จักรวาลแบนหมายถึงอะไร จักรวาลแบน - การขยายตัวไม่มีที่สิ้นสุด ความโค้งเป็นศูนย์ ผสมผสานกับธอร์

เมื่อนักดาราศาสตร์และนักฟิสิกส์บอกว่าเอกภพแบน ไม่ได้หมายความว่าเอกภพแบนเหมือนใบไม้ เรากำลังพูดถึงคุณสมบัติของความเรียบสามมิติ - เรขาคณิตแบบยุคลิด (ไม่โค้ง) ในสามมิติ ในทางดาราศาสตร์แบบยุคลิด โลกเป็นแบบเปรียบเทียบที่สะดวกสบายของพื้นที่โดยรอบ สสารในโลกดังกล่าวมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ กล่าวคือ มีสสารจำนวนเท่ากันบรรจุอยู่ในปริมาตรหนึ่งหน่วย และไอโซโทรปิก นั่นคือ การกระจายของสสารจะเท่ากันในทุกทิศทาง นอกจากนี้ สสารไม่ได้วิวัฒนาการที่นั่น (เช่น แหล่งกำเนิดวิทยุไม่ติดไฟและซุปเปอร์โนวาไม่ปะทุ) และอวกาศอธิบายโดยเรขาคณิตที่ง่ายที่สุด โลกนี้เป็นโลกที่สะดวกมากที่จะอธิบาย แต่ไม่ควรอยู่อาศัย เนื่องจากไม่มีวิวัฒนาการอยู่ที่นั่น

เป็นที่ชัดเจนว่าแบบจำลองดังกล่าวไม่สอดคล้องกับข้อเท็จจริงเชิงสังเกต สสารรอบตัวเราถูกกระจายอย่างไม่เป็นเนื้อเดียวกันและแบบแอนไอโซทรอป (บางแห่งมีดาวและดาราจักร แต่บางแห่งไม่มีพวกมัน) การสะสมของสสารจะวิวัฒนาการ (เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา) และพื้นที่ดังที่เราทราบจากทฤษฎีสัมพัทธภาพยืนยันการทดลองที่ยืนยันแล้วว่าเป็นเส้นโค้ง .

ความโค้งในอวกาศ 3 มิติคืออะไร? ในโลกยุคลิด ผลรวมของมุมของสามเหลี่ยมใดๆ คือ 180 องศา ในทุกทิศทางและในทุกปริมาตร ในเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิด - ในพื้นที่โค้ง ผลรวมของมุมของสามเหลี่ยมจะขึ้นอยู่กับความโค้ง ตัวอย่างคลาสสิกสองตัวอย่างคือรูปสามเหลี่ยมบนทรงกลมที่ความโค้งเป็นค่าบวก และรูปสามเหลี่ยมบนพื้นผิวอานม้าที่ส่วนโค้งเป็นลบ ในกรณีแรก ผลรวมของมุมของสามเหลี่ยมจะมากกว่า 180 องศา และในกรณีที่สองจะน้อยกว่า เมื่อเราพูดถึงทรงกลมหรืออานโดยปกติ เราจะนึกถึงพื้นผิวโค้งสองมิติที่ล้อมรอบวัตถุสามมิติ เมื่อเราพูดถึงจักรวาล เราต้องเข้าใจว่าเรากำลังเคลื่อนไปสู่แนวคิดของพื้นที่โค้งสามมิติ - ตัวอย่างเช่น เราไม่ได้พูดถึงพื้นผิวทรงกลมสองมิติอีกต่อไป แต่เกี่ยวกับไฮเปอร์สเฟียร์สามมิติ

เหตุใดเอกภพจึงแบนในความรู้สึกสามมิติ หากอวกาศไม่เพียงแค่โค้งโดยกระจุกดาราจักร กาแล็กซีของเรา และดวงอาทิตย์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงโลกด้วย ในจักรวาลวิทยา จักรวาลถูกมองว่าเป็นวัตถุทั้งหมด และโดยภาพรวมแล้ว มันมีคุณสมบัติบางอย่าง ตัวอย่างเช่น เริ่มจากมาตราส่วนเชิงเส้นขนาดใหญ่มาก (ในที่นี้เราสามารถพิจารณาทั้ง 60 เมกะพาร์เซก [~180 ล้านปีแสง] และ 150 Mpc) สสารในจักรวาลมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอและแบบไอโซโทรปิก ในระดับที่เล็กกว่า มีกระจุกดาราจักรและกระจุกดาราจักรและช่องว่างระหว่างพวกมัน - ช่องว่าง นั่นคือ ความสม่ำเสมอแตกสลาย

เราจะวัดความแบนราบของเอกภพโดยรวมได้อย่างไร หากข้อมูลเกี่ยวกับการกระจายของสสารในกลุ่มถูกจำกัดโดยความไวของกล้องโทรทรรศน์ของเรา จำเป็นต้องสังเกตวัตถุอื่นในช่วงที่แตกต่างกัน สิ่งที่ดีที่สุดที่ธรรมชาติมอบให้เราคือพื้นหลังไมโครเวฟของจักรวาล หรือ ซึ่งแยกออกจากสสาร 380,000 ปีหลังจากบิ๊กแบง มีข้อมูลเกี่ยวกับการกระจายของสสารนี้อย่างแท้จริงจากช่วงเวลาแรกของการดำรงอยู่ของจักรวาล

ความโค้งของจักรวาลสัมพันธ์กับความหนาแน่นวิกฤตเท่ากับ 3H 2 /8πG (โดยที่ H คือค่าคงที่ฮับเบิล, G คือค่าคงตัวโน้มถ่วง) ซึ่งกำหนดรูปร่างของมัน ค่าพารามิเตอร์มีขนาดเล็กมาก - ประมาณ 9.3×10 -27 กก./ม. 3 หรือ 5.5 ไฮโดรเจนอะตอมต่อลูกบาศก์เมตร พารามิเตอร์นี้แยกความแตกต่างของแบบจำลองจักรวาลวิทยาที่ง่ายที่สุดตามสมการฟรีดแมนซึ่งอธิบายว่า: หากความหนาแน่นสูงกว่าค่าวิกฤต พื้นที่นั้นก็จะมีความโค้งเป็นบวกและการขยายตัวของจักรวาลจะถูกแทนที่ด้วยการหดตัวในอนาคต หากต่ำกว่าวิกฤต พื้นที่นั้นจะมีความโค้งเป็นลบและการขยายตัวจะเป็นนิรันดร์ หากความหนาแน่นวิกฤตเท่ากัน การขยายตัวก็จะคงอยู่ชั่วนิรันดร์ด้วยการเปลี่ยนผ่านไปสู่โลกยุคลิดในอนาคตอันไกลโพ้น

พารามิเตอร์ทางจักรวาลวิทยาที่อธิบายความหนาแน่นของจักรวาล (และปัจจัยหลักคือความหนาแน่นของพลังงานมืด ความหนาแน่นของสสารมืดและความหนาแน่นของสสารแบริออน [ที่มองเห็นได้]) แสดงเป็นอัตราส่วนต่อความหนาแน่นวิกฤต จากการวัดรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล ความหนาแน่นสัมพัทธ์ของพลังงานมืดคือ Ω Λ = 0.6879±0.0087 และความหนาแน่นสัมพัทธ์ของสสารทั้งหมด (นั่นคือ ผลรวมของความหนาแน่นของสสารมืดและสสารที่มองเห็นได้) คือ Ω m = 0.3121±0.0087

หากเราสรุปองค์ประกอบพลังงานทั้งหมดของจักรวาล (ความหนาแน่นของพลังงานมืด สสารทั้งหมด รวมถึงความหนาแน่นของรังสีและนิวตริโนที่มีความสำคัญน้อยกว่าในยุคของเรา) เราก็จะได้ความหนาแน่นของพลังงานทั้งหมดซึ่งแสดงเป็น เงื่อนไขอัตราส่วนต่อความหนาแน่นวิกฤตของจักรวาลและแสดงด้วย Ω 0 . หากความหนาแน่นสัมพัทธ์นี้เท่ากับ 1 ความโค้งของจักรวาลจะเท่ากับ 0 ส่วนเบี่ยงเบนของ Ω 0 จากความสามัคคีจะอธิบายความหนาแน่นพลังงานของจักรวาล Ω K ที่เกี่ยวข้องกับความโค้ง โดยการวัดระดับของความไม่เท่าเทียมกัน (ความผันผวน) ของการกระจายของรังสีพื้นหลังที่ระลึก พารามิเตอร์ความหนาแน่นทั้งหมด มูลค่ารวมของพวกมัน และด้วยเหตุนี้ พารามิเตอร์ความโค้งของจักรวาลจึงถูกกำหนด

จากผลการสังเกต โดยพิจารณาเฉพาะข้อมูล CMB (อุณหภูมิ โพลาไรซ์ และเลนส์) พบว่าพารามิเตอร์ความโค้งอยู่ใกล้กับศูนย์มากภายในข้อผิดพลาดเล็กน้อย: Ω K = -0.004±0.015 และคำนึงถึง ข้อมูลเกี่ยวกับการกระจายกระจุกดาราจักรและอัตราการขยายการวัดตามพารามิเตอร์ข้อมูลซูเปอร์โนวาประเภท Ia Ω K = 0.0008±0.0040 นั่นคือจักรวาลแบนด้วยความแม่นยำสูง

ทำไมมันถึงสำคัญ? ความแบนราบของจักรวาลเป็นหนึ่งในตัวชี้วัดหลักของยุคที่เร็วมากที่อธิบายโดยแบบจำลองเงินเฟ้อ ตัวอย่างเช่น ณ เวลาเกิด จักรวาลอาจมีส่วนโค้งที่ใหญ่มาก ในขณะที่ตอนนี้ ตามข้อมูล CMB เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าโลกแบน การขยายตัวของอัตราเงินเฟ้อทำให้มันแบนในทุกพื้นที่ที่สังเกตได้ (แน่นอนว่าสเกลขนาดใหญ่ซึ่งความโค้งของอวกาศโดยดาวและกาแลคซีไม่สำคัญ) เช่นเดียวกับการเพิ่มรัศมีของวงกลมทำให้หลังตรงและมีรัศมีอนันต์ วงกลมดูเหมือนเส้นตรง

ในสมัยโบราณ ผู้คนคิดว่าโลกแบนและยืนอยู่บนปลาวาฬสามตัว ปรากฏว่าเมฆของเราเป็นวงกลม และถ้าคุณแล่นเรือไปทางทิศตะวันตกตลอดเวลา สักพักคุณก็จะกลับมายังจุดเริ่มต้นจาก ทิศตะวันออก. มุมมองของจักรวาลเปลี่ยนไปในลักษณะเดียวกัน ครั้งหนึ่ง นิวตันเชื่อว่าอวกาศนั้นแบนราบและไม่มีที่สิ้นสุด ไอน์สไตน์ปล่อยให้โลกของเราไม่เพียงแต่ไร้ขอบเขตและคดเคี้ยวเท่านั้น แต่ยังปิดอีกด้วย ข้อมูลล่าสุดที่ได้รับในกระบวนการศึกษาการแผ่รังสีพื้นหลังบ่งชี้ว่าจักรวาลอาจถูกปิดด้วยตัวมันเอง ปรากฎว่าถ้าคุณบินจากพื้นโลกตลอดเวลา เมื่อถึงจุดหนึ่ง คุณจะเริ่มเข้าใกล้มันและกลับมาในที่สุด โดยข้ามจักรวาลทั้งหมดและเดินทางรอบโลก เช่นเดียวกับเรือของมาเจลลัน แล่นเรือรอบโลกไปยังท่าเรือซานลูการ์ เด บาร์ราเมดาของสเปน

สมมติฐานที่ว่าจักรวาลของเราถือกำเนิดจากบิกแบงนั้นเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป สสารในตอนแรกนั้นร้อนมาก หนาแน่น และขยายตัวอย่างรวดเร็ว จากนั้นอุณหภูมิของจักรวาลก็ลดลงถึงหลายพันองศา สารในขณะนั้นประกอบด้วยอิเล็กตรอน โปรตอน และอนุภาคแอลฟา (นิวเคลียสฮีเลียม) กล่าวคือ เป็นแก๊สที่แตกตัวเป็นไอออนสูง - พลาสม่า ทึบแสงต่อแสง และคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใดๆ การรวมตัวใหม่ (การเชื่อมต่อ) ของนิวเคลียสและอิเล็กตรอนที่เริ่มขึ้นในเวลานั้นนั่นคือการก่อตัวของอะตอมที่เป็นกลางของไฮโดรเจนและฮีเลียมทำให้คุณสมบัติทางแสงของจักรวาลเปลี่ยนไปอย่างสิ้นเชิง กลายเป็นโปร่งใสต่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าส่วนใหญ่

ดังนั้น จากการศึกษาคลื่นแสงและคลื่นวิทยุ เราสามารถมองเห็นได้เฉพาะสิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากการรวมตัวกันอีกครั้ง และทุกสิ่งที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้จะถูกปิดโดย "กำแพงไฟ" ของสสารที่แตกตัวเป็นไอออน เป็นไปได้ที่จะมองลึกลงไปในประวัติศาสตร์ของจักรวาลได้มากเท่านั้นถ้าเราเรียนรู้วิธีลงทะเบียนนิวตริโนที่ระลึกซึ่งวัตถุร้อนกลายเป็นโปร่งใสก่อนหน้านี้มากและคลื่นความโน้มถ่วงขั้นต้นซึ่งเรื่องความหนาแน่นใด ๆ ไม่ได้เป็นอุปสรรค แต่สิ่งนี้ เป็นเรื่องของอนาคตและห่างไกลจากมันมากที่สุด

นับตั้งแต่การก่อตัวของอะตอมที่เป็นกลาง จักรวาลของเราได้ขยายตัวประมาณ 1,000 เท่า และทุกวันนี้การแผ่รังสีของยุคการรวมตัวใหม่ถูกสังเกตพบบนโลกในฐานะพื้นหลังไมโครเวฟที่ระลึกที่มีอุณหภูมิประมาณสามองศาเคลวิน พื้นหลังนี้ถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1965 เมื่อทำการทดสอบเสาอากาศวิทยุขนาดใหญ่ แทบจะเหมือนกันในทุกทิศทาง ตามข้อมูลสมัยใหม่ มีโฟตอนที่ระลึกมากกว่าอะตอมหลายร้อยล้านเท่า ดังนั้นโลกของเราจึงถูกอาบไปด้วยแสงสีแดงเข้มที่ปล่อยออกมาในช่วงนาทีแรกของชีวิตในจักรวาล

โทโพโลยีอวกาศแบบคลาสสิก

บนตาชั่งที่มีขนาดใหญ่กว่า 100 เมกะพาร์เซก ส่วนของจักรวาลที่เราเห็นนั้นค่อนข้างจะเหมือนกัน กระจุกของสสารหนาแน่นทั้งหมด - กาแล็กซี กระจุก และกระจุกของพวกมัน - ถูกสังเกตได้ในระยะทางที่สั้นกว่าเท่านั้น นอกจากนี้จักรวาลยังเป็นไอโซโทรปิกนั่นคือคุณสมบัติของมันเหมือนกันในทุกทิศทาง ข้อเท็จจริงจากการทดลองเหล่านี้รองรับแบบจำลองจักรวาลวิทยาแบบคลาสสิกทั้งหมดที่ถือว่าสมมาตรทรงกลมและความเป็นเนื้อเดียวกันเชิงพื้นที่ของการกระจายสสาร

