جهان تخت. چرا چیزی وجود دارد و هیچ نیست؟ توپولوژی کلاسیک فضا

وقتی ستاره شناسان و فیزیکدانان می گویند که جهان صاف است ، منظور آنها این نیست که جهان مانند یک ورق مسطح است. ما در مورد ویژگی صافی سه بعدی-هندسه اقلیدسی (غیر منحنی) در سه بعد صحبت می کنیم. در نجوم ، جهان اقلیدسی یک مدل مقایسه ای مناسب از فضای اطراف است. ماده در چنین جهانی به طور یکنواخت توزیع می شود ، یعنی یک واحد حجم حاوی مقدار یکسان ماده است و ایزوتروپیک ، یعنی توزیع ماده در همه جهات یکسان است. علاوه بر این ، ماده در آنجا تکامل نمی یابد (به عنوان مثال ، منابع رادیویی روشن نمی شوند و ابرنواخترها چشمک نمی زنند) و فضا با ساده ترین هندسه توصیف می شود. این یک جهان بسیار مناسب برای توصیف است ، اما نه برای زندگی ، زیرا هیچ تکاملی در آنجا وجود ندارد.

واضح است که چنین مدلی با حقایق مشاهده ای مطابقت ندارد. ماده پیرامون ما به صورت ناهمگن و ناهمسانگرد توزیع می شود (در جایی ستارگان و کهکشانها وجود دارند ، اما در جایی نیستند) ، خوشه های ماده تکامل می یابند (با گذشت زمان تغییر می کنند) و فضا ، همانطور که از نظریه نسبیت مورد تایید تجربی می دانیم ، منحنی است. به

خمیدگی در فضای سه بعدی چیست؟ در جهان اقلیدسی ، مجموع زوایای هر مثلث 180 درجه است - در همه جهات و در هر حجم. در هندسه غیر اقلیدسی - در فضای منحنی - مجموع زوایای مثلث به انحنا بستگی دارد. دو مثال کلاسیک عبارتند از مثلث روی یک کره ، که در آن انحنای مثبت است ، و یک مثلث در سطح زین ، که در آن انحنا منفی است. در حالت اول مجموع زوایای مثلث بیشتر از 180 درجه و در حالت دوم کمتر است. وقتی معمولاً از یک کره یا زین صحبت می کنیم ، به سطوح خمیده دو بعدی فکر می کنیم که اجسام سه بعدی را احاطه کرده اند. وقتی در مورد جهان صحبت می کنیم ، باید درک کنیم که ما در حال حرکت به سمت مفهوم فضای خمیده سه بعدی هستیم-برای مثال ، ما دیگر در مورد یک سطح کروی دو بعدی صحبت نمی کنیم ، بلکه در مورد یک ابر ابر جهان سه بعدی صحبت می کنیم.

بنابراین چرا جهان به صورت سه بعدی مسطح است ، اگر فضا نه تنها توسط خوشه های کهکشان ، کهکشان و خورشید ما ، بلکه حتی توسط زمین خم شده است؟ در کیهان شناسی ، جهان به عنوان یک جسم کامل در نظر گرفته می شود. و به عنوان یک شیء کامل ، دارای ویژگی های خاصی است. به عنوان مثال ، از برخی مقیاس های خطی بسیار بزرگ (در اینجا می توانید 60 مگاپارسک [180 میلیون سال نوری] و 150 مگاپیکسل را در نظر بگیرید) ، ماده در جهان به طور یکنواخت و همسانگرد توزیع می شود. در مقیاس کوچکتر ، خوشه ها و ابر خوشه های کهکشان ها و حفره های بین آنها مشاهده می شود ، یعنی همگونی شکسته می شود.

اگر اطلاعات مربوط به توزیع ماده در خوشه ها با حساسیت تلسکوپ های ما محدود شود ، چگونه می توان مسطح بودن جهان را اندازه گیری کرد؟ مشاهده اجسام دیگر در محدوده متفاوت ضروری است. بهترین چیزی که طبیعت به ما داده زمینه مایکروویو کیهانی است ، یا ، که 380 هزار سال پس از انفجار بزرگ از ماده جدا شده است ، حاوی اطلاعاتی در مورد توزیع این ماده به معنای واقعی کلمه از اولین لحظات وجود جهان است.

انحنای جهان با چگالی بحرانی برابر 3H2 / 8πG (جایی که H ثابت هابل است ، G ثابت گرانشی است) ، که شکل آن را تعیین می کند ، مرتبط است. مقدار پارامتر بسیار ناچیز است - حدود 9.3 × 10 -27 کیلوگرم بر متر مکعب ، یا 5.5 اتم هیدروژن در متر مکعب. این پارامتر ساده ترین مدلهای کیهان شناسی را بر اساس معادلات فریدمن متمایز می کند ، که شرح می دهد: اگر چگالی بیشتر از بحرانی باشد ، فضا دارای انحنای مثبت است و انبساط جهان در آینده با انقباض جایگزین می شود. اگر کمتر از حد بحرانی باشد ، فضا دارای انحنای منفی است و انبساط ابدی خواهد بود. اگر چگالی بحرانی برابر باشد ، گسترش نیز با گذار در آینده ای دور به جهان اقلیدسی ابدی خواهد بود.

پارامترهای کیهانی که چگالی جهان را توصیف می کنند (اصلی ترین آنها چگالی انرژی تاریک ، چگالی ماده تاریک و چگالی ماده بارونی [قابل مشاهده]) به نسبت چگالی بحرانی بیان می شوند. با توجه به اندازه گیری تابش زمینه مایکروویو کیهانی ، چگالی نسبی انرژی تاریک Ω Λ = 0.6879 ± 0.0087 0. و چگالی نسبی همه مواد (یعنی مجموع چگالی ماده تاریک و مرئی) Ω متر است = 0.0087 0.3 0.3121.

اگر همه اجزای انرژی جهان (چگالی انرژی تاریک ، همه مواد ، و همچنین در عصر ما کمتر ، چگالی تابش و نوترینوها و سایر موارد) را جمع کنیم ، چگالی کل انرژی را بدست می آوریم که بر حسب نسبت به چگالی بحرانی جهان بیان می شود و Ω 0 را نشان می دهد. اگر این چگالی نسبی 1 باشد ، انحنای جهان 0 است. انحراف Ω 0 از واحد چگالی انرژی جهان Ω K مربوط به انحنا را توصیف می کند. با اندازه گیری سطح ناهمگونی ها (نوسانات) در توزیع تابش پس زمینه آثار ، همه پارامترهای چگالی ، ارزش کل آنها و در نتیجه ، پارامتر انحنای جهان تعیین می شود.

بر اساس نتایج مشاهدات ، تنها با در نظر گرفتن داده های CMB (دما ، قطبش و لنز) ، مشخص شد که پارامتر انحنا در خطاهای کوچک بسیار نزدیک به صفر است: Ω K = -0.004 ± 0.015، ، - و با در نظر گرفتن داده های مربوط به توزیع خوشه های کهکشانی و اندازه گیری میزان گسترش را با توجه به داده های مربوط به پارامتر ابرنواختر نوع Ia Ω K = 0.0040 0. 0.0008 0. 0.0008. یعنی جهان با دقت بالا مسطح است.

چرا مهم است؟ مسطح بودن جهان یکی از شاخص های اصلی عصر سریع است که توسط مدل تورمی توصیف شده است. به عنوان مثال ، در لحظه تولد ، جهان می تواند انحنای بسیار زیادی داشته باشد ، در حالی که اکنون ، با توجه به داده های تابش آثار ، مشخص است که آن صاف است. انبساط تورمی آن را در همه فضاهای قابل مشاهده صاف می کند (البته منظور مقیاس های بزرگی است که انحنای فضا توسط ستارگان و کهکشان ها در آن قابل توجه نیست) ، همانطور که افزایش شعاع یک دایره دومی را صاف می کند و با شعاع نامحدود دایره شبیه یک خط مستقیم است.

در زمان های قدیم ، مردم فکر می کردند "که زمین مسطح است و روی سه نهنگ ایستاده است ، پس معلوم شد که اقلیم ما گرد است و اگر همواره به سمت غرب حرکت کنید ، پس از مدتی به نقطه شروع باز خواهید گشت. از شرق دیدگاه ها در مورد جهان نیز به شیوه ای مشابه تغییر کرد. زمانی نیوتن معتقد بود که فضا مسطح و بی نهایت است. انیشتین اجازه داد جهان ما نه تنها بی حد و حصر ، بلکه بسته باشد. آخرین اطلاعات به دست آمده در روند مطالعه CMB نشان می دهد که جهان ممکن است به خودی خود بسته باشد. معلوم می شود که اگر شما دائماً از زمین پرواز می کنید ، در مرحله ای شروع به نزدیک شدن به آن می کنید و سرانجام برمی گردید ، با دور زدن کل جهان و انجام یک سفر دور دنیا ، درست مانند یکی از سفرهای ماژلان. کشتی ها ، پس از دور زدن سراسر جهان ، به بندر سانلوکار دو بارامدا اسپانیا رفتند.

این فرضیه که جهان ما در نتیجه انفجار بزرگ متولد شده است اکنون به طور کلی پذیرفته شده است. ماده در ابتدا بسیار داغ ، متراکم و به سرعت در حال گسترش بود. سپس دمای جهان به چند هزار درجه کاهش یافت. این ماده در این لحظه از الکترون ها ، پروتون ها و ذرات آلفا (هسته های هلیوم) تشکیل شده بود ، یعنی یک گاز بسیار یونیزه شده بود - پلاسما ، مات به نور و امواج الکترومغناطیسی. ترکیب مجدد (ترکیب) هسته ها و الکترونها که در این زمان آغاز شد ، یعنی تشکیل اتمهای خنثی هیدروژن و هلیوم ، خواص نوری جهان را بطور اساسی تغییر داد. برای اکثر امواج الکترومغناطیسی شفاف شده است.

بنابراین ، با مطالعه امواج نور و رادیو ، تنها می توان آنچه را که پس از ترکیب مجدد اتفاق افتاده است ، مشاهده کرد و هر آنچه که قبلاً اتفاق افتاده است ، به نوعی "دیوار آتشین" ماده یونیزه به روی ما بسته شده است. تنها در صورتی می توان تاریخ جهان را عمیق تر بررسی کرد که یاد بگیریم نوترینوهای یادگاری را ثبت کنیم ، که ماده داغ آنها زودتر شفاف شد و امواج گرانشی اولیه ، که ماده با هر چگالی مانعی برای آنها نیست ، اما این موضوعی برای آینده ، و دور از نزدیکترین.

از زمان شکل گیری اتم های خنثی ، جهان ما تقریباً 1000 بار گسترش یافته است و تابش دوران ترکیب مجدد امروزه بر روی زمین به عنوان پس زمینه ماکروویو با دمای حدود سه درجه کلوین روی زمین مشاهده می شود. این زمینه ، که اولین بار در سال 1965 هنگام آزمایش یک آنتن رادیویی بزرگ کشف شد ، تقریباً در همه جهات یکسان است. بر اساس داده های امروزی ، صد میلیون فوتون بیشتر از اتم ها وجود دارد ، بنابراین جهان ما به سادگی در جریان نور شدید قرمزی ساطع شده در اولین دقایق حیات جهان غوطه ور است.

