Уявіть собі Всесвіт, де можна спрямувати космічний корабель в одному напрямку, і за певний час повернутися в точку старту. Якби наш Всесвіт був схожий на пончик, така траєкторія була б цілком можливою. Фізики б, своєю чергою, змогли потенційно оцінити його розміри й нарешті сказати, що знають масштаби Всесвіту.
Нещодавно опублікували дослідження, яке попередньо стверджує, що «пончикова» теорія правдива. Вивчаючи найдавніші елементи нашого Всесвіту, група астрофізиків дійшла висновку, що сам космос може бути багатозв’язним, себто простір замкнений сам у собі в трьох вимірах. Прямісінько як тривимірний пончик. Така модель Всесвіту конечна, а згідно з вищеназваним дослідженням, її розміри можуть бути в 3-4 рази більші за розміри видимого нам Всесвіту. Нинішні показники оцінюють відстань у 45 мільярдів світлових років.
Чекайте-но, хіба вона не пласка?
Фізики описують Всесвіт мовою загальної теорії відносности Айнштайна. Вона зв’язує вміст простору-часу з викривленнями простору-часу та описує їхню взаємодію. Нам це відомо як сила гравітації. У космологічному контексті вміст усього Всесвіту — темну матерію, темну енергію, звичайну матерію, випромінювання тощо — накладають на загальну геометричну форму.
Десятки років астрономи сперечалися про природу цієї форми: чи є наш Всесвіт пласким, чи є він замкнутим чи відкритим. Фактично геометрія Всесвіту диктує його подальшу долю: пласкі та відкриті моделі розширятимуться вічно, а закритий Всесвіт врешті-решт зруйнується сам по собі.
Численні спостереження, особливо за реліктовим випромінюванням, встановили, що ми живемо у пласкому Всесвіті. Паралельні лінії залишаються паралельними, і наш Всесвіт поступово розширюється. Та от біда: форма це не лише геометрія. Це ще й топологія, себто те, як форма змінюється, зберігаючи ті самі геометричні правила.
Наприклад, візьміть аркуш паперу. Він очевидно плаский, а паралельні лінії на ньому залишатимуться паралельними. Якщо ви згорнете його у циліндр, лінії залишаться паралельними. А коли ви з’єднаєте протилежні сторони циліндру, вийде форма пончика, яка так само буде геометрично пласкою.
Триторусна модель Всесвіту, або тривимірний велетенський пончик. Джерело: WIkimedia Commons
Поточні дані не дають нам зрозуміти, чи є наш Всесвіт багатозв’язним, себто чи можуть кілька вимірів поєднуватися один з одним.
Багатозв’язний Всесвіт?
Ідеально плаский Всесвіт міг би простягатися до нескінченності, а от Всесвіт з багатозв’язною топологією може мати кінечний розмір. Якби ми змогли визначити, що якісь виміри загортаються самі в себе, ми б знали, що у цих вимірах Всесвіт скінченний. Так нам вдалося б виміряти його загальний об’єм.
Дещо подібне робила група астрофізиків, яка вивчала реліктове випромінювання. Під час його найактивнішої фази Всесвіт був у мільйон разів менший, тож якщо він справді багатозв’язний, ймовірність згортання в себе самого набагато вища.
Вивчаючи коливання реліктового випромінювання, астрофізики дійшли цікавого висновку: існує максимальний розмір коливань, який може розкрити секрет топології Всесвіту. Найкращим прикладом для моделювання конечного Всесвіту науковці обрали тритор — математичну назву тривимірного пончика. У ньому космос з’єднаний сам із собою в усіх трьох вимірах.
Дані з супутника Planck, що вимірює реліктове випромінювання. Різна щільність фону — це температурні флуктуації, або коливання. Джерело: ESA/Planck Collaboration
Далі науковці провели повсюдне моделювання цієї топології та порівняли із результатами наших спостережень. Оскільки коливання реліктового випромінювання слабшають на масштабах, що перевищують розміри Всесвіту, це може означати, що на таких масштабах він просто закінчується.
У вищезгаданій роботі науковці дійшли однозначного висновку: конечний Всесвіт краще збігається з нашими спостереженнями, аніж нескінченний. Команда з’ясувала, що багатозв’язний Всесвіт у 3-4 рази більший, аніж видимий Всесвіт. І хоча технічно це означає, що можна мандрувати в одному напрямку і згодом опинитися там, звідки почали, в реальності це неможливо. Бо ми живемо у розширюваному Всесвіті, який у великих масштабах робить це швидше за світло, тому наздогнати й завершити такий цикл навряд колись вдасться.
Для чесности зазначимо, що науковці не вважають результати цього дослідження остаточними. До того ж проблеми з коливаннями можуть пояснити поганою роботою наших приладів. Утім, уявити себе присутнім на поверхні велетенського пончика це, щонайменше, весело.
Читайте також:
