WMAP
Sokoloff Vladimir
октябрь 2015.
5783

Почему у вселенной нет центра?

Ответить
Ответить
Комментировать
1
Подписаться
13
6 ответов
Поделиться

Современная теория гравитации, общая теория относительности (ОТО) утверждает, что материя влияет на геометрию пространства и времени, искривляя её и таким образом создавая гравитационное притяжение. Физики экстраполировали это утверждение и нашли способ описывать геометрию всей Вселенной с помощью ОТО. Материя, в этом случае, заставляет Вселенную расширяться, то есть со временем между удаленными друг от друга объектами пространство будет растягиваться и объекты будут разлетаться. Этот факт экспериментально обнаружил американский астроном Хаббл. Согласно современным представлением, расширение Вселенной означает, что должен быть Большой взрыв, то есть момент, когда вселенная Возникла из чего-то, из чего мы не знаем, и начала расширяться. Было вычислено, что Большой взрыв произошел почти 14 млрд. лет назад.

Из астрономических наблюдений ученые установили, что если посмотреть на Вселенную на очень больших масштабах, больше масштабов скоплений галактик, Вселенная симметрична: пространственно однородна и изотропна (одинакова во всех направлениях). Уже отсюда понятно, что у Вселенной не может быть выделенного центра с точки зрения ОТО, ведь на больших масштабах Вселенная симметрична, а наличие центра - нарушение симметрии.

Как же это все может выглядеть в действительности? Согласно ОТО, симметричная Вселенная описывается одной из моделей Фридмана. Современные наблюдения не позволяют понять какой. Существуют три возможных сценария:

1) Вселенная плоская и бесконечная. Это то обычное пространство, которое мы все проходили в школе. Вселенная простирается бесконечно далеко, везде наблюдается то же что и у нас, есть какие-то скопления галактик, звезды. Понятно что у такой картины нет какого-то центра. Соседние скопления разлетаются друг от друга, поскольку вселенная расширяется. Соответственно поскольку вселенная возникла около 14 млрд. лет назад, мы видим только то, откуда свет успел до нас за это время долететь. И то, чем дальше мы смотрим, тем более молодую вселенную мы видим.

2) Вселенная имеет отрицательную кривизну и бесконечна. Почти то же что и в прошлом варианте, только локально пространство выглядит как седло, то есть поверхность, которая в двух перпендикулярных направлениях искривляется в противоположные стороны. Только поверхность седла двумерна и "вложена" в трехмерное пространство, а тут все трехмерно и ни во что не вложено. Наглядно это сложно себе представить. Сумма углов очень больших треугольников меньше 180 градусов, но во всем остальном практически то же самое.

3) Вселенная конечна и имеет положительную кривизну. Самый завораживающий вариант. Давайте возьмем сферу. И представим, что мы живем исключительно на поверхности и даже голову вверх поднять не можем. Когда мы будем ползать по сфере, нам она будет казаться симметричной, везде мы будем видеть ту же картину. У поверхности сферы нет центра на сфере. Но мы всегда сможем понять что мы на сфере, например нарисовав треугольник и посчитав сумму углов, она будет больше 180 градусов. Согласно третьей модели вселенная именно такая сфера, но трехмерная. То есть у нас есть 3 направления чтобы ползать, если мы будем идти долго в любом направлении, то в итоге придем в исходную точку. Если вселенная такая сфера, то радиус у нее должен быть очень большим, и мы не сможем увидеть нашу галактику со спины, потому что свет за время существования вселенной так много пока не прошел. Но как и в прошлых ситуациях, у такой сферы нет выделенного центра. Если бы такая сфера была поверхностью в четырехмерном пространстве, он бы был, но лежал бы не на сфере. Но математика может работать и со сферой ни во что не вложенной, поэтому часто такое предположение о многомерности нашей вселенной считается лишним.

44
-1

Николай, спасибо за ответ. К сожалению, для меня все еще загадка, почему у пространства с конечным объемом (это, насколько позволяют мои знания, не противоречит моделям Фридмана) не может быть центра. Ну и Большой Взрыв, как место рождения вещества, тоже смущает.

Что касается причин расширения вселенной, то это, вроде, относят к влиянию темной материи, но не барионного вещества.

По правде, я прочитал приличное количество всяких статей на эту тему, но никак не пришел к пониманию.