توپولوژی کلاسیک فضا

در مقیاس های بزرگتر از 100 مگاپارسک ، قسمتی از جهان که می بینیم تقریباً یکنواخت است. همه توده های متراکم ماده - کهکشان ها ، خوشه ها و ابر خوشه های آنها - تنها در فواصل کمتر مشاهده می شوند. علاوه بر این ، جهان نیز ایزوتروپ است ، یعنی خواص آن در هر جهت یکسان است. این حقایق تجربی زیربنای همه مدلهای کلاسیک کیهان شناسی هستند که تقارن کروی و همگنی فضایی توزیع ماده را فرض می کنند.

راه حل های کلاسیک کیهانی معادلات نظریه نسبیت عام اینشتین (GR) ، که در سال 1922 توسط الکساندر فریدمن پیدا شد ، ساده ترین توپولوژی را دارد. بخشهای فضایی آنها شبیه هواپیما (برای راه حلهای نامحدود) یا کره (برای راه حلهای محدود) است. اما به نظر می رسد چنین جهان هایی یک جایگزین دارند: جهانی با حجم محدود که هیچ حاشیه و حدی ندارد ، به خودی خود بسته شده است.

اولین راه حلهایی که فریدمن پیدا کرد ، جهانهایی را توصیف کرد که تنها با یک نوع ماده پر شده بودند. تصاویر مختلف به دلیل تفاوت در چگالی متوسط ​​ماده بوجود آمد: اگر از حد بحرانی فراتر رفت ، یک جهان بسته با انحنای فضایی مثبت ، ابعاد محدود و طول عمر بدست آمد. گسترش آن به تدریج کند شد ، متوقف شد و با فشرده سازی تا نقطه ای جایگزین شد. جهان با چگالی کمتر از جهان بحرانی دارای انحنای منفی بوده و بی نهایت گسترش یافته و نرخ تورم آن به یک مقدار ثابت متمایل است. این مدل باز نامیده می شود. یک جهان مسطح - یک مورد میانی با چگالی دقیقاً برابر بحرانی - نامتناهی است و بخشهای لحظه ای فضایی آن فضای اقلیدسی مسطح با خمیدگی صفر است. یک صفحه مسطح ، مانند یک باز ، برای مدت بی نهایت طولانی منبسط می شود ، اما سرعت گسترش آن به صفر می رسد. بعدها ، مدلهای پیچیده تری اختراع شد ، که در آنها یک جهان همگن و همسانگرد پر از ماده چند جزئی بود ، که با گذشت زمان تغییر می کند.

مشاهدات مدرن نشان می دهد که جهان اکنون با شتاب در حال گسترش است (نگاه کنید به "فراتر از افق رویدادهای جهانی" ، شماره 3 ، 2006). این رفتار در صورتی امکان پذیر است که فضا با مقداری ماده (اغلب به آن انرژی تاریک گفته می شود) با مقدار زیاد پر شود فشار منفینزدیک به چگالی انرژی این ماده. این خاصیت انرژی تاریک منجر به ظهور نوعی ضد گرانش می شود که بر نیروهای کشش مواد معمولی در مقیاس بزرگ غلبه می کند. اولین مدل مشابه(با اصطلاح lambdachlen) توسط خود آلبرت اینشتین پیشنهاد شد.

اگر فشار این ماده ثابت نماند ، بلکه با گذشت زمان افزایش یابد ، حالت خاصی از انبساط جهان بوجود می آید. در این حالت ، افزایش اندازه آنقدر سریع رشد می کند که جهان در زمان محدود نامحدود می شود. چنین تورم شدیدی از ابعاد فضایی ، همراه با نابودی همه اجسام مادی ، از کهکشانها تا ذرات اولیه ، ریپ بزرگ نامیده می شود.

همه این مدلها دلالت بر هیچ ویژگی توپولوژیکی خاصی از جهان ندارند و آن را شبیه به فضای معمول ما نشان می دهند. این تصویر با داده هایی که ستاره شناسان با تلسکوپ هایی که مادون قرمز ، مرئی ، فرابنفش و اشعه ایکس را ثبت می کنند ، به خوبی مطابقت دارد. و تنها داده های مشاهدات رادیویی ، یعنی مطالعه دقیق پیشینه نقاشی ، دانشمندان را دچار تردید کرد که جهان ما به این صراحت مرتب شده است.

زمان زیادی طول خواهد کشید تا دانشمندان به پشت "دیوار آتش" نگاه کنند که ما را از حوادث هزار سال اول زندگی جهان جدا می کند. اما با کمک آزمایشگاه های راه اندازی شده به فضا ، هر سال بیشتر و بیشتر در مورد آنچه پس از تبدیل پلاسما داغ به گاز گرم اتفاق افتاده است ، اطلاعات بیشتری کسب می کنیم.

گیرنده رادیویی مداری

اولین نتایج به دست آمده از رصدخانه فضایی WMAP (کاوشگر ناهمسانگردی مایکروویو ویلکینسون) ، که قدرت CMB را اندازه گیری می کرد ، در ژانویه 2003 منتشر شد و حاوی اطلاعات بسیار مورد انتظار بود که تحقق آن حتی امروز کامل نیست. معمولاً از فیزیک برای توضیح داده های جدید کیهان شناسی استفاده می شود: معادلات حالت ماده ، قوانین انبساط و طیف اغتشاشات اولیه. اما این بار ماهیت ناهمگونی زاویه ای تشعشع شده توضیح کاملاً متفاوتی را می طلبد - توضیحی هندسی. دقیق تر ، توپولوژیک.

هدف اصلی WMAP ایجاد یک نقشه دقیق از دمای تابش پس زمینه (یا همانطور که به آن نامیده می شود ، پس زمینه مایکروویو) بود. WMAP یک گیرنده رادیویی فوق حساس است که به طور همزمان سیگنال هایی را که از دو نقطه تقریباً متضاد در آسمان آمده است ، تشخیص می دهد. این رصدخانه در ژوئن 2001 به مدار بسیار آرام و "آرام" راه اندازی شد که در نقطه موسوم به لاگرانژی L2 واقع شده است ، یک و نیم میلیون کیلومتر از زمین. این ماهواره با وزن 840 کیلوگرم در واقع در مدار دور خورشید قرار دارد ، اما به دلیل عملکرد ترکیبی میدان های گرانشی زمین و خورشید ، دوره چرخش آن دقیقاً یک سال است و از زمین دور نمی شود. این ماهواره به مدار دور دست پرتاب شد به طوری که تداخل فعالیتهای تکنوژنیک زمینی در دریافت تابش رادیویی آثار تداخلی ایجاد نمی کند.

بر اساس داده های به دست آمده از رصدخانه رادیویی فضایی ، می توان تعداد زیادی از پارامترهای کیهان شناسی را با دقت بی سابقه ای تعیین کرد. اول ، نسبت چگالی کل جهان به چگالی بحرانی 0.02 ± 1.02 است (یعنی جهان ما مسطح یا بسته با انحنای بسیار کوچک است). ثانیاً ، ثابت هابل ، که مشخص کننده گسترش جهان ما در مقیاس بزرگ است ، 72 ± 2 کیلومتر بر ثانیه بر ثانیه است. سوم ، سن جهان 13.4 ± 0.3 میلیارد سال و تغییر رنگ قرمز مربوط به زمان ترکیب مجدد 2 10 1088 است (این مقدار متوسط ​​است ، ضخامت مرز نوترکیب بسیار بیشتر از خطای نشان داده شده است). هیجان انگیزترین نتیجه برای نظریه پردازان ، طیف زاویه ای از اختلالات تابش آثار ، به طور دقیق تر ، ارزش بسیار کوچک هارمونیک دوم و سوم بود.

چنین طیفی با ارائه نقشه دما به عنوان مجموعهای از هارمونیکهای کروی مختلف (چندقطبی) ساخته می شود. در این مورد ، از تصویر کلی اغتشاشات ، اجزای متغیر متمایز می شوند که چندین بار بر روی کره قرار می گیرند: چهارقطبی - 2 بار ، هشت پا - 3 بار و غیره. هر چه تعداد هارمونیک کروی بیشتر باشد ، نوسانات پس زمینه با فرکانس بالا بیشتر توصیف می شود و اندازه زاویه ای "نقاط" مربوطه کوچکتر است. از لحاظ تئوری ، تعداد هارمونیک های کروی بی نهایت است ، اما برای نقشه واقعی مشاهدات با وضوح زاویه ای که مشاهدات انجام شده است محدود می شود.

برای اندازه گیری صحیح همه هارمونیک های کروی ، نقشه کل کره آسمانی مورد نیاز است و WMAP نسخه تأیید شده خود را فقط در یک سال دریافت می کند. اولین نقشه های نه چندان دقیق در سال 1992 در آزمایشهای Relikt و COBE (Cosmic Background Explorer) بدست آمد.

شیرینی شبیه یک فنجان قهوه است؟
چنین شاخه ای از ریاضیات وجود دارد - توپولوژی ، که به بررسی خصوصیات اجسامی می پردازد که تحت هرگونه تغییر شکل بدون شکستگی و چسبندگی حفظ می شوند. تصور کنید که بدن هندسی مورد علاقه ما انعطاف پذیر بوده و به راحتی تغییر شکل می یابد. در این مورد ، به عنوان مثال ، یک مکعب یا هرم را می توان به راحتی به یک کره یا یک بطری ، یک توروس ("دونات") به یک فنجان قهوه با دسته تبدیل کرد ، اما تبدیل یک کره به یک فنجان امکان پذیر نخواهد بود. با دسته در صورتی که این بدنه به راحتی تغییر شکل می یابد. برای تقسیم کره به دو قطعه بدون اتصال ، کافی است یک برش بسته ایجاد کنید ، و می توانید همین کار را با توروس با دو برش انجام دهید. توپولوژیست ها به سادگی انواع سازه های عجیب و غریب مانند یک توروس مسطح ، یک کره شاخدار یا یک بطری کلاین را می پرستند ، که فقط در فضایی دوبار به درستی به تصویر کشیده می شود. تعداد زیادیاندازه گیری بنابراین جهان سه بعدی ما ، بسته به خود ، تنها با زندگی در فضای شش بعدی به راحتی قابل تصور است. مدتی است که توپولوژیست های فضایی هنوز دست به این کار نزده اند و این فرصت را به او می دهند که به سادگی به صورت خطی جریان یابد و هیچ چیزی را ببندد. بنابراین توانایی کار در فضای هفت بعدی امروز به اندازه کافی برای درک پیچیدگی جهان دوازده وجهی ما کافی است.

نقشه نهایی دمای CMB بر اساس تجزیه و تحلیل سخت کار نقشه هایی است که شدت انتشار رادیویی را در پنج محدوده فرکانس مختلف نشان می دهد.