คำตอบของจักรวาลวิทยาแบบคลาสสิกของสมการสัมพัทธภาพทั่วไป (GR) ของไอน์สไตน์ ซึ่งถูกค้นพบในปี 1922 โดย Alexander Friedman มีโทโพโลยีที่ง่ายที่สุด ส่วนเชิงพื้นที่ของพวกมันคล้ายกับระนาบ (สำหรับคำตอบอนันต์) หรือทรงกลม (สำหรับโซลูชั่นที่มีขอบเขต) แต่ปรากฎว่าจักรวาลดังกล่าวมีทางเลือกอื่น: จักรวาลที่ไม่มีขอบและขอบเขต จักรวาลที่มีปริมาตร จำกัด ปิดตัวมันเอง

วิธีแก้ปัญหาแรกที่พบโดยฟรีดแมนอธิบายจักรวาลที่เต็มไปด้วยสสารเพียงประเภทเดียว ภาพที่แตกต่างกันเกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างในความหนาแน่นเฉลี่ยของสสาร: ถ้ามันเกินระดับวิกฤต จักรวาลปิดที่มีความโค้งเชิงพื้นที่เป็นบวก มิติจำกัด และอายุขัย การขยายตัวค่อย ๆ ช้าลง หยุด และถูกแทนที่ด้วยการหดตัวถึงจุดหนึ่ง เอกภพที่มีความหนาแน่นต่ำกว่าจุดวิกฤตมีความโค้งเป็นลบและขยายตัวอย่างไม่สิ้นสุด อัตราเงินเฟ้อมีแนวโน้มเป็นค่าคงที่ รุ่นนี้เรียกว่าเปิด จักรวาลที่แบนราบซึ่งเป็นเคสระดับกลางที่มีความหนาแน่นเท่ากับเอกภพวิกฤตนั้นไม่มีที่สิ้นสุดและส่วนเชิงพื้นที่ในทันทีของมันคือพื้นที่แบบยุคลิดที่แบนราบโดยมีความโค้งเป็นศูนย์ แบนราบเช่นเดียวกับที่เปิดกว้างขยายไปเรื่อย ๆ แต่อัตราการขยายมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์ ต่อมามีการประดิษฐ์แบบจำลองที่ซับซ้อนมากขึ้นซึ่งจักรวาลที่เป็นเนื้อเดียวกันและไอโซโทรปิกนั้นเต็มไปด้วยสสารหลายองค์ประกอบที่เปลี่ยนแปลงไปตามกาลเวลา

การสังเกตสมัยใหม่แสดงให้เห็นว่าจักรวาลกำลังขยายตัวด้วยความเร่ง (ดู "Beyond the Universe's Event Horizon", No. 3, 2006) พฤติกรรมดังกล่าวเป็นไปได้หากพื้นที่เต็มไปด้วยสารบางอย่าง (มักเรียกว่าพลังงานมืด) ที่มีแรงดันลบสูงใกล้กับความหนาแน่นของพลังงานของสารนี้ คุณสมบัติของพลังงานมืดนี้ทำให้เกิดการต่อต้านแรงโน้มถ่วงซึ่งเอาชนะพลังที่น่าดึงดูดใจของสสารธรรมดาในวงกว้าง อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เป็นผู้เสนอแบบจำลองดังกล่าวเป็นครั้งแรก (ด้วยคำที่เรียกว่าแลมบ์ดา)

โหมดพิเศษของการขยายตัวของจักรวาลเกิดขึ้นหากแรงกดดันของเรื่องนี้ไม่คงที่ แต่เพิ่มขึ้นตามเวลา ในกรณีนี้ ขนาดที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจนจักรวาลกลายเป็นอนันต์ในระยะเวลาจำกัด การพองตัวของมิติเชิงพื้นที่อย่างรวดเร็วเช่นนี้ ควบคู่ไปกับการทำลายวัตถุทางวัตถุทั้งหมด ตั้งแต่ดาราจักรไปจนถึงอนุภาคมูลฐาน เรียกว่าบิ๊กริป

แบบจำลองทั้งหมดเหล่านี้ไม่ถือว่าคุณสมบัติทอพอโลยีพิเศษของจักรวาลและแสดงคล้ายกับพื้นที่ปกติของเรา ภาพนี้สอดคล้องกับข้อมูลที่นักดาราศาสตร์ได้รับด้วยความช่วยเหลือของกล้องโทรทรรศน์ที่บันทึกรังสีอินฟราเรด ที่มองเห็นได้ รังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีเอกซ์ และมีเพียงข้อมูลของการสังเกตการณ์ทางวิทยุ ซึ่งก็คือการศึกษาอย่างละเอียดเกี่ยวกับภูมิหลังที่หลงเหลืออยู่ ทำให้นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าโลกของเราถูกจัดเรียงอย่างตรงไปตรงมา

นักวิทยาศาสตร์จะไม่สามารถมองข้าม "กำแพงไฟ" ที่แยกเราออกจากเหตุการณ์ในช่วงพันปีแรกของชีวิตในจักรวาลของเราได้ แต่ด้วยความช่วยเหลือของห้องปฏิบัติการที่ปล่อยสู่อวกาศ ทุกปีเราได้เรียนรู้มากขึ้นเรื่อยๆ เกี่ยวกับสิ่งที่เกิดขึ้นหลังจากการเปลี่ยนแปลงของพลาสมาร้อนเป็นก๊าซอุ่น

เครื่องรับวิทยุออร์บิทัล

ผลลัพธ์แรกที่ได้รับจากหอดูดาวอวกาศ WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) ซึ่งวัดพลังของการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิก ได้รับการตีพิมพ์ในเดือนมกราคม พ.ศ. 2546 และมีข้อมูลที่รอคอยมานานมากจนความเข้าใจยังไม่เสร็จสมบูรณ์แม้ในปัจจุบัน โดยปกติ ฟิสิกส์ใช้เพื่ออธิบายข้อมูลจักรวาลวิทยาใหม่: สมการของสถานะของสสาร กฎของการขยายตัว และสเปกตรัมของการรบกวนเบื้องต้น แต่คราวนี้ ธรรมชาติของความไม่เท่าเทียมกันเชิงมุมที่ตรวจพบของรังสีจำเป็นต้องมีคำอธิบายที่ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง นั่นคือคำอธิบายทางเรขาคณิต แม่นยำยิ่งขึ้น - ทอพอโลยี

วัตถุประสงค์หลักของ WMAP คือการสร้างแผนที่โดยละเอียดของอุณหภูมิของพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาล (หรือที่เรียกว่าพื้นหลังไมโครเวฟ) WMAP เป็นเครื่องรับวิทยุที่มีความไวสูงซึ่งลงทะเบียนสัญญาณที่มาจากจุดสองจุดตรงข้ามกันเกือบเป็นเส้นทแยงมุมบนท้องฟ้าพร้อมกัน หอดูดาวเปิดตัวในเดือนมิถุนายน 2544 ในวงโคจรที่สงบและ "เงียบ" โดยเฉพาะ ซึ่งตั้งอยู่ที่จุดที่เรียกว่า Lagrangian point L2 ห่างจากโลกหนึ่งล้านครึ่ง จริงๆ แล้วดาวเทียมขนาด 840 กก. นี้โคจรรอบดวงอาทิตย์ แต่เนื่องจากการทำงานร่วมกันของสนามโน้มถ่วงของโลกและดวงอาทิตย์ ระยะเวลาของการปฏิวัติคือหนึ่งปีพอดี และไม่ได้บินจากโลกไปทุกที่ ดาวเทียมถูกปล่อยสู่วงโคจรที่ห่างไกลเช่นนี้ เพื่อที่ว่าการรบกวนจากกิจกรรมที่มนุษย์สร้างขึ้นบนบกจะไม่รบกวนการรับสัญญาณวิทยุที่ถูกปล่อยทิ้งไว้

จากข้อมูลที่ได้รับจากหอดูดาววิทยุในอวกาศ เป็นไปได้ที่จะกำหนดพารามิเตอร์ทางจักรวาลวิทยาจำนวนมากด้วยความแม่นยำที่ไม่เคยมีมาก่อน ประการแรก อัตราส่วนของความหนาแน่นรวมของจักรวาลต่อจุดวิกฤตคือ 1.02 ± 0.02 (นั่นคือจักรวาลของเราแบนหรือปิดด้วยความโค้งที่เล็กมาก) ประการที่สอง ค่าคงที่ฮับเบิลซึ่งแสดงถึงการขยายตัวของโลกของเราในขนาดใหญ่ คือ 72±2 km/s/Mpc ประการที่สาม อายุของจักรวาลคือ 13.4 ± 0.3 พันล้านปี และการเปลี่ยนสีแดงที่สอดคล้องกับเวลาการรวมตัวใหม่คือ 1088 ± 2 (นี่เป็นค่าเฉลี่ย ความหนาของขอบเขตการรวมตัวใหม่นั้นมากกว่าข้อผิดพลาดที่ระบุมาก) ผลลัพธ์ที่น่าตื่นเต้นที่สุดสำหรับนักทฤษฎีคือสเปกตรัมเชิงมุมของการรบกวนการแผ่รังสีที่ระลึก ให้แม่นยำกว่านั้น ค่าที่น้อยเกินไปของฮาร์โมนิกที่สองและสาม

สเปกตรัมดังกล่าวสร้างขึ้นโดยแสดงแผนที่อุณหภูมิเป็นผลรวมของฮาร์โมนิกทรงกลมต่างๆ (มัลติโพล) ในกรณีนี้ ส่วนประกอบที่แปรผันได้จะแตกต่างจากภาพทั่วไปของการก่อกวนที่พอดีกับทรงกลมเป็นจำนวนเต็มจำนวนครั้ง: สี่เท่า - 2 ครั้ง, ออคทูโพล - 3 ครั้ง เป็นต้น ยิ่งจำนวนฮาร์โมนิกทรงกลมสูงเท่าใด การสั่นของพื้นหลังที่มีความถี่สูงก็จะยิ่งอธิบาย และขนาดเชิงมุมของ "จุด" ที่สอดคล้องกันก็จะยิ่งเล็กลง ในทางทฤษฎี จำนวนฮาร์โมนิกทรงกลมนั้นไม่มีที่สิ้นสุด แต่สำหรับแผนที่การสังเกตจริงนั้น จะถูกจำกัดด้วยความละเอียดเชิงมุมที่ใช้ในการสังเกตการณ์

สำหรับการวัดฮาร์โมนิกทรงกลมทั้งหมดอย่างถูกต้อง จำเป็นต้องมีแผนที่ของทรงกลมท้องฟ้าทั้งหมด และ WMAP จะได้รับเวอร์ชันที่ผ่านการตรวจสอบภายในหนึ่งปี แผนที่แรกที่ไม่มีรายละเอียดมากนักได้รับในปี 1992 ในการทดลอง Relic และ COBE (Cosmic Background Explorer)

เบเกิลดูเหมือนถ้วยกาแฟอย่างไร?
มีสาขาหนึ่งของคณิตศาสตร์ - โทโพโลยีซึ่งสำรวจคุณสมบัติของวัตถุที่ได้รับการเก็บรักษาไว้ภายใต้การเสียรูปโดยไม่มีช่องว่างและการติดกาว ลองนึกภาพว่าตัวเรขาคณิตที่เราสนใจนั้นยืดหยุ่นและเปลี่ยนรูปได้ง่าย ในกรณีนี้ ตัวอย่างเช่น ลูกบาศก์หรือปิรามิดสามารถเปลี่ยนเป็นทรงกลมหรือขวดได้อย่างง่ายดาย ทอรัส (“โดนัท”) เป็นถ้วยกาแฟที่มีด้ามจับ แต่จะไม่สามารถเปลี่ยนทรงกลมเป็น ถ้วยพร้อมที่จับถ้าคุณไม่ฉีกและทากาวที่ตัวเครื่องที่เปลี่ยนรูปได้ง่าย เพื่อที่จะแบ่งทรงกลมออกเป็นสองชิ้นที่ไม่เชื่อมต่อกัน การทำการตัดแบบปิดหนึ่งชิ้นก็เพียงพอแล้ว และทำเช่นเดียวกันกับทอรัส คุณสามารถตัดได้เพียงสองครั้งเท่านั้น นักโทโพโลยีชอบสิ่งก่อสร้างที่แปลกใหม่ทุกประเภท เช่น พรูแบน ทรงกลมมีเขา หรือขวดไคลน์ ซึ่งสามารถอธิบายได้อย่างถูกต้องในพื้นที่ที่มีมิติมากเป็นสองเท่า ดังนั้นจักรวาลสามมิติของเราซึ่งปิดด้วยตัวมันเองสามารถจินตนาการได้โดยง่ายโดยอาศัยอยู่ในพื้นที่หกมิติเท่านั้น นักโทโพโลยีของจักรวาลยังไม่ล่วงล้ำถึงเวลา ปล่อยให้มันมีโอกาสที่จะไหลเป็นเส้นตรงโดยไม่ต้องล็อคสิ่งใดๆ ดังนั้นความสามารถในการทำงานในพื้นที่เจ็ดมิติในปัจจุบันก็เพียงพอแล้วที่จะเข้าใจว่าจักรวาลสิบสองหน้าของเรานั้นซับซ้อนเพียงใด

แผนที่อุณหภูมิ CMB ขั้นสุดท้ายอิงจากการวิเคราะห์แผนที่ที่แสดงความเข้มของการปล่อยคลื่นวิทยุในช่วงความถี่ที่แตกต่างกันห้าช่วง

การตัดสินใจที่ไม่คาดคิด

สำหรับฮาร์โมนิกทรงกลมส่วนใหญ่ ข้อมูลการทดลองที่ได้รับจะใกล้เคียงกับการคำนวณแบบจำลอง มีเพียงสองฮาร์โมนิก ควอดรูโพล และออคทูโพล ปรากฏว่าต่ำกว่าระดับที่นักทฤษฎีคาดไว้อย่างชัดเจน นอกจากนี้ ความน่าจะเป็นที่การเบี่ยงเบนขนาดใหญ่ดังกล่าวอาจเกิดขึ้นโดยบังเอิญมีน้อยมาก การปราบปรามของควอดรูโพลและออคทูโพลได้รับการบันทึกไว้แล้วในข้อมูล COBE อย่างไรก็ตาม แผนที่ที่ได้รับในปีนั้นมีความละเอียดต่ำและมีสัญญาณรบกวนมาก ดังนั้นการอภิปรายในประเด็นนี้จึงถูกเลื่อนออกไปจนกว่าจะถึงเวลาที่ดีขึ้น ด้วยเหตุผลใด แอมพลิจูดของความผันผวนขนาดใหญ่ที่สุดสองครั้งในความเข้มของพื้นหลังไมโครเวฟในจักรวาลกลับกลายเป็นว่ามีขนาดเล็กมาก ในตอนแรกมันก็เข้าใจยากโดยสิ้นเชิง ยังไม่มีความเป็นไปได้ที่จะสร้างกลไกทางกายภาพสำหรับการปราบปรามของมัน เพราะมันจะต้องทำงานในระดับของจักรวาลที่สังเกตได้ทั้งหมด ทำให้มันมีความเป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้น และในขณะเดียวกันก็หยุดทำงานในระดับที่เล็กกว่า ปล่อยให้มันผันผวน แข็งแกร่งขึ้น นี่อาจเป็นสาเหตุที่พวกเขาเริ่มมองหาทางเลือกอื่นและพบคำตอบเชิงทอพอโลยีสำหรับคำถามที่เกิดขึ้น การแก้ปัญหาทางคณิตศาสตร์ของปัญหาทางกายภาพนั้นดูสง่างามและคาดไม่ถึงอย่างน่าประหลาดใจ: ก็เพียงพอแล้วที่จะสรุปว่าจักรวาลเป็นสิบสองหน้าปิดด้วยตัวมันเอง จากนั้นการปราบปรามของฮาร์โมนิกความถี่ต่ำสามารถอธิบายได้ด้วยการปรับความถี่สูงเชิงพื้นที่ของการแผ่รังสีพื้นหลัง ผลกระทบนี้เกิดจากการสังเกตซ้ำๆ ของบริเวณเดียวกันของพลาสมารีคอมบิมมิ่งผ่านส่วนต่างๆ ของสเปซ dodecahedral แบบปิด ปรากฎว่าฮาร์โมนิกต่ำดับตัวเองเนื่องจากการผ่านสัญญาณวิทยุผ่านแง่มุมต่าง ๆ ของจักรวาล ในแบบจำลองทอพอโลยีของโลก เหตุการณ์ที่เกิดขึ้นใกล้กับใบหน้าด้านหนึ่งของสิบสองหน้ากลับกลายเป็นว่าอยู่ใกล้และอยู่ตรงข้ามกัน เนื่องจากภูมิภาคเหล่านี้เหมือนกันและในความเป็นจริงเป็นส่วนเดียวกันของจักรวาล ด้วยเหตุนี้ แสงรีลิคที่มายังโลกจากด้านตรงข้ามที่เป็นเส้นทแยงมุมจึงถูกปล่อยออกมาจากบริเวณเดียวกันของพลาสมาปฐมภูมิ เหตุการณ์นี้นำไปสู่การปราบปรามฮาร์โมนิกที่ต่ำกว่าของสเปกตรัม CMB แม้ในจักรวาลที่มีขนาดใหญ่กว่าขอบฟ้าของเหตุการณ์ที่มองเห็นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