+3
Ответить

Как я уже сказал, наша трехмерная закрытая вселенная может быть и ни во что не вложена. Математика это разрешает. Теперь давайте посмотрим на землю. Поверхность земли двумерна. Где у поверхности земли центр? Что-то над поверхностью или под поверхностью не существует, у нас нет третьего вертикального измерения. Такие вещи как центр, направление изгиба поверхности итд просто неопределены, когда мы живем на двумерном шаре и не можем смотреть ни вверх, ни вниз. Но мы конечно можем понять, что шар кривой, строя разные треугольники и считая сумму углов (на шаре она может быть хоть 270). Математики в таком случае определяют два класса величин, intrinsic и extrinsic, я не знаю точного перевода. Пусть будет внутренние и внешние. Так вот, топология - внутренняя характеристика, мы можем долго ходить в разных направлениях и понять, что все прямые сходятся в одной точке, нам для этого не нужно слезать с шара. То же и с кривизной, мы можем треугольники строить и сумму углов считать. А вот наличие "центра" такой сферы в 3D пространстве или направления изгиба - это все внешние характеристики. Пока нет никаких прямых указаний, что есть другие измерения, поэтому гипотеза о центре вселенной в 4D пространстве излишняя. Забавная вещь, например, происходит с кривой. Линия в 2D пространстве может иметь кривизну, но сидя на самой линии мы не можем ввести такую внутреннюю меру. Поэтому внешне кривая может быть кривой, а внутренне все кривые эквивалентны.

Про расширение вселенной, заметный вклад в современное расширение вносят темная энергия ~70%, темная материя ~25% и барионная материя ~5%. Так что в основной вклад вносит темная энергия, именно из-за ее необычных свойств (отрицательное давление при положительной плотности энергии) мы сейчас расширяемся с ускорением, для этого мы ее и ввели. Темная и обычная материи похожи по влиянию на расширение, если бы были только они, вселенная расширялась бы с замедлением.

+2
Ответить

Добавлю про расширение и Большой взрыв. В модели с трехмерной сферой большой взрыв - это когда сфера возникла, и радиус перестал быть нулем. Большой взрыв произошел везде в том смысле что пространство возникло сразу и всюду, заполненное чем-то более-менее однородным. После этого вселенная стала расширяться. В случае обычной сферы расширение похоже на надувание шарика, соответственно оно везде одинаково и изотропно. Но, как я уже сказал, аналогия неполная. На деле есть только поверхность сферы, а то что мы представляем картину в виде шарика - это просто способ визуализации.

+2
Ответить
Ещё 13 комментариев

Мне так нравится третий вариант!

0
Ответить

Насколько я знаю, измерение расстояний между галактиками показало, что Вселенная всё-таки плоская и бесконечная. Другие же варианты никак не подтверждаются пока.

+2
Ответить

Современная базовая модель вселенной Лямбда-CDM не дает однозначного ответа на этот вопрос. Согласно теории относительности для вселенной можно написать одно большое уравнение баланса. Относительные вклады в расширение вселенной разных компонент обозначаются греческими Ω. Для обычной материи Ω_B~0.05, темной материи Ω_DM~0.25, темной энергии Ω_Λ~0.7. Можно считать, что эти вклады соответствуют массам разный компонент, например что вселенная на 70% состоит из темной энергии, на 25% из темной материи, на 5% из нашего обычного вещества. Теория относительности также требует добавить вклад кривизны Ω_k, если вклад кривизны положителен, то будет первый мой вариант, если отрицателен, то замкнутая сфера, если нуль, то плоская вселенная. В сумме все вклады должны равняться 100%, то есть единице: Ω_B+Ω_DM+Ω_Λ+Ω_k=1. Так вот, современные наблюдательные данные показывают, что Ω_B+Ω_DM+Ω_Λ=1.0023±0.005, то есть подходят все три варианта. С уверенностью можно сказать только то, что вселенная очень плоская. И что если она трехмерная сфера, то у этой сферы очень большой радиус и плоская поверхность.

+3
Ответить

Для объяснения того, что Вселенная такая плоская и того, что она такая однородная, ученые предложили так называемую теорию космологической инфляции. Она утверждает, что вселенная на начальном этапе за очень короткий срок экспоненциально расширилась.

PS Данные с установок WMAP и Planck дают Ω_B+Ω_DM+Ω_Λ=1.00±0.02

+2
Ответить

Николай, такой вопрос. Если вселенная все же бесконечна, то как высчитали такие параметры, которые можно часто услышать, как количество атомов во вселенной? Разве их количество не должно быть бесконечным? Или имеется ввиду исключительно видимая вселенная?

Или часто пишут, например читал недавно про т.н. "великий аттрактор", там уточнялось, что возможно подобный объект не единственный во вселенной. Но ведь, если вселенная бесконечна, то любых объектов (вписывающихся в законы физики) бесконечное множество?

0
Ответить

Их высчитывают и относят не ко вселенной, а к наблюдаемой вселенной. А она уже конечна.