تصمیمی غیرمنتظره

برای اکثر هارمونیک های کروی ، داده های تجربی به دست آمده با محاسبات مدل منطبق است. تنها دو هارمونیک ، چهارقطبی و هشت ضلعی ، به وضوح کمتر از سطح مورد انتظار نظریه پردازان بودند. علاوه بر این ، احتمال اینکه چنین انحرافات بزرگی به طور تصادفی رخ دهد بسیار ناچیز است. سرکوب چهارقطبی و هشت پا در اوایل داده COBE مشخص شد. با این حال ، کارتهای دریافت شده در آن سالها وضوح ضعیف و سر و صدای زیادی داشتند ، بنابراین بحث این موضوع به زمانهای بهتر موکول شد. به چه دلیل دامنه دو نوسان در مقیاس بزرگ شدت CMB بسیار کوچک بود ، در ابتدا کاملاً غیرقابل درک بود. هنوز نمی توان مکانیسم فیزیکی برای سرکوب آنها ارائه کرد ، زیرا باید در مقیاس کل جهان مشاهده شده عمل کند و آن را یکدست تر کند و در عین حال کار در مقیاس های کوچکتر را متوقف کند و به آن اجازه نوسان دهد. قوی تر احتمالاً به همین دلیل است که آنها شروع به جستجوی راه های جایگزین کردند و یک پاسخ توپولوژیکی برای س questionالی که ایجاد شد یافتند. راه حل ریاضی برای یک مشکل فیزیکی به طرز شگفت آوری زیبا و غیر منتظره به نظر می رسید: کافی بود فرض کنیم که جهان یک دوازده وجهی است که بر روی خود بسته است. سپس سرکوب هارمونیک های با فرکانس پایین را می توان با تعدیل فرکانس بالای فضایی تابش زمینه توضیح داد. این اثر به دلیل مشاهده چندگانه همان ناحیه از پلاسمای نوترکیب از طریق قسمت های مختلف فضای بسته دوازده وجهی بوجود می آید. به نظر می رسد که به نظر می رسد هارمونیک های کم به دلیل عبور یک سیگنال رادیویی از جنبه های مختلف جهان ، خود را خاموش می کنند. در چنین مدل توپولوژیکی جهان ، رویدادهایی که در نزدیکی یکی از چهره های دوازده وجهی رخ می دهد به صورت نزدیک و روی مخالف است ، زیرا این مناطق یکسان هستند و در واقع همان قسمت جهان هستند. به همین دلیل ، نور متعلدی که از طرفین به طور متقابل به زمین می آید ، معلوم می شود که از همان منطقه پلاسما اولیه ساطع می شود. این شرایط منجر به سرکوب پایین ترین هارمونیکهای طیف تابشهای متعلقه حتی در جهان با افق کمی بزرگتر از رویدادهای قابل مشاهده می شود.

نقشه ناهمسانگردی
چهارقطبی ذکر شده در متن مقاله ، پایین ترین هارمونیک کروی نیست. علاوه بر آن ، یک قطب (هارمونیک صفر) و دو قطبی (اولین هارمونیک) وجود دارد. اندازه تک قطبی با متوسط ​​دمای تابش آثار ، که امروزه 2.728 کیلوگرم است ، تعیین می شود. پس از کم کردن آن از زمینه کلی ، قطعه دوقطبی بزرگترین است و نشان می دهد که درجه حرارت در یکی از نیمکره ها چقدر است فضای اطراف ما بالاتر از فضای دیگر است. وجود این جزء عمدتاً ناشی از حرکت زمین و راه شیری نسبت به زمینه نقاشی است. با توجه به اثر داپلر ، دما در جهت حرکت افزایش می یابد و در جهت مخالف کاهش می یابد. این شرایط امکان تعیین سرعت هر جسم در رابطه با تابش متعلقه را فراهم می کند و بنابراین سیستم مختصات مطلق مورد انتظار را که بطور محلی در ارتباط با کل جهان در حال استراحت است ، معرفی می کند.

بزرگی ناهمسانگردی دوقطبی مربوط به حرکت زمین 3.353 * 10-3 K. است. این مربوط به حرکت خورشید نسبت به پس زمینه CMB با سرعتی در حدود 400 کیلومتر بر ثانیه است. در همان زمان ، ما در جهت مرز صورت فلکی شیر و چال ، "پرواز" می کنیم و از صورت فلکی دلو "پرواز" می کنیم. کهکشان ما ، همراه با گروه کهکشان های محلی که وارد آن می شوند ، نسبت به یادگار با سرعتی در حدود 600 کیلومتر بر ثانیه حرکت می کند.

همه اختلالات دیگر (از چهارقطبی به بالا شروع می شود) در نقشه پس زمینه ناشی از ناهمگونی در چگالی ، دما و سرعت ماده در مرز ترکیب مجدد و همچنین انتشار رادیویی از کهکشان ما است. پس از تفریق جزء دوقطبی ، دامنه کلی همه انحرافات دیگر فقط 18 * 10-6 کیلوگرم است. برای حذف تابش خود راه شیری (عمدتا در صفحه استوای کهکشانی متمرکز شده است) ، مشاهدات زمینه مایکروویو عبارتند از: در پنج باند فرکانسی در محدوده 22.8 گیگاهرتز تا 93 ، 5 گیگاهرتز انجام شده است.

ترکیب با یک توروس

ساده ترین بدن با توپولوژی پیچیده تر از یک کره یا یک صفحه ، یک توروس است. هرکسی که یک دونات در دست داشته باشد می تواند نماینده او باشد. یکی دیگر از مدلهای ریاضی صحیح تروس با صفحه نمایش برخی از بازیهای رایانه ای نشان داده می شود: این مربع یا مستطیل است که اضلاع مخالف آن مشخص است و اگر یک جسم متحرک پایین بیاید ، از بالا نمایان می شود. با عبور از مرز چپ صفحه ، از پشت راست ظاهر می شود و برعکس. چنین توروس ساده ترین مثال از دنیایی با توپولوژی غیرحادی است ، که دارای حجم محدودی است و در عین حال ، هیچ محدودیتی ندارد.

در فضای سه بعدی ، یک روش مشابه را می توان با یک مکعب انجام داد. اگر صورتهای مخالف آن را تشخیص دهیم ، یک توروس سه بعدی شکل می گیرد. اگر از داخل چنین مکعبی به فضای اطراف نگاه کنید ، می توانید دنیایی بی پایان را مشاهده کنید که شامل نسخه هایی از یک قسمت منحصر به فرد آن (تکرار نشدنی) است ، که حجم آن بسیار محدود است. در چنین دنیایی هیچ مرزی وجود ندارد ، اما سه جهت متمایز موازی با لبه های مکعب اصلی وجود دارد که در امتداد آنها ردیف های دوره ای از اجسام اصلی مشاهده می شود. این تصویر بسیار شبیه چیزی است که در داخل یک مکعب با دیوارهای آینه ای دیده می شود. درست است که با نگاه به هر یک از جنبه های آن ، ساکن چنین دنیایی سر خود را می بیند و چهره اش را نمی بیند ، مانند اتاق خنده زمینی. یک مدل مناسب تر ، اتاقی مجهز به 6 دوربین تلویزیونی و 6 مانیتور LCD با صفحه تخت است که تصویر گرفته شده از دوربین سینمایی واقع در روبرو را نشان می دهد. در این مدل جهان قابل رویتبه دلیل خروج از یک بعد تلویزیونی دیگر ، خود به خود بسته می شود.

در صورتی که زمان لازم برای عبور نور از حجم اولیه به اندازه کافی کوچک باشد ، یعنی اگر ابعاد جسم اولیه در مقایسه با مقیاس های کیهانی کوچک باشد ، تصویر سرکوب هارمونیک های با فرکانس پایین توضیح داده شده است. اگر ابعاد بخشی از جهان برای مشاهده (به اصطلاح افق جهان) در دسترس باشد اندازه های کوچکترحجم اولیه توپولوژیکی ، در این صورت وضعیت به هیچ وجه با آنچه در عالم بیکران انیشتین معمول مشاهده می کنیم متفاوت نخواهد بود و هیچ ناهنجاری در طیف تابش های متعلقه مشاهده نخواهد شد.

حداکثر مقیاس فضایی ممکن در چنین دنیای مکعبی با ابعاد بدن اصلی تعیین می شود - فاصله بین هر دو جسم نمی تواند از نیمی از قطر اصلی مکعب اصلی تجاوز کند. نوری که از مرز ترکیب مجدد به ما می رسد می تواند چندین بار در طول مسیر از مکعب اصلی عبور کند ، گویی در دیواره های آینه آن منعکس می شود ، به همین دلیل ، ساختار زاویه ای تابش مخدوش می شود و نوسانات فرکانس پایین فرکانس بالا می شوند. به در نتیجه ، هرچه حجم اولیه کوچکتر باشد ، سرکوب کمترین نوسانات زاویه ای در مقیاس بزرگتر قوی تر است ، به این معنی که با مطالعه زمینه نقاشی ، می توان اندازه جهان ما را تخمین زد.

موزاییک های سه بعدی

یک جهان سه بعدی مسطح توپولوژیکی پیچیده فقط می تواند بر اساس مکعب ها ، منظومه های متوازی و منشورهای شش وجهی ساخته شود. در مورد فضای خمیده ، چنین ویژگی هایی توسط طبقه وسیع تری از ارقام در اختیار است. در این مورد ، طیف های زاویه ای به دست آمده در آزمایش WMAP به خوبی با مدل جهان که شکل دوازده وجهی دارد مطابقت دارد. این چند وجهی معمولی با 12 صورت پنج ضلعی شبیه یک توپ فوتبال است که از تکه های پنج ضلعی دوخته شده است. به نظر می رسد که در فضایی با انحنای مثبت کوچک ، دوازده وجهی معمولی می توانند کل فضا را بدون سوراخ و تقاطع متقابل پر کنند. با نسبت معینی بین اندازه دوازده ضلعی و خمیدگی ، به 120 دوازده وجهی کروی نیاز است. علاوه بر این ، این ساختار پیچیده از صدها "توپ" را می توان به یک ساختار توپولوژیکی معادل ، متشکل از تنها یک دوازده وجهی واحد تبدیل کرد ، که در آن چهره های مخالف که 180 درجه چرخانده اند مشخص شده است.

جهان شکل گرفته از چنین دوازده وجهی دارای تعدادی ویژگی جالب است: هیچ جهت منتخبی در آن وجود ندارد و ارزش پایین ترین هارمونیک های زاویه ای پس زمینه نقاشی را بهتر از سایر مدلها توصیف می کند. چنین تصویری فقط در یک جهان بسته با نسبت چگالی واقعی ماده به بحرانی بحرانی 1.013 بوجود می آید که در محدوده مقادیر مجاز مشاهدات امروزی قرار می گیرد (0.02 1.0 1.02).

