Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

В древности люди считали, что Земля плоская, однако время показало, что они ошибались. Сейчас мы можем также обманываться насчет формы Вселенной. Общая теория относительности имеет дело с четырехмерным пространством, где в качестве четвертой координаты представлено время, и, согласно этой теории, любое массивное тело искривляет это пространство, а вся масса Вселенной превращает его плоскость в сферу. Но это плоскость в четырехмерном пространстве, а какую форму примет само это пространство, было до сих пор неизвестно. Большинство склонялось к тому, что оно имеет форму тора.

Григор Асланян (Grigor Aslanyan), космолог из Калифорнийского университета, считает, что это не совсем тор. Форма Вселенной, говорит он, зависит от протяженности ее координат. Она может быть конечна по всем трем пространственным измерениям; может иметь два конечных измерения и одно бесконечное; также может иметь два бесконечных измерения и одно конечное - три бесконечных измерения Асланян воспринимать не хотел. И в каждом из этих трех вариантов пространство будет иметь свою особую четырехмерную форму. И, что самое главное, Асланян знает, как проверить, какой вариант принят в нашей Вселенной. Он попытался это узнать, сравнивая свои расчеты с данными, полученными космическим зондом WMAP, исследующим распределение реликтового излучения в небосводе.

Правда, тут возникла проблема - Асланян быстро понял, что расчеты такой сложности обычному компьютеру не под силу. Тогда он обратился к помощи ГРИД - системы распределенных вычислений, охватывающей через подобие интернета множество компьютеров. Сами расчеты было легко распараллелить и 500 тысяч часов, необходимых для получения результата, превратились во вполне приемлемое время.

Результат подтвердил ожидания - вариант трех бесконечных измерений он отверг. Получилось интересное - пространство имеет форму вытянутого тора, грубо говоря, баранки, вытянутой в том самом направлении, в котором направлена недавно обнаруженная астрофизиками "ось зла" - направление в небе, где значения реликтового излучения отличаются от значений в других направлениях. Более точно узнать форму Вселенной Асланян надеется, получив в этом году данные от другого спутника под названием "Планк".

Комментарии (10):

"Общая теория относительности имеет дело с четырехмерным пространством, где в качестве четвертой координаты представлено время"

Речь идёт про 4-е пространственные координаты.

Время же координата не пространственная, а эволюционная.

В этом то и заключёны основные некорректности в выводах теории относительности.

Они (эти выводы) поразумевают обращение с направлением времени, как с обычным вектором.

Но время не есть пространственный вектор... Время мера эволюции процессов, скаляр.

И именно поэтому оно необратимо!

Начнем с бублика. Нет никакого бублика. Ноги же у этого образа растут из того факта, что наша Вселенная имеет хоть и очень большой, но все же конечный объем, но при этом не имеет границ. Представить это довольно просто на двухмерном примере: в некоторых простых компьютерных играх объект, уходящий за правую границу игрового поля, появляется слева, а ушедший вниз – сверху. Еще более наглядный пример – трехмерный – можно узреть, если на любом из уровней игры "Quake" (во всяком случае, первой или второй игры серии; может, и других подобных 3D-шутеров, я просто не пробовал) воспользоваться одновременно читами, позволяющими проходить сквозь стены и летать, и прямиком двинуться в любую сторону: камера быстро выйдет за пределы локации, ваш виртуальный герой какое-то время будет лететь в черной пустоте, а потом перед ним появится оставшееся вроде бы сзади скопление коридоров и комнат, и герой вернется в ту же точку, откуда начал, но с противоположной стороны, как будто обошел вокруг земного шара – хотя летел-то он по прямой. Двигаться можно в любую сторону бесконечно долго – границ нет, но за пределы уровня не выйти, и ни в какое "другое пространство" не прилетишь – объем конечен и замкнут. Вот такова же и реальная Вселенная, только попросторнее.

В общей теории относительности принимается, что физическое пространство является неевклидовым, наличие материи искривляет его; кривизна зависит от плотности и движения вещества.

Оказывается, что то критическое значение плотности, от которого зависит будущее Вселенной (неограниченный разлет или остановка и сжатие), является критическим и для пространственной структуры Вселенной как целого.

Наши представления о пространстве зависят от соотношения между $\rho$ и $\rho_{cr}$

Суть подхода следующая.
Мы видим красное смещение от далеких галактик и делаем вывод, что свет от них идет из пространства большей кривизны чем у нас, это заставляет задуматься над топологией Вселенной, то есть мы ищем топологию, наблюдая картинку красного смещения и напрочь отказываясь от идеи расширения пространства Вселенной, как заведомо избыточной, нарушающей принцип Оккама
Итак, возможный вариант пространства Вселенной - гиперТор
1. Представим себе сферу (А) внутри сферы большего радиуса (B) и склеим обе сферы.
Свет, двигаясь от малой сферы, достигает поверхности большой и тут же оказывается выходящим из поверхности малой. Малая сфера внутри большой, а большая внутри малой.
2. Это же можно представить еще вот так (с некоторой натяжкой, для единственного луча света)
Пусть есть две сферы равного диаметра, свет идет от одной сферы доходит до другой и тут же выходит из первой, пока свет шел до середины сфер он краснел, а потом начал синеть, для света кажется, что это разные сферы, но это одна и таже сфера. Сферы как бы гравитируют (это подпорка, чтобы представить гиперТор с переменной кривизной)

