Что вы имеете в виду, Вселенная плоская? (Часть I)
Вселенная четырехмерна — три для пространства, одно для времени.
Вселенная имеет девять, десять или одиннадцать измерений.
Материя искривляет пространство-время.
Вселенная плоская.
Вселенная бесконечна.
Ширина Вселенной составляет 84 миллиарда световых лет.
Вселенная — это пузырь или луковица.
Или зеркальный зал в форме футбольного мяча.
Или образ из «Божественной комедии» Данте.
Заявления, подобные этим, довольно часто появляются в научно-популярных журналах, в том числе Научный американец— и они, кажется, находятся в полном противоречии друг с другом. Но все они верны или, по крайней мере, правдоподобны. Что дает?
Тонкость в том, что слово «вселенная» имеет разные значения в разных контекстах. В разговорном английском это слово часто означает «все, что существует». Так что это интуитивное представление о вселенной кажется хорошим началом. Если мы будем следовать этому ходу мысли, первое, что мы заметим, это то, что настоящее время глагола «существовать» имплицитно предполагает, что мы имеем в виду «все, что существует». в настоящее время.”
Оставляя в стороне вопрос о том, может ли «сейчас» иметь универсальное значение — и еще более тонкий онтологический вопрос о том, что значит существовать, — имеет смысл думать о тотальности пространства и всех его содержаниях в настоящее время, и представить эту тотальность как непрерывную сущность.
Пространство или пространство-время?
Если мы пойдем по этому пути, мы можем сначала заметить, что пространство кажется нам трехмерным. Таким образом, мы могли бы сделать предположение, что можем найти что угодно во Вселенной, используя три декартовых координаты: в этот застывший момент времени, который мы называем настоящим, каждый объект занимает определенное место. Икс, у а также г в нашем трехмерном континууме.
Итак, вот одно из естественных представлений о Вселенной: все трехмерное пространство в настоящее время. Назовите это теперь наоборот.
Но как насчет всех этих других измерений?
Причудливые теоретические конструкции, такие как теория струн, постулируют, что на самом деле в космосе есть нечто большее, чем мы можем видеть, но пока у этих теорий нет экспериментальных доказательств, подтверждающих их. Итак, на данный момент мы можем просто сосредоточиться на наших знакомых трех измерениях.
Время, с другой стороны, действительно является дополнительным измерением, и вместе с пространством оно образует более крупную четырехмерную сущность, называемую пространством-временем. Естественно думать о нынешнем мире как о трехмерном срезе в этом четырехмерном пространстве, точно так же, как горизонтальные плоскости являются двумерными срезами в нашем трехмерном мире. Поскольку большинству людей (в том числе и вашему покорному слуге) трудно визуализировать четырехмерные объекты, распространенный способ представления пространства-времени состоит в том, чтобы притвориться, что пространство имеет только два измерения. Пространство-время, таким образом, имело бы более управляемое количество из трех. При таком взгляде на вещи современная вселенная — это один из многих параллельных планов, каждый из которых представляет Вселенную в определенный момент ее истории.
Таким образом, кажущееся несоответствие
Вселенная трехмерна.
Вселенная четырехмерна — три для пространства, одно для времени.
Вселенная имеет девять, десять или одиннадцать измерений.
это просто вопрос уточнения языка. Насколько нам известно, пространство трехмерно, а пространство-время четырехмерно; но если теория струн верна, то пространство оказывается 9-мерным, а пространство-время 10-мерным.
Между прочим, когда космологи говорят о расширении Вселенной, они имеют в виду, что расширялось пространство, а не пространство-время.
Плоский или изогнутый?
За последнее десятилетие — вы, возможно, читали эту новость бесчисленное количество раз — космологи обнаружили то, что, по их словам, достаточно убедительные доказательства что Вселенная (имеется в виду трехмерное пространство) плоская или, по крайней мере, очень близка к плоской.