แผนที่ Anisotropy
ควอดรูโพลที่กล่าวถึงในบทความไม่ใช่ฮาร์โมนิกทรงกลมต่ำสุด นอกจากนั้น ยังมีโมโนโพล (ฮาร์โมนิกศูนย์) และไดโพล (ฮาร์มอนิกแรก) ขนาดของโมโนโพลถูกกำหนดโดยอุณหภูมิเฉลี่ยของรังสีพื้นหลัง ซึ่งวันนี้คือ 2.728 เค หลังจากลบมันออกจากพื้นหลังทั่วไป ส่วนประกอบไดโพลจะกลายเป็นที่ใหญ่ที่สุด โดยแสดงว่าอุณหภูมิในซีกโลกหนึ่งมีเท่าใด ของพื้นที่รอบตัวเรานั้นสูงกว่าที่อื่น การมีอยู่ขององค์ประกอบนี้ส่วนใหญ่เกิดจากการเคลื่อนที่ของโลกและทางช้างเผือกที่สัมพันธ์กับ CMB เนื่องจากเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ อุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นในทิศทางของการเคลื่อนไหวและลดลงในทิศทางตรงกันข้าม สถานการณ์นี้จะทำให้สามารถกำหนดความเร็วของวัตถุใดๆ ที่เกี่ยวกับ CMB ได้ และด้วยเหตุนี้จึงแนะนำระบบพิกัดสัมบูรณ์ที่รอคอยมานาน ซึ่งอยู่ภายในพื้นที่ที่เหลือเมื่อเทียบกับจักรวาลทั้งหมด

ค่าของไดโพลแอนไอโซโทรปีที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของโลกคือ 3.353*10-3 K ซึ่งสอดคล้องกับการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์ที่สัมพันธ์กับการแผ่รังสีพื้นหลังที่ความเร็วประมาณ 400 กม./วินาที ในเวลาเดียวกัน เรา "บิน" ไปยังชายแดนของกลุ่มดาวลีโอและชาลิซ และ "บินหนีไป" จากกลุ่มดาวราศีกุมภ์ ดาราจักรของเราร่วมกับกลุ่มดาราจักรในท้องถิ่นที่มันอยู่นั้นเคลื่อนที่สัมพันธ์กับวัตถุโบราณด้วยความเร็วประมาณ 600 กม./วินาที

การรบกวนอื่นๆ ทั้งหมด (เริ่มต้นด้วยรูปสี่เหลี่ยมและด้านบน) บนแผนที่พื้นหลังเกิดจากความไม่สอดคล้องกันในความหนาแน่น อุณหภูมิ และความเร็วของสสารที่ขอบเขตการรวมตัวอีกครั้ง เช่นเดียวกับการปล่อยคลื่นวิทยุจากดาราจักรของเรา หลังจากลบองค์ประกอบไดโพล แอมพลิจูดรวมของการเบี่ยงเบนอื่น ๆ ทั้งหมดจะกลายเป็นเพียง 18 * 10-6 เค ไม่รวมการแผ่รังสีของทางช้างเผือกเอง (ส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในระนาบของเส้นศูนย์สูตรของกาแลคซี) การสังเกตของไมโครเวฟ พื้นหลังดำเนินการในห้าย่านความถี่ในช่วงตั้งแต่ 22.8 GHz ถึง 93 .5 GHz

ผสมผสานกับธอร์

ร่างกายที่ง่ายที่สุดที่มีโทโพโลยีซับซ้อนกว่าทรงกลมหรือระนาบคือพรู ใครก็ตามที่ถือโดนัทไว้ในมือสามารถจินตนาการได้ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่ถูกต้องมากขึ้นอีกรูปแบบหนึ่งของพรูแบนนั้นแสดงให้เห็นโดยหน้าจอของเกมคอมพิวเตอร์บางเกม: เป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสหรือสี่เหลี่ยมผืนผ้า ด้านตรงข้ามถูกระบุ และหากวัตถุที่เคลื่อนที่ตกลงไป วัตถุนั้นจะปรากฏขึ้นจากด้านบน เมื่อข้ามขอบด้านซ้ายของหน้าจอ จะปรากฏจากด้านหลังด้านขวา และในทางกลับกัน พรูดังกล่าวเป็นตัวอย่างที่ง่ายที่สุดของโลกที่มีโทโพโลยีที่ไม่สำคัญซึ่งมีปริมาณจำกัดและไม่มีขอบเขต

ในพื้นที่สามมิติ ขั้นตอนที่คล้ายกันสามารถทำได้ด้วยลูกบาศก์ หากคุณระบุใบหน้าที่ตรงกันข้ามจะเกิดพรูสามมิติขึ้น หากคุณมองเข้าไปในลูกบาศก์ในพื้นที่โดยรอบ คุณจะเห็นโลกที่ไม่มีที่สิ้นสุดซึ่งประกอบด้วยสำเนาของส่วนเดียวและไม่เหมือนใคร (ไม่ซ้ำ) ของมัน ซึ่งมีปริมาตรค่อนข้างจำกัด ในโลกนี้ไม่มีขอบเขต แต่มีทิศทางที่เลือกไว้สามทิศทางขนานกับขอบของลูกบาศก์ดั้งเดิม ซึ่งจะสังเกตแถวเป็นระยะของวัตถุดั้งเดิม ภาพนี้คล้ายกับสิ่งที่สามารถเห็นได้ภายในลูกบาศก์ที่มีผนังกระจกมาก จริงอยู่ เมื่อมองดูแง่มุมใด ๆ ของมัน ผู้ที่อาศัยอยู่ในโลกนั้นจะเห็นศีรษะของเขา ไม่ใช่ใบหน้าของเขา เหมือนกับในห้องแห่งเสียงหัวเราะทางโลก โมเดลที่ถูกต้องมากขึ้นจะเป็นห้องที่มีกล้องโทรทัศน์ 6 ตัวและจอ LCD แบบแบน 6 จอ ซึ่งแสดงภาพที่ถ่ายโดยกล้องฟิล์มที่อยู่ตรงข้าม ในโมเดลนี้ โลกที่มองเห็นได้ปิดตัวเองลงเนื่องจากการออกไปสู่อีกมิติหนึ่งของโทรทัศน์

รูปภาพของการปราบปรามฮาร์โมนิกความถี่ต่ำที่อธิบายข้างต้นนั้นถูกต้องหากเวลาที่แสงข้ามปริมาตรเริ่มต้นมีขนาดเล็กเพียงพอ นั่นคือ ถ้าขนาดของวัตถุเริ่มต้นมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับมาตราส่วนจักรวาลวิทยา หากขนาดของส่วนของเอกภพที่สามารถสังเกตการณ์ได้ (ขอบฟ้าที่เรียกว่าจักรวาล) มีขนาดเล็กกว่ามิติของปริมาตรโทโพโลยีเริ่มต้น สถานการณ์ก็จะไม่แตกต่างไปจากที่เราเห็น จักรวาล Einsteinian ที่ไม่มีที่สิ้นสุดตามปกติและจะไม่มีการสังเกตความผิดปกติในสเปกตรัม CMB

มาตราส่วนเชิงพื้นที่สูงสุดที่เป็นไปได้ในโลกลูกบาศก์นั้นพิจารณาจากขนาดของวัตถุดั้งเดิม - ระยะห่างระหว่างวัตถุสองชิ้นต้องไม่เกินครึ่งหนึ่งของเส้นทแยงมุมหลักของลูกบาศก์ดั้งเดิม แสงที่ส่องมายังเราจากขอบของการรวมตัวใหม่สามารถข้ามลูกบาศก์เดิมได้หลายครั้งตลอดทาง ราวกับว่าสะท้อนแสงในผนังกระจกของมัน ด้วยเหตุนี้ โครงสร้างเชิงมุมของรังสีจึงบิดเบี้ยวและการผันผวนของความถี่ต่ำกลายเป็นความถี่สูง ผลที่ได้คือ ยิ่งปริมาตรเริ่มต้นน้อยเท่าใด การปราบปรามการผันผวนเชิงมุมขนาดใหญ่ต่ำสุดที่ต่ำที่สุดก็ยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าโดยการศึกษาภูมิหลังของวัตถุโบราณ เราสามารถประเมินขนาดของจักรวาลของเราได้

โมเสค 3 มิติ

จักรวาลสามมิติที่ซับซ้อนเชิงทอพอโลยีแบนราบสามารถสร้างขึ้นได้บนพื้นฐานของลูกบาศก์ สี่เหลี่ยมด้านขนาน และปริซึมหกเหลี่ยม ในกรณีของพื้นที่โค้ง ประเภทของตัวเลขที่กว้างกว่าจะมีคุณสมบัติดังกล่าว ในกรณีนี้ สเปกตรัมเชิงมุมที่ได้จากการทดลอง WMAP นั้นสอดคล้องกับแบบจำลอง dodecahedral ของจักรวาลมากที่สุด รูปทรงหลายเหลี่ยมปกติซึ่งมี 12 หน้าห้าเหลี่ยม คล้ายกับลูกฟุตบอลที่เย็บจากแผ่นห้าเหลี่ยม ปรากฎว่าในพื้นที่ที่มีความโค้งเป็นบวกเล็กน้อย สิบสองหน้าปกติสามารถเติมพื้นที่ทั้งหมดโดยไม่มีรูและทางแยกร่วมกัน ด้วยอัตราส่วนที่แน่นอนระหว่างขนาดของ dodecahedron และความโค้ง จำเป็นต้องมี 120 dodecahedrons ทรงกลมสำหรับสิ่งนี้ นอกจากนี้ โครงสร้างที่ซับซ้อนนี้ของ "ลูกบอล" หลายร้อยลูกยังสามารถลดลงเป็นโครงสร้างที่เทียบเท่าโทโพโลยี ซึ่งประกอบด้วยสิบสองหน้าเพียงอันเดียว ซึ่งระบุใบหน้าด้านตรงข้ามที่หมุน 180 องศา

เอกภพที่เกิดจากรูปทรงสิบสองเหลี่ยมดังกล่าวมีคุณสมบัติที่น่าสนใจหลายประการ: ไม่มีทิศทางที่ต้องการ และดีกว่าแบบจำลองอื่นๆ ส่วนใหญ่ที่อธิบายขนาดของฮาร์โมนิกเชิงมุมต่ำสุดของ CMB ภาพดังกล่าวเกิดขึ้นเฉพาะในโลกปิดที่มีอัตราส่วนความหนาแน่นที่แท้จริงของสสารต่อค่าวิกฤตที่ 1.013 ซึ่งอยู่ในช่วงของค่าที่อนุญาตจากการสังเกตในปัจจุบัน (1.02 ± 0.02)

สำหรับผู้อยู่อาศัยธรรมดาของโลก ความซับซ้อนเชิงทอพอโลยีทั้งหมดเหล่านี้ในแวบแรกไม่มีความหมายมากนัก แต่สำหรับนักฟิสิกส์และนักปรัชญา ต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ทั้งสำหรับโลกทัศน์โดยรวมและสำหรับทฤษฎีเอกภาพซึ่งอธิบายโครงสร้างของโลกของเรา สมมติฐานนี้น่าสนใจอย่างยิ่ง ดังนั้น เมื่อค้นพบความผิดปกติในสเปกตรัมของวัตถุโบราณ นักวิทยาศาสตร์จึงเริ่มมองหาข้อเท็จจริงอื่นๆ ที่สามารถยืนยันหรือหักล้างทฤษฎีทอพอโลยีที่เสนอได้

ทำให้เกิดเสียงพลาสม่า
บนสเปกตรัมผันผวนของ CMB เส้นสีแดงแสดงถึงการคาดคะเนของแบบจำลองทางทฤษฎี ทางเดินสีเทารอบๆ เป็นค่าเบี่ยงเบนที่อนุญาต และจุดสีดำเป็นผลมาจากการสังเกต ข้อมูลส่วนใหญ่ได้มาจากการทดลอง WMAP และสำหรับฮาร์โมนิกที่สูงที่สุดเท่านั้น จะเพิ่มผลของการศึกษา CBI (บอลลูน) และ ACBAR (พื้นแอนตาร์กติก) บนพล็อตที่ทำให้เป็นมาตรฐานของสเปกตรัมเชิงมุมของการผันผวนของรังสีที่ระลึก จะเห็นค่าสูงสุดหลายประการ สิ่งเหล่านี้เรียกว่า "พีคอะคูสติก" หรือ "การสั่นของซาคารอฟ" การดำรงอยู่ของพวกเขาถูกทำนายตามทฤษฎีโดย Andrei Sakharov ยอดเขาเหล่านี้เกิดจากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์และเกิดจากการเคลื่อนไหวของพลาสมาในขณะที่รวมตัวกันอีกครั้ง แอมพลิจูดสูงสุดของการแกว่งขึ้นอยู่กับขนาดของบริเวณที่เกี่ยวข้องกัน (ขอบฟ้าเสียง) ในขณะที่การรวมตัวใหม่ ในสเกลที่เล็กกว่า การสั่นของพลาสมาถูกทำให้อ่อนลงโดยความหนืดของโฟตอน ในขณะที่สเกลขนาดใหญ่ การรบกวนนั้นไม่ขึ้นกับแต่ละอื่น ๆ และไม่อยู่ในเฟส ดังนั้นความผันผวนสูงสุดที่สังเกตได้ในยุคสมัยใหม่จึงลดลงในมุมที่มองเห็นเส้นขอบฟ้าของเสียงในปัจจุบัน นั่นคือบริเวณของพลาสมาปฐมภูมิที่มีชีวิตโสดในช่วงเวลาของการรวมตัวกันใหม่ ตำแหน่งที่แน่นอนของค่าสูงสุดขึ้นอยู่กับอัตราส่วนของความหนาแน่นรวมของจักรวาลต่อจุดวิกฤต การสังเกตแสดงให้เห็นว่ายอดเขาแรกและสูงสุดตั้งอยู่ที่ระดับฮาร์มอนิกที่ 200 ซึ่งตามทฤษฎีแล้วสอดคล้องกับเอกภพแบบยุคลิดแบนราบที่มีความแม่นยำสูง