Большинство моделей исходят из того, что (3+1) пространство это данность с момента БВ. На этом постулате и строятся модели. Шар, заполненный пузырями-зародышами будущих вселенных (Александр Кашинский), тонкостенный пузырь в виде додекаэдра (Джеффи Уиксоном), тор на подобии пончика или бублика (Франк Шнайдер). Я думаю, что размерность надо рассматривать как переменную величину, при этом каждой размерности соответствует своя вселенная.. Эволюция на мой взгляд прошла следующие этапы: (0+1), (1+1), (2+1), (3+1) и возможно более. Они вложены друг в друга. Например, вселенная (2+1) существует и развивается на той же временной координате, что и (3+1). Проверить такое предположение сложно - так как попасть из вселенной одной размерности в другую маловероятно или даже более категорично- невозможно.

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

Ученые-космогонисты до сих пор не знают точного ответа на вопрос о форме Вселенной. Как, впрочем, и на вопросы о ее конечности-бесконечности или замкнутости-разомкнутости. Многих космогонистов объединяет гипотеза Большого взрыва, которая в упрощенном изложении выглядит так.

Большой взрыв: как все начиналось…

До Большого взрыва не существовало понятий «здесь» и «там», «до» и «после». Вся материя мира была сосредоточена в одной точке с практически нулевым размером и, соответственно, практически бесконечной плотностью. Не существовало и времени, потому что в самой точке ничего не происходило, а за ее пределами ничего не было и, следовательно, происходить не могло.

Потом в силу каких-то причин точка (ее еще называют «космическим яйцом») взорвалась. Новорожденная материя стремительно, со скоростью света хлынула в окружающее «ничто». Появились энергия и силы – ядерные, электромагнитные, гравитационные. Появилось и начало течь время.

Материя закрутилась спиралями туманностей. Возникли звезды, а затем и планеты. Спустя миллиарды лет на третьей планете, ничем не примечательном, заурядном желтом карлике, находящемся на периферии ничем не примечательной, заурядной спиральной галактики, из первобытного океана выползла на сушу первая протобактерия.

А еще через миллиард лет потомки этой протобактерии начали ломать себе голову над различными космогоническими вопросами.

Вселенная велика, но конечна

Гипотеза Большого взрыва определяет возраст Вселенной в 15 (примерно!) миллиардов лет. Если гипотеза неверна, то неправильна и оценка возраста. Может, никакого взрыва и не было, и Вселенная существовала всегда?

Но если гипотеза верна, то становится ясным ответ на вопрос о размере Вселенной. Если она верна, размер Вселенной с легкостью может подсчитать каждый школьник.

В самом деле, нужно просто умножить время (15 миллиардов лет) на скорость разлетания материи. То есть на скорость света – 300 000 километров в секунду. Скорее всего, эта скорость с годами становится несколько меньше, но для простоты расчета будем считать ее постоянной.

Умножили? Да, огромное получилось число, со множеством нулей… но все же не бесконечное. Вывод: Вселенная велика, но конечна. А стало быть, должна иметь не только размер, но и форму.

И вот тут начинается самое интересное.

Вселенная может быть самых разных форм: плоской, открытой или замкнутой

Логичнее и проще всего считать, что Вселенная имеет форму сферы. В самом деле, если материя разлетается из единого центра с постоянной скоростью, то что это может быть, как не сфера? А вот если скорость не постоянна и Вселенная не замкнута и не однородна, то это может быть любая форма. Например, прямая или изогнутая четырехмерная плоскость. В этом случае Вселенная не замкнута, вечна и бесконечна.

Информацию о форме Вселенной ученые пытаются получить, исследуя так называемое реликтовое излучение. Начало всех начал, или Большой взрыв сопровождался выбросом не только материи, но и излучения. У этого электромагнитного излучения, называемого реликтовым, есть свои, неизменные физические характеристики, которые позволяют астрофизикам отличать его от обширной разновидности других «космических лучей». Считается, что реликтовое излучение до сих пор равномерно заполняет Вселенную. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году.

Вселенная имеет форму бутылки?

Так выглядит бутылка Клейна (замкнутая односторонняя поверхность)

Исследуя реликтовое излучение, советский ученый Д.Д. Иваненко еще в середине прошлого века выдвинул предположение, что Вселенная, во-первых, замкнута, а во-вторых, далеко не везде подчиняется законам эвклидовой геометрии. Неподчинение эвклидовой геометрии означает, что где-то есть места, где параллельные линии пересекаются и даже перетекают одна в другую. Замкнутость Вселенной означает, что она, возможно, «замкнута сама на себя»: отправившись в путешествие из одной ее точки (скажем, с планеты Земля) и двигаясь, как нам кажется, строго по прямой, мы в конце концов очутимся там же, на Земле – хотя и через очень большое количество лет.

Косвенное подтверждение теории Д.Д. Иваненко и его последователей было получено в 2001 году. Американский космический зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) передал на Землю данные о флуктуациях (изменениях, колебаниях) температуры реликтового излучения. Астрофизиков заинтересовали размеры и характер распределения этих флуктуаций. Было проведено компьютерное моделирование, показавшее, что подобный характер флуктуаций может наблюдаться лишь в том случае, если Вселенная ограниченна и замкнута сама на себя.

