклидова. 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. То есть, ученые довольно уверенно говорят о том, что пространство нашей Вселенной должно удовлетворительно описываться геометрией Евклида, как трехмерное пространство очень малой кривизны.

“Из общей теории относительности вытекает новое представление о Вселенной, новая космология. Эйнштейн рассматривал гравитационные поля различных тел как искривления пространства-времени в областях, окружающих эти тела…возьмем четырехмерное пространство-время, т.е. совокупность мировых линий всех тел природы. Эти мировые линии сильнее искривляются вблизи центров тяготения. Но не обладают ли они в целом некоторой общей кривизной?...

Эйнштейн предположил, что искривлено только пространство, а время не искривлено. Поэтому, отправившись из данного географического пункта по кратчайшему пути в путешествие по Вселенной, мы опишем замкнутую пространственную траекторию и вернемся в тот же пункт в иное время, скажем в триллионном году н. э. Значит мировое пространство конечно (в том же смысле, в котором конечно двумерное пространство-поверхность нашей Земли), а время бесконечно. Мы можем найти по аналогии двумерное пространство - поверхность, кривую и конечную в одном измерении, но прямую и бесконечную в другом измерении, такова поверхность цилиндра.

Если мы проведем (по кратчайшему пути) линию вокруг цилиндра бесконечной длины, мы вернемся в ту же точку. Если мы проведем черту вдоль цилиндра, она будет прямой и бесконечной. Исходя из этой аналогии гипотеза Эйнштейна об искривленном мировом пространстве и неискривлённом времени была названа гипотезой цилиндрического мира.

В 1922 г. А.А. Фридман высказал предположение о том, что кривизна мирового пространства меняется с течением времени. По – видимому, Вселенная расширяется”.

Что означает утверждение о трехмерности пространства? Как возникли современные представления о размерности пространства в физике и математике? Какую роль играет трехмерность пространства в фундаментальных законах физики? Этим вопросам посвящена книга. Рассматривается роль понятия размерности в физике микро- и мегамира, соотношение различных подходов к понятию размерности, взаимосвязь физики и геометрии. Вместе с историей создания современных представлений о размерности пространства рассказывается о творчестве замечательных ученых - физиков и математиков: А. Эйнштейна, П. Эренфеста, А. Пуанкаре, П. С. Урысона и других.

Важной проблемой современной дифференциальной геометрии является построение и исследование примеров конкретных пространств с заданными геометрическими свойствами. Одной из подобных задач является поиск римановых многообразий с заданной группой голономии и изучение их топологических свойств. Зная группу голономии многообразия, можно многое сказать о его кривизне - основной характеристике римановых многообразий; с другой стороны, исследование голономии является технически более простой задачей.

Хотя константа тонкой структуры была введена немецким физиком-теоретиком Арнольдом Зоммерфельдом (Arnold Sommerfeld) еще в 1916 году, на вопрос о том, является ли она действительно постоянной, окончательного ответа нет и сегодня. "Судя по результатам наших измерений, нет, не является!" - говорит австралийский физик Джон Уэбб (John Webb), профессор Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее. Еще десять лет назад руководимая им группа ученых проанализировала с помощью американского телескопа Кек (Keck Telescope) на Гаваях те изменения, которые претерпевает свет далеких квазаров при прохождении сквозь межгалактические газопылевые облака, и обнаружила, что спектры поглощения несколько отличаются от предсказанных. Этот феномен мог иметь лишь одно объяснение: несколько миллиардов лет назад значение константы тонкой структуры было чуть-чуть меньшим, чем сегодня.

Исследование на границе топологии и квантовой механики предполагает существование совершенно новой формы материи.
Еще в 1970 году молодой советский физик сделал необычное предположение. Виталий Ефимов, который в настоящее время работает в Университете штата Вашингтон (США), показал, что квантовые объекты, которые не могут образовывать между собой пары, могут формировать тройки.
В 2006 году группа австралийских ученых обнаружила первый пример этого так называемого «состояния Ефимова» в холодном газе, состоящем из атомов цезия.
На первый взгляд это может показаться нелогичным. Ведь связи, удерживающие вместе тройку объектов, точно такие же, как и в паре. Но на самом деле это не так, между ними существует тонкое, но важное различие.

Для вывода формул можно пользоваться окружением "$$" и \TeX разметкой.