ข้อมูลจำนวนมากเกี่ยวกับพารามิเตอร์ทางจักรวาลวิทยามีอยู่ในพีคอะคูสติกที่สองและต่อมา การมีอยู่จริงของพวกมันสะท้อนถึงความเป็นจริงของ "การค่อยเป็นค่อยไป" ของการสั่นของเสียงในพลาสมาในยุคของการรวมตัวกันใหม่ หากไม่มีการเชื่อมต่อดังกล่าว จะสังเกตได้เฉพาะจุดยอดแรกเท่านั้น และความผันผวนในระดับที่เล็กกว่าทั้งหมดก็มีแนวโน้มเท่าเทียมกัน แต่เพื่อให้ความสัมพันธ์เชิงสาเหตุของความผันผวนในระดับต่างๆ เกิดขึ้น ภูมิภาคเหล่านี้ (ห่างไกลจากกันมาก) จะต้องสามารถโต้ตอบซึ่งกันและกันได้ สถานการณ์นี้เกิดขึ้นตามธรรมชาติในแบบจำลองจักรวาลที่พองตัว และการตรวจจับอย่างมั่นใจของพีคที่สองและที่ตามมาในสเปกตรัมเชิงมุมของความผันผวนของ CMB ถือเป็นการยืนยันที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งของสถานการณ์นี้

มีการสังเกตการแผ่รังสีซ้ำในบริเวณที่ใกล้กับสเปกตรัมความร้อนสูงสุด สำหรับอุณหภูมิ 3K จะมีความยาวคลื่นวิทยุ 1 มม. WMAP ทำการสังเกตการณ์ด้วยความยาวคลื่นที่ยาวกว่าเล็กน้อย: จาก 3 มม. ถึง 1.5 ซม. ช่วงนี้ค่อนข้างใกล้กับค่าสูงสุด และมีสัญญาณรบกวนต่ำกว่าดาวในกาแล็กซีของเรา

โลกหลายแง่มุม

ในแบบจำลอง dodecahedral ขอบฟ้าเหตุการณ์และขอบเขตการรวมตัวใหม่ซึ่งอยู่ใกล้กันมากจะตัดกันทั้ง 12 หน้าของ dodecahedron จุดตัดของขอบเขตการรวมตัวใหม่และรูปทรงหลายเหลี่ยมดั้งเดิมก่อให้เกิดวงกลม 6 คู่บนแผนที่ไมโครเวฟพื้นหลังซึ่งอยู่ที่จุดตรงข้ามของทรงกลมท้องฟ้า เส้นผ่านศูนย์กลางเชิงมุมของวงกลมเหล่านี้คือ 70 องศา วงกลมเหล่านี้อยู่บนใบหน้าตรงข้ามของสิบสองหน้าเดิม กล่าวคือ พวกมันตรงกันทางเรขาคณิตและทางกายภาพ เป็นผลให้การกระจายความผันผวนของ CMB ตามวงกลมแต่ละคู่ควรตรงกัน (โดยคำนึงถึงการหมุน 180 องศา) จากข้อมูลที่มีอยู่ ยังไม่พบแวดวงดังกล่าว

แต่ปรากฏการณ์นี้กลับกลายเป็นว่าซับซ้อนกว่า วงกลมจะเหมือนกันและสมมาตรสำหรับผู้สังเกตที่อยู่นิ่งกับพื้นหลังเท่านั้น ในทางกลับกัน โลกเคลื่อนที่สัมพันธ์กับโลกด้วยความเร็วสูงพอสมควร เนื่องจากองค์ประกอบไดโพลที่มีนัยสำคัญปรากฏในการแผ่รังสีพื้นหลัง ในกรณีนี้ วงกลมจะกลายเป็นวงรี ขนาด ตำแหน่งบนท้องฟ้า และอุณหภูมิเฉลี่ยตามวงกลมจะเปลี่ยนไป การตรวจจับวงกลมที่เหมือนกันเมื่อมีความผิดเพี้ยนดังกล่าวจะกลายเป็นเรื่องยากขึ้นมาก และความแม่นยำของข้อมูลที่มีอยู่ในปัจจุบันก็ไม่เพียงพอ จำเป็นต้องมีการสังเกตใหม่เพื่อช่วยหาว่าวงกลมเหล่านั้นอยู่หรือไม่มีอยู่จริง

อัตราเงินเฟ้อแบบพหุลิงค์

บางทีปัญหาที่ร้ายแรงที่สุดของแบบจำลองจักรวาลวิทยาที่ซับซ้อนเชิงทอพอโลยีทั้งหมด และมีจำนวนมากที่เกิดขึ้นแล้ว ส่วนใหญ่เป็นลักษณะทางทฤษฎี ในปัจจุบัน สถานการณ์เงินเฟ้อของวิวัฒนาการของจักรวาลถือเป็นมาตรฐาน มันถูกเสนอให้อธิบายความเป็นเนื้อเดียวกันสูงและไอโซโทรปีของจักรวาลที่สังเกตได้ ตามที่เขาพูดในตอนแรกจักรวาลที่ถือกำเนิดนั้นค่อนข้างไม่เท่ากัน จากนั้น ในกระบวนการของอัตราเงินเฟ้อ เมื่อจักรวาลขยายตัวตามกฎที่ใกล้เคียงกับเลขชี้กำลัง มิติเริ่มต้นของจักรวาลก็เพิ่มขึ้นตามลำดับความสำคัญหลายขนาด วันนี้เราเห็นเพียงส่วนเล็ก ๆ ของจักรวาลใหญ่ที่ยังคงความหลากหลายที่แตกต่างกัน จริงอยู่ พวกมันมีพื้นที่กว้างใหญ่จนมองไม่เห็นภายในพื้นที่ที่เราสามารถเข้าถึงได้ สถานการณ์เงินเฟ้อเป็นทฤษฎีจักรวาลวิทยาที่พัฒนาได้ดีที่สุด

สำหรับจักรวาลที่เชื่อมต่อกันทวีคูณ ลำดับเหตุการณ์ดังกล่าวไม่เหมาะ ในส่วนที่เป็นเอกลักษณ์และสำเนาที่ใกล้เคียงที่สุดบางส่วนมีให้สังเกตการณ์ ในกรณีนี้ โครงสร้างหรือกระบวนการที่อธิบายโดยมาตราส่วนที่มีขนาดใหญ่กว่าขอบฟ้าที่สังเกตพบจะไม่มีอยู่จริง

ทิศทางที่จักรวาลวิทยาจะต้องพัฒนาขึ้นหากความเชื่อมโยงทวีคูณของจักรวาลของเราได้รับการยืนยันแล้วอย่างชัดเจน: สิ่งเหล่านี้เป็นแบบจำลองที่ไม่ใช่อัตราเงินเฟ้อและแบบจำลองที่เรียกว่าอัตราเงินเฟ้อที่อ่อนแอซึ่งขนาดของจักรวาลในช่วงเงินเฟ้อเพิ่มขึ้นเท่านั้น สองสามครั้ง (หรือหลายสิบครั้ง) ยังไม่มีแบบจำลองดังกล่าว และนักวิทยาศาสตร์ที่พยายามรักษาภาพที่คุ้นเคยของโลก กำลังมองหาข้อบกพร่องในผลลัพธ์ที่ได้จากกล้องโทรทรรศน์วิทยุอวกาศอย่างแข็งขัน

การประมวลผลสิ่งประดิษฐ์

กลุ่มหนึ่งที่ทำการศึกษาข้อมูล WMAP อย่างอิสระดึงความสนใจไปที่ข้อเท็จจริงที่ว่าส่วนประกอบสี่ส่วนและออคทูโพลของการแผ่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิกมีทิศทางใกล้กันและอยู่ในระนาบที่เกือบจะเกิดขึ้นพร้อมกับเส้นศูนย์สูตรของกาแลคซี ข้อสรุปของกลุ่มนี้คือมีข้อผิดพลาดในการลบพื้นหลังของกาแล็กซี่ออกจากข้อมูลการสังเกตพื้นหลังไมโครเวฟและขนาดที่แท้จริงของฮาร์โมนิกแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง

การสังเกต WMAP ดำเนินการที่ความถี่ที่แตกต่างกัน 5 ความถี่โดยเฉพาะ เพื่อแยกภูมิหลังทางจักรวาลวิทยาและท้องถิ่นออกจากกันอย่างถูกต้อง และทีมงานหลักของ WMAP เชื่อว่าการประมวลผลการสังเกตนั้นทำอย่างถูกต้องและปฏิเสธคำอธิบายที่เสนอ

ข้อมูลจักรวาลวิทยาที่มีอยู่ซึ่งเผยแพร่เมื่อต้นปี 2546 ได้มาหลังจากประมวลผลผลการสำรวจ WMAP ในปีแรกเท่านั้น ในการทดสอบสมมติฐานที่เสนอ ตามปกติแล้ว จำเป็นต้องมีความแม่นยำเพิ่มขึ้น ภายในต้นปี 2549 WMAP ได้ทำการสังเกตการณ์อย่างต่อเนื่องเป็นเวลาสี่ปี ซึ่งน่าจะเพียงพอแล้วที่จะเพิ่มความแม่นยำเป็นสองเท่า แต่ข้อมูลเหล่านี้ยังไม่ได้เผยแพร่ เราต้องรอสักครู่ และบางทีสมมติฐานของเราเกี่ยวกับโทโพโลยีแบบสิบสองหน้าของจักรวาลอาจมีข้อสรุปอย่างสมบูรณ์

Mikhail Prokhorov ดุษฎีบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์

ดุษฎีบัณฑิตสาขาวิทยาศาสตร์กายภาพและคณิตศาสตร์ A. MADERA.

กระดาษ บนโต๊ะ โดนัท และเหยือกมีอะไรที่เหมือนกัน?

แอนะล็อกสองมิติของเรขาคณิตแบบยุคลิด ทรงกลม และไฮเพอร์โบลิก

แถบโมบิอุสที่มีจุด a บนพื้นผิว เป็นจุดปกติ และวงกลมเล็กๆ ที่มีทิศทางที่กำหนด v

กระดาษแผ่นเรียบสามารถติดกาวลงในทรงกระบอกและเมื่อเชื่อมต่อปลายแล้วจะได้ทอรัส

ทอรัสที่มีด้ามเดียวมีลักษณะเหมือนทรงกลมที่มีด้ามจับสองด้าม - โทโพโลยีของพวกมันเหมือนกัน

หากคุณตัดร่างนี้ออกแล้วทากาวลูกบาศก์ออก มันจะชัดเจนว่าทอรัสสามมิตินั้นเป็นอย่างไร โดยทำซ้ำสำเนา "หนอน" สีเขียวที่อยู่ตรงกลางอย่างไม่รู้จบ

ทอรัสสามมิติสามารถติดกาวจากลูกบาศก์ได้ เช่นเดียวกับทอรัสสองมิติจากสี่เหลี่ยมจัตุรัส "เวิร์ม" หลากสีที่เดินทางเข้าไปข้างในนั้นแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าใบหน้าของลูกบาศก์นั้นติดกาวเข้าด้วยกัน

ลูกบาศก์ - พื้นที่พื้นฐานของพรูสามมิติ - ถูกตัดเป็นชั้นแนวตั้งบาง ๆ ซึ่งเมื่อติดกาวเข้าด้วยกันจะสร้างวงแหวนที่ประกอบด้วยโทริสองมิติ

หากติดกาวสองหน้าของลูกบาศก์เดิมด้วยการหมุน 180 องศา จะเกิดช่องว่างลูกบาศก์ที่หมุน 1/2 รอบ

การหมุนสองหน้า 90 องศาให้พื้นที่ลูกบาศก์ที่หมุนได้ 1/4 ลองใช้ภาพวาดเหล่านี้และภาพวาดที่คล้ายกันในหน้า 88 เป็นคู่สเตอริโอกลับด้าน "หนอน" บนใบหน้าที่ไม่หมุนจะได้รับปริมาณ

หากเราใช้ปริซึมหกเหลี่ยมเป็นพื้นที่พื้นฐาน กาวแต่ละหน้าของมันด้วยด้านตรงข้ามโดยตรง และหมุนปลายหกเหลี่ยม 120 องศา เราจะได้พื้นที่ปริซึมหกเหลี่ยมที่หมุน 1/3

การหมุนหน้าหกเหลี่ยม 60 องศาก่อนติดกาวจะสร้างปริซึมหกเหลี่ยมแบบหมุน 1/6

พื้นที่ลูกบาศก์คู่

ช่องว่าง lamellar เกิดขึ้นเมื่อด้านบนและด้านล่างของเพลตอนันต์ติดกาวเข้าด้วยกัน

ช่องว่างแบบท่อ - แบบตรง (A) และแบบหมุน (B) ซึ่งพื้นผิวด้านใดด้านหนึ่งติดกาวด้านตรงข้ามด้วยการหมุน 180 องศา

แผนที่การกระจายของรังสีพื้นหลังไมโครเวฟแสดงการกระจายความหนาแน่นของสสาร ซึ่งเมื่อ 300,000 ปีก่อน (แสดงเป็นสี) การวิเคราะห์จะทำให้สามารถระบุโทโพโลยีที่จักรวาลมีอยู่ได้

ในสมัยโบราณ ผู้คนเชื่อว่าพวกเขาอาศัยอยู่บนพื้นราบอันกว้างใหญ่ แม้ว่าในบางแห่งจะปกคลุมไปด้วยภูเขาและที่ลุ่ม ความเชื่อนี้คงอยู่เป็นเวลาหลายพันปี จนกระทั่งอริสโตเติลในศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสตกาล อี ไม่ได้สังเกตว่าเรือที่แล่นไปในทะเลนั้นหายไปจากสายตา ไม่ใช่เพราะเมื่อมันเคลื่อนตัวออกไป มันจะลดขนาดลงจนมองไม่เห็น ตรงกันข้าม ตัวเรือหายไปก่อน แล้วจึงค่อยใบเรือ และสุดท้ายคือเสากระโดงเรือ สิ่งนี้ทำให้เขาสรุปได้ว่าโลกจะต้องกลม

ตลอดหลายพันปีที่ผ่านมา มีการค้นพบมากมายและได้สะสมประสบการณ์มหาศาล อย่างไรก็ตาม คำถามพื้นฐานยังคงไม่มีคำตอบ: จักรวาลที่เราอาศัยอยู่ภายในนั้น มีขอบเขตจำกัดหรือไม่มีที่สิ้นสุด และรูปแบบของมันคืออะไร?