Даже луч света, распространяясь в пространстве, должен через определенный (большой) промежуток времени возвратиться в исходную точку. Значит, астрономы Земли могут, например, наблюдать одну и ту же галактику в разных частях небосвода, да еще и с разных сторон!

Если данные WMAP будут подтверждены, наши взгляды на Вселенную изменятся очень сильно. Во-первых, она окажется относительно небольшой – не более 10 миллиарда световых лет в поперечнике. Во-вторых, ее формой может оказаться тор (бублик), а то и что-то совсем экзотическое, например замкнутая на себя бутылка Клейна.

Кроме того, это будет означать, что мы сможем наблюдать всю Вселенную целиком и убедиться в том, что везде действуют одни и те же физические законы.

Помимо классических космологических моделей общая теория относительности позволяет создавать и очень, очень, очень экзотические воображаемые миры.

Существует несколько классических космологических моделей, построенных с помощью ОТО, дополненной однородностью и изотропностью пространства (см. «ПМ» № 6, 2012, Как открывали расширение Вселенной). Замкнутая вселенная Эйнштейна имеет постоянную положительную кривизну пространства, которая приобретает статичность благодаря введению в уравнения ОТО так называемого космологического параметра, действующего как антигравитационное поле. В расширяющейся с ускорением вселенной де Ситтера с неискривленным пространством нет обычной материи, но она тоже заполнена антигравитирующим полем. Существуют также закрытая и открытая вселенные Александра Фридмана; пограничный мир Эйнштейна - де Ситтера, который с течением времени постепенно снижает скорость расширения до нуля, и наконец, растущая из сверхкомпактного начального состояния вселенная Леметра, прародительница космологии Большого взрыва. Все они, и особенно леметровская модель, стали предшественницами современной стандартной модели нашей Вселенной.

Есть, однако, и другие вселенные, тоже порожденные весьма креативным, как сейчас принято говорить, использованием уравнений ОТО. Они куда меньше соответствуют (или не соответствуют вовсе) результатам астрономических и астрофизических наблюдений, но нередко весьма красивы, а подчас и элегантно парадоксальны. Правда, математики и астрономы напридумывали их в таких количествах, что нам придется ограничиться лишь несколькими самыми интересными примерами воображаемых миров.

От струны к блину

После появления (в 1917 году) основополагающих работ Эйнштейна и де Ситтера многие ученые стали пользоваться уравнениями ОТО для создания космологических моделей. Одним из первых это сделал нью-йоркский математик Эдвард Казнер, опубликовавший свое решение в 1921 году.

Его вселенная очень необычна. В ней нет не только гравитирующей материи, но и антигравитирующего поля (другими словами, отсутствует эйнштейновский космологический параметр). Казалось бы, в этом идеально пустом мире вообще ничего не может происходить. Однако Казнер допустил, что его гипотетическая вселенная неодинаково эволюционирует в разных направлениях. Она расширяется вдоль двух координатных осей, но сужается вдоль третьей оси. Посему это пространство очевидным образом анизотропно и по геометрическим очертаниям похоже на эллипсоид. Поскольку такой эллипсоид растягивается в двух направлениях и стягивается вдоль третьего, он постепенно превращается в плоский блин. При этом казнеровская вселенная отнюдь не худеет, ее объем увеличивается пропорционально возрасту. В начальный момент этот возраст равен нулю - и, следовательно, объем тоже нулевой. Однако вселенные Казнера рождаются не из точечной сингулярности, как мир Леметра, а из чего-то вроде бесконечно тонкой спицы - ее начальный радиус равен бесконечности вдоль одной оси и нулю вдоль двух других.

В чем секрет эволюции этого пустого мира? Поскольку его пространство по-разному «сдвигается» вдоль разных направлений, возникают гравитационные приливные силы, которые и определяют его динамику. Казалось бы, от них можно избавиться, если уравнять скорости расширения по всем трем осям и тем самым ликвидировать анизотропность, однако математика подобной вольности не допускает. Правда, можно положить две из трех скоростей равными нулю (иначе говоря, зафиксировать размеры вселенной по двум координатным осям). В этом случае казнеровский мир будет расти лишь в одном направлении, причем строго пропорционально времени (это легко понять, поскольку именно так обязан увеличиваться его объем), но это и все, чего мы можем добиться.

Вселенная Казнера может оставаться сама собой только при условии полной пустоты. Если в нее добавить немного материи, она постепенно станет эволюционировать подобно изотропной вселенной Эйнштейна - де Ситтера. Точно так же при добавлении в ее уравнения ненулевого эйнштейновского параметра она (с материей или без нее) асимптотически выйдет на режим экспоненциального изотропного расширения и превратится во вселенную де Ситтера. Однако такие «добавки» реально изменяют только эволюцию уже возникшей вселенной. В момент ее рождения они практически не играют роли, и вселенная эволюционирует по одному и тому же сценарию.