برای یک ساکن معمولی زمین ، همه این پیچیدگی های توپولوژیکی در نگاه اول اهمیت چندانی ندارند. اما برای فیزیکدانان و فیلسوفان - موضوعی کاملاً متفاوت است. این فرضیه هم برای جهان بینی به طور کلی و هم برای نظریه ای واحد که ساختار جهان ما را توضیح می دهد بسیار مورد توجه است. بنابراین ، با کشف ناهنجاری در طیف آثار ، دانشمندان شروع به جستجوی حقایق دیگری کردند که بتواند نظریه توپولوژیکی پیشنهادی را تأیید یا رد کند.

پلاسمای صوتی
در طیف نوسانات CMB ، خط قرمز پیش بینی های مدل نظری را نشان می دهد. دالان خاکستری اطراف آن انحرافات مجاز است و نقاط سیاه نتایج مشاهدات است. بیشترداده های به دست آمده در آزمایش WMAP ، و فقط برای بالاترین هارمونیک ، نتایج مطالعات CBI (بالون) و ACBAR (قطب جنوب زمینی) اضافه شده است. چندین حداکثر در نمودار نرمال شده طیف زاویه ای نوسانات CMB دیده می شود. اینها به اصطلاح "قله های صوتی" یا "نوسانات ساخاروف" هستند. وجود آنها از نظر تئوری توسط آندری ساخاروف پیش بینی شده بود. این قله ها به دلیل اثر داپلر هستند و در اثر حرکت پلاسما در زمان ترکیب مجدد ایجاد می شوند. حداکثر دامنه ارتعاش در اندازه نواحی مرتبط (افق صوتی) در زمان ترکیب مجدد قرار می گیرد. در مقیاس های کوچکتر ، نوسانات پلاسما توسط ویسکوزیته فوتون ضعیف شد و در مقیاس های بزرگ ، اغتشاشات مستقل از یکدیگر بودند و مرحله به مرحله انجام نشد. بنابراین ، حداکثر نوسانات مشاهده شده در دوران مدرن بر زوایایی قرار می گیرد که افق صوتی امروزه در آن قابل مشاهده است ، یعنی منطقه ای از پلاسمای اولیه که در لحظه ترکیب مجدد زندگی مجردی داشته است. موقعیت دقیق حداکثر به نسبت چگالی کل جهان به چگالی بحرانی بستگی دارد. مشاهدات نشان می دهد که اولین و مرتفع ترین قله در حدود 200 هارمونیک قرار دارد ، که طبق نظریه ، با دقت بالایی با یک جهان اقلیدسی مسطح مطابقت دارد.

اطلاعات زیادی در مورد پارامترهای کیهان شناسی در قله های آکوستیک دوم و بعدی وجود دارد. وجود آنها نشان دهنده این واقعیت است که نوسانات آکوستیک در پلاسما در دوران نوترکیبی "مرحله ای" می شوند. اگر چنین ارتباطی وجود نداشت ، تنها اولین قله مشاهده می شد و نوسانات در مقیاس های کوچکتر به یک اندازه محتمل بود. اما برای ایجاد چنین رابطه علّی نوسانات در مقیاس های مختلف ، این مناطق (بسیار دور از یکدیگر) باید قادر به تعامل با یکدیگر باشند. این وضعیت است که به طور طبیعی در مدل جهان تورمی بوجود می آید و تشخیص مطمئن قله های دوم و بعدی در طیف زاویه ای نوسانات CMB یکی از مهمترین تأییدهای این سناریو است.

مشاهدات CMB در منطقه نزدیک به حداکثر طیف حرارتی انجام شد. برای دمای 3K ، طول موج رادیویی 1 میلی متر است. WMAP مشاهدات خود را در طول موجهای کمی بیشتر انجام داد: از 3 میلی متر تا 1.5 سانتی متر. این محدوده به اندازه کافی نزدیک به حداکثر است و در آن سر و صدای ستارگان کهکشان ما کمتر است.

جهان چند وجهی

در مدل دوازده وجهی ، افق رویداد و مرز ترکیب مجدد بسیار نزدیک به آن ، هر یک از 12 وجه دوازده وجهی را قطع می کنند. محل تلاقی مرز نوترکیبی و فرم های چند وجهی اولیه بر روی پس زمینه مایکروویو ، 6 جفت دایره را که در نقاط مقابل کره آسمانی واقع شده اند ، نشان می دهد. قطر زاویه ای این دایره ها 70 درجه است. این دایره ها در روی مخالف دوازده وجهی اصلی قرار دارند ، یعنی از نظر هندسی و فیزیکی با هم منطبق هستند. در نتیجه ، توزیع نوسانات CMB در طول هر جفت دایره باید همزمان باشد (با در نظر گرفتن چرخش 180 درجه). بر اساس داده های موجود ، هنوز چنین حلقه ای پیدا نشده است.

اما این پدیده ، همانطور که معلوم شد ، ماهیت پیچیده تری دارد. دایره ها فقط برای ناظر یکسان و متقارن خواهند بود ، که نسبت به زمینه یادگار ثابت است. از سوی دیگر ، زمین نسبت به آن با سرعت کافی بالا حرکت می کند ، به همین دلیل یک جزء دوقطبی قابل توجه در تابش پس زمینه ظاهر می شود. در این حالت ، دایره ها به بیضی تبدیل می شوند ، اندازه آنها ، موقعیت در آسمان و دمای متوسط ​​در امتداد دایره تغییر می کند. یافتن حلقه های یکسان در حضور چنین تحریفاتی بسیار دشوارتر می شود و دقت داده های موجود امروزه ناکافی است - مشاهدات جدیدی مورد نیاز است که به درک وجود یا نبودن آنها کمک می کند.

تورم چندگانه

شاید جدی ترین مشکل همه مدلهای پیچیده کیهانی توپولوژیکی ، و تعداد قابل توجهی از آنها وجود دارد ، عمدتاً ماهیت نظری دارد. امروزه سناریوی تورمی تکامل جهان استاندارد تلقی می شود. برای توضیح همگنی و ایزوتروپی زیاد جهان مشاهده شده پیشنهاد شد. به گفته وی ، جهان که در ابتدا متولد شد نسبتاً ناهمگن بود. سپس ، در روند تورم ، هنگامی که جهان طبق قانونی نزدیک به یک قانون نمایی گسترش یافت ، ابعاد اولیه آن به ترتیب بسیاری از اندازه ها افزایش یافت. امروزه ما تنها بخش کوچکی از کیهان بزرگ را می بینیم ، که هنوز بی نظمی هایی در آن وجود دارد. درست است ، آنها دارای گستردگی فضایی وسیعی هستند که در داخل منطقه ای که برای ما قابل دسترسی است نامرئی هستند. سناریوی تورمی بهترین نظریه کیهان شناسی تا کنون است.

برای جهان متصل چندگانه ، این دنباله رویدادها مناسب نیست. کل قسمت منحصر به فرد آن و برخی از نزدیک ترین نسخه های آن برای مشاهده در دسترس است. در این حالت ، ساختارها یا فرایندهایی که با مقیاس های بسیار بزرگتر از افق مشاهده شده توصیف می شوند ، نمی توانند وجود داشته باشند.

در صورت تأیید پیوند چندگانه جهان ما ، جهاتی که در آن جهان شناسی باید توسعه یابد ، از قبل مشخص است: اینها مدلهای غیر تورمی هستند و به اصطلاح مدلهایی با تورم ضعیف هستند که در آنها اندازه جهان در طول تورم وجود دارد. فقط چند بار (یا ده ها بار) افزایش می یابد. هنوز چنین مدل هایی وجود ندارد و دانشمندان ، در تلاش برای حفظ تصویر آشنا از جهان ، به طور جدی به دنبال نقص در نتایج به دست آمده با تلسکوپ رادیویی فضایی هستند.

پردازش مصنوعات

یکی از گروه هایی که مطالعات مستقل روی داده های WMAP انجام داد ، توجه را به این واقعیت جلب کرد که اجزای چهارقطبی و هشت قطبی CMB جهت گیری نزدیکی دارند و در صفحه ای قرار دارند که تقریباً منطبق با خط استوا کهکشانی است. نتیجه گیری این گروه: هنگام کم کردن پس زمینه کهکشان از داده های مشاهده ای زمینه مایکروویو ، خطایی رخ داد و مقدار واقعی هارمونیک ها کاملاً متفاوت است.

مشاهدات WMAP در 5 فرکانس مختلف به طور خاص به منظور جداسازی صحیح پس زمینه کیهان شناسی و محلی انجام شد. و تیم اصلی WMAP معتقد است که پردازش مشاهده به درستی انجام شده است و توضیحات پیشنهادی را رد می کند.

داده های کیهان شناسی موجود ، که در ابتدای سال 2003 منتشر شد ، پس از پردازش نتایج اولین سال مشاهدات WMAP به دست آمد. برای آزمایش فرضیه های پیشنهادی ، طبق معمول ، افزایش دقت مورد نیاز است. در آغاز سال 2006 ، WMAP به مدت چهار سال مشاهدات مستمری را انجام داده است که باید دو برابر دقت باشد ، اما این داده ها هنوز منتشر نشده است. لازم است کمی صبر کرد ، و شاید ، مفروضات ما در مورد توپولوژی دوازده وجهی جهان کاملاً قطعی شود.

میخائیل پروخروف ، دکترای فیزیک و ریاضیات

آزمایش اعتبار مدل کیهان شناسی جهان ، که بر اساس آن حدود 72 of از جرم آن بر روی انرژی تاریک قرار می گیرد ، با استفاده از یک روش جدید ، ثابت کرد که جهان "مسطح" است و به اصطلاح ثابت کیهان شناسی ، که آلبرت اینشتین آن را نامیده است. خود اشتباه اصلیبه گفته نویسندگان مقاله ، که پنجشنبه در مجله Nature منتشر می شود ، ممکن است توضیحی برای شتاب در گسترش آن باشد.

آلبرت اینشتین یک ثابت کیهان شناسی که ویژگی های خلا را مشخص می کند را به معادلات نسبیت عام خود اضافه کرد تا جهان پایداری را که منبسط یا منبسط می شود ، فراهم سازد. با این حال ، مدتی بعد از این ، ادوین هابل ، ستاره شناس آمریکایی نشان داد که در واقع جهان در حال گسترش است و خود اینشتین ثابت کیهان شناسی را "بزرگترین اشتباه" خود نامید.

ثابت کیهانی همچنان مورد توجه دانشمندان بود ، اما تا دهه 1990 اعتقاد بر این بود که کمی با صفر تفاوت دارد. در سالهای 1998-1999 ، مشاهدات ابرنواختر نشان داد که جهان با شتاب در حال گسترش است ، و سپس داده های کاوشگر WMAP (کاوشگر ناهمسانگردی مایکروویو ویلکینسون) ، که تابش آثار ، "پژواک" بیگ بنگ را مورد مطالعه قرار می دهد ، دانشمندان را بر این باورند که انرژی تاریک اسرارآمیز جهان را تحت فشار قرار می داد ، که حدود 72 درصد از جرم آن را تشکیل می دهد. این یافته ها علاقه جدیدی را به ثابت کیهان شناسی بیدار کرده است.