0
Ответить

> Материя, ..., заставляет Вселенную расширяться ...,

Верно ли это Ваше утверждение сегодня?  

0
Ответить

Да, это не единственный и не доминирующий вклад в общий энергетический баланс, но существенный, ~30%.

0
Ответить
Ещё 4 комментария

В моем комменте речь идет о расширении Вселенной, за что ответственна только тёмная энергия. 

0
Ответить

Это неправда. Это очевидно из того факта, что вселенная расширялась даже тогда, когда вклад темной энергии был пренебрежимо мал, причем расширялась быстрее чем сейчас. Легко построить вселенную Фридмана, которая будет вечно расширяться и без темной энергии. Например, открытая вселенная заполненная чисто материей.
Я думаю вы путаете расширение с ускоренным расширением. Для того чтобы вселенная расширялась с ускорением действительно нужно, чтобы доминировал некий тип необычной энергии (у которой уравнение состояния p < - 1/3 * \rho, где p - давление, \rho - плотность). Примером такой энергии является темная энергия.

0
Ответить

Думаю, ошибкой является всё же ваша фраза: Материя, ..., заставляет Вселенную расширяться.

Вселенная Фридмана расширяется из-за особенности самого пространства (кривизны) и соответствующей плотности энергии, заключённой в ней. Материя образовалась только после инфляционной стадии расширения в период кварковой эпохи и не могла быть первопричиной расширения. Да, и интересно было бы узнать каким образом материя может расширять пространство.

0
Ответить

Материя имеет плотность энергии. А что-то что имеет плотность энергии почти всегда можно назвать материей. Если говорить про инфляцию, инфлатон - это разве не материя? Инфлатон - это квантовое скалярное поле, как у всех квантовых полей его классическое состояние, которое обычно люди рассматривают когда смотрят на инфляцию, есть когерентное состояние большого числа частиц инфлатона (как классическая электромагнитная волна есть когерентное состояние большого числа фотонов). Если состояния скалярного поля не материя, тогда бозон Хигса тоже не материя (кстати, есть модели инфляции, где инфлатон - именно поле Хиггса, не слежу насколько они актуальны или экспериментально закрыты).
Более того, раз уж пошел разговор, у нас нет никаких доказательств того, что темная энергия - это энергия вакуума. Есть намек на это в виде того, что экспериментально установлено, что ее уравнение состояния p = w \rho с хорошей точностью имеет w = -1. Но это вполне может быть весьма экзотическое медленно скатывающееся скалярное поле аки инфлатон.
По-моему вы тут ударяетесь в семантику. Если говорить на любительском уровне, то одни и те же вещи можно назвать разными словами. Главное чтобы суть была одна. Если говорить на профессиональном уровне, то есть эффективный лагранжиан, работающий на масштабах меньше планковских. Там есть разные степени свободы (квантовые поля) бозонные и фермионные разных спинов. А материя-не материя это уже философия.

0
Ответить

Если вам эстетически или семантически приятно, чтобы вместо слова материя в моем ответе стояло слово энергия, я поменяю, мне в общем-то все равно.

0
Ответить
Прокомментировать

У Вселенной нет никакого "центра", она либо бесконечна во все стороны, либо замкнута, наподобие поверхности шара, или ещё чего-нибудь более хитрого. Та "точка", где всё начиналось - растянулась и теперь занимает всю Вселенную целиком.

7
0
Прокомментировать

Сначала была сингулярность. Проще говоря, сожмите всю существующую во Вселенной материю в шарик, диаметр которого в сотни раз меньше спичечной головки. Из-за немыслимо большого давления там было очень горячо. В какой-то момент эта точка взорвалась и вокруг нее с огромнейшей скоростью начало распространятся пространство и возникло время. Пространство довольно долго расширялось, после чего либо перестало расширяться, либо расширяется с очень маленькой скоростью, но никак не сужается. Итак, вокруг изначальной точки было некоторое количество материи, которое стало от нее отдаляться вместе с расширением вселенной. Для того, чтобы это проще воспринималось, придумали простой пример: на сдутом воздушном шарике рисовали несколько точке, после чего его надували. Как вы понимаете, точки расходились друг от друга. То же самое происходило/происходит с галактиками. То есть, сейчас в этой точке ничего нет.

Николай Чечулинотвечает на ваши вопросы в своейПрямой линии
3
-1
Прокомментировать

Да, существует. Согласно общей теории, после Большого Взрыва вселенная начала расширятся. А все расширение происходит относительно какого-то центра. Не думаю, что мы знаем где он.

0
-2
Прокомментировать
Читать ещё 1 ответ
Ответить