Хотя казнеровский мир динамически анизотропен, его кривизна в любой момент времени одинакова по всем координатным осям. Однако уравнения ОТО допускают существование вселенных, которые не только эволюционируют с анизотропными скоростями, но и обладают анизотропной кривизной. Такие модели в начале 1950-х годов построил американский математик Абрахам Тауб. Его пространства могут в одних направлениях вести себя как открытые вселенные, а в других - как замкнутые. Более того, с течением времени они могут поменять знак с плюса на минус и с минуса на плюс. Их пространство не только пульсирует, но и буквально выворачивается наизнанку. Физически эти процессы можно связать с гравитационными волнами, которые столь сильно деформируют пространство, что локально изменяют его геометрию от сферической к седловидной и наоборот. В общем, странные миры, хотя и математически возможные.

Колебания миров

Вскоре после публикации работы Казнера появились статьи Александра Фридмана, первая - в 1922 году, вторая - в 1924-м. В этих работах были представлены удивительно элегантные решения уравнений ОТО, оказавшие чрезвычайно конструктивное воздействие на развитие космологии. В основе концепции Фридмана лежит предположение, что в среднем материя распределена по космическому пространству максимально симметрично, то есть полностью однородно и изотропно. Это означает, что геометрия пространства в каждый момент единого космического времени одинакова во всех его точках и по всем направлениям (строго говоря, такое время еще надо правильным образом определить, но в данном случае эта задача разрешима). Отсюда следует, что скорость расширения (или сжатия) вселенной в любой заданный момент опять-таки не зависит от направления. Фридмановские вселенные поэтому совершенно непохожи на модель Казнера.

В первой статье Фридман построил модель закрытой вселенной с постоянной положительной кривизной пространства. Этот мир возникает из начального точечного состояния с бесконечной плотностью материи, расширяется до некоторого максимального радиуса (и, следовательно, максимального объема), после чего снова схлопывается в такую же особую точку (на математическом языке - сингулярность).

Однако Фридман на этом не остановился. По его мнению, найденное космологическое решение отнюдь не обязательно ограничивать промежутком между начальной и конечной сингулярностью, его можно продолжить во времени как вперед, так и назад. В результате получается бесконечная гроздь нанизанных на временную ось вселенных, которые граничат друг с другом в точках сингулярности. На языке физики это означает, что закрытая вселенная Фридмана может бесконечно осциллировать, погибая после каждого сжатия и возрождаясь к новой жизни в последующем расширении. Это строго периодический процесс, поскольку все осцилляции продолжаются одинаково долго. Поэтому каждый цикл существования вселенной - точная копия всех прочих циклов.

Вот как прокомментировал эту модель Фридман в своей книге «Мир как пространство и время»: «Возможны, далее, случаи, когда радиус кривизны меняется периодически: вселенная сжимается в точку (в ничто), затем снова из точки доводит радиус свой до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку и т. д. Невольно вспоминается сказание индусской мифологии о периодах жизни; является возможность также говорить о «сотворении мира из ничего», но все это пока должно рассматриваться как курьезные факты, не могущие быть солидно подтвержденными недостаточным астрономическим экспериментальным материалом».

Через несколько лет после публикации статей Фридмана его модели обрели известность и признание. Идеей осциллирующей вселенной серьезно заинтересовался Эйнштейн, да и не он один. В 1932 году за нее взялся Ричард Толман, профессор математической физики и физической химии Калтеха. Он не был ни чистым математиком, как Фридман, ни астрономом и астрофизиком, как де Ситтер, Леметр и Эддингтон. Толман был признанным специалистом по статистической физике и термодинамике, которую он впервые объединил с космологией.

Результаты оказались очень нетривиальными. Толман пришел к выводу, что общая энтропия космоса от цикла к циклу должна возрастать. Накопление энтропии приводит к тому, что все большая часть энергии вселенной концентрируется в электромагнитном излучении, которое от цикла к циклу все сильнее и сильнее влияет на ее динамику. Из-за этого протяженность циклов увеличивается, каждый следующий становится дольше предыдущего. Осцилляции сохраняются, но перестают быть периодическими. К тому же в каждом новом цикле радиус толмановской вселенной возрастает. Следовательно, в стадии максимального расширения она имеет наименьшую кривизну, а ее геометрия все больше и больше и на все более и более длительное время приближается к евклидовой.

Ричард Толман при конструировании свой модели упустил одну интересную возможность, на которую в 1995 году обратили внимание Джон Барроу и Мариуш Домбровский. Они показали, что колебательный режим вселенной Толмана необратимо разрушается при введении антигравитационного космологического параметра. В этом случае толмановская вселенная на одном из циклов уже не стягивается в сингулярность, а расширяется с растущим ускорением и превращается во вселенную де Ситтера, что в аналогичной ситуации также делает и вселенная Казнера. Антигравитация, как и усердие, превозмогает все!

Вселенная в Миксере

В 1967 году американские астрофизики Дэвид Уилкинсон и Брюс Партридж обнаружили, что открытое тремя годами ранее реликтовое микроволновое излучение с любого направления приходит на Землю практически с одинаковой температурой. С помощью высокочувствительного радиометра, изобретенного их соотечественником Робертом Дике, они показали, что колебания температуры реликтовых фотонов не превышают десятой доли процента (по современным данным они гораздо меньше). Поскольку это излучение возникло ранее 400 000 лет после Большого взрыва, результаты Уилкинсона и Партриджа давали основание считать, что если даже наша Вселенная и не была почти идеально изотропна в момент рождения, то она обрела это свойство без большой задержки.