การสังเกตล่าสุดโดยนักดาราศาสตร์และการวิจัยโดยนักคณิตศาสตร์แสดงให้เห็นว่าควรมีการค้นหารูปร่างของจักรวาลของเราท่ามกลางสิ่งที่เรียกว่าท่อร่วมแบบยุคลิดแบบสามมิติแบบสามมิติสิบแปดช่อง ซึ่งมีเพียงสิบแปดเท่านั้นที่สามารถอ้างสิทธิ์ได้

จักรวาลที่น่าสังเกต

ข้อสรุปใดๆ เกี่ยวกับรูปร่างที่เป็นไปได้ของเอกภพของเราจะต้องอยู่บนพื้นฐานของข้อเท็จจริงจริงที่ได้จากการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ หากปราศจากสิ่งนี้ แม้แต่สมมติฐานที่สวยงามและน่าเชื่อถือที่สุดก็ถึงวาระที่จะล้มเหลว มาดูกันว่าผลการสังเกตเกี่ยวกับจักรวาลเป็นอย่างไร

ก่อนอื่น เราสังเกตว่า ไม่ว่าเราจะอยู่ที่ใดในจักรวาล รอบจุดใดก็ตาม เราสามารถร่างทรงกลมที่มีขนาดตามอำเภอใจ ซึ่งอยู่ภายในพื้นที่ของจักรวาล โครงสร้างที่ค่อนข้างประดิษฐ์นี้บอกนักจักรวาลวิทยาว่าพื้นที่ของจักรวาลเป็นท่อร่วมสามมิติ (3-manifold)

คำถามเกิดขึ้นทันที: จักรวาลของเราเป็นตัวแทนของความหลากหลายแบบไหน? นักคณิตศาสตร์ได้ยอมรับมานานแล้วว่ามีหลายคนที่ยังไม่มีรายการทั้งหมด การสังเกตในระยะยาวแสดงให้เห็นว่าจักรวาลมีคุณสมบัติทางกายภาพหลายประการที่ลดจำนวนคู่แข่งที่เป็นไปได้อย่างมากสำหรับรูปร่างของมัน และหนึ่งในคุณสมบัติหลักของโทโพโลยีของจักรวาลก็คือความโค้งของมัน

ตามแนวคิดที่ยอมรับในปัจจุบัน ประมาณ 300,000 ปีหลังจากบิ๊กแบง อุณหภูมิของจักรวาลลดลงถึงระดับที่เพียงพอที่จะรวมอิเล็กตรอนและโปรตอนเข้าในอะตอมแรก (ดู "วิทยาศาสตร์และชีวิต" ฉบับที่ 11, 12, 1996) . เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น การแผ่รังสีซึ่งในตอนแรกกระจัดกระจายโดยอนุภาคที่มีประจุ ทันใดนั้นก็สามารถผ่านเข้าไปในจักรวาลที่กำลังขยายตัวได้โดยไม่มีสิ่งกีดขวาง การแผ่รังสีนี้ ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิกหรือรังสีที่ระลึก มีความเหมือนกันอย่างน่าประหลาดใจ และเผยให้เห็นการเบี่ยงเบนเพียงเล็กน้อย (ความผันผวน) ของความเข้มจากค่าเฉลี่ย (ดู "วิทยาศาสตร์และชีวิต" ฉบับที่ 12, 1993) ความเป็นเนื้อเดียวกันดังกล่าวสามารถมีได้เฉพาะในจักรวาลเท่านั้น ซึ่งความโค้งจะคงที่ทุกที่

ความคงตัวของความโค้งหมายความว่าอวกาศของจักรวาลมีหนึ่งในสามรูปทรงที่เป็นไปได้: ทรงกลมแบบยุคลิดแบนที่มีความโค้งเป็นบวกหรือไฮเพอร์โบลิกที่มีค่าลบ รูปทรงเหล่านี้มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น ในเรขาคณิตแบบยุคลิด ผลรวมของมุมของสามเหลี่ยมคือ 180 องศาพอดี นี่ไม่ใช่กรณีในเรขาคณิตทรงกลมและไฮเพอร์โบลิก หากคุณเอาสามจุดบนทรงกลมและวาดเส้นตรงระหว่างจุดนั้น ผลรวมของมุมระหว่างพวกมันจะมากกว่า 180 องศา (สูงสุด 360) ในเรขาคณิตไฮเปอร์โบลิก ผลรวมนี้มีค่าน้อยกว่า 180 องศา มีความแตกต่างที่สำคัญอื่น ๆ เช่นกัน

เราควรเลือกรูปทรงเรขาคณิตแบบใดสำหรับจักรวาลของเรา: Euclidean, spherical หรือ hyperbolic?

นักคณิตศาสตร์ชาวเยอรมัน คาร์ล ฟรีดริช เกาส์ เข้าใจแล้วในช่วงครึ่งแรกของศตวรรษที่ 19 ว่าพื้นที่จริงของโลกรอบๆ อาจไม่ใช่แบบยุคลิด Gauss ทำงาน geodetic เป็นเวลาหลายปีในอาณาจักรฮันโนเวอร์เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางเรขาคณิตของพื้นที่ทางกายภาพโดยใช้การวัดโดยตรง ด้วยเหตุนี้ เขาจึงเลือกยอดเขาสามแห่งที่อยู่ห่างไกลจากกัน - Hohenhagen, Inselberg และ Brocken ขณะยืนอยู่บนยอดเขาแห่งหนึ่ง เขาได้กำหนดทิศทางแสงของดวงอาทิตย์ที่สะท้อนจากกระจกไปยังอีกสองยอด และวัดมุมระหว่างด้านข้างของรูปสามเหลี่ยมแสงขนาดมหึมา ดังนั้นเขาจึงพยายามตอบคำถาม: วิถีของรังสีแสงที่ผ่านพื้นที่ทรงกลมของโลกโค้งหรือไม่? (แต่ในขณะเดียวกัน นักคณิตศาสตร์ชาวรัสเซีย อธิการบดีมหาวิทยาลัยคาซาน นิโคไล อิวานโนวิช โลบาชอฟสกี ได้เสนอให้ทดลองสำรวจคำถามเกี่ยวกับเรขาคณิตของอวกาศทางกายภาพโดยใช้สามเหลี่ยมดาว) หากเกาส์พบว่าผลรวมของ มุมของสามเหลี่ยมแสงนั้นแตกต่างจาก 180 องศา จากนั้นจึงสรุปได้ว่าด้านข้างของสามเหลี่ยมนั้นโค้งและพื้นที่จริงไม่ใช่แบบยุคลิด อย่างไรก็ตาม ภายในขอบเขตของข้อผิดพลาดในการวัด ผลรวมของมุมของ "สามเหลี่ยมทดสอบ Brocken - Hohenhagen - Inselberg" เท่ากับ 180 องศาพอดี

ดังนั้น ในระดับขนาดเล็ก (ตามมาตรฐานทางดาราศาสตร์) จักรวาลจึงปรากฏเป็นยุคลิด (แม้ว่าแน่นอน เป็นไปไม่ได้ที่จะคาดการณ์ข้อสรุปของเกาส์ต่อทั้งจักรวาล)

การศึกษาล่าสุดที่ดำเนินการกับบอลลูนระดับความสูงที่ยกขึ้นเหนือทวีปแอนตาร์กติกาก็สนับสนุนข้อสรุปนี้เช่นกัน เมื่อวัดสเปกตรัมพลังงานเชิงมุมของ CMB มีการลงทะเบียนพีคซึ่งตามที่นักวิจัยเชื่อว่าสามารถอธิบายได้โดยการมีอยู่ของสสารดำเย็น - วัตถุที่ค่อนข้างใหญ่และเคลื่อนที่ช้า - อย่างแม่นยำในจักรวาลแบบยุคลิด การศึกษาอื่น ๆ ยังสนับสนุนข้อสรุปนี้ ซึ่งลดจำนวนผู้เข้าแข่งขันที่น่าจะเป็นไปได้อย่างมากสำหรับรูปร่างที่เป็นไปได้ของจักรวาล

ย้อนกลับไปในช่วงทศวรรษที่ 1930 นักคณิตศาสตร์ได้พิสูจน์ว่ามีเพียง 18 ท่อร่วมสามมิติแบบยุคลิดที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงมีเพียง 18 รูปแบบที่เป็นไปได้ของจักรวาลแทนที่จะเป็นจำนวนอนันต์ การทำความเข้าใจคุณสมบัติของท่อร่วมเหล่านี้ช่วยในการทดลองกำหนดรูปร่างที่แท้จริงของจักรวาล เนื่องจากการค้นหาแบบกำหนดเป้าหมายจะมีประสิทธิภาพมากกว่าการค้นหาแบบตาบอดเสมอ

อย่างไรก็ตาม จำนวนของรูปแบบที่เป็นไปได้ของเอกภพสามารถลดลงได้อีก แท้จริงแล้ว ในบรรดาท่อร่วม 3 แบบแบบยุคลิดทั้ง 18 แบบ มีแบบปรับทิศทางได้ 10 แบบ และแบบปรับทิศทางไม่ได้ 8 แบบ ให้เราอธิบายว่าแนวคิดของการปรับทิศทางได้คืออะไร ในการทำเช่นนี้ ให้พิจารณาพื้นผิวสองมิติที่น่าสนใจ - แถบโมบิอุส สามารถรับได้จากแถบกระดาษสี่เหลี่ยมบิดครั้งเดียวแล้วติดกาวที่ปลาย ตอนนี้ใช้จุดบนแถบMöbius แต่, วาดเส้นตั้งฉาก (ตั้งฉาก) ลงไป แล้ววาดวงกลมเล็กๆ รอบเส้นปกติด้วยทิศทางทวนเข็มนาฬิกา ถ้ามองจากจุดสิ้นสุดของเส้นปกติ เรามาเริ่มย้ายจุดไปพร้อมกับวงกลมปกติและวงกลมกำกับตามวง Möbius เมื่อจุดไปรอบๆ แผ่นงานทั้งหมดและกลับสู่ตำแหน่งเดิม (มองเห็นได้ว่าจะอยู่อีกด้านหนึ่งของแผ่นงาน แต่ในทางเรขาคณิต พื้นผิวไม่มีความหนา) ทิศทางของเส้นตั้งฉากจะเปลี่ยนเป็นตรงกันข้าม และ ทิศทางของวงกลมจะเปลี่ยนเป็นทิศตรงกันข้าม วิถีดังกล่าวเรียกว่าเส้นทางการกลับทิศทาง และพื้นผิวที่มีสิ่งเหล่านี้เรียกว่าไม่ปรับทิศทางได้หรือด้านเดียว พื้นผิวที่ไม่มีเส้นทางปิดเพื่อย้อนกลับทิศทาง เช่น ทรงกลม พรู และเทปที่ไม่บิดเบี้ยว เรียกว่า แบบหมุนได้หรือแบบสองด้าน อย่างไรก็ตาม เราสังเกตว่าแถบ Möbius เป็นท่อร่วมสองมิติแบบยูคลิดที่ไม่สามารถปรับทิศทางได้

หากเราคิดว่าจักรวาลของเราเป็นท่อร่วมที่ปรับทิศทางไม่ได้ ถ้าอย่างนั้นทางกายภาพก็จะหมายถึงสิ่งต่อไปนี้ หากเราบินจากโลกไปตามวงปิดที่หันกลับทิศทาง แน่นอน เราจะกลับบ้าน แต่เราจะพบว่าตัวเองอยู่ในกระจกเงาของโลก เราจะไม่สังเกตเห็นการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในตัวเรา แต่ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับเรา ส่วนที่เหลือของโลกจะมีหัวใจอยู่ทางด้านขวา นาฬิกาทั้งหมดจะหมุนทวนเข็มนาฬิกา และข้อความจะปรากฏในภาพสะท้อนในกระจก

ไม่น่าเป็นไปได้ที่เราจะอยู่ในโลกเช่นนี้ นักจักรวาลวิทยาเชื่อว่าถ้าจักรวาลของเราไม่สามารถกำหนดทิศทางได้ พลังงานก็จะถูกปล่อยออกมาจากเขตแดน ซึ่งสสารและปฏิสสารมีปฏิสัมพันธ์กัน อย่างไรก็ตาม ไม่เคยพบเห็นอะไรเช่นนี้ แม้ว่าตามทฤษฎีแล้ว เราสามารถสรุปได้ว่าโซนดังกล่าวมีอยู่นอกขอบเขตของจักรวาลที่เรามองเห็นได้ ดังนั้นจึงมีเหตุผลที่จะแยกท่อร่วมที่หมุนไม่ได้แปดแบบออกจากการพิจารณาและจำกัดรูปแบบที่เป็นไปได้ของจักรวาลของเราให้เป็นท่อร่วมสามมิติแบบยุคลิดที่ปรับทิศทางได้สิบท่อ

รูปแบบที่เป็นไปได้ของจักรวาล

ท่อร่วมสามมิติในพื้นที่สี่มิตินั้นยากต่อการมองเห็นอย่างมาก อย่างไรก็ตาม เราสามารถลองจินตนาการถึงโครงสร้างของพวกมันได้โดยใช้แนวทางที่ใช้ในโทโพโลยีเพื่อแสดงภาพ manifolds สองมิติ (2-manifolds) ในพื้นที่สามมิติของเรา สิ่งของทั้งหมดในนั้นถือเป็นวัสดุยืดหยุ่นบางชนิด เช่น ยาง ซึ่งช่วยให้ยืดและโค้งได้ แต่ไม่มีรอยฉีกขาด รอยพับ และการติดกาว ในโทโพโลยี ตัวเลขที่สามารถแปลงเป็นอีกรูปแบบหนึ่งได้โดยใช้การเสียรูปดังกล่าวเรียกว่า โฮโมมอร์ฟิค (homeomorphic) พวกมันมีเรขาคณิตภายในเหมือนกัน ดังนั้นจากมุมมองของโทโพโลยี เบเกิล (ทอรัส) และถ้วยธรรมดาที่มีด้ามจับจึงเป็นสิ่งเดียวกัน แต่มันเป็นไปไม่ได้ที่จะโอนลูกฟุตบอลเข้าไปในเบเกิล พื้นผิวเหล่านี้มีความแตกต่างทางทอพอโลยี กล่าวคือ มีคุณสมบัติทางเรขาคณิตภายในต่างกัน อย่างไรก็ตาม หากรูกลมถูกตัดออกไปบนทรงกลมและมีด้ามจับหนึ่งอันติดอยู่ ผลลัพธ์ที่ได้จะเป็นโฮโมมอร์ฟิคของพรู

มีพื้นผิวมากมายที่แตกต่างจากทอรัสและทรงกลม ตัวอย่างเช่น โดยการเพิ่มแฮนเดิลไปที่พรู คล้ายกับที่เราเห็นข้างถ้วย เราจึงได้รูใหม่และด้วยเหตุนี้จึงได้รูปทรงใหม่ ทอรัสที่มีด้ามจับจะมีรูปทรงคล้ายเพรทเซลซึ่งมีลักษณะเป็นโฮโมมอร์ฟิก ซึ่งจะมีลักษณะเป็นทรงกลมที่มีด้ามจับสองด้าม การเพิ่มที่จับใหม่แต่ละอันจะสร้างรูอีกอัน และทำให้เป็นอีกพื้นผิวหนึ่ง ด้วยวิธีนี้ คุณจะได้รับจำนวนอนันต์

พื้นผิวดังกล่าวทั้งหมดเรียกว่าท่อร่วมสองมิติหรือเพียง 2 ท่อร่วม ซึ่งหมายความว่าสามารถวาดวงกลมรัศมีตามอำเภอใจรอบจุดใดก็ได้ บนพื้นผิวโลก คุณสามารถวาดวงกลมที่มีจุดของมัน หากเราเห็นเพียงภาพดังกล่าว ก็มีเหตุผลที่จะถือว่ามันเป็นระนาบไม่มีที่สิ้นสุด ทรงกลม พรู หรือโดยทั่วไปพื้นผิวอื่นใดจากโทริหรือทรงกลมจำนวนอนันต์ที่มีหมายเลขจับต่างกัน

