Забудьте о плоской Земле. Это детская игра.
Настоящая загадка, ломающая голову, заключается не в том, что наша планета шарообразная (это очевидно), а в том, есть ли у всей Вселенной границы или она изогнута, словно крендель. Мы застряли в крошечной точке. Наш взгляд ограничен. И все же космологи клянутся, что определили форму Вселенной.
Они говорят, что она плоская.
Однако слово «плоская» — это ловушка. Оно звучит просто, как лист бумаги. Но в трех измерениях «плоское» может означать поверхности, которые заворачиваются сами в себя, петляют, словно бублик, или вытягиваются в формы, которые человеческий разум с трудом осиливает. Математика здесь скользкая. Новые исследования переворачивают все правила о том, как устроено пространство.
Мы занимаем микроскопический уголок гигантской головоломки. Наши глаза — не тот инструмент, который нужен для ее решения.
Треугольники, не складывающиеся в сумму
Еще в начале XIX века немецкий математик Гаусс понял, что геометрия ведет себя по-разному в зависимости от поверхности. Начертите треугольник на баскетбольном мяче и сложите углы. Их сумма будет больше 180 градусов. Сделайте то же самое на седле или чипсе Pringles — и сумма упадет ниже 180.
Плоская поверхность? Ровно 180.
Говорят, Гаусс измерил три горы в Германии, чтобы понять, какое правило действует в реальности. Сумма углов его треугольника была близка к 180. Так что пространство казалось плоским в таких масштабах.
Но для всей Вселенной это бесполезно.
Пространство слишком велико. Звезды расположены слишком близко друг к другу, чтобы измерить кривизну в космических масштабах. К тому же все движется, а гравитация и так искривляет свет. Триангуляция неба просто не сработает.
Поэтому ученые заглянули еще дальше. Прямо к началу времен.
Первый световой спектакль
Великий взрыв был жарким. И грязным. Кварки и глюоны плавали в супе такой густоты, что свет не мог выйти наружу. Вселенная была непрозрачной.
Затем она расширилась. Охладились. Образовались атомы.
Внезапно свет мог путешествовать свободно. Примерно через 370 000 лет после старта.
Это древнее сияние — реликтовое излучение, или космическое микроволновое фоновое излучение (CMB). Мы видим его сегодня. Оно пугающе равномерно во всех направлениях. Это означает, что материя была распределена равномерно на заре времени. Такая однородность предполагает, что Вселенная подчиняется космологическому принципу: она гомогенна. Она выглядит одинаково везде и во всех направлениях.
Уравнения Эйнштейна говорят: если Вселенная выглядит одинаково везде, ее кривизна должна быть постоянной.
Есть только три варианта:
* Положительная кривизна (сфера)
* Отрицательная кривизна (гиперболическая)
* Отсутствие крывизны (плоская/евклидова)
Какой из них? Проверьте крошечные колебания в фоновом излучении. Эти флуктуации исходят от неоднородностей плотности в ранней плазме. Их размер выдает истину. Положительная кривизна увеличивает их. Отрицательная — уменьшает. Плоская — оставляет без изменений.
Данные указывают на плоскость.
Теоретические предсказания совпадают с наблюдениями.
Дело закрыто?
Совсем нет.
Что же такое «плоское»?
Когда физики говорят «плоское», они обычно имеют в виду отсутствие внутренней кривизны. Они не обязательно имеют в виду бесконечность.
Представьте экран видеоигры. Персонаж покидает левый край и появляется справа. Геометрия плоская. Экран не изогнут. Но он соединен. Это петля.
В двумерном пространстве такая форма — тор, поверхность бублика. Вы можете создать его, взяв лист бумаги, склеив противоположные концы, а затем склеив получившиеся концы между собой.
Существуют и другие способы склеить этот лист. Поверните его. Переверните.
- Цилиндр
- Лента Мёбиуса
- Бутылка Кляйна
Вся эта геометрия — плоская. Все это замкнутые фигуры.
Математик Вернер Новак еще в 1934 году показал, что существует 18 различных плоских трехмерных форм.
Если наша Вселенная плоская, она должна быть одной из этих восемнадцати.
Зеркала и лабиринты
Половина из них — ровно восемь — являются «неориентируемыми». Пролетите через них достаточно долго, и вы вернетесь как свое собственное зеркальное отражение. Ваша правая рука станет левой. Физика ненавидит это. Это нарушает фундаментальные симметрии.
Исключаем их.
Остаются десять возможностей. И они быстро становятся странными.
- Бесконечная пустота (стандартная скучная плоскость).
- Трехмерный тор (куб, у которого склеены противоположные стороны).
- Тор с полуоборотом (поворот на 180 градусов при соединении).
- Четверть-поворот (на 90 градусов).
- Вариации призм (поворот на 120 или 60 градусов).
- Многообразия Гантше-Вентда (два куба, сложенные вместе со сложным совмещением граней).
- Плоскости с бесконечным закручиванием.
- Конструкций типа «дымоход» (параллелограммные стены, склеенные в петли).
- Повернутые «дымоходы».
- Различные вариации закручиваний вышеуказанных форм.
Каждая из них имеет одну и ту же локально плоскую геометрию. Они различаются глобально. В компактных формах свет закручивается по кругу. Если Вселенная — трехмерный тор, свет, покидающий Землю, теоретически может вернуться обратно.
Мы увидим Землю снова.
Проблема в скорости света. Даже в компактной Вселенной пространство может быть огромным. Свет от нашего Солнца, вернувшийся по кругу, прибудет с опозданием в миллионы или миллиарды лет. К тому же он бы не выглядел как Земля. Планета была бы старой, холодной. А то и исчезнувшей.
Кроме того, Вселенная может быть просто больше, чем свет успел преодолеть за все время.
Призраки в микроволновом фоне
Но древний свет — CMB — хранит секреты.
Если пространство компактное и замкнутое, в реликтовом излучении должны быть видны паттерны. Повторы. Идентичные круги. Подпись света, циркулирующего в маленькой топологии.
В 2000-х годах ученые искали эти двойные круги на карте неба. Они не нашли ничего.
Ничего? Или просто недостаточно чувствительности?
Космологи приняли самый простой ответ: бесконечная пустота. Поиск прекратился. Или нам так казалось.
В 2022 году одно исследование изменило сценарий.
Проект COMPACT снова проанализировал отсутствие кругов. Отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия. Компактная Вселенная может скрыть свои повторения, если она достаточно велика или структурирована определенным образом.
Мы еще не исключаем 17 экзотических форм.
Это не просто математический снобизм. Форма пространства-времени уходит корнями в квантовую пену Большого взрыва. Определение топологии может открыть физику первой доли секунды жизни Вселенной.
Или это может означать, что мы летаем в бесконечном туннеле.
Пока трудно сказать. Мы продолжаем смотреть на древний свет. Может быть, мы просто смотрим недостаточно внимательно.