Данная гипотеза составила немалую проблему для космологии. В первые космологические модели изотропность пространства закладывали с самого начала просто как математическое допущение. Однако еще в середине прошлого века стало известно, что уравнения ОТО позволяют построить множество неизотропных вселенных. В контексте этих результатов практически идеальная изотропность реликтового излучения потребовала объяснения.

Такое объяснение появилось лишь в начале 1980-х годов и оказалось совершенно неожиданным. Оно было построено на принципиально новой теоретической концепции сверхбыстрого (как обычно говорят, инфляционного) расширения Вселенной в первые мгновения ее существования (см. «ПМ» № 7, 2012, Всемогущая инфляция). Во второй половине 1960-х годов наука до столь революционных идей просто не дозрела. Но, как известно, за неимением гербовой бумаги пишут на простой.

Крупный американский космолог Чарльз Мизнер сразу после публикации статьи Уилкинсона и Партриджа попробовал объяснить изотропию микроволнового излучения с помощью вполне традиционных средств. Согласно его гипотезе, неоднородности ранней Вселенной постепенно исчезли из-за взаимного «трения» ее частей, обусловленного обменом нейтринными и световыми потоками (в своей первой публикации Мизнер назвал этот предполагаемый эффект нейтринной вязкостью). По его мысли, такая вязкость способна быстро сгладить изначальный хаос и сделать Вселенную почти идеально однородной и изотропной.

Исследовательская программа Мизнера выглядела красиво, но практических результатов не принесла. Главная причина ее неудачи опять-таки была выявлена с помощью анализа микроволнового излучения. Любые процессы с участием трения генерируют тепло, это элементарное следствие законов термодинамики. Если бы первичные неоднородности Вселенной были сглажены благодаря нейтринной или какой-то иной вязкости, плотность энергии реликтового излучения значительно отличалась бы от наблюдаемой величины.

Как показали в конце 1970-х годов американский астрофизик Ричард Матцнер и его уже упоминавшийся английский коллега Джон Барроу, вязкие процессы могут устранить лишь самые мелкие космологические неоднородности. Для полного «разглаживания» Вселенной требовались другие механизмы, и они были найдены в рамках инфляционной теории.

Но все же Мизнер получил немало интересных результатов. В частности, в 1969 году он опубликовал новую космологическую модель, имя которой позаимствовал... у кухонного электроприбора, домашнего миксера производства компании Sunbeam Products ! Mixmaster Universe все время бьется в сильнейших конвульсиях, которые, по мысли Мизнера, заставляют циркулировать свет по замкнутым путям, перемешивая и гомогенизируя ее содержимое. Однако позднейший анализ этой модели показал, что, хотя фотоны в мизнеровском мире и в самом деле совершают длительные путешествия, их смешивающее действие весьма незначительно.

Тем не менее Mixmaster Universe очень интересна. Подобно замкнутой вселенной Фридмана, она возникает из нулевого объема, расширяется до определенного максимума и вновь стягивается под действием собственного тяготения. Но эта эволюция не гладкая, как у Фридмана, а абсолютно хаотическая и посему совершенно непредсказуемая в деталях. В молодости эта вселенная интенсивно осциллирует, расширяясь по двум направлениям и сокращаясь по третьему - как у Казнера. Однако ориентации расширений и сжатий не постоянны - они хаотически меняются местами. Более того, частота осцилляций зависит от времени и по приближении к начальному мгновению стремится к бесконечности. Такая вселенная претерпевает хаотические деформации, подобно дрожащему на блюдечке желе. Эти деформации опять-таки можно интерпретировать как проявление движущихся в различных направлениях гравитационных волн, гораздо более буйных, чем в модели Казнера.

Mixmaster Universe вошла в историю космологии как самая сложная из воображаемых вселенных, созданных на базе «чистой» ОТО. С начала 1980-х годов наиболее интересные концепции подобного рода стали использовать идеи и математический аппарат квантовой теории поля и теории элементарных частиц, а затем, без большой задержки, и теории суперструн.

Ученые-космогонисты до сих пор не знают точного ответа на вопрос о форме Вселенной. Как, впрочем, и на вопросы о ее конечности-бесконечности или замкнутости-разомкнутости. Многих космогонистов объединяет гипотеза Большого взрыва, которая в упрощенном изложении выглядит так.Большой взрыв: как все начиналось… До Большого взрыва не существовало понятий «здесь» и «там», «до» и «после». Вся материя мира была сосредоточена в одной точке с практически нулевым размером и, соответственно, практически бесконечной плотностью. Не существовало и времени, потому что в самой точке ничего не происходило, а за ее пределами ничего не было и, следовательно, происходить не могло.Потом в силу каких-то причин точка (ее еще называют «космическим яйцом») взорвалась. Новорожденная материя стремительно, со скоростью света хлынула в окружающее «ничто». Появились энергия и силы – ядерные, электромагнитные, гравитационные. Появилось и начало течь время.Материя закрутилась спиралями туманностей. Возникли звезды, а затем и планеты. Спустя миллиарды лет на третьей планете, ничем не примечательном, заурядном желтом карлике, находящемся на периферии ничем не примечательной, заурядной спиральной галактики, из первобытного океана выползла на сушу первая протобактерия.А еще через миллиард лет потомки этой протобактерии начали ломать себе голову над различными космогоническими вопросами.Вселенная велика, но конечна Гипотеза Большого взрыва определяет возраст Вселенной в 15 (примерно!) миллиардов лет. Если гипотеза неверна, то неправильна и оценка возраста. Может, никакого взрыва и не было, и Вселенная существовала всегда?Но если гипотеза верна, то становится ясным ответ на вопрос о размере Вселенной. Если она верна, размер Вселенной с легкостью может подсчитать каждый школьник.В самом деле, нужно просто умножить время (15 миллиардов лет) на скорость разлетания материи. То есть на скорость света – 300 000 километров в секунду. Скорее всего, эта скорость с годами становится несколько меньше, но для простоты расчета будем считать ее постоянной.Умножили? Да, огромное получилось число, со множеством нулей… но все же не бесконечное. Вывод: Вселенная велика, но конечна. А стало быть, должна иметь не только размер, но и форму.И вот тут начинается самое интересное.