کریستین مارینونی و آدلین بوزی از دانشگاه پرووانس (فرانسه) روش جدیدی را برای آزمایش اعتبار ایده ها در مورد ساختار و خواص جهان ، بر اساس هندسه جفت کهکشان ها با انتقال قرمز زیاد ، یعنی بسیار دور پیشنهاد کرده اند. از طرف ناظر آنها از این واقعیت استفاده کردند که ، توسط ایده های مدرن، "شکل" جهان به "محتوای" آن بستگی دارد ، بدین معنی که می توان از اندازه گیری های هندسی برای تعیین ترکیب جهان و به ویژه میزان انرژی تاریک در آن استفاده کرد.

دانشمندان از آزمایش Elcock-Paczynski که توسط ستاره شناسان آمریکایی و لهستانی بیش از 30 سال پیش توسعه یافته بود ، استفاده کردند. این آزمایش بر اساس در نظر گرفتن اجسام متقارن در فضا به عنوان "حوزه های استاندارد" است که هرگونه تحریف آنها با اعوجاج فضا ناشی از انبساط جهان همراه خواهد بود.

این آزمایش بارها تلاش شده است ، برای مثال ، روی خوشه های کهکشانی اعمال شود ، اما دقت اندازه گیری برای این کار کافی نبود. مارینونی و بوزی توزیع جهت گیری متقابل جفت کهکشان ها را که به دور یکدیگر می چرخند ، مورد مطالعه قرار دادند. در جهان بدون انرژی تاریک ، این توزیع کروی متقارن خواهد بود - یعنی تعداد جفت های جهت دار در هر جهت یکسان خواهد بود.

مشاهدات نشان داد که در واقع ، هرچه جفت کهکشان ها از زمین دورتر باشند ، توزیع جهت آنها نامتقارن تر است - جفت های بیشتری در امتداد خط دید از زمین واقع شده اند. این ، همانطور که دانشمندان توجه دارند ، با مدل جهان تخت مطابقت دارد.

جهان مسطح مدلی از توسعه جهان است که بر اساس آن انبساط آن بی نهایت است و انحنای فضا صفر است ، یعنی مسطح است. در چنین مدلی ، زندگی جهان یا با "یخ بزرگ" (یخ بزرگ) به پایان می رسد ، هنگامی که جهان در حال گسترش مرگ حرارتی را تجربه می کند - در چنین سیستمی با انرژی یکنواخت توزیع شده ، هیچ کار مکانیکی یا حرکتی امکان پذیر نیست ، یا "بزرگ Rip "، زمانی که شتاب انبساط بر فعل و انفعالات الکترومغناطیسی ، ضعیف و گرانشی" غلبه می کند "، و جهان به سادگی" می شکند ". پیشتر ، داده های همان WMAP به "صفحه" جهان اشاره کرده بود.
با انرژی تاریک

علاوه بر این ، همانطور که محققان توجه کردند ، آنها توانستند نشان دهند که موفق ترین توضیح درباره پدیده انرژی تاریک می تواند دقیقاً ثابت کیهانی اینشتین باشد که نشان دهنده انرژی خلاء است. به گفته آنها ، دانشمندان دقیق ترین برآورد ارزش این ثابت را تا به امروز دریافت کرده اند.

علم جهان با س questionsالات متعددی روبرو است که ظاهراً پاسخ دقیقی برای آن نخواهد داشت. عصر جهان یکی از آن دوران است. تا یک سال ، روز ، ماه ، دقیقه ، محاسبه احتمالاً هرگز امکان پذیر نخواهد بود. اگر چه...

زمانی به نظر می رسید که محدود کردن سن تخمینی به 12-15 میلیارد سال یک دستاورد بزرگ بود.

و اکنون ناسا مفتخر است اعلام کند که سن جهان با خطای "فقط" 0.2 میلیارد سال تعیین شده است. و این سن برابر با 13.7 میلیارد سال است.

علاوه بر این ، می توان دریافت که اولین ستاره ها خیلی زودتر از آنچه انتظار می رفت شروع به شکل گیری کردند.

این چگونه تأسیس شد؟

به نظر می رسد ، با کمک یک دستگاه واحد ، تحت نام MAP - Microave Anisotropy Probe (کاوشگر ناهمسانگردی مایکروویو) ظاهر می شود.

اخیراً به افتخار دیوید ویلکینسون ، اخترفیزیکدان دانشگاه پرینستون که در سال 2002 درگذشت ، نام کاوشگر ناهمسانگردی مایکروویو ویلکینسون (WMAP) تغییر یافت.

پروفسور مرحوم دیوید ویلکینسون ، که نام کاوشگر WMAP از وی گرفته شد.

این کاوشگر که در فاصله حدود 1.5 میلیون کیلومتری زمین قرار دارد ، پارامترهای زمینه مایکروویو کیهانی (CMB) را در سراسر آسمان برای یک سال کامل ثبت کرد.

ده سال پیش ، یک دستگاه مشابه دیگر ، Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) ، ابتدا یک بررسی کروی CMB انجام داد.

COBE نوسانات دمایی میکروسکوپی را در زمینه مایکروویو کشف کرد که مربوط به تغییرات چگالی ماده در جهان جوان است.

MAP ، مجهز به تجهیزات بسیار پیچیده تر ، به مدت یک سال به اعماق فضا نگاه کرد و تصویری با وضوح 35 برابر بهتر از نسخه قبلی خود دریافت کرد.

پس زمینه مایکروویو کیهانی ، تابش آثار به جا مانده پس از بیگ بنگ است. اینها ، به طور نسبی ، فوتون هایی هستند که پس از انفجار تابش نوری که در نتیجه انفجار رخ داده ، باقی مانده و طی میلیاردها سال سرد شده و به حالت مایکروویو در آمده اند. به عبارت دیگر ، این قدیمی ترین نور در جهان است.

ممبران قبلاً نوشته بود که در پاییز سال 2002 ، تلسکوپ رادیویی تداخل سنج مقیاس زاویه ای درجه ، که در قطب جنوب واقع شده است ، دریافت که تابش مایکروویو پس زمینه کیهانی قطبی شده است.

نقشه ستاره ای که نوسانات دما را در پس زمینه مایکروویو کیهانی نشان می دهد.

قطبش در فضا یکی از پیش بینی های اصلی نظریه استاندارد کیهان شناسی بوده است. به گفته وی ، جهان جوان پر از فوتون بود که دائماً با پروتون ها و الکترون ها برخورد می کرد.

در نتیجه برخورد ، نور قطبی شد و این اثر حتی پس از تشکیل ذرات باردار اولین اتمهای هیدروژن خنثی باقی ماند.

انتظار می رفت که این کشف به طور دقیق توضیح دهد که چگونه جهان در کسری از ثانیه منبسط شده و چگونه ستارگان اول شکل گرفته اند ، و همچنین رابطه انواع "معمولی" و "تاریک" ماده و انرژی تاریک را دریابید.

مقدار ماده تاریک و انرژی در جهان نقش کلیدی در تعیین شکل کیهان - دقیقتر ، هندسه آن - ایفا می کند.

دانشمندان از این فرض استفاده می کنند که اگر مقدار چگالی ماده و انرژی در جهان کمتر از مقدار بحرانی باشد ، کیهان مانند زین باز و مقعر است.

اگر مقدار چگالی ماده و انرژی با مقدار بحرانی مطابقت داشته باشد ، کیهان مانند یک ورق کاغذ مسطح است. اگر چگالی واقعی بیشتر از آن چیزی است که در تئوری بحرانی تلقی می شود ، پس کیهان باید بسته و کروی باشد. در این حالت ، نور همیشه به منبع اولیه خود باز می گردد.

نمودار نسبت اشکال ماده در جهان را نشان می دهد.

نظریه انبساط - نوعی پیامد نظریه بیگ بنگ - پیش بینی می کند که چگالی ماده و ماده در جهان تا حد ممکن به بحرانی نزدیک است ، بدین معنی که جهان مسطح است.

قرائت های کاوشگر MAP این را تأیید کرد.

یک مورد فوق العاده جالب دیگر نیز مشخص شد: معلوم می شود که اولین ستاره ها خیلی سریع در جهان ظاهر شدند - درست 200 میلیون سال پس از خود انفجار بزرگ.

در سال 2002 ، دانشمندان شبیه سازی رایانه ای شکل گیری قدیمی ترین ستارگان را انجام دادند که در آن فلزات و دیگر عناصر "سنگین" به طور کامل وجود نداشت. اینها در نتیجه انفجار ستارگان قدیمی شکل گرفتند ، ماده باقی مانده آنها روی سطح ستارگان دیگر افتاد و در فرآیند همجوشی گرمایی هسته ای ترکیبات سنگین تری را ایجاد کرد.

دکتر علوم فیزیک و ریاضی A. MADERA.

یک تکه کاغذ ، یک رومیزی ، یک دونات و یک لیوان چه ویژگی مشترکی با هم دارند؟

آنالوگ های دو بعدی هندسه های اقلیدسی ، کروی و هذلولی.

یک نوار Möbius با یک نقطه در سطح آن ، معمولی آن و یک دایره کوچک با جهت معین v.

یک ورق کاغذ تخت را می توان به یک استوانه چسباند و با اتصال انتهای آن ، یک توروس بدست آورد.

یک گوزن با یک دسته به یک کره با دو دسته هومومورف است - توپولوژی آنها یکسان است.

اگر این شکل را برش دهید و یک مکعب را از آن بچسبانید ، مشخص می شود که یک گوزن سه بعدی چگونه به نظر می رسد و کپی های بی پایان "کرم" سبز رنگی را که در مرکز آن نشسته است ، تکرار می کند.

یک چنگال سه بعدی را می توان از یک مکعب چسباند ، همانطور که یک توروس دو بعدی را می توان از یک مربع چسباند. "کرم" های چند رنگی که در داخل آن حرکت می کنند به وضوح نشان می دهد که کدام طرف مکعب به هم چسبیده است.

مکعب - ناحیه اصلی گلف سه بعدی - به لایه های عمودی نازک بریده می شود ، که وقتی به هم چسبیده می شوند ، حلقه ای از توری دو بعدی را تشکیل می دهند.

اگر دو روی مکعب اصلی به هم چسبانده شده و 180 درجه بچرخند ، 1/2 فضای مکعب دوار تشکیل می شود.

دو چرخش 90 درجه به 1/4 فضای مکعب چرخانده می شود. این تصاویر و تصاویر مشابه در صفحه 88 را به صورت پلکانی معکوس امتحان کنید. "کرم ها" در لبه های بدون چرخش حجم پیدا می کنند.

اگر منشور شش ضلعی را به عنوان ناحیه اصلی در نظر بگیریم ، هر یک از صفحات آن را مستقیماً به طرف مقابل بچسبانیم و انتهای شش ضلعی 120 درجه بچرخد ، یک فضای منشوری شش ضلعی با 1/3 چرخش بدست می آوریم.

چرخاندن صورت شش ضلعی 60 درجه قبل از چسباندن ، یک فضای منشوری شش ضلعی با 1/6 چرخش ایجاد می کند.

فضای دو مکعب.

زمانی که سطوح بالا و پایین یک صفحه بی انتها به هم چسبیده باشند ، فضای لاملار ایجاد می شود.

فضاهای لوله ای - مستقیم (A) و چرخشی (B) ، که در آنها یکی از سطوح با چرخش 180 درجه به طرف مقابل چسبانده می شود.

نقشه توزیع تابش پس زمینه مایکروویو توزیع چگالی ماده را نشان می دهد که 300 هزار سال پیش (به صورت رنگی نشان داده شده است) است. تجزیه و تحلیل آن تعیین می کند که جهان چه توپولوژی دارد.

در زمان های قدیم ، مردم معتقد بودند که آنها در یک سطح مسطح وسیع زندگی می کنند ، اگرچه در برخی نقاط با کوه ها و فرورفتگی پوشیده شده است. این اعتقاد برای هزاران سال پابرجا بود ، تا اینکه ارسطو در قرن چهارم قبل از میلاد. NS متوجه نشده است که کشتی در حال ترک دریا از دید ناپدید می شود ، نه به این دلیل که با دور شدن از آن ، به اندازه غیرقابل دسترسی برای چشم کاهش می یابد. برعکس ، ابتدا بدنه کشتی ناپدید می شود ، سپس بادبان ها و در نهایت دکل ها. این امر او را به این نتیجه رساند که زمین باید گرد باشد.

در طول هزاره های گذشته ، اکتشافات زیادی انجام شده است ، تجربیات عظیمی جمع آوری شده است. و با این وجود ، س questionsالات اساسی هنوز بی پاسخ مانده اند: آیا جهان که در آن زندگی می کنیم محدود است یا نامتناهی ، و شکل آن چگونه است؟

مشاهدات اخیر ستاره شناسان و تحقیقات ریاضیدانان نشان می دهد که شکل جهان ما باید در بین هجده مأخذ اقلیدسی به اصطلاح سه بعدی جهت دار جستجو شود و فقط ده نفر می توانند آن را ادعا کنند.

هرگونه نتیجه گیری در مورد شکل احتمالی جهان ما باید بر اساس حقایق واقعی بدست آمده از مشاهدات نجومی باشد. بدون این ، حتی زیباترین و محتمل ترین فرضیه ها محکوم به شکست هستند. بنابراین ، بیایید ببینیم مشاهدات در مورد جهان چه می گویند.

اول از همه ، اجازه دهید توجه داشته باشیم که صرفنظر از کجای جهان ، در هر نقطه از آن می توانیم حوزه ای با اندازه دلخواه ، که شامل فضای جهان درون است ، ترسیم کنیم. این ساختار تا حدودی مصنوعی به کیهان شناسان می گوید که فضای جهان یک منیفولد سه بعدی (3 چند قسمتی) است.

بلافاصله این س arال مطرح می شود: چه نوع تنوعی نشان دهنده جهان ما است؟ ریاضیدانان مدتهاست ثابت کرده اند که تعداد آنها بسیار زیاد است لیست کاملهنوز وجود ندارد مشاهدات طولانی مدت نشان داده است که جهان دارای تعدادی است مشخصات فیزیکی، که به شدت تعداد متقاضیان احتمالی را برای فرم آن کاهش می دهد. و یکی از اصلی ترین ویژگی های توپولوژی جهان خمیدگی آن است.

طبق مفهوم پذیرفته شده در حال حاضر ، حدود 300 هزار سال پس از انفجار بزرگ ، دمای جهان به حدی رسید که برای وحدت الکترونها و پروتونها به اتمهای اول کافی باشد (به علم و زندگی ، شماره 11 ، 12 ، 1996 مراجعه کنید. ) هنگامی که این اتفاق افتاد ، تابش ، که در ابتدا توسط ذرات باردار پراکنده شده بود ، ناگهان توانست بدون مانع از جهان در حال انبساط عبور کند. این تشعشع ، که امروزه به عنوان پس زمینه مایکروویو کیهانی یا یادگار شناخته می شود ، به طور قابل ملاحظه ای یکنواخت است و تنها انحراف (نوسانات) شدت بسیار ضعیفی از مقدار متوسط ​​را نشان می دهد (رجوع کنید به Science and Life، No. 12، 1993). چنین همگونی فقط در جهان وجود دارد که انحنای آن در همه جا ثابت است.

ثبات انحنا به این معناست که فضای جهان دارای یکی از سه هندسه ممکن است: اقلیدسی مسطح کروی با انحنای مثبت یا هذلولی با انحنای منفی. این هندسه ها خواص کاملاً متفاوتی دارند. بنابراین ، به عنوان مثال ، در هندسه اقلیدسی ، مجموع زوایای مثلث دقیقاً 180 درجه است. این مورد در هندسه های کروی و هذلولی وجود ندارد. اگر سه نقطه را روی یک کره بگیریم و بین آنها خطوط مستقیم بکشم ، مجموع زوایای بین آنها بیش از 180 درجه (تا 360) خواهد بود. در هندسه هذلولی ، این مجموع کمتر از 180 درجه است. تفاوتهای اساسی دیگری نیز وجود دارد.

بنابراین چه هندسی را باید برای جهان انتخاب کنیم: اقلیدسی ، کروی یا هذلولی؟

کارل فردریش گاوس ریاضیدان آلمانی در نیمه اول قرن نوزدهم فهمید که فضای واقعی جهان اطراف می تواند غیر اقلیدسی باشد. گاوس با انجام چندین سال کار ژئودتیک در پادشاهی هانوفر ، هدف خود را بررسی ویژگی های هندسی فضای فیزیکی با استفاده از اندازه گیری مستقیم قرار داد. برای انجام این کار ، او سه قله کوهی را که از یکدیگر دور هستند انتخاب کرد - هوهنهاگن ، اینسلبرگ و بروکن. او که روی یکی از این قله ها ایستاده بود ، اشعه های خورشید را که توسط آینه ها بازتاب می شد به دو مورد دیگر هدایت کرد و زوایای بین اضلاع مثلث عظیمی از نور را اندازه گیری کرد. بنابراین ، او سعی کرد به این س answerال پاسخ دهد: آیا مسیرهای عبور پرتوهای نور از فضای کروی زمین خم شده است؟ (به هر حال ، تقریباً در همان زمان ، ریاضیدان روس ، رئیس دانشگاه کازان ، نیکولای ایوانوویچ لوباچفسکی پیشنهاد کرد که به صورت تجربی مساله هندسه فضای فیزیکی را با استفاده از مثلث ستاره بررسی کند.) اگر گاوس دریافت که مجموع زوایا مثلث نور با 180 درجه متفاوت است ، بنابراین نتیجه می گیرد که اضلاع مثلث منحنی هستند و فضای فیزیکی واقعی غیر اقلیدسی است. با این حال ، در خطای اندازه گیری ، مجموع زوایای مثلث آزمایشی بروکن - هوهنهاگن - اینسلبرگ دقیقاً 180 درجه بود.

بنابراین ، در مقیاس های کوچک (بر اساس استانداردهای نجومی) ، جهان به عنوان اقلیدسی ظاهر می شود (اگرچه ، البته ، غیرممکن است که نتایج گاوس را در کل جهان استناد کنیم).

مطالعات اخیر انجام شده با بالن های ارتفاع بلند بر فراز قطب جنوب نیز این نتیجه را تایید می کند. هنگام اندازه گیری طیف قدرت زاویه ای CMB ، اوج ثبت شد ، که به گفته محققان ، تنها با وجود ماده سیاه سیاه - اجسام نسبتاً بزرگ و به آرامی در حال حرکت - در جهان اقلیدسی توضیح داده می شود. مطالعات دیگر نیز از این نتیجه گیری حمایت می کنند و تعداد مدعیان احتمالی شکل احتمالی جهان را به میزان چشمگیری کاهش می دهند.

در دهه سی قرن بیستم ، ریاضیدانان ثابت کردند که تنها 18 منیفولد سه بعدی اقلیدسی مختلف وجود دارد و بنابراین ، تنها 18 شکل ممکن از جهان به جای تعداد بی نهایت آنها وجود دارد. درک خواص این چند دسته به تعیین تجربی شکل واقعی جهان کمک می کند ، زیرا یک جستجوی هدفمند همیشه م thanثرتر از جستجوی کور است.

با این حال ، تعداد اشکال احتمالی جهان را می توان بیشتر کاهش داد. در واقع ، در میان 18 مقیاس 3 اقلیدسی ، 10 جهت دار و 8 غیر جهت دار وجود دارد. اجازه دهید توضیح دهیم که مفهوم جهت گیری چیست. برای انجام این کار ، یک سطح دو بعدی جالب را در نظر بگیرید - نوار Möbius. این را می توان از یک نوار مستطیلی کاغذ بدست آورد ، یک بار پیچ خورده و به هم چسبانده شده است. حالا یک نکته را روی نوار موبیوس بگیرید آ، یک حالت معمولی (عمود بر آن) بکشید ، و هنگامی که از انتهای حالت معمولی مشاهده می کنید ، یک دایره کوچک در اطراف حالت عادی با جهت خلاف جهت عقربه های ساعت بکشید. بیایید حرکت نقطه را به همراه حلقه عادی و جهت دار در امتداد نوار موبیوس شروع کنیم. وقتی نقطه دور کل ورق می رود و به حالت اولیه خود برمی گردد (از نظر بصری در طرف دیگر ورق قرار می گیرد ، اما در هندسه سطح ضخامت ندارد) ، جهت نرمال به عکس مخالف تغییر می کند و جهت دایره به سمت مخالف این مسیرها مسیر معکوس جهت گیری نامیده می شوند. و سطوحی که دارای آنها هستند غیر جهت دار یا یک طرفه نامیده می شوند. سطوحی که در آنها هیچ مسیر بسته ای وجود ندارد که جهت را معکوس کند ، به عنوان مثال ، یک کره ، یک توروس و یک نوار غیر پیچ خورده ، جهت دار یا دو طرفه نامیده می شوند. توجه داشته باشید که نوار موبیوس یک منیفولد دو بعدی اقلیدسی غیر جهت دار است.

اگر فرض کنیم که جهان ما یک منیفولد غیرقابل جهت گیری است ، از نظر فیزیکی این به معنی موارد زیر است. اگر ما از زمین در امتداد یک حلقه بسته که جهت را معکوس می کند پرواز کنیم ، مطمئناً به خانه برمی گردیم ، اما خود را در یک کپی آینه ای از زمین می یابیم. ما هیچ تغییری در خود مشاهده نخواهیم کرد ، اما در رابطه با ما ، بقیه ساکنان زمین دارای قلب در سمت راست هستند ، همه ساعتها در جهت عقربه های ساعت حرکت می کنند و متنها در یک تصویر آینه ظاهر می شوند.