Точное значение плоского, а не искривленного пространства заслуживает отдельного поста, и именно об этом будет часть II этой серии [обновление от 31 июля: читать Что вы имеете в виду, Вселенная плоская? Часть II: в которой мы фактически отвечаем на вопрос]. Пока удобно просто визуализировать плоскость как наш архетип плоского объекта, а поверхность Земли как наш архетип искривленного. Оба они двухмерны, но, как я расскажу в следующем выпуске, плоскостность и криволинейность имеют смысл в любом количестве измерений.
Здесь я хочу поговорить о том, что должно быть плоским.
Когда космологи говорят, что Вселенная плоская, они имеют в виду пространство — настоящее и его параллельные братья и сестры в прошлом. Пространство-время не плоское. Этого не может быть: общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что материя и энергия искривляют пространство-время, а материи и энергии вокруг достаточно, чтобы обеспечить кривизну. Кроме того, если бы пространство-время было плоским, я бы не сидел здесь, потому что не было бы гравитации, удерживающей меня на стуле. Короче говоря: пространство может быть плоским, даже если пространство-время не плоское.
Более того, когда говорят о плоскостности пространства, космологи имеют в виду крупномасштабность Вселенной. Когда вы «увеличиваете масштаб» и смотрите на что-то менее космического масштаба, например на Солнечную систему, пространство — а не только пространство-время — становится определенно не плоская.Замечательные новые доказательства этого факта были недавно получены в ходе самого продолжительного эксперимента в истории НАСА. Гравитационный зонд B, который провел прямое измерение кривизны пространства вокруг Земли. (И считается, что самый крайний случай неплоскостности пространства происходит внутри горизонта событий черной дыры, но это уже другая история.)
В космическом масштабе искривление, созданное в пространстве бесчисленными звездами, черными дырами, пылевыми облаками, галактиками и т. д., представляет собой всего лишь набор маленьких бугорков на скучно плоском пространстве.
Таким образом, кажущееся противоречие:
Материя искривляет пространство-время. Вселенная плоская
тоже легко объяснимо: пространство-время искривлено, как и пространство; но в большом масштабе пространство в целом плоское.
Конечный или бесконечный?
Если все в обратном мире имеет Икс, а у и z, было бы естественно предположить, что мы можем подтолкнуть эти координаты к любому значению, независимо от того, насколько оно велико. Космический корабль, летящий «вдоль Икс оси» может продолжаться вечно. Ведь что могло ее остановить? Пространство должно иметь какую-то границу; большинство космологов так не думают.
Однако тот факт, что вы можете жить вечно, не означает, что пространство бесконечно. Подумайте о двухмерной сфере, на которой мы живем, о поверхности Земли. Если вы сядете в самолет и пролетите над экватором, вы можете просто продолжать полет — вы никогда не столкнетесь с «краем Земли». Но через некоторое время (при условии, что у вас достаточно топлива) вы вернетесь на то же место. Нечто подобное, в принципе, могло бы произойти и в нашей Вселенной: космический корабль, улетевший в одном направлении, через долгое время мог появиться вновь с противоположного направления.
А может быть, и нет. Космологи, кажется, верят, что Вселенная существует вечно, не возвращаясь, и, в частности, что пространство имеет бесконечную протяженность. Но под давлением большинство космологов также признают, что на самом деле они понятия не имеют, конечна она или бесконечна.
В принципе, Вселенная может быть конечной и не иметь границ — точно так же, как поверхность Земли, но в трех измерениях. Фактически, когда Эйнштейн сформулировал свое космологическое видение, основанное на его теории гравитации, он постулировал, что Вселенная конечна. Мировоззрение Эйнштейна коренилось в его глубоком, почти мистическом чувстве эстетики; наиболее симметричной, эстетически совершенной трехмерной формой является трехмерная сфера. (Некоторые предполагают, что то, как Данте описывает вселенную в своем Божественная комедия также имеет какое-то отношение к трехмерной сфере: я думаю, это тоже придется подождать до следующего поста.)