รูปแบบทอพอโลยีเหล่านี้ค่อนข้างเข้าใจยาก และเพื่อให้เห็นภาพได้ง่ายและชัดเจนขึ้น ให้ทากาวทรงกระบอกจากกระดาษสี่เหลี่ยมจัตุรัส เชื่อมด้านซ้ายและขวาเข้าด้วยกัน สแควร์ในกรณีนี้เรียกว่าโดเมนพื้นฐานสำหรับพรู หากตอนนี้เราติดกาวฐานของทรงกระบอก (วัสดุของทรงกระบอกนั้นยืดหยุ่น) เราก็จะได้พรู

ลองนึกภาพว่ามีสิ่งมีชีวิตสองมิติเช่นแมลงซึ่งจำเป็นต้องตรวจสอบการเคลื่อนที่บนพื้นผิวของพรู การทำเช่นนี้ไม่ใช่เรื่องง่าย และจะสะดวกกว่ามากที่จะสังเกตการเคลื่อนที่ของมันในสี่เหลี่ยมจัตุรัส ซึ่งเป็นพื้นที่ที่มีโครงสร้างเหมือนกัน วิธีการนี้มีข้อดีสองประการ ประการแรก ช่วยให้คุณสามารถมองเห็นเส้นทางของแมลงในพื้นที่สามมิติด้วยสายตา ตามการเคลื่อนที่ของมันในพื้นที่สองมิติ และประการที่สอง ช่วยให้คุณอยู่ภายในกรอบของเรขาคณิตแบบยุคลิดที่พัฒนาอย่างดีบนระนาบ เรขาคณิตแบบยุคลิดประกอบด้วยสัจธรรมของเส้นขนาน: สำหรับเส้นตรงใดๆ และจุดที่อยู่นอกเส้นนั้น จะมีเส้นเดียวขนานกับเส้นแรกและผ่านจุดนี้ นอกจากนี้ ผลรวมของมุมของสามเหลี่ยมแบนราบคือ 180 องศาพอดี แต่เนื่องจากรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสอธิบายโดยเรขาคณิตแบบยุคลิด เราจึงสามารถขยายมันไปยังพรูและกล่าวได้ว่าพรูคือท่อร่วมแบบยุคลิด 2

การแยกความแตกต่างไม่ได้ของรูปทรงภายในสำหรับพื้นผิวต่างๆ นั้นสัมพันธ์กับลักษณะทางทอพอโลยีที่สำคัญซึ่งเรียกว่าการพัฒนาได้ ดังนั้นพื้นผิวของทรงกระบอกและรูปกรวยจึงดูแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง แต่ถึงกระนั้นรูปทรงของพวกมันก็เหมือนกันทุกประการ ทั้งสองสามารถใช้งานได้ในระนาบโดยไม่ต้องเปลี่ยนความยาวของส่วนและมุมระหว่างพวกเขา ดังนั้นเรขาคณิตแบบยุคลิดจึงใช้ได้สำหรับพวกเขา เช่นเดียวกับพรูเนื่องจากเป็นพื้นผิวที่พัฒนาเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส พื้นผิวดังกล่าวเรียกว่ามีมิติเท่ากัน

โทริจำนวนนับไม่ถ้วนสามารถก่อตัวขึ้นจากรูปทรงแบนอื่นๆ ได้ ตัวอย่างเช่น จากสี่เหลี่ยมด้านขนานหรือรูปหกเหลี่ยมต่างๆ โดยการติดกาวขอบด้านตรงข้ามเข้าด้วยกัน อย่างไรก็ตาม ไม่ใช่ว่าทุกรูปสี่เหลี่ยมจะเหมาะสมสำหรับสิ่งนี้: ความยาวของด้านที่ติดกาวจะต้องเท่ากัน ข้อกำหนดดังกล่าวมีความจำเป็นเพื่อหลีกเลี่ยงการยืดหรือหดตัวของขอบของพื้นที่ในระหว่างการติดกาว ซึ่งละเมิดเรขาคณิตแบบยุคลิดของพื้นผิว

ตอนนี้เราหันไปหามิติที่สูงกว่า

การเป็นตัวแทนของรูปแบบที่เป็นไปได้ของจักรวาล

ลองจินตนาการถึงรูปแบบที่เป็นไปได้ของจักรวาลของเรา ซึ่งดังที่เราได้เห็นแล้ว จะต้องถูกค้นหาท่ามกลางท่อร่วมสามมิติสามมิติแบบยุคลิดที่หมุนได้

เพื่อเป็นตัวแทนของ Euclidean 3-manifold เราใช้วิธีการที่ด้านบนสำหรับ manifolds สองมิติ ที่นั่น เราใช้สี่เหลี่ยมจัตุรัสเป็นพื้นที่พื้นฐานของทอรัส และเพื่อเป็นตัวแทนของความหลากหลายสามมิติ เราจะนำวัตถุสามมิติมาใช้

ลองใช้ลูกบาศก์แทนสี่เหลี่ยมจัตุรัส และเมื่อเราติดขอบด้านตรงข้ามของสี่เหลี่ยมจัตุรัส เราก็กาวหน้าตรงข้ามของลูกบาศก์เข้าด้วยกันทุกจุด

ทอรัส 3 มิติที่ได้คือท่อร่วมแบบยุคลิด 3 ตัว หากเราลงเอยด้วยสิ่งนั้นและมองไปข้างหน้า เราจะเห็นด้านหลังศีรษะของเรา เช่นเดียวกับสำเนาของเราในแต่ละหน้าของลูกบาศก์ - ด้านหน้า ข้างหลัง ซ้าย ขวา ด้านบนและด้านล่าง ข้างหลังพวกเขา เราจะเห็นสำเนาอื่นๆ นับไม่ถ้วน ราวกับว่าเราอยู่ในห้องที่ผนัง พื้นและเพดานเต็มไปด้วยกระจก แต่รูปภาพในทอรัส 3 มิติจะเป็นแบบตรง ไม่มิเรอร์

สิ่งสำคัญคือต้องสังเกตลักษณะวงกลมของสิ่งนี้และพันธุ์อื่นๆ อีกมากมาย หากเอกภพมีรูปร่างเช่นนี้จริงๆ เมื่อละทิ้งโลกและบินไปโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงใดๆ แน่นอน ในที่สุดเราก็จะกลับบ้าน พบสิ่งที่คล้ายกันบนโลก: เคลื่อนไปทางตะวันตกตามเส้นศูนย์สูตร เราจะกลับมายังจุดเริ่มต้นจากทางตะวันออกไม่ช้าก็เร็ว

โดยการตัดลูกบาศก์เป็นชั้นบาง ๆ ในแนวตั้ง เราได้ชุดสี่เหลี่ยม ขอบด้านตรงข้ามของสี่เหลี่ยมจัตุรัสเหล่านี้ต้องติดกาวเข้าด้วยกันเพราะเป็นด้านตรงข้ามของลูกบาศก์ ดังนั้นทอรัสสามมิติจึงกลายเป็นวงแหวนที่ประกอบด้วยโทริสองมิติ จำได้ว่าสี่เหลี่ยมด้านหน้าและด้านหลังติดกาวเข้าด้วยกันและทำหน้าที่เป็นใบหน้าของลูกบาศก์ นักโทโพโลยีอ้างถึงท่อร่วมเช่น T 2 xS 1 โดยที่ T 2 หมายถึงทอรัสสองมิติและ S 1 เป็นวงแหวน นี่คือตัวอย่างมัดหรือมัดของโทริ

สามารถรับโทริสามมิติได้ไม่เพียงแค่ใช้ลูกบาศก์เท่านั้น เช่นเดียวกับที่สี่เหลี่ยมด้านขนานสร้าง 2 พรูโดยติดใบหน้าตรงข้ามของรูปสี่เหลี่ยมด้านขนาน (ร่างกายสามมิติที่ล้อมรอบด้วยรูปสี่เหลี่ยมด้านขนาน) เราจะสร้าง 3 พรู Parallepipeds ต่างกันสร้างช่องว่างที่มีเส้นทางปิดและมุมระหว่างกัน

สิ่งเหล่านี้และพันธุ์จำกัดอื่นๆ ทั้งหมดรวมอยู่ในภาพของจักรวาลที่กำลังขยายตัวได้ง่ายมาก หากบริเวณพื้นฐานของท่อร่วมขยายตัวอย่างต่อเนื่อง พื้นที่ที่เกิดจากท่อร่วมก็จะขยายตัวด้วย แต่ละจุดในการขยายพื้นที่จะเคลื่อนที่ไปไกลขึ้นเรื่อยๆ จากจุดที่เหลือ ซึ่งสอดคล้องกับแบบจำลองจักรวาลวิทยาทุกประการ อย่างไรก็ตาม ในกรณีนี้ จะต้องคำนึงว่าจุดที่อยู่ใกล้ใบหน้าหนึ่งจะติดกับจุดบนใบหน้าตรงข้ามเสมอ เพราะไม่ว่าขนาดของพื้นที่พื้นฐานจะมีขนาดเท่าใด ใบหน้าตรงข้ามจะถูกติดกาว

3-manifold ถัดไปที่คล้ายกับ 3-torus เรียกว่า 1/2 - พื้นที่ลูกบาศก์หมุน ในช่องว่างนี้ โดเมนพื้นฐานคือลูกบาศก์หรือสี่เหลี่ยมด้านขนาน ติดกาวสี่หน้าตามปกติ และอีกสองหน้าที่เหลือ ด้านหน้าและด้านหลังติดกาวด้วยการหมุน 180 องศา: ด้านบนของใบหน้าด้านหน้าติดกาวที่ด้านล่างของด้านหลัง หากเรามีความหลากหลายเช่นนี้และมองดูใบหน้าเหล่านี้ เราจะเห็นสำเนาของเราเอง แต่กลับหัวกลับหาง ด้านหลังเป็นสำเนาธรรมดาๆ เป็นต้น เช่นเดียวกับพรูสามมิติ พื้นที่พื้นฐานของพื้นที่ 1/2-rotated ลูกบาศก์สามารถหั่นเป็นชิ้นแนวตั้งบาง ๆ เพื่อที่ว่าเมื่อติดกาวเข้าด้วยกันเราจะได้โทริ 2 มิติจำนวนหนึ่งอีกครั้งโดยมีความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือคราวนี้ โทริด้านหน้าและด้านหลังติดกาวหมุนได้ 180 องศา .

จะได้พื้นที่ลูกบาศก์ที่หมุนได้ 1/4 ในลักษณะเดียวกับก่อนหน้านี้ แต่มีการหมุน 90 องศา อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการหมุนเป็นเพียงหนึ่งในสี่ จึงไม่สามารถหาได้จากกล่องใดๆ - ส่วนหน้าและส่วนหลังจะต้องเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัสเพื่อหลีกเลี่ยงการบิดเบี้ยวและการบิดเบี้ยวของพื้นที่พื้นฐาน ที่ด้านหน้าของลูกบาศก์ เราจะเห็นสำเนาอีกชุดหนึ่งอยู่ด้านหลังสำเนาของเรา โดยหมุน 90 องศาโดยสัมพันธ์กับลูกบาศก์

พื้นที่ปริซึมหกเหลี่ยมที่หมุน 1/3 นั้นใช้ปริซึมหกเหลี่ยมแทนที่จะเป็นลูกบาศก์เป็นพื้นที่พื้นฐาน ในการได้มานั้น คุณต้องทากาวแต่ละหน้า ซึ่งเป็นรูปสี่เหลี่ยมด้านขนาน โดยมีหน้าตรงข้าม และหน้าหกเหลี่ยมสองหน้า โดยหมุน 120 องศา เส้นใยหกเหลี่ยมแต่ละเส้นของท่อร่วมนี้มีลักษณะเป็นทอรัส และด้วยเหตุนี้เนื้อที่จึงเป็นมัดของโทริด้วย ในหน้าหกเหลี่ยมทั้งหมด เราจะเห็นสำเนาถูกหมุน 120 องศาเมื่อเทียบกับหน้าก่อนหน้า และสำเนาในหน้า - สี่เหลี่ยมด้านขนาน - เป็นแบบตรง

พื้นที่ปริซึมหกเหลี่ยมที่หมุนได้ 1/6 ถูกสร้างขึ้นคล้ายกับก่อนหน้านี้ แต่มีความแตกต่างที่ใบหน้าหกเหลี่ยมด้านหน้าติดกาวที่ด้านหลังด้วยการหมุน 60 องศา เช่นเคย ในกลุ่มผลลัพธ์ของโทริ ใบหน้าที่เหลือ - สี่เหลี่ยมด้านขนาน - ติดกาวติดกันโดยตรง

พื้นที่ลูกบาศก์คู่นั้นแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากท่อร่วมก่อนหน้านี้ พื้นที่จำกัดนี้ไม่ใช่เสาโทริอีกต่อไปและมีโครงสร้างการติดกาวที่ผิดปกติ อย่างไรก็ตาม พื้นที่ลูกบาศก์คู่นั้นใช้พื้นที่พื้นฐานอย่างง่าย ซึ่งก็คือลูกบาศก์สองลูกบาศก์ที่ซ้อนกันหนึ่งทับกัน เมื่อติดกาว ใบหน้าทั้งหมดไม่ได้เชื่อมต่อโดยตรง: ด้านหน้าด้านบนและด้านหลังติดกาวเข้ากับใบหน้าด้านล่างโดยตรง ในพื้นที่นี้ เราจะเห็นตัวเองในมุมมองที่แปลกประหลาด - ฝ่าเท้าของเราจะอยู่ต่อหน้าต่อตาเรา

รายการนี้จะสิ้นสุดรายการสามมิติแบบยุคลิดที่ปรับทิศทางได้ซึ่งเรียกว่าท่อร่วมขนาดกะทัดรัด มีความเป็นไปได้ค่อนข้างมากที่ในหมู่พวกเขาจำเป็นต้องมองหารูปแบบของจักรวาลของเรา

นักจักรวาลวิทยาหลายคนเชื่อว่าจักรวาลมีขอบเขตจำกัด เป็นการยากที่จะจินตนาการถึงกลไกทางกายภาพสำหรับการสร้างจักรวาลที่ไม่มีที่สิ้นสุด อย่างไรก็ตาม เราจะพิจารณาชุดยูคลิเดียน 3 แบบที่ไม่กะทัดรัดแบบปรับทิศทางได้ที่เหลืออีกสี่ชุด จนกว่าจะได้หลักฐานที่แท้จริงซึ่งไม่รวมการมีอยู่ของพวกมัน

3-manifold ที่ไม่มีที่สิ้นสุดแรกและที่ง่ายที่สุดคือช่องว่างแบบยุคลิดซึ่งมีการศึกษาในโรงเรียนมัธยมศึกษาตอนปลาย (หมายถึง R 3) ในพื้นที่นี้ พิกัดคาร์ทีเซียนทั้งสามแกนขยายไปถึงอนันต์ ในนั้นเราไม่เห็นสำเนาใด ๆ ของเราไม่ว่าจะตรงหรือหมุนหรือกลับด้าน

ท่อร่วมต่อไปคือสิ่งที่เรียกว่าพื้นที่จานซึ่งมีโดเมนพื้นฐานคือจานที่ไม่มีที่สิ้นสุด ส่วนบนของเพลต ซึ่งเป็นระนาบอนันต์ ติดกาวตรงส่วนล่าง ซึ่งเป็นระนาบอนันต์เช่นกัน ระนาบเหล่านี้ต้องขนานกัน แต่สามารถเปลี่ยนได้ตามอำเภอใจในระหว่างการติดกาว ซึ่งไม่จำเป็น เนื่องจากไม่มีขอบเขต ในโทโพโลยี แมนิโฟลด์นี้เขียนเป็น R 2 xS 1 โดยที่ R 2 หมายถึงระนาบและ S 1 เป็นวงแหวน

3-manifolds สองอันสุดท้ายใช้หลอดยาวอนันต์เป็นโดเมนพื้นฐาน ท่อมีสี่ด้าน ส่วนต่างๆ ของพวกมันเป็นรูปสี่เหลี่ยมด้านขนาน ไม่มีทั้งด้านบนและด้านล่าง - ด้านทั้งสี่ของพวกมันขยายอย่างไม่รู้จบ เมื่อก่อน ธรรมชาติของการติดกาวของโดเมนพื้นฐานกำหนดรูปร่างของท่อร่วมไอดี

พื้นที่ท่อถูกสร้างขึ้นโดยการติดกาวทั้งสองคู่ของด้านตรงข้ามเข้าด้วยกัน หลังจากการติดกาว ส่วนดั้งเดิมในรูปแบบของสี่เหลี่ยมด้านขนานจะกลายเป็นพรูสองมิติ ในโทโพโลยี ช่องว่างนี้เขียนเป็นผลิตภัณฑ์ T 2 xR 1

โดยการหมุนพื้นผิวหนึ่งของช่องว่างท่อที่จะติดกาว 180 องศา เราได้พื้นที่ท่อที่หมุนได้ การบิดนี้ด้วยความยาวที่ไม่สิ้นสุดของท่อทำให้มีลักษณะผิดปกติ ตัวอย่างเช่น จุดสองจุดที่อยู่ห่างจากกันมาก ที่ปลายที่แตกต่างกันของพื้นที่พื้นฐาน หลังจากการติดกาวจะปิดลง

รูปร่างของจักรวาลของเราคืออะไร?