Вселенная может быть самых разных форм: плоской, открытой или замкнутой К вопросу о форме Вселенной Логичнее и проще всего считать, что Вселенная имеет форму сферы. В самом деле, если материя разлетается из единого центра с постоянной скоростью, то что это может быть, как не сфера? А вот если скорость не постоянна и Вселенная не замкнута и не однородна, то это может быть любая форма. Например, прямая или изогнутая четырехмерная плоскость. В этом случае Вселенная не замкнута, вечна и бесконечна.Информацию о форме Вселенной ученые пытаются получить, исследуя так называемое реликтовое излучение. Начало всех начал, или Большой взрыв сопровождался выбросом не только материи, но и излучения. У этого электромагнитного излучения, называемого реликтовым, есть свои, неизменные физические характеристики, которые позволяют астрофизикам отличать его от обширной разновидности других «космических лучей». Считается, что реликтовое излучение до сих пор равномерно заполняет Вселенную. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году.Вселенная имеет форму бутылки?

Так выглядит бутылка Клейна (замкнутая односторонняя поверхность)Исследуя реликтовое излучение, советский ученый Д.Д. Иваненко еще в середине прошлого века выдвинул предположение, что Вселенная, во-первых, замкнута, а во-вторых, далеко не везде подчиняется законам эвклидовой геометрии. Неподчинение эвклидовой геометрии означает, что где-то есть места, где параллельные линии пересекаются и даже перетекают одна в другую. Замкнутость Вселенной означает, что она, возможно, «замкнута сама на себя»: отправившись в путешествие из одной ее точки (скажем, с планеты Земля) и двигаясь, как нам кажется, строго по прямой, мы в конце концов очутимся там же, на Земле – хотя и через очень большое количество лет.Косвенное подтверждение теории Д.Д. Иваненко и его последователей было получено в 2001 году. Американский космический зонд WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) передал на Землю данные о флуктуациях (изменениях, колебаниях) температуры реликтового излучения. Астрофизиков заинтересовали размеры и характер распределения этих флуктуаций. Было проведено компьютерное моделирование, показавшее, что подобный характер флуктуаций может наблюдаться лишь в том случае, если Вселенная ограниченна и замкнута сама на себя.Даже луч света, распространяясь в пространстве, должен через определенный (большой) промежуток времени возвратиться в исходную точку. Значит, астрономы Земли могут, например, наблюдать одну и ту же галактику в разных частях небосвода, да еще и с разных сторон!Если данные WMAP будут подтверждены, наши взгляды на Вселенную изменятся очень сильно. Во-первых, она окажется относительно небольшой – не более 10 миллиарда световых лет в поперечнике. Во-вторых, ее формой может оказаться тор (бублик), а то и что-то совсем экзотическое, например замкнутая на себя бутылка Клейна.Кроме того, это будет означать, что мы сможем наблюдать всю Вселенную целиком и убедиться в том, что везде действуют одни и те же физические законы.

Многие краем уха слышали, что Вселенная имеет форму бублика. Большинство не придает этому значения, потому что слишком странно: почему именно бублик? В каком именно месте тогда дырка? И прочие неизбежные вопросы в том же духе. А то вот еще есть поговорка, что мир имеет форму чемодана… Ну, про чемодан – просто идиотская поговорка, а вот насчет бублика в какой-то мере правда.

Другие читали, что Вселенная представляет собой кристалл. Этот образ популярен в ненаучной фантастике, он позволяет порассуждать о "переходах с грани на грань" при путешествиях в параллельные миры. Попытка совместить оба эти образа – кристалла и бублика – порой приводят к появлению в фановой голове химерических картин типа "граненого карандаша, замкнутого в кольцо" и других подобных ужасов, не имеющих ничего общего с реальностью. Меж тем образ Великого Кристалла – тоже к какой-то мере правдв.

Картинки и подписи к ним не имеют отношения к основной теме поста и скорее отвлекают от сути, хотя и не призваны делать это. Так что рекомендую, чтобы не запутаться, сначала прочитать одно, а затем другое. Изображенная же здесь галактика NGC 2683 очень похожа на нашу родную галактику Млечный Путь. Она находится на расстоянии в среднем 20 миллионов световых лет от нас в направлении на северное созвездие Кошки (Рыси). На заднем фоне разбросаны ещё более удалённые галактики, а яркие звезды – гораздо ближе к нам, это звезды нашего рукава Млечного пути. Ядро NGC 2683 составляют огромное число старых жёлтых звёзд. Темные облака – космическая пыль в спиральных рукавах, сквозь которую проглядывают голубые точки скоплений молодых звёзд.

