Когда космологи говорят о "плоской Вселенной", они не имеют в виду, что она похожа на блин. Речь идет о геометрии пространства-времени в космических масштабах.
Что значит "плоская Вселенная"?
- В плоской Вселенной параллельные линии никогда не пересекаются, даже на огромных расстояниях.
- Сумма углов треугольника, даже космических размеров, равна 180 градусам.
- Пространство не искривлено ни положительно (как сфера), ни отрицательно (как седло).
Как мы это узнали?
Наблюдения за сверхновыми типа Ia
Эти сверхновые имеют стандартную яркость, что позволяет точно измерять расстояния. Измерения показали, что расширение Вселенной соответствует модели плоской геометрии.
Важно: эти же наблюдения в 1998 году привели к открытию ускоренного расширения Вселенной.
Изучение реликтового излучения
Космический микроволновый фон содержит информацию о ранней Вселенной. Анализ его неоднородностей позволяет определить геометрию пространства. Космические аппараты NASA WMAP и Planck провели измерения, которые показывают, что геометрия Вселенной чрезвычайно близка к плоской. Погрешность этих измерений составляет около 0,4%.
Барионные акустические осцилляции (БАО)*
Это "звуковые волны" ранней Вселенной, "застывшие" в распределении галактик. Их изучение также подтверждает плоскую геометрию Вселенной.
*БАО — периодические колебания плотности материи в ранней Вселенной, подобные звуковым волнам. Возникли примерно через 380 000 лет после Большого взрыва, когда Вселенная стала прозрачной для излучения.
Критическая плотность**
Вселенная остается плоской, потому что ее общая плотность энергии очень близка к критическому значению. Эта плотность складывается из обычной материи, темной материи и темной энергии.
** Критическая плотность - это точное значение плотности массы-энергии, при котором геометрия Вселенной остается плоской (нулевая кривизна). Если бы плотность была меньше критической, то гравитация была бы слишком слаба, и Вселенная имела бы отрицательную кривизну (как седло). Если бы плотность была больше - гравитация была бы слишком сильна, и Вселенная имела бы положительную кривизну (как сфера).
Ускоренное расширение
В 1998 году было обнаружено, что Вселенная расширяется с ускорением. Это объясняется наличием темной энергии, которая составляет около 68% от общей массы-энергии Вселенной. Темная энергия "растягивает" пространство, но не влияет на его геометрию.
Почему это важно?
Связь с теорией инфляции
Космическая инфляция - теория о сверхбыстром расширении Вселенной в первые мгновения после Большого взрыва. Эта теория предсказывает, что инфляция должна была сделать Вселенную практически идеально плоской. Наблюдаемая плоскость Вселенной - сильный аргумент в пользу теории инфляции.
Изучение истории Вселенной
Плоская геометрия влияет на то, как свет распространялся с начала времен. Это позволяет точнее интерпретировать данные о ранней Вселенной, включая реликтовое излучение.
Прогнозирование будущего
Плоская геометрия в сочетании с данными о темной энергии позволяет предсказать долгосрочную судьбу Вселенной. В плоской Вселенной с преобладанием темной энергии расширение будет продолжаться вечно.
Фундаментальные законы физики
Плоская геометрия может указывать на глубокие симметрии в законах природы. Это стимулирует поиск единой теории, объединяющей все фундаментальные взаимодействия.
Космологический принцип
Плоская геометрия согласуется с идеей, что Вселенная однородна и изотропна в больших масштабах. Это ключевое допущение в современной космологии.
Проверка альтернативных теорий
Точные измерения геометрии Вселенной позволяют проверять и отвергать альтернативные космологические модели.
Нерешенные вопросы
- Почему плотность Вселенной так точно настроена на критическое значение?
- Какова природа темной энергии?
- Может ли Вселенная быть лишь локально плоской, а в бóльших — недоступных для наблюдения — масштабах иметь другую геометрию?