В последнее время некоторые космологи отнеслись к этой возможности весьма серьезно и попытались проверить, может ли пространство быть трехмерной сферой или, возможно, более сложным трехмерным пространством, которое по существу является сферой, обернутой вокруг себя [см.Конечно ли пространство?Гленн Д. Старкман, Жан-Пьер Люмине и Джеффри Р. Уикс; Научный американец, апрель 1999]. Во вселенной, которая имеет одну из этих форм, можно было бы наблюдать триповые эффекты типа зеркала зала.
Причина, по которой мы не знаем, является ли пространство конечным или бесконечным, заключается в том, что у нас, похоже, нет возможности наблюдать за пределами ограниченного горизонта. Вселенной 13,7 миллиарда лет, и поскольку ничто не может двигаться быстрее скорости света, у нас нет никакой информации о событиях, происходящих за пределами определенного расстояния. (По причинам, которые было бы слишком сложно обсуждать здесь, это максимальное расстояние на самом деле не равно 13,7 миллиарда световых лет.)
Наблюдаемая Вселенная
Итак, мы знаем то, чего не можем знать: Вселенная, которую мы можем наблюдать, имеет конечную протяженность. Космологи часто называют ее наблюдаемой Вселенной.
Насколько велика наблюдаемая Вселенная? Это удивительно сложный вопрос, который станет предметом еще одного следующего поста.
А пока давайте просто заметим, что самые далекие галактики чей свет, который мы обнаружили, излучал этот свет около 13,2 миллиарда лет назад. Поскольку Вселенная (имеется в виду пространство) с тех пор расширялась, эти галактики теперь находятся на гораздо большем расстоянии — примерно в 26 миллиардах световых лет.
Даже дальше, чем самые далекие галактики, самый далекий объект, который нам удалось наблюдать, — плазма, существовавшая до эпохи рекомбинации [см. Под кроваво-красным небом], существовал около 13,7 миллиардов лет назад, всего через 400 тысяч лет после Большого взрыва. Свету, исходящему от него, потребовалось 13,7 миллиарда световых лет, чтобы добраться до нас. Материя, которую мы «видим» в этой плазме, также ушла дальше: сейчас эта материя находится примерно в 42 миллиардах световых лет от нас. Так вот о чем говорят космологи, когда говорят, что наблюдаемая Вселенная имеет радиус 42 миллиарда световых лет. (Конечно, ответ должен был быть 42.)
Однако странный факт об наблюдаемой Вселенной заключается в том, что она не является частью вселенной Now. Поскольку свет от далеких галактик доходил до нас миллионы лет, то, что мы видим, находится в прошлом, а не в настоящем, и чем оно дальше, тем старше. Итак, если наблюдаемая вселенная не является частью вселенной, как мы можем ее изобразить? Где в пространстве-времени мы должны его разместить? [продолжение следует]
Что вы имеете в виду, говоря, что Вселенная плоская? Часть 2: в которой мы на самом деле отвечаем на вопрос
(«Плоский» означает «не изогнутый», но что означает «изогнутый»?)
Быть Мистером Фантастиком
(О визуализации конечной скорости света)
Под кроваво-красным небом
(О послесвечении Большого взрыва и о том, почему раньше небо светилось красным)
Все еще впереди: откуда мы знаем, что искривление пространства является фактом жизни; как бы выглядел мир, если бы космос был очень изогнутый; какова кривизна (и размер) наблюдаемой Вселенной; и какое отношение наблюдаемая вселенная имеет к Данте.
Изображение Хаббла в сверхглубоком поле, любезно предоставленное НАСА.Изображение сферы и плоскости Джо Долинера.
Большое спасибо гуру космологии Scientific American Джорджу Массеру.
Выраженные взгляды принадлежат автору (авторам) и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.
ОБ АВТОРЕ(АХ)
Давиде Кастельвекки штатный корреспондент Природа который был одержим квантовым вращением практически всю свою жизнь. Подпишитесь на него в Твиттере @dcastelvecchi
Последние статьи Давиде Кастельвекки
- Мужество ошибаться: чтение биографии Стивена Хокинга
- Рецензия на книгу «Наша магнитная Земля» Рональда Меррилла
- Пробуждение X-Ray Delta One