Начнем с бублика. Нет никакого бублика. Ноги же у этого образа растут из того факта, что наша Вселенная имеет хоть и очень большой, но все же конечный объем, но при этом не имеет границ. Представить это довольно просто на двухмерном примере: в некоторых простых компьютерных играх объект, уходящий за правую границу игрового поля, появляется слева, а ушедший вниз – сверху. Еще более наглядный пример – трехмерный – можно узреть, если на любом из уровней игры "Quake" (во всяком случае, первой или второй игры серии; может, и других подобных 3D-шутеров, я просто не пробовал) воспользоваться одновременно читами, позволяющими проходить сквозь стены и летать, и прямиком двинуться в любую сторону: камера быстро выйдет за пределы локации, ваш виртуальный герой какое-то время будет лететь в черной пустоте, а потом перед ним появится оставшееся вроде бы сзади скопление коридоров и комнат, и герой вернется в ту же точку, откуда начал, но с противоположной стороны, как будто обошел вокруг земного шара – хотя летел-то он по прямой. Двигаться можно в любую сторону бесконечно долго – границ нет, но за пределы уровня не выйти, и ни в какое "другое пространство" не прилетишь – объем конечен и замкнут. Вот такова же и реальная Вселенная, только попросторнее.

Шаровые звёздные скопления – спутники галактик – путешествуют по гало Млечного Пути. Эти древние сферические образования из нескольких сотен тысяч звёзд связанных взаимным притяжением. Все они гораздо старше звёзд диска галактики. На самом деле, измерения возраста шаровых скоплений накладывают ограничения на возраст самой Вселенная (она должна быть старше, чем звёзды в ней!). Точные измерения расстояний до шаровых скоплений помогли создать одну из астрономических шкал расстояний во Вселенной. Шаровое звёздное скопление NGC 6934 находится на расстоянии около 50 000 световых лет от нас в направлении на созвездие Дельфина. Звезды скопления теснятся в области диаметром 150 световых лет, а вблизи ядра скопления в кубе со стороной в 3 световых года могут помещаться до ста звезд. Для сравнения – ближайшая к Солнцу звезда удалена от нас на 4 световых года.

Но это сейчас мне хорошо – есть компьютерные игры, поэтому можно быстро объяснить "конечность и безграничность в одном флаконе" на простом готовом примере, а раньше пришлось бы воспользоваться старым добрым способом – растолковывать особенности строения трехмерного пространства на примере двухмерного, например, листа бумаги. А пространство листа бумаги, обладающего конечной площадью, можно в нашем трехмерном мире сделать безграничным, не нарушая евклидовости геометрии (стобы нарисованные на нем параллельные прямые оставались параллельными), только одним способом: сначала свернуть лист в трубочку, соединив противоположные края по оси X, а потом склеить концы трубочки, сделав то же самое по оси Y. Вот вам и бублик!

Большая красивая спиральная галактика M66 находится на расстоянии всего лишь 35 млн. световых лет и простирается в ширину на 100 000 световых лет. Вдоль спиральных рукавов галактики расположились тёмные пылевые прожилки и ярко-голубые скопления молодых звёзд, а красные точки на рукавах - это свет от областей интенсивного звездообразования. Все яркие отдельные звёзды, что вы видите на этом космическом пейзаже, разумеется, принадлежат нашей Галактике. Однако на тёмном фоне неба можно разглядеть многочисленные другие далёкие галактики.

С трехмерным ограниченным пространством то же самое можно проделать, если в четвертом измерении попарно склеить противоположные грани кубика. Не ломайте мозг, пытаясь это представить наглядно – наши мозги предназначены для обработки информации о трехмерном пространстве и под такие фокусы не заточены в принципе, даже и пытаться не стоит. Но в любом случае это будет никакой не бублик, а некая хитровывернутая в четырех пространственных измерениях гиперфигура.

На этой не самой зрелищной с виду фотографии запечатлен грандиознейший катаклизм – на самом деле галактика NGC 7252 – это две галактики в процессе столкновения. Процесс длится сотни миллионов лет, так что на картинке он как бы застыл во времени. Получившееся звёздное столпотворение получило название галактика Мирный Атом. NGC 7252 имеет размер около 600 000 световых лет и находится на расстоянии почти 220 миллионов световых лет от нас в направлении на созвездие Водолея. Возможно, то же самое ждёт наш Млечный Путь – если через несколько миллиардов лет наша Галактика столкнётся с Туманностью Андромеды. Так как мы до сих пор не знаем, с какой скоростью Туманность Андромеды (М31) движется в бок (учёные могут измерить лишь ту составляющую часть скорости, которая направлена вдоль луча зрения) никто точно не знает, произойдет ли это.