بعید است که ما در چنین دنیایی زندگی کنیم. کیهان شناسان معتقدند که اگر جهان ما غیرقابل جهت گیری باشد ، انرژی از مناطق مرزی که ماده و پادماده در آن برهم کنش دارند ، تابیده می شود. با این حال ، چنین چیزی هرگز مشاهده نشده است ، اگرچه از لحاظ نظری می توان فرض کرد که چنین مناطقی در خارج از منطقه جهان وجود دارد که برای چشم ما قابل دسترسی است. بنابراین ، منطقی است که هشت م manifلفه غیرقابل جهت گیری را از ملاحظه حذف کنیم و اشکال احتمالی جهان خود را به ده مoldلفه سه بعدی اقلیدسی جهت پذیر محدود کنیم.

تجسم منیفولدهای سه بعدی در فضای چهار بعدی بسیار دشوار است. با این حال ، اگر از رویکردی که در توپولوژی برای تجسم منیفولدهای دو بعدی (2-چند منظوره) در فضای سه بعدی ما استفاده می شود ، استفاده کنید ، می توانید ساختار آنها را تصور کنید. تمام اجسام موجود در آن در نظر گرفته شده است که از نوعی ماده الاستیک بادوام مانند لاستیک ساخته شده است ، که اجازه می دهد هر گونه کشش و خمیدگی ایجاد شود ، اما بدون پارگی ، چین خوردگی و چسب. در توپولوژی ، به ارقامی که می توانند با استفاده از چنین تغییر شکل هایی به یکدیگر تبدیل شوند ، هومومورفیک گفته می شود. آنها هندسه داخلی یکسانی دارند. بنابراین ، از نظر توپولوژی ، یک دونات (توروس) و یک فنجان معمولی با دسته یکی هستند. اما انتقال توپ فوتبال به پیراشکی غیرممکن است. این سطوح از نظر توپولوژیکی متمایز هستند ، یعنی دارای خواص هندسی ذاتی متفاوتی هستند. با این حال ، اگر یک سوراخ گرد روی کره بریده و یک دسته را به آن وصل کنیم ، آنگاه شکل به دست آمده در حال حاضر به شکل ناهموار خواهد بود.

سطوح زیادی وجود دارند که از نظر توپولوژیکی از یک توروس و یک کره متمایز هستند. به عنوان مثال ، با اضافه کردن یک دسته به توروس ، مشابه آنچه در فنجان می بینیم ، یک سوراخ جدید و در نتیجه یک شکل جدید به دست می آید. یک گوزن با دسته برای یک شکل شبیه پرتزل همومورفیک خواهد بود ، که به نوبه خود یک کره با دو دسته همومورفیک است. افزودن هر دسته جدید یک سوراخ دیگر و در نتیجه سطحی دیگر ایجاد می کند. به این ترتیب ، می توانید تعداد نامحدودی از آنها را بدست آورید.

به همه چنین سطوحی 2 منیفولد یا به سادگی 2 منیفولد گفته می شود. این بدان معناست که می توان دایره ای از شعاع دلخواه را در اطراف هر نقطه از آنها ترسیم کرد. در سطح زمین ، می توانید یک دایره حاوی نقاط آن بکشید. اگر فقط چنین تصویری را می بینیم ، منطقی است که فرض کنیم که این صفحه بی نهایت ، کره ، توروس یا به طور کلی هر سطح دیگری از تعداد نامحدود توری یا کره با تعداد دسته های مختلف است.

درک این اشکال توپولوژیکی بسیار دشوار است. و برای اینکه تصور آنها را برای خودمان آسان تر و واضح تر کنیم ، یک استوانه را از یک ورق کاغذ مربع چسبانده و دو طرف چپ و راست آن را به هم وصل می کنیم. مربع در این مورد دامنه اساسی برای torus نامیده می شود. اگر اکنون پایه های استوانه (مواد سیلندر الاستیک است) را به صورت ذهنی بچسبانیم ، یک توروس دریافت می کنیم.

تصور کنید که یک موجود دو بعدی وجود دارد ، مثلاً یک حشره ، حرکت آن در سطح گلف نیاز به بررسی دارد. انجام این کار آسان نیست و مشاهده حرکت آن در یک مربع بسیار راحت تر است - فضایی با همان توپولوژی. این تکنیک دو مزیت دارد. اولاً ، به شما امکان می دهد مسیر حشره را در فضای سه بعدی ، به دنبال حرکت آن در فضای دو بعدی ، مشاهده کنید ، و دوم ، به شما اجازه می دهد در چارچوب یک هندسه اقلیدسی به خوبی توسعه یافته در یک هواپیما بمانید. هندسه اقلیدسی شامل فرض خطوط موازی است: برای هر خط مستقیم و نقطه ای خارج از آن ، یک خط مستقیم به موازات خط اول وجود دارد و از این نقطه می گذرد. علاوه بر این ، مجموع زوایای مثلث مسطح دقیقاً 180 درجه است. اما از آنجایی که مربع با هندسه اقلیدسی توصیف شده است ، می توانیم آن را تا توروس گسترش دهیم و ادعا کنیم که توروس یک اقلیدس 2-چند قسمتی است.

عدم تمایز هندسه های داخلی برای طیف گسترده ای از سطوح با ویژگی توپولوژیکی مهم آنها ، که توسعه پذیری نامیده می شود ، مرتبط است. بنابراین ، سطوح استوانه و مخروط کاملاً متفاوت به نظر می رسند ، اما با این وجود هندسه آنها کاملاً یکسان است. هر دو آنها را می توان بدون تغییر طول بخشها و زاویه بین آنها در صفحه مستقر کرد ، بنابراین ، هندسه اقلیدسی برای آنها معتبر است. همین امر در مورد توروس صدق می کند ، زیرا سطحی است که به شکل مربع باز می شود. چنین سطوحی ایزومتریک نامیده می شود.

توری های بی شماری را می توان از سایر اشکال مسطح ، به عنوان مثال از متوازی الاضلاع یا شش ضلعی های مختلف ، با چسباندن لبه های مخالف آنها تشکیل داد. با این حال ، هر چهارگوش برای این مناسب نیست: طول طرفهای چسبیده آن باید یکسان باشد. چنین الزامی برای اجتناب از کشیدگی یا انقباض لبه های منطقه ، که هندسه اقلیدسی سطح را نقض می کند ، ضروری است.

حال بیایید به سراغ انواع مختلفی از ابعاد بالاتر برویم.

بیایید سعی کنیم اشکال احتمالی جهان خود را تصور کنیم ، که ، همانطور که قبلاً دیدیم ، باید در بین ده منیفولد سه بعدی اقلیدسی جهت دار جستجو شود.

برای نشان دادن یک سه ضلعی اقلیدسی ، ما از روش مورد استفاده در بالا برای منیفولدهای دو بعدی استفاده می کنیم. در آنجا ما از یک مربع به عنوان ناحیه اصلی توروس استفاده کردیم و برای نشان دادن یک منیفولد سه بعدی از اشیاء سه بعدی استفاده خواهیم کرد.

بگذارید یک مکعب را به جای یک مربع برداریم ، و همانطور که لبه های مخالف یک مربع را چسبانده ایم ، روی مخالف مکعب را در همه نقاط آنها به هم بچسبانید.

ناقوس سه بعدی حاصله یک اقلیدس 3 تایی است. اگر به نحوی به آن ختم می شدیم و به جلو نگاه می کردیم ، پشت سر خود و همچنین نسخه های خود را در هر قسمت از مکعب - در جلو ، پشت ، چپ ، راست ، بالا و پایین می دیدیم. در پشت آنها ، ما تعداد بی نهایت نسخه دیگر را خواهیم دید ، درست مثل این که در اتاقی بودیم که دیوارها ، کف و سقف با آینه پوشانده شده است. اما تصاویر در توروس سه بعدی مستقیم خواهند بود ، نه آینه.

توجه به ماهیت دایره ای این و بسیاری از انواع دیگر مهم است. اگر جهان واقعاً چنین شکلی داشت ، پس از ترک زمین و پرواز بدون تغییر مسیر ، سرانجام به خانه برمی گشتیم. چیزی مشابه در زمین مشاهده می شود: حرکت به سمت غرب در امتداد خط استوا ، دیر یا زود ما از شرق به نقطه شروع باز می گردیم.

با برش مکعب به لایه های عمودی نازک ، مجموعه ای از مربع ها را بدست می آوریم. لبه های مخالف این مربع ها باید به هم چسبانده شوند زیرا لبه های مخالف مکعب را تشکیل می دهند. بنابراین گداخت سه بعدی یک حلقه متشکل از توری دو بعدی است. به یاد بیاورید که مربع های جلو و عقب نیز به هم چسبیده اند و به عنوان صورت مکعب عمل می کنند. توپولوگها چنین منیفولدی را به عنوان T 2 xS 1 نشان می دهند ، جایی که T 2 نشان دهنده یک توروس دو بعدی است و S 1 نشان دهنده یک حلقه است. این نمونه ای از یک بسته نرم افزاری یا بسته نرم افزاری tori است.

توری سه بعدی را می توان نه تنها با کمک یک مکعب به دست آورد. درست همانطور که یک متوازی الاضلاع یک 2-توروس را تشکیل می دهد ، با چسباندن صورت های مخالف یک موازی موازی (یک بدن سه بعدی محدود به متوازی الاضلاع) ، ما یک توروس 3 تایی ایجاد می کنیم. فضاهایی با مسیرهای بسته متفاوت و زوایای بین آنها از موازی متقابل مختلف تشکیل شده است.

این و همه چند قسمتی محدود دیگر به راحتی در تصویر جهان در حال انبساط گنجانده شده است. اگر حوزه اساسی تنوع دائما در حال گسترش باشد ، فضایی که شکل می گیرد نیز گسترش می یابد. هر نقطه در فضا در حال انبساط از نقاط دیگر دورتر می شود ، که دقیقاً با مدل کیهان شناسی مطابقت دارد. در این مورد ، با این حال ، باید توجه داشت که نقاط نزدیک به یک صورت همیشه در مجاورت نقاط طرف مقابل قرار دارند ، زیرا بدون توجه به اندازه ناحیه اساسی ، صورتهای مقابل به هم چسبیده اند.

منیفولد بعدی سه بعدی ، شبیه یک توروس سه بعدی ، 1/2 نامیده می شود - چرخش فضای مکعب در این فضا ، ناحیه اساسی دوباره یک مکعب یا موازی موازی است. چهار لبه به طور معمول به هم چسبانده می شوند و دو باقی مانده ، جلو و عقب ، با چرخش 180 درجه چسبانده می شوند: قسمت بالای لبه جلویی به پایین پشت چسبانده می شود. اگر ما در چنین تنوعی بودیم و به یکی از این چهره ها نگاه می کردیم ، نسخه خودمان را می دیدیم ، اما وارونه شده ، پشت آن یک نسخه معمولی و غیره بی نهایت وجود دارد. شبیه به یک توروس سه بعدی ، ناحیه اساسی 1/2 فضای مکعبی چرخانده را می توان به لایه های عمودی نازک برش داد ، به طوری که هنگام چسباندن ، دوباره یک دسته از توری های دو بعدی شکل می گیرد ، با این تفاوت که این زمان چسباندن توری جلو و عقب با چرخش 180 درجه. ...

