Сферичний, гіперболічний чи плоский Всесвіт: яку форму насправді має космос

Форма космосу відіграє важливу роль у тому, чи буде Всесвіт нескінченно розширюватися, чи все ж таки почне стискатися в початковий стан. Ба більше, космос може бути нескінченним, а може бути, якщо пролетіти дуже далеко в одному напрямку, то можна повернутися у вихідну точку. Існують три теорії про форму космосу, яка може бути сферичною, плоскою або гіперболічною (формою "сідла"). Кожна форма має різні геометричні властивості, такі як поведінка паралельних ліній і сума кутів у трикутниках. Астрономи використовували радіотелескопи для отримання зображень Всесвіту після Великого вибуху, і визначили, яку ж форму насправді має космос. Про це розповідає американський фізик Дон Лінкольн для видання Big Think.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

3 ймовірні форми космосу

Уперше ідея про те, що космос, тобто весь простір має форму з'явилася разом із загальною теорією відносності Альберта Ейнштейна. Вчений виявив, що може описати вплив гравітації не як силу між двома астрономічними об'єктами, а скоріше, як викривлення простору і часу. Згідно з теорією Ейнштейна, простір поблизу кожного астрономічного об'єкта викривляється порівняно з тією формою, яка була б без будь-якої матерії поблизу. Біля чорної діри простір викривляється настільки сильно, що може захопити навіть світло, попри те, що фізика стверджує, що світло взагалі не відчуває впливу гравітації. Якщо простір можна викривити, а Всесвіт складається з простору, то яка ж форма Всесвіту?

Уявити кривизну тривимірного простору доволі складно, тому можна замислитися над кривизною двовимірного простору. Існує три теорії про форму космосу:

• плоский простір (уявіть його у вигляді поверхні столу);
• сферичний простір (тобто має форму кулі);
• гіперболічний простір або форма "сідла" (власне ця форма і схожа на гігантське сідло).

Якщо плоский і гіперболічний простори є нескінченними, то сферичний таким не є.

Властивості плоского простору передбачають, що дві паралельні прямі лінії ніколи не перетинаються, а сума кутів трикутника становить 180 градусів. У сферичному просторі паралельні прямі лінії перетинаються, а сума кутів у трикутнику більша за 180 градусів. У гіперболічному просторі дві паралельні лінії розходяться і віддаляються одна від одної ще далі. А сума кутів трикутника в такому просторі становитиме менше 180 градусів.

Визначення форми простору у Всесвіті

Для того, щоб отримати дані про форму космосу, вчені використовували радіотелескопи, щоб отримати зображення Всесвіту незабаром після Великого вибуху. Після виникнення Всесвіту він був заповнений дуже гарячою плазмою, яка була заповнена звуковими хвилями різної довжини хвилі. Там, де плазма була більш щільною, вона була трохи гарячішою і навпаки, регіони з нижчою щільністю були холоднішими. Відстань між гарячими і холодними точками визначалася довжиною звукових хвиль.

За минулі 13,8 млрд років з моменту появи Всесвіту космос розширювався і ставав холоднішим. Ранні зміни температури можна побачити за допомогою чутливих радіотелескопів. Якщо подивитися на найдальше світло, то можна побачити стан Всесвіту незабаром після Великого вибуху.

Довжина хвилі звуку в ранньому Всесвіті визначала відстань між двома сусідніми гарячими точками. Відстань між гарячими точками і Землею визначається швидкістю світла і тим, скільки часу знадобилося світлу, щоб дістатися до нашої планети. Центри двох сусідніх точок і Землі утворюють трикутник. Астрономи використовували геометрію для розрахунку кута між двома сусідніми гарячими точками.

Форма простору може спотворювати трикутники. Якщо простір плоский, то точки мають бути рознесені на 1 градус, якщо простір сферичний, то кут має бути більшим за 1 градус, а якщо простір гіперболічний, то кут має бути меншим за 1 градус.

Яка форма Всесвіту?

Провівши геометричні розрахунки, астрономи дійшли висновку, що Всесвіт плоский, тобто простір у ньому має плоску форму. Це означає, що Всесвіт має нескінченний розмір, який набагато більший, ніж ми можемо побачити.

Але жоден із цих вимірів не є на 100% точним. Таким чином, залишається можливість, що Всесвіт є трохи викривленим, але нинішні технології не дають змоги це побачити. Хоча Всесвіт може бути повністю викривленим і водночас величезним, але ми бачимо лише його невелику частину, яка здається плоскою. Поки що вчені не можуть точно пояснити, чому простір має плоску форму.

Як уже писав Фокус, струмінь плазми з величезної чорної діри кидає виклик існуючим теоріям. Астрономи спостерігали за викривленим релятивістським струменем, який виривається з чорної діри майже зі швидкістю світла.