Так что в действительности никакого "бублика" нет, и он в-общем-то не нужен и для примера с двухмерным пространством – правильней будет представить себе бесконечную плоскость, сплошь устланную одинаковыми листами – в точности повторяющими один другого, потому что на самом деле это один и тот же лист… это впрочем тоже слишком абстрактно (а некоторых, кто до сих пор не врубился, может потянуть поговорить об "отражениях" нашего мира), давайте лучше вернемся к примеру с "Quake" и на нем остановимся – это наиболее наглядная модель из здесь описанных, остальные только с панталыку сбивают. Тем более что геометрия такой модели остается евклидовой: параллельные линии не пересекаются, сумма углов треугольника равна 180o и т.д., а согласно наиболее авторитетной современной космологической модели Вселенной, наш мир не имеет глобальных пространственных искривлений.

Самая перва из открытых компактных групп галактик - Квинтет Стефана. Эта группа лежит на расстоянии около 300 миллионов световых лет от нас. Но только четыре из пяти галактики на самом деле находятся вместе в пространстве. Лишнюю галактику не трудно заметить: четыре взаимодействующие галактики (NGC 7319, 7318A, 7318B и 7317) выглядят более жёлтыми и имеют более искажённые структуры: петли и хвосты, появившиеся вследствие взаимных разрушительных гравитационных приливов. Галактика поголубее и побольше размером, NGC 7320, находится гораздо ближе к нам. От Земли её отделяют около 40 миллионов световых лет, так что она не является частью группы. На этом изображении можно даже увидеть отдельные звезды в NGC 7320, это как бы подтверждает, что она действительно гораздо ближе остальных галактик.

Теперь что касается кристалла. Каждый уровень той же 3D-игры прописывается программистами в виде параллелепипеда – то есть всё-таки имеет определенные границы, не существующие с точки зрения героя "внутри" уровня. Так вот можно сказать, что не имеющая границ вселенная игры тем не менее имеет форму параллелепипеда. При этом границы его можно будет произвольно провести через любую точку игрового пространства – они никак не будут ощущаться "обитателями" виртуального мирка. Однако если высота параллелепипеда будет меньше его длины – то, "летя" постоянно вверх, читер достигнет исходной точки быстрее, чем "летя" вперед. Даже если все грани будут одинаковы – куб – то и в этом случае путь по диагонали окажется длиннее, чем путь вдоль одной из сторон. Вот и получается, что виртуальная микровселенная, не имея границ, тем не менее имеет некую форму – в случае с игрой параллелепипед.

Спиральная галактика NGC 4216, которую мы видим с ребра, удалена от нас на 40 млн. световых лет, а ее диаметр – почти 100 тысяч световых лет, примерно такой же, как у нашего Млечного Пути. NGC 4216 окружена другими членами этого скопления – NGC 4206 (справа) и NGC 4222. Как и другие большие спиральные галактики, включая наш Млечный Путь, NGC 4216 растет, поглощая маленькие галактики-спутники. На фото эти галактики-спутники видны, и от них отходят слабые звездные потоки, растянувшиеся на тысячи световых лет к гало NGC 4216.

Какую же форму имеет наша Вселенная? Самый примитивный способ определить – пролететь ее всю из конца в конец в разных направлениях и замерить время, необходимое для возвращения с разных сторон в исходную точку. Лично я бы за этот эксперимент не взялся – лететь долгонько, а исходная точка за это время изменилась бы до неузнаваемости, да и сама Вселенная бы расширилась – всё насмарку. Хорошо бы было, если бы существовало нечто, уже проделавшее этот путь. И такая штука есть – это так называемое реликтовое излучение, пронизывающее весь космос и являющееся, грубо говоря, никуда не девающимся из Вселенной (потому что некуда) электромагнитным "эхом" Большого Взрыва.

Так вот при интерпретации параметров распределения этого излучения в 2003 были сделаны выводы (еще впрочем, окончательно не подтвержденные и подвергаемые сомнению), что "форма" нашей Вселенной может представлять собой додэкаэдр –правильный многогранник с 12 пятиугольными гранями – бесконечно (см выше) отраженный сам в себе. Ну или, опять же пользуясь предыдущими аналогиями, Вселенная – это бесконечное пространство, заполненное "виртуальными" додэкаэдрами, которые суть один и тот же додэкаэдр. Если еще вам встретится понятие "зеркальная Вселенная", "Вселенная как система заркал" – то как раз имеется в виду вот эта самозамкнутость, востпринимаемая внутренним наблюдателем как отражения (точнее, воспринимаемая БЫ, если бы диаметр Вселенной был гораздо меньше и свет возвращался бы в исходную точку не спустя десятки миллиардов лет).

Группа галактик NGC 7771 находится почти в 200 миллионов световых лет от Земли за созвездием Пегаса. Собствено NGC 7771 – самая большая, повернута несколько ребром – 75 000 световых лет в поперечнике. Красивая круглая галактика левее – NGC 7769.

Еще можно ставнить с мыльной пеной – множество сфер, вплотную прилегая друг к другу, образуют в местах смыкания плоскости. Только в случае с Мирозданием пена стстоит из одного и того же пузырька. И – еще раз – в отличие от мыльной пены, граней, границ этих как таковых нет: точнее, их можно провести в любом месте, а точкой отсчета, центром "пузыря"-многогранника является точка, где находится наблюдатель.

Вот как-то так оно. Понятно?

Звезды во вселенной сгруппированы в галактиках (в среднем в галактике 10 000 000 000 звезд).
Галактики собраны в скопления галактик (в среднем 100-1000 галактик).
Скопления - в сверхскопления (в среднем 100 скоплений)