فضای مکعب با 1/4 چرخش همان فضای قبلی است ، اما 90 درجه چرخیده است. با این حال ، از آنجا که چرخش فقط تا یک چهارم انجام می شود ، ممکن است از هر موازی پیاده ای خارج نشود - قسمتهای جلو و عقب آن باید مربع باشند تا از خم شدن و کج شدن منطقه اساسی جلوگیری شود. در قسمت جلویی مکعب ، ما یک نسخه دیگر را در پشت نسخه خود مشاهده می کنیم که 90 درجه نسبت به آن چرخانده شده است.

فضای منشور شش ضلعی با 1/3 چرخش از منشور شش ضلعی به جای مکعب به عنوان ناحیه اساسی استفاده می کند. برای به دست آوردن آن ، باید هر صورت ، که یک متوازی الاضلاع است ، با صورت مقابل آن و دو صورت شش ضلعی با چرخش 120 درجه بچسبانید. هر لایه شش ضلعی از این منیفولد یک گوزن است و بنابراین فضا نیز تلی از توری است. در تمام وجوه شش ضلعی ، کپی هایی را که 120 درجه نسبت به تصویر قبلی چرخانده اند ، مشاهده می کنیم و کپی هایی در صورتها - متوازی الاضلاع - خطوط مستقیم مشاهده می کنیم.

فضای منشور شش ضلعی 6/1 چرخشی مشابه فضای قبلی طراحی شده است با این تفاوت که وجه شش ضلعی جلویی با چرخش 60 درجه به قسمت پشتی چسبانده شده است. مانند قبل ، در بسته حاصله از توری ، صورتهای باقی مانده - متوازی الاضلاع - مستقیماً به یکدیگر چسبیده اند.

فضای دو مکعبی با منیفولد های قبلی تفاوت اساسی دارد. این فضای محدود دیگر یک توری نیست و دارای ساختار چسبندگی غیرمعمول است. با این حال ، فضای دو مکعبی از یک منطقه اساسی ساده استفاده می کند ، که دو مکعب است که روی هم چیده شده است. هنگام چسباندن ، همه صورتها به طور مستقیم به هم متصل نمی شوند ؛ قسمتهای جلویی بالا و عقب بالا بلافاصله در زیر آنها چسبانده می شوند. در این فضا ، ما خود را در نوعی چشم انداز می بینیم - پاها درست جلوی چشم ما قرار می گیرند.

با این کار لیستی از چند بعدی اقلیدسی با جهت گیری محدود و به اصطلاح منیفولدهای فشرده به پایان می رسد. به احتمال زیاد در میان آنها ما باید به دنبال شکل جهان خود باشیم.

بسیاری از کیهان شناسان معتقدند که جهان محدود است: تصور مکانیسم فیزیکی منشاء جهان بی نهایت دشوار است. با این وجود ، چهار مقیاس اقلیدسی غیر جمع و جور جهت دار باقی مانده را در نظر بگیرید تا اطلاعات واقعی به دست آید که وجود آنها را منتفی می کند.

اولین و ساده ترین بی نهایت سه بعدی فضای اقلیدسی است که در دبیرستان مورد مطالعه قرار می گیرد (با R3 مشخص می شود). در این فضا ، سه محور مختصات دکارتی تا بی نهایت گسترش می یابد. در آن ما هیچ نسخه ای از خود را نمی بینیم ، نه مستقیم ، نه چرخانده و نه معکوس.

منیفولد بعدی فضای به اصطلاح lamellar است که منطقه اساسی آن یک صفحه بی نهایت است. قسمت بالایی صفحه ، که یک صفحه نامحدود است ، مستقیماً به قسمت پایینی خود چسبانده شده است ، همچنین یک صفحه بی نهایت. این صفحات باید موازی یکدیگر باشند ، اما می توانند در حین چسباندن خودسرانه جابجا شوند ، که با توجه به بی نهایت بودن آنها مهم نیست. در توپولوژی ، این منیفولد به صورت R 2 xS 1 نوشته شده است ، جایی که R 2 یک صفحه و S 1 یک حلقه را نشان می دهد.

در دو 3 منیفولد آخر از لوله های بی نهایت بلند به عنوان مناطق اساسی استفاده می شود. لوله ها چهار ضلع دارند ، سطح مقطع آنها متوازی الاضلاع است ، آنها نه بالا و نه پایین دارند - چهار ضلع آنها بی نهایت گسترش می یابد. مانند گذشته ، ماهیت چسباندن ناحیه بنیادی ، شکل منیفولد را تعیین می کند.

فضای لوله ای با چسباندن هر دو جفت طرف مقابل شکل می گیرد. پس از چسباندن ، قسمت متوازی الاضلاع اصلی به یک گوزن دو بعدی تبدیل می شود. در توپولوژی ، این فضا به صورت محصول T 2 xR 1 نوشته شده است.

با چرخاندن یکی از سطوح چسبناک فضای لوله ای به میزان 180 درجه ، یک فضای لوله ای چرخانده می شود. این پیچ و تاب ، با توجه به طول بی نهایت لوله ، به آن ویژگی های غیر معمول می بخشد. به عنوان مثال ، دو نقطه بسیار دور از یکدیگر ، در انتهای مختلف منطقه اساسی ، پس از چسباندن در کنار یکدیگر قرار می گیرند.

بالاخره شکل جهان ما چگونه است؟

برای انتخاب یکی از ده منیفولد 3 اقلیدسی فوق به عنوان شکل جهان ما ، به مشاهدات نجومی بیشتری نیاز است.

ساده ترین راه این است که نسخه هایی از کهکشان خود را در آسمان شب پیدا کنیم. با پیدا کردن آنها ، ما قادر خواهیم بود ماهیت چسبندگی منطقه اساسی جهان را تعیین کنیم. اگر معلوم شود که جهان یک چهارم فضای مکعبی است ، کپی های مستقیم کهکشان ما از چهار طرف قابل مشاهده است و 90 درجه - از دو باقی مانده ، چرخانده می شود. با این حال ، با وجود سادگی ظاهری ، این روش برای تعیین شکل جهان چندان مناسب نیست.

نور با سرعت محدودی حرکت می کند ، بنابراین ، با مشاهده جهان ، ما در اصل به گذشته نگاه می کنیم. حتی اگر روزی تصویری از کهکشان خود پیدا کنیم ، نمی توانیم آن را تشخیص دهیم ، زیرا در "سالهای جوان" آن کاملاً متفاوت به نظر می رسید. تشخیص نسخه ای از تعداد زیادی کهکشان بسیار دشوار است.

در ابتدای مقاله گفته شد که جهان دارای انحنای ثابت است. یکنواختی تابش پس زمینه مایکروویو کیهانی به طور مستقیم این را نشان می دهد. با این حال ، تغییرات فضایی کمی دارد ، حدود 10-5 کلوین ، که نشان می دهد نوسانات جزئی در چگالی ماده در جهان اولیه وجود داشته است. با سرد شدن جهان در حال انبساط ، ماده در این مناطق به مرور زمان کهکشان ها ، ستارگان و سیارات را ایجاد کرد. نقشه تابش مایکروویو به شما این امکان را می دهد که در گذشته ، در زمان ناهمگونی های اولیه ، کلیت جهان را که در آن زمان هزاران بار کوچکتر بود ، مشاهده کنید. برای درک اهمیت این نقشه ، یک مثال فرضی را در نظر بگیرید: جهان به عنوان یک گوزن دو بعدی است.

در جهان سه بعدی ، ما آسمان را از هر جهت مشاهده می کنیم ، یعنی در یک کره. ساکنان دو بعدی یک جهان دو بعدی فقط می توانند آن را در یک دایره مشاهده کنند. اگر این دایره کوچکتر از ناحیه اصلی جهان آنها باشد ، هیچ نشانه ای از شکل آن به دست نمی آورند. با این حال ، اگر دایره بینایی موجودات دو بعدی بزرگتر از ناحیه اصلی باشد ، آنها می توانند تقاطع ها و حتی تکرار تصاویر جهان را ببینند و سعی کنند نقاطی با دمای یکسان و منطبق با مساحت یکسان پیدا کنند. آی تی. اگر چنین نقاطی به اندازه کافی در دایره بینایی آنها وجود داشت ، می توانستند به این نتیجه برسند که در یک جهان توروس زندگی می کنند.

علیرغم این واقعیت که ما در یک جهان سه بعدی زندگی می کنیم و یک منطقه کروی را می بینیم ، ما با مشکل مشابه موجودات دو بعدی روبرو هستیم. اگر حوزه بینایی ما کوچکتر از منطقه بنیادی جهان در 300000 سال پیش باشد ، ما چیزی غیر عادی نخواهیم دید. در غیر این صورت ، کره از آن به صورت دایره عبور می کند. کیهان شناسان با یافتن دو دایره که دارای تغییرات یکسانی در تابش مایکروویو هستند ، می توانند جهت گیری آنها را مقایسه کنند. اگر دایره ها متقاطع باشند ، به این معنی است که چسبندگی وجود دارد ، اما چرخشی وجود ندارد. با این حال ، برخی از آنها را می توان با توجه به یک چهارم یا نیم نوبت ترکیب کرد. اگر به اندازه کافی از این حلقه ها پیدا شود ، راز منطقه اساسی جهان و چسبندگی آن فاش می شود.

با این حال ، تا زمانی که یک نقشه دقیق از تابش مایکروویو ظاهر نشود ، کیهان شناسان نمی توانند نتیجه گیری کنند. در سال 1989 ، محققان ناسا سعی کردند نقشه ای از تابش زمینه مایکروویو کیهانی تهیه کنند. با این حال ، وضوح زاویه ای ماهواره در حدود 10 درجه بود ، که انجام اندازه گیری های دقیق راضی کننده کیهان شناسان را غیرممکن کرد. در بهار سال 2002 ، ناسا دومین تلاش خود را انجام داد و کاوشگری را به راه انداخت که نوسانات دما را با وضوح زاویه ای حدود 0.2 درجه ترسیم می کرد. در سال 2007 ، آژانس فضایی اروپا قصد دارد از ماهواره پلانک استفاده کند که دارای وضوح زاویه ای 5 ثانیه قوس است.

در صورت موفقیت آمیز بودن پرتاب ها ، نقشه های دقیق نوسانات CMB ظرف چهار تا ده سال به دست می آید. و اگر اندازه حوزه بینایی ما به اندازه کافی بزرگ باشد و اندازه گیری ها به اندازه کافی دقیق و قابل اعتماد باشند ، در نهایت خواهیم فهمید که جهان ما چه شکلی دارد.