ในการเลือกรูปร่างของเอกภพแบบยูคลิด 3 แมนิโฟลด์ 1 แบบจากทั้งหมด 10 แบบ จำเป็นต้องมีข้อมูลเพิ่มเติมจากการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์

วิธีที่ง่ายที่สุดคือการหาสำเนาของกาแล็กซี่ของเราในท้องฟ้ายามค่ำคืน เมื่อค้นพบแล้วเราจะสามารถสร้างธรรมชาติของการติดกาวของภูมิภาคพื้นฐานของจักรวาลได้ หากปรากฎว่าจักรวาลเป็นพื้นที่ 1/4 ลูกบาศก์เมตร สำเนาของกาแล็กซี่ของเราโดยตรงจะมองเห็นได้จากสี่ด้านและหมุน 90 องศา - จากอีกสองที่เหลือ อย่างไรก็ตาม แม้จะดูเรียบง่าย แต่วิธีนี้ไม่เหมาะสำหรับการกำหนดรูปร่างของจักรวาล

แสงเดินทางด้วยความเร็วจำกัด ดังนั้นเมื่อเราสังเกตจักรวาล เรากำลังมองไปในอดีตเป็นหลัก แม้ว่าวันหนึ่งเราจะพบภาพของกาแล็กซี่ของเรา เราก็จะไม่สามารถจดจำมันได้ เพราะใน "วัยเยาว์" ของมัน มันดูแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง เป็นเรื่องยากเกินไปที่จะจดจำสำเนาของเราจากกาแลคซีจำนวนมาก

ในตอนต้นของบทความกล่าวว่าจักรวาลมีความโค้งคงที่ ความสม่ำเสมอของรังสีพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิกบ่งบอกถึงสิ่งนี้โดยตรง อย่างไรก็ตาม มีการแปรผันเชิงพื้นที่เล็กน้อย ประมาณ 10 -5 เคลวิน ซึ่งบ่งชี้ว่ามีความผันผวนเล็กน้อยในความหนาแน่นของสสารในเอกภพยุคแรก เมื่อเอกภพที่กำลังขยายตัวเย็นลง สสารในภูมิภาคเหล่านี้ก็สร้างกาแล็กซี ดวงดาว และดาวเคราะห์ในที่สุด แผนที่การแผ่รังสีไมโครเวฟช่วยให้คุณมองย้อนกลับไปในอดีต เพื่อดูพิมพ์เขียวของจักรวาล ณ เวลาที่เกิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ซึ่งตอนนั้นเล็กกว่าพันเท่า หากต้องการเห็นคุณค่าของการ์ดใบนี้ ให้พิจารณาตัวอย่างสมมติ: จักรวาลเป็นพรูสองมิติ

ในจักรวาลสามมิติ เราสังเกตท้องฟ้าในทุกทิศทาง นั่นคือ ภายในทรงกลม ผู้อยู่อาศัยสองมิติของจักรวาลสองมิติจะสามารถสังเกตได้ภายในวงกลมเท่านั้น ถ้าวงกลมนี้เล็กกว่าพื้นที่พื้นฐานของจักรวาล พวกมันก็ไม่สามารถระบุรูปร่างของมันได้ อย่างไรก็ตาม หากวงกลมแห่งการมองเห็นของสิ่งมีชีวิตสองมิติมีขนาดใหญ่กว่าพื้นที่พื้นฐาน พวกมันสามารถเห็นทางแยกและแม้แต่ภาพซ้ำ ๆ ของจักรวาลและพยายามหาจุดที่มีอุณหภูมิเท่ากันซึ่งสัมพันธ์กับบริเวณเดียวกันของจักรวาล หากมีจุดดังกล่าวเพียงพอในวงกลมแห่งการมองเห็น พวกเขาสามารถสรุปได้ว่าพวกเขาอาศัยอยู่ในจักรวาลทอรัส

แม้ว่าเราจะอาศัยอยู่ในจักรวาลสามมิติและมองเห็นพื้นที่เป็นทรงกลม เราก็ประสบปัญหาเดียวกันกับสิ่งมีชีวิตสองมิติ หากขอบเขตการมองเห็นของเราเล็กกว่าพื้นที่พื้นฐานของจักรวาลเมื่อ 300,000 ปีก่อน เราจะไม่เห็นสิ่งผิดปกติ มิฉะนั้น ทรงกลมจะตัดกันเป็นวงกลม โดยการค้นหาวงกลมสองวงที่มีการแปรผันของรังสีไมโครเวฟเหมือนกัน นักจักรวาลวิทยาสามารถเปรียบเทียบทิศทางของพวกมันได้ หากวงกลมเป็นกากบาด แสดงว่ามีการติดกาว แต่ไม่มีการหมุน อย่างไรก็ตามบางส่วนสามารถรวมกันได้ตามไตรมาสหรือครึ่งรอบ หากหาวงกลมเหล่านี้ได้เพียงพอ ความลับของพื้นที่พื้นฐานของจักรวาลและการเกาะติดของมันจะถูกเปิดเผย

อย่างไรก็ตาม จนกว่าจะมีแผนที่การแผ่รังสีไมโครเวฟที่แม่นยำ นักจักรวาลวิทยาจะไม่สามารถหาข้อสรุปได้ ในปี 1989 นักวิจัยของ NASA พยายามทำแผนที่รังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล อย่างไรก็ตาม ความละเอียดเชิงมุมของดาวเทียมอยู่ที่ประมาณ 10 องศา ซึ่งไม่อนุญาตให้ทำการวัดที่แม่นยำซึ่งจะทำให้นักจักรวาลวิทยาพอใจ ในฤดูใบไม้ผลิปี 2545 NASA ได้พยายามครั้งที่สองและเปิดตัวโพรบที่ทำแผนที่ความผันผวนของอุณหภูมิด้วยความละเอียดเชิงมุมอยู่แล้วในลำดับ 0.2 องศา ในปี 2550 องค์การอวกาศยุโรปวางแผนที่จะใช้ดาวเทียมพลังค์ซึ่งมีความละเอียดเชิงมุม 5 อาร์ควินาที

หากการเปิดตัวประสบความสำเร็จ แผนที่ที่แม่นยำของความผันผวนของ CMB จะได้รับภายในสี่ถึงสิบปี และถ้าขนาดของทรงกลมในการมองเห็นของเราใหญ่เพียงพอ และการวัดนั้นแม่นยำและเชื่อถือได้เพียงพอ ในที่สุดเราก็จะรู้ว่าจักรวาลของเรามีรูปร่างอย่างไร

อ้างอิงจากวัสดุจากวารสาร American Scientist และ Popular Science

ก่อนจักรวาลของเรา มีอีกจักรวาลหนึ่ง และอีกแห่งที่เราอาศัยอยู่นั้นแบนราบ การค้นพบทั้งสองนี้ในปี 2010 ได้เปลี่ยนความคิดของมนุษย์เกี่ยวกับวิวัฒนาการของจักรวาล นักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์แล้วว่า 70 เปอร์เซ็นต์ของมวลจักรวาลประกอบด้วย "พลังงานมืด" ลึกลับที่เร่งการขยายตัวของมัน หากทั้งสองทฤษฎีได้รับการยืนยัน นี่อาจเป็นก้าวใหม่ในการทำความเข้าใจโลก

การค้นพบครั้งแรกเกิดขึ้นโดยนักฟิสิกส์ที่เก่งที่สุดคนหนึ่งในยุคของเรา โรเจอร์ เพนโรสแห่งมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด เขาสงสัยว่า: อะไรเกิดขึ้นก่อนบิกแบง ซึ่งตามทฤษฎีที่ครอบงำ ก่อให้เกิดเวลา สสาร และพื้นที่?

จากผลการวิจัยของเขา เพนโรสได้ค้นพบหลักฐานการมีอยู่ของจักรวาลอื่นที่อยู่ก่อนเรา และโดยทั่วไป ตามที่นักวิทยาศาสตร์ การพัฒนาของจักรวาลเกิดขึ้นเป็นวัฏจักร: จักรวาลเกิด ตาย และเกิดใหม่จากเถ้าถ่านของพวกมันเอง มีชีวิตอยู่ในช่วงเวลาที่นักฟิสิกส์เรียกว่า "อีออน" ทฤษฎีของเขาอธิบายว่าเหตุใดจักรวาลจึงมีระเบียบอย่างมากในตอนแรก ซึ่งทำให้การก่อตัวของวัตถุที่ซับซ้อนมากได้

การศึกษาครั้งที่สองซึ่งตีพิมพ์ใน Nature ดำเนินการโดย Christian Marinoni และ Edlin Buzzi นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสที่มหาวิทยาลัย Provence มันนำเรากลับไปที่ทฤษฎีที่ลืมไปนานของ Albert Einstein ว่าจักรวาลของเราแบน มีอยู่ครั้งหนึ่ง ไอน์สไตน์ละทิ้งมันโดยคิดว่ามันผิดพลาด อย่างไรก็ตาม รูปแบบของจักรวาลนี้ทำให้สามารถอธิบายการมีอยู่ของ "พลังงานมืด" ซึ่งเป็นแรงผลักดันหลักของจักรวาลได้อย่างแม่นยำ นักวิจัยชาวฝรั่งเศสได้พิสูจน์แล้วว่ามวลของเอกภพมีพลังงานถึง 74 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งช่วยเร่งการขยายตัวของเอกภพ

ทุกวันนี้ ทฤษฎีเด่นคือจักรวาลเกิดเมื่อ 13.7 พันล้านปีก่อนจากจุดหนึ่งที่มีขนาดใหญ่

ความหนาแน่นซึ่งเป็นผลมาจากบิ๊กแบงในช่วงเวลาแรกของการดำรงอยู่คือ "ซุปร้อน" ของอนุภาคอิสระที่ไม่ผูกมัดกับอะตอม อุณหภูมิของ "ซุป" นี้อยู่ที่หลายพันล้านองศา (สภาวะเหล่านี้เพิ่งทำซ้ำได้สำเร็จใน Large Hadron Collider - LHC) เมื่อกำเนิด เอกภพเริ่มขยายตัวและเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว อนุภาคเริ่มก่อตัวเป็นอะตอมที่ง่ายที่สุด (ไฮโดรเจน) เป็นครั้งแรก และแรงโน้มถ่วงทำงานเป็นเวลานานเพื่อรวมอะตอมในเรื่องดาวและกาแล็กซี
หนึ่งในคำถามที่เร่งด่วนที่สุดคือคำถามที่ว่าทำไมหลังจากบิ๊กแบงอัตราการขยายตัวของจักรวาลไม่เพียงไม่ช้าลง แต่เพิ่มขึ้น? เป็นผลให้นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปว่าสิ่งนี้ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับมวลของสารที่มีอยู่ในนั้น หากมวลรวมของสสารในจักรวาลเพียงพอสำหรับแรงโน้มถ่วง (ซึ่งยิ่งมาก ยิ่งมีมวลมากขึ้น) เพื่อเอาชนะแรงเหวี่ยงหลักของบิกแบง การขยายตัวของจักรวาลจะหยุดและอาจนำไปสู่ การล่มสลายของมัน - การล่มสลายที่นักวิทยาศาสตร์เรียกว่า Big Crunch อย่างไรก็ตาม หากมวลรวมไม่เพียงพอ ไม่มีอะไรสามารถหยุดการขยายตัวของเอกภพได้ มันจะกลายเป็นโมฆะสีดำขนาดใหญ่ ซึ่งดาวดวงสุดท้ายจะดับลงในที่สุด

มันยังคงวัดมวลของจักรวาล แต่วิทยาศาสตร์ได้พบกับความประหลาดใจมากมายที่นี่ ประการแรกคือสสารธรรมดาที่ประกอบเป็นดาราจักร ดาวฤกษ์ และดาวเคราะห์ และมีอยู่ในรูปของแสงและการแผ่รังสีอื่น ๆ ที่วัดได้ คิดเป็นสัดส่วนเพียงร้อยละ 5 ของมวลรวมของเอกภพ ซึ่งไม่เพียงพออย่างยิ่งที่จะชะลอการเคลื่อนตัวของมัน . อีก 25 เปอร์เซ็นต์นั้นสัมพันธ์กับ "ประเภทของสสาร" อีกประเภทหนึ่งซึ่งเครื่องมือของเราตรวจไม่พบโดยตรงเพราะไม่ปล่อยสิ่งใดออกมา เรื่องนี้เรียกว่า "สสารมืด" เรารู้ว่ามันอยู่ที่ไหน (เรียกว่า "หลุมดำ") เพราะเราสามารถวัดการเปลี่ยนแปลงของแรงโน้มถ่วงได้ แต่ไม่มีใครสามารถ "มองเห็น" ได้ เราสามารถคาดเดาเกี่ยวกับอนุภาคที่สามารถประกอบด้วยได้

แท้จริงแล้วอนุภาคเหล่านี้ควรมีคุณสมบัติอย่างไร? เห็นได้ชัดว่าพวกมันไม่ควรสลายไปเป็นอย่างอื่นที่เบากว่า มิฉะนั้นพวกมันจะต้องสลายตัวไปนานแล้วตลอดการดำรงอยู่ทั้งหมดของจักรวาล ข้อเท็จจริงนี้เองบ่งชี้ว่ากฎหมายการอนุรักษ์ฉบับใหม่ซึ่งยังไม่ได้ค้นพบดำเนินการในธรรมชาติ ซึ่งห้ามไม่ให้อนุภาคเหล่านี้สลายตัว ความคล้ายคลึงกันในที่นี้คือกฎการอนุรักษ์ประจุไฟฟ้า: อิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่เบาที่สุดที่มีประจุไฟฟ้า และด้วยเหตุนี้จึงไม่สลายตัวเป็นอนุภาคที่เบากว่า (เช่น นิวตริโนและโฟตอน)

