Вселената е плоска. Но в това невинно изглеждащо на пръв поглед заключение има много подробности. Какво всъщност означава триизмерен, обемен обект да бъде плосък? И как определяме формата на Вселената изобщо?
Да проследим линиите
За да продължим нататък, ни е нужно да дефинираме що е то “плосък”. Екранът, на който четете това е плосък (надявам се). Знаете, че Земята е кръгла (още повече се надявам). Но как можем да определим това математически? Това би ни било полезно, ако искаме да определим формата на цялата Вселена.
Единият отговор се базира на успоредните линии. Ако започнете да чертаете две успоредни линии на лист хартия, и ги продължите, те ще продължават да бъдат все така успоредни безкрай, или поне докато листът хартия не свърши. Това впрочем е в основата на дефиницията за успоредност в последните няколко хиляди години, и би трябвало да върши работа.
Нека повторим упражнението на повърхността на Земята. Започваме от екватора и рисуваме няколко успоредни линии, сочещи право на север. Без да кривим дори минимално линиите, те все пак се събират и пресичат в една точка на Северния полюс. Кривината на Земята прави успоредните линии да не са успоредни. Е, Земята е кръгла (сферична, за да спазим коректната терминология).
Противоположна на земната сферична форма е формата на седлото. На неговата повърхност, линиите не се събират, а се раздалечават една от друга.
И така: Можем да измерим плоскостта на дадена структура, ако просто наблюдаваме как успоредните линии се държат. В нашата триизмерна Вселена ние можем да наблюдаваме светлинните лъчи. Ако да речем, два лазерни лъча бъдат насочени успоредно един на друг, тяхното поведение в дългосрочен план ще ни даде важна информация.
Плоска като палачинка
Трябва да не забравяме, че определянето на формата на Вселената е въпрос от космологията – наука за цялата Вселена. Космологията не се интересува от нас, мен, слънчевите системи, черните дупки, галактиките. В космологията се обръща внимание на Вселената само в най-голям мащаб; малките изкривявания нямат значение за текущия въпрос.
Вселената има всевъзможни деформации на време-пространството, които изкривяват нейната перфектна плоскост. Всяко място, на което има маса или енергия причинява огъване на време-пространството, или поне така ни казва Общата теория на относителността. Логично, нашите светлинни лъчи съвсем естествено ще се съединяват, попадайки в черна дупка, или ще се изкривяват под странни ъгли, преминавайки покрай галактики.
В голямата картина, когато изследваме наистина древни светлинни лъчи – да кажем, лъчите от космическия микровълнов фон, пътували през Вселената 13,8 милиарда години, тогава придобиваме истинска представа за нейната форма. А тя, доколкото можем да кажем, със съвсем малка доза несигурност, е плоска.
Совите не са това, което са…
Е, до тук добре. Но сме на средата на статията, което означава, че историята не е свършила.
Замисляли сте се каква е разликата между цилиндър и сфера? Едва ли е част от ежедневните ви мисли, но никога не е късно да опитаме нещо ново.
Вземете от коша онова парче лист, на което рисувахме успоредните линии. Огънете го така, че да допрете двата му края, образувайки цилиндър. Внимателно погледнете успоредните линии. Те остават успоредни, нали? Да. Защото цилиндърът е плосък.
Да, точно така – и цилиндрите са плоски.
Има съществена разлика между геометрията (поведението на успоредните линии) и топологията (която изследва начините, по които фигурите се деформират). Докато геометрията на Вселената е добре наблюдавана (плоска, да повторим), топологията ѝ не е. И не само, че не можем да определим топологията на Вселената с наблюдения, но дори няма физични закони, които да я предскажат.
С нашето двуизмерно листче можем да свържем краищата по няколко различни начина. Ако ги свържем нормално, получаваме цилиндър.
Ако усучем единия край и пак ги допрем, получаваме Лист на Мьобиус, само с една повърхност…
….или Бутилка на Клайн, която е двумерна повърхнина, която има само една страна,
….и още много други необичайни топологии (18 на брой), които ни казват нещо общо (като китайска поговорка): ако пътуваш достатъчно дълго, ще стигнеш там, откъдето си тръгнал. Ако повърхностите и измеренията са обърнати, ще стигнеш надолу с главата, без да си се обръщал.
Разбира се, правени са наблюдения, за да се разбере дали Вселената е усукана. Не сме виждали копия на галактики, не виждаме и лъчите от космическия фон да се пресичат. Ако Вселената е усукана, то нейният размер е много, много по-голям, от това, което можем да наблюдаваме.
Втори начин, да разберем формата на Вселената е да следваме Общата теория на относителността на Айнщайн. Според нея, пространството бива изкривявано от масата. В резултат, плътността на вселената – колко маса има в нейния обем – определя нейната форма и бъдеще.
Съществува понятие, наречено критична плътност на Вселената. Тази критична плътност е пропорционална на Константата на Хъбъл, повдигната на втора степен (константата на Хъбъл се използва са определяне на разширяването на Вселената). Ако сравняваме критичната плътност с реалната плътност на Вселената, можем да разберем по-добре космоса.
Стойността на критичната плътност е 2.4 x 10-26 kg/m3 .
Отворена Вселена
Ако реалната плътност на Вселената е по-малка от критичната, то тогава няма достатъчно материя, чиято маса да спре разширяването на Вселената и то ще продължи вечно. Формата на Вселената ще бъде като седло (отворена Вселена).
Затворена Вселена
В случай, че реалната плътност на Вселената е по-голяма от критичната, то тя има достатъчно маса, която да спре разширението. В този случай имаме затворена и крайна Вселена, която все пак няма край, което означава, че тя ще има сферична форма. Галактиките ще спрат да се отдалечават, и ще започнат да се приближават една към друга, достигайки обратното на Big Bang – Big Crunch.
Плоска като палачинка
А ако Вселената има точно толкова маса, колкото да спре разширението, реалната плътност ще изравни критичната. Разширението ще се забавя постепенно, докато спре, а Вселената ще бъде плоска и безкрайна.
Наблюденията показват именно, че тя е плоска и безкрайна, поне доколкото ограничената скорост на светлината ни позволява да видим. В 2013 година, учените от НАСА обявиха, че Вселената е плоска с 0,4% неравност.
Може пък и да живеем върху гигантска поничка, кой знае…
