Геометрия Вселенной
Геометрия Вселенной — форма, размер и другие геометрические характеристики Вселенной.
Общие сведения[править | править код]
Не так давно стало известно, что Вселенная — плоская: космическое микроволновое фоновое излучение — реликт эпохи, когда Вселенная была горячей и была заполнена горячим фотонным газом. С того периода из-за расширения Вселенной данные фотоны охладились, и ныне их t = 2.73 К. Но это излучение слегка неоднородно, их угловой размер неоднородностей, видимый нами, зависит от пространственной кривизны Вселенной. Изучение анизотропии реликтового излучения как раз и показало, что Вселенная плоская[1].
Экспериментальные данные из различных независимых источников (например, данные с космического аппарата Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, BOOMERanG experiment и космической обсерватории BOOMERanG experiment) подтверждают, что Вселенная плоская с погрешностью всего 0,4%.
Находящаяся во Вселенной материя искривляет пространство. Теория относительности (ТО) А. Эйнштейна Вселенную образует «пространство-время», а масса и энергия изменяют кривизну пространства-времени. Математически она является многообразием, состоящим из «событий», описанных системой координат. В соответствии с ТО, Вселенная имеет 3 пространственных (длина, ширина, высота) и 1 временное (время) измерение, и все 4 измерения связаны в единое целое, являясь почти равноправными и в определённых рамках способными переходить друг в друга при смене наблюдателем системы отсчёта. В рамках ОТО пространство-время имеет и единую динамическую природу, а его взаимодействие со всеми остальными физическими объектами (телами, полями) и есть гравитация. Тем самым, теория гравитации в рамках ОТО это теория пространства-времени, полагаемого не плоским, а способным динамически менять свою кривизну. Время замедляется при больших скоростях одной системы отсчёта относительно другой. Это релятивистское замедление находит объяснение в СТО.
Александр Александрович Фридман, автор важных работ «О кривизне пространства» и «О возможности мира с отрицательной кривизной», показал, что в рамках теории относительности раздельная постановка вопроса о пространственной и временной бесконечности Вселенной возможна только при определенных условиях — однородности и изотропности. Фридман установил, что геометрия мира зависит от времени, все линейные размеры Вселенной меняются во времени.
Абрам Леонидович Зельманов выяснил, что пространство, которое конечно в неподвижной системе отсчета, одновременно может быть бесконечным относительно движущейся системы координат; и что свойства конечности и бесконечности пространства относительны.
Помимо теоретических расчётов, есть и астронаблюдения. Чем дальше от Земли объект, тем более его раннюю эпоху мы наблюдаем, так как скорость света ограничена согласно ТО. Дальше всех от нас расположены квазары, мы видим такими, какими они были миллиарды лет назад. Но по масштабам Вселенной разница в сотни миллионов лет несущественна: её расширение происходит с такой скоростью, что плотность вещества Вселенной на современной стадии её расширения заметно меняется только за миллиарды лет. В итоге, плотность близкого пространства, где видны галактики, кажется однородной. Но если бы стало возможным заглянуть на более далёкие расстояния (и в более далёкое прошлое), то мы обнаружили бы, что там (то есть тогда) более высокую плотность. Снимок, произведённый в реальных лучах, показал бы, тем самым, Вселенную неоднородной по плотности: чем дальше от нас, тем плотнее. На таком снимке и само пространство, в соответствии с принципами эйнштейновской теории, должно быть неоднородным по своим геометрическим свойствам. Тем самым, можно говорить о существовании границы наблюдаемой Вселенной, которым является космологический горизонт, объекты на нём имеют бесконечное красное смещение. Объём пространства, доступный наблюдению, оказывается поэтому конечным, конечна и имеющаяся в нём масса вещества. Расстояние до горизонта — ок. 15—18 млрд световых лет.
Размер Вселенной необычайно велик. Число галактик в наблюдаемой Вселенной оценивается более чем в 500 миллиардов, а ведь некоторые галактики насчитывают сотни миллионов звёзд.
Радиус Шварцшильда Вселенной сравним с радиусом наблюдаемой её части , где G — гравитационная постоянная, с — скорость света в вакууме, — характерная масса. Масса наблюдаемой части Вселенной — больше 1053 кг. Средняя плотность вещества близка к величине 10−27 кг/м3, что эквивалентно массе всего нескольких атомов водорода на 1 м3. В наблюдаемой части Вселенной более 1087 элементарных частиц, при этом основную часть этого количества составляют фотоны и нейтрино, а на частицы обычной материи (нуклоны и электроны) приходится лишь около 1080 частиц.
Расстояние до самого удалённого наблюдаемого объекта — ок. 14 млрд парсек (46 млрд световых лет; сверхсветовое расширение горизонта частиц Вселенной не противоречит ТО, ввиду того, что данная скорость не применяется для передачи информации и не является скоростью движения в инерциальной системе отсчёта наблюдателя). Объём Вселенной — ок. 3,5⋅1080 м3.
Доказано также, что Вселенная расширяется, хотя скорость её расширения замедляется. Во Вселенной имеется энергия вакуума либо его аналог, а это приводит к ускоренному её расширению. Свидетельством ускоренного расширения Вселенной служат данные по красным смещениям далёких сверхновых.
Только 4% того, из чего состоит Вселенная — это наблюдаемое вещество из которого состоят планеты и звёзды. Основная же часть Вселенной состоит из тёмной материи и тёмной энергии.