นอกจากนี้ อนุภาคสสารมืดมีปฏิกิริยาต่อสสารของเราน้อยมาก มิฉะนั้น พวกมันจะถูกตรวจพบในการทดลองภาคพื้นดินแล้ว ตามความเป็นจริง ความรู้ของนักวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับอนุภาคที่น่าสนใจเหล่านี้สิ้นสุดลงที่นี่ และเริ่มมีการคาดเดาและข้อสันนิษฐานที่ยังไม่ได้ไถ

ดังนั้น สสารมืดซึ่งประกอบขึ้นเป็นร้อยละ 25 นั้น อย่างน้อยก็มีบางสิ่งที่ชัดเจน แต่อีก 70 เปอร์เซ็นต์ที่เหลือคืออะไร? นักวิทยาศาสตร์ยังไม่สามารถให้คำตอบที่ชัดเจนสำหรับคำถามนี้และใช้คำว่า "พลังงานมืด" อย่างไรก็ตาม มีคนรู้จักเรื่องนี้น้อยกว่าเรื่องสสารมืด

สิ่งที่ผิดปกติที่สุดเกี่ยวกับทั้งหมดนี้คือพลังงานมืด ในแง่หนึ่ง สัมผัสกับการต่อต้านแรงโน้มถ่วง ด้วยเหตุนี้การขยายตัวของจักรวาลจึงไม่ช้าลง แต่เร่งขึ้น โดยทั่วไปแล้ว รูปภาพดังกล่าวไม่ได้ขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป อย่างไรก็ตาม สำหรับสิ่งนี้ พลังงานมืดจะต้องมีคุณสมบัติพิเศษ นั่นคือ แรงกดดันเชิงลบ สิ่งนี้แตกต่างอย่างมากจากรูปแบบทั่วไปของสสาร คงไม่เป็นการกล่าวเกินจริงที่จะบอกว่าธรรมชาติของพลังงานมืดเป็นความลึกลับหลักของฟิสิกส์พื้นฐานของศตวรรษที่ 21 แม้ว่าจะมีผู้สมัครรับตำแหน่งนี้อยู่คนหนึ่งแล้วก็ตาม ซึ่งเป็นเรื่องธรรมดาๆ ที่ใครๆ ก็รู้จัก จริงอยู่ ธรรมชาติของมันยังลึกลับอยู่มาก

แรงนี้น่าจะกำหนดการเพิ่มขึ้นของความเร็วของการวิ่งขึ้นของจักรวาล พลังงานมืดนี้เองที่เพนโรสและนักวิทยาศาสตร์จากฝรั่งเศสตรวจสอบ เพนโรสวิเคราะห์ข้อมูลจากดาวเทียม WMAP (ซึ่งวัดการแผ่รังสีไมโครเวฟที่แผ่ซ่านไปทั่วจักรวาลและเป็นการตื่นของบิกแบง) เขาค้นพบรูปแบบการกระจายในรูปแบบของวงกลมศูนย์กลางซึ่งสามารถอธิบายได้ว่าเป็นร่องรอยของการดำรงอยู่ของจักรวาลอื่น ๆ (การซ้อนทับของรังสีเก่ากับใหม่) ซึ่งหมายความว่าจักรวาลของเราเป็นหนึ่งในหลาย ๆ ชุดและถึงเวลาที่มันจะตายและเกิดใหม่อันเป็นผลมาจากบิ๊กแบงใหม่ ก่อน "ความตาย" จักรวาลจะ "ราบรื่นและเป็นเส้นตรง"

ข้อสรุปนี้ได้รับการยืนยันโดย Buzzi และ Marinoni ซึ่งพิสูจน์โดยการวัดความผิดเพี้ยนของแสงที่มาจากกาแลคซี 500 คู่ที่เราอาศัยอยู่ในเอกภพแบนและไม่โค้งหรือทรงกลมอย่างที่หลายคนคิด เริ่มจากสมมติฐานที่ว่าการวัดทางเรขาคณิตสามารถนำมาใช้เพื่อกำหนดองค์ประกอบของจักรวาลได้ นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาการกระจายของการปฐมนิเทศร่วมกันของดาราจักรคู่ที่โคจรรอบกันและกัน ในเอกภพที่ไม่มีพลังงานมืด การกระจายนี้จะมีความสมมาตรทรงกลม ซึ่งหมายความว่าจำนวนของคู่ที่อยู่ในทิศทางใดทิศทางหนึ่งจะเท่ากัน

การสังเกตพบว่ายิ่งกาแลคซีคู่หนึ่งอยู่ห่างจากโลกมากเท่าไร การกระจายตัวของทิศทางของพวกมันก็ยิ่งไม่สมมาตรมากขึ้นเท่านั้น - มีคู่คู่อื่น ๆ ที่ตั้งอยู่ตามแนวสายตาจากโลกมากขึ้น นอกจากนี้ หากจักรวาลเป็นทรงกลมหรือโค้ง เราจะเห็นภาพกาแลคซีที่มีรูปร่างผิดปกติ ราวกับว่าเรากำลังมองเข้าไปในลูกบอลโลหะและเห็นใบหน้าที่บิดเบี้ยวของเราอยู่ตรงนั้น ไม่มีการบิดเบือนในพื้นที่ราบซึ่งถูกตั้งข้อสังเกต

สสารมืดหรือมวลที่ซ่อนอยู่คืออะไร? แล้วพลังงานมืดล่ะ?

มวลที่ซ่อนอยู่ (ในจักรวาลวิทยาและฟิสิกส์ดาราศาสตร์ก็เช่นกัน สสารมืด สสารมืด) เป็นชื่อทั่วไปของชุดของวัตถุทางดาราศาสตร์ที่ไม่สามารถเข้าถึงการสังเกตโดยตรงด้วยวิธีการทางดาราศาสตร์สมัยใหม่ (กล่าวคือ พวกมันไม่ปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือนิวตริโนที่มีความเข้มเพียงพอ สำหรับการสังเกต) แต่จะสังเกตได้โดยอ้อมจากผลของแรงโน้มถ่วงที่กระทำโดยวัตถุที่มองเห็นได้
ปัญหามวลที่ซ่อนอยู่ทั่วไปประกอบด้วยสองปัญหา:

* ดาราศาสตร์ฟิสิกส์ กล่าวคือ ความขัดแย้งของมวลที่สังเกตได้ของวัตถุที่จับแรงโน้มถ่วงและระบบของวัตถุ เช่น ดาราจักรและกระจุกดาราจักรด้วยพารามิเตอร์ที่สังเกตได้ซึ่งกำหนดโดยผลกระทบจากความโน้มถ่วง
* จักรวาลวิทยา - ความขัดแย้งในพารามิเตอร์ทางจักรวาลวิทยาที่สังเกตได้ของความหนาแน่นเฉลี่ยของจักรวาลที่ได้รับจากข้อมูลทางดาราศาสตร์ฟิสิกส์

ธรรมชาติและองค์ประกอบของมวลที่ซ่อนอยู่

นอกจากการสังเกตโดยตรงของผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงของมวลมืดแล้ว ยังมีวัตถุจำนวนหนึ่งที่การสังเกตโดยตรงนั้นยาก แต่ซึ่งสามารถนำไปสู่องค์ประกอบของมวลมืดได้ ในปัจจุบัน วัตถุที่มีลักษณะแบริออนและไม่ใช่แบริออนได้รับการพิจารณาแล้ว: หากวัตถุเดิมมีวัตถุทางดาราศาสตร์ที่รู้จักกันดีอยู่แล้ว นิวตริโน สิ่งแปลกปลอม และอนุภาคมูลฐานสมมุติตามมาจากโครโมไดนามิกควอนตัมคลาสสิก (แกน) และส่วนขยายสมมาตรยิ่งยวดของทฤษฎีสนามควอนตัม ถือเป็นผู้สมัครรับเลือกตั้งในสมัยหลัง
เพื่ออธิบายความเบี่ยงเบนของความเร็วของการหมุนของวัตถุทางช้างเผือกจากวัตถุ Keplerian เราควรถือว่ามีรัศมีมืดมหึมาของดาราจักร วัตถุขนาดมหึมาในรัศมีของดาราจักรรวมถึงวัตถุอัดตัวที่แผ่รังสีออกมาอย่างอ่อน โดยหลักๆ แล้วคือดาวมวลต่ำ - ดาวแคระน้ำตาล ดาวฤกษ์ย่อย หรือดาวเคราะห์คล้ายดาวพฤหัสที่มีมวลมาก ซึ่งมวลไม่เพียงพอที่จะเริ่มเกิดปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ภายใน ดาวแคระขาวที่เย็นตัวแล้ว นิวตรอน ดวงดาวและหลุมดำ

นี่คืออะไร?

วันนี้เรารู้อะไรเกี่ยวกับสสารมืดซึ่งคิดเป็น 95% ของมวลจักรวาล แทบไม่มีอะไรเลย แต่เรารู้อะไรบางอย่าง ประการแรก ไม่ต้องสงสัยเลยว่าสสารมืดมีอยู่จริง - นี่เป็นหลักฐานที่ไม่อาจหักล้างได้จากข้อเท็จจริงที่กล่าวถึงข้างต้น เรายังทราบแน่นอนว่าสสารมืดมีอยู่ในหลายรูปแบบ หลังจากต้นศตวรรษที่ 21 จากการสังเกตการณ์เป็นเวลาหลายปีในการทดลอง SuperKamiokande (ญี่ปุ่น) และ SNO (แคนาดา) พบว่านิวตริโนมีมวล เป็นที่ชัดเจนว่าจาก 0.3% เป็น 3% ของมวล 95% ของมวลที่ซ่อนอยู่คือนิวตริโนที่เรารู้จักกันมานาน - แม้ว่ามวลของพวกมันจะเล็กมาก แต่จำนวนในจักรวาลนั้นมากกว่าจำนวนนิวคลีออนประมาณหนึ่งพันล้านเท่า: แต่ละลูกบาศก์เซนติเมตรมีค่าเฉลี่ย 300 นิวตริโน ส่วนที่เหลืออีก 92–95% ประกอบด้วยสองส่วน - สสารมืดและพลังงานมืด เศษส่วนของสสารมืดที่ไม่มีนัยสำคัญประกอบด้วยสสารแบริออนธรรมดาที่สร้างจากนิวคลีออน เห็นได้ชัดว่าอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์อย่างอ่อน (ที่เรียกว่าสสารมืดเย็น) บางตัวที่ไม่ทราบแน่ชัดมีส่วนรับผิดชอบต่อส่วนที่เหลือ

สสารมืดแบริออน

สสารมืดส่วนเล็กๆ (4–5%) เป็นสสารธรรมดาที่ปล่อยรังสีของมันเองเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย ดังนั้นจึงมองไม่เห็น การมีอยู่ของวัตถุดังกล่าวหลายคลาสถือได้ว่าได้รับการยืนยันจากการทดลอง การทดลองที่ซับซ้อนที่สุดโดยใช้เลนส์โน้มถ่วงแบบเดียวกันนำไปสู่การค้นพบวัตถุรัศมีขนาดกะทัดรัดที่เรียกว่ามวล ซึ่งตั้งอยู่บนขอบจานดาราจักร สิ่งนี้ต้องการการติดตามกาแลคซีห่างไกลนับล้านในช่วงหลายปีที่ผ่านมา เมื่อวัตถุมวลมหาศาลที่มืดมิดเคลื่อนผ่านระหว่างผู้สังเกตและดาราจักรที่อยู่ห่างไกล ความสว่างของมันจะลดลงชั่วขณะหนึ่ง (หรือเพิ่มขึ้นเนื่องจากวัตถุมืดทำหน้าที่เป็นเลนส์โน้มถ่วง) จากการค้นหาอย่างอุตสาหะ เหตุการณ์ดังกล่าวถูกระบุ ธรรมชาติของวัตถุรัศมีขนาดกะทัดรัดขนาดใหญ่นั้นไม่ชัดเจนนัก เป็นไปได้มากว่าดาวเหล่านี้อาจเป็นดาวเย็น (ดาวแคระน้ำตาล) หรือวัตถุคล้ายดาวเคราะห์ที่ไม่เกี่ยวข้องกับดาวฤกษ์และเดินทางรอบกาแลคซีด้วยตัวมันเอง ตัวแทนของสสารมืดแบริออนก็คือก๊าซร้อนที่เพิ่งค้นพบในกระจุกดาราจักรโดยใช้ดาราศาสตร์เอ็กซ์เรย์ ซึ่งไม่เรืองแสงในช่วงที่มองเห็นได้

สสารมืดที่ไม่ใช่แบริออน

ผู้สมัครหลักสำหรับสสารมืดที่ไม่ใช่แบริออนคือสิ่งที่เรียกว่า WIMP (ย่อมาจาก Weakly Interactive Massive Particles - Weakly Interactive Massive Particles) คุณลักษณะของ WIMP คือแทบไม่ปรากฏว่ามีปฏิสัมพันธ์กับเรื่องธรรมดา นั่นคือเหตุผลที่ว่าทำไมพวกมันถึงเป็นสสารมืดที่มองไม่เห็นอย่างแท้จริง และทำไมพวกมันถึงตรวจจับได้ยากยิ่ง มวลของ WIMP ต้องมากกว่ามวลโปรตอนอย่างน้อยสิบเท่า การค้นหา WIMP มีการดำเนินการในการทดลองหลายครั้งในช่วง 20-30 ปีที่ผ่านมา แต่ถึงแม้จะมีความพยายามทั้งหมด แต่ก็ยังไม่มีใครค้นพบ

แนวคิดหนึ่งคือ หากมีอนุภาคดังกล่าว โลกซึ่งเคลื่อนที่โดยดวงอาทิตย์โคจรรอบใจกลางดาราจักรควรบินผ่านสายฝนของ WIMP แม้ว่า WIMP จะเป็นอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์น้อยมาก แต่ก็ยังมีความเป็นไปได้น้อยมากที่จะมีปฏิสัมพันธ์กับอะตอมธรรมดา ในกรณีนี้ ในการติดตั้งแบบพิเศษ - ซับซ้อนและมีราคาแพงมาก - สามารถลงทะเบียนสัญญาณได้ จำนวนของสัญญาณดังกล่าวควรเปลี่ยนแปลงตลอดทั้งปี เนื่องจากเมื่อโคจรรอบดวงอาทิตย์ โลกจะเปลี่ยนความเร็วและทิศทางการเคลื่อนที่สัมพันธ์กับลม ซึ่งประกอบด้วย WIMP กลุ่มทดลองของ DAMA ซึ่งทำงานในห้องปฏิบัติการใต้ดินของอิตาลี Gran Sasso รายงานความผันแปรประจำปีที่สังเกตได้จากอัตราการนับสัญญาณ อย่างไรก็ตาม กลุ่มอื่นๆ ยังไม่ได้ยืนยันผลลัพธ์เหล่านี้ และคำถามยังคงเปิดอยู่

วิธีการค้นหา WIMP อีกวิธีหนึ่งนั้นตั้งอยู่บนสมมติฐานว่าในช่วงหลายพันล้านปีของการดำรงอยู่ วัตถุทางดาราศาสตร์ต่างๆ (โลก ดวงอาทิตย์ ศูนย์กลางของกาแล็กซี่ของเรา) ควรจับ WIMP ที่สะสมอยู่ตรงกลางของวัตถุเหล่านี้และทำลายล้างด้วย อื่น ๆ ทำให้เกิดฟลักซ์นิวทริโน . ความพยายามที่จะตรวจจับฟลักซ์นิวตริโนส่วนเกินจากจุดศูนย์