Дальше Перельмана: ученые открывают 18 форм Вселенной

Около 2500 лет назад человечество осознало, что наша планета имеет круглую форму, хотя некоторые сторонники теории плоской Земли продолжают отрицать это и сегодня. Однако форма нашей Вселенной до сих пор остается неопределенной. Предыдущие исследования предполагали, что космос, вероятно, имеет простую форму, такую как трехмерный эквивалент сферической поверхности или плоскости. Но этот взгляд может быть ошибочным, согласно космологам из Коллаборации по наблюдениям, моделям и прогнозам аномалий и космической топологии ( COMPACT ). В опубликованной статье они пришли к выводу, что форма Вселенной может быть значительно более сложной, чем предполагалось ранее.

На первый взгляд, Земля также кажется плоской, так как ее радиус настолько велик, что кривизна поверхности практически неощутима. Чтобы доказать, что это сфера, достаточно начать двигаться прямо вперед. Если пересечь горы и океаны, не поворачивая, рано или поздно вернешься к исходной точке.

Космологи собирают аналогичные улики, чтобы определить форму Вселенной. Вместо отправки космического корабля для путешествия по космосу они смотрят в ночное небо и изучают следы самого древнего света, достигшего нас из глубин космоса. Это излучение возникло примерно через 300 000 лет после Большого взрыва. Хотя фотоны существовали и раньше, материя была настолько плотно упакована в тогда еще маленькой Вселенной, что световые кванты не могли свободно распространяться. Однако Вселенная остыла до такой степени, что стала прозрачной, и фотоны смогли свободно распространяться в пространстве — и продолжают делать это до сих пор.

Изучение древнего света Вселенной, так называемого космического микроволнового фона, дает подсказки о форме космоса. Если бы, например, кривизна Вселенной менялась в какой-то точке, космическое фоновое излучение не было бы таким однородным, как мы его наблюдаем. Поэтому эксперты предполагают, что Вселенная либо изогнута одинаково повсюду, либо полностью плоская.

БОГАТСТВО ВОЗМОЖНОСТЕЙ

Трудно представить себе Вселенную без кривизны или с постоянной кривизной. Поэтому полезно использовать двумерные примеры. В этой аналогии, чтобы соответствовать однородным узорам космического фонового излучения, Вселенная может быть плоской, как лист бумаги (без кривизны), соответствовать трехмерному аналогу сферической поверхности (положительная кривизна) или образовывать трехмерную седловидную поверхность (отрицательная кривизна). Во всех трех случаях кривизна постоянна повсюду.

Однако это не раскрывает, как выглядит Вселенная в целом. Например, пространство может быть изогнуто одинаково повсюду, но при этом иметь отверстия. Математическая дисциплина топология позволяет различать такие случаи. Топологи классифицируют геометрические фигуры по общим категориям, таким как количество отверстий, чтобы создать каталог форм. Космологи стремятся определить одну из этих форм для Вселенной. Как доказали математики, существует бесконечное число различных категорий (топологий) изогнутых трехмерных поверхностей. Поэтому если пространство действительно имеет форму седла или сферы, то теоретически существует множество форм, которые может принять Вселенная, каждая из которых сильно отличается от другой. На сегодняшний день космологические наблюдения указывают на плоскую Вселенную без кривизны. Если это правда, то это сужает поиск топологии Вселенной: как показал математик Григорий Перельман в 2003 году, каталог плоских трехмерных поверхностей очень мал и включает всего 18 различных категорий.

ОДНА ИЗ 18 ФОРМ

Следовательно, форма Вселенной, вероятно, соответствует одной из этих 18 форм. Одна из них — трехмерный аналог листа бумаги. Наш космос также может иметь отверстия. Среди 18 топологий трехмерный эквивалент поверхности пончика называется тором.

Хотя пончик кажется изогнутым на первый взгляд, оказывается, что эта форма на самом деле плоская. Это потому, что форму пончика можно создать, используя (очень гибкий) лист бумаги. Для этого сначала склеивают противоположные длинные стороны листа, создавая вытянутую трубку. Затем трубку изгибают и соединяют два ее конца.

ВСЕЛЕННАЯ-ПОНЧИК С ПЕТЛЯМИ

Если бы наша Вселенная имела форму тора, это имело бы ощутимые последствия. Например, если бы направить фонарик в небо, этот свет теоретически вернулся бы к нам в какой-то момент — так же как муравей на листе бумаги всегда возвращается к своей исходной точке. Такие петли существуют в большинстве из 18 различных топологий. Это траектории, которые возвращаются к своей исходной точке. На первый взгляд, однако, петли не соответствуют нашим наблюдениям. Если бы свет периодически проходил через пространство, мы должны были бы видеть несколько копий Вселенной в ночном небе. Тем не менее, этот факт не исключает всех топологий с петлями. Мы могли бы жить в настолько большой Вселенной, что свет еще не успел пересечь ее и вернуться. Возможно, через несколько миллиардов лет люди (или другие существа) будут наслаждаться ночным небом, содержащим множество изображений Вселенной.

Но даже такие огромные петли оставили бы следы сегодня. Например, форма космоса повлияла бы на взаимодействие материи и света в ранней Вселенной. Если бы Вселенная имела отверстия, а значит, и петли, это должно было бы отразиться в данных космического фонового излучения.

Однако в исследованиях 2000-х и 2010-х годов эксперты ничего не нашли. Большинство космологов поэтому предполагали, что Вселенная имела довольно простую структуру. Исследования формы Вселенной застопорились — по крайней мере, до запуска проекта COMPACT в 2022 году.

ЗНАЧИТЕЛЬНО БОЛЬШЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ, ЧЕМ ОЖИДАЛОСЬ

Команда COMPACT сравнила последние данные о космическом фоновом излучении с различными топологиями Вселенной — и пришла к удивительным результатам в своей первой публикации. В частности, исследователи обнаружили, что предыдущие работы игнорировали многие варианты отдельных топологий. Иными словами, исследователи могли упустить другие формы, которые могли бы описывать наш космос. Также они смогли показать, что отсутствие доказательств петель в космическом фоновом излучении гораздо менее ограничительно, чем предполагалось ранее. В дополнение к петлям, в космическом фоновом излучении могут быть и другие следы, указывающие на сложные топологии. Будущие работы будут исследовать, какие именно формы могут быть.

Исследователи подтвердили свои аргументы с использованием трех конкретных примеров топологий плоского пространства: обычного тора и двух его вариаций, в которых грани кубоида скручены перед склеиванием. Все три имеют отверстия. Для обычного тора COMPACT подтвердил более ранние выводы: если наша Вселенная имеет форму тора, петли должны быть настолько большими, что свет еще не успел достичь нас. Но неожиданностью стало то, что эта же идея может не применяться к модифицированным формам. Расчеты коллаборации показывают, что петли этих форм могут быть значительно короче, чем предполагалось ранее. Из-за множества скручиваний Вселенная может содержать копии самой себя, которые могут выглядеть иначе, чем оригинал, что делает их менее заметными на картах космического микроволнового фона.

В совокупности выводы команды COMPACT показывают, что Вселенная может быть намного сложнее, чем считалось ранее. Это имеет далеко идущие последствия. Форма нашего космоса — это не просто академический вопрос. Топология пространства-времени, вероятно, была определена квантовыми процессами, произошедшими вскоре после Большого взрыва. Если бы было известно больше о форме Вселенной, можно было бы больше узнать о сложных процессах, произошедших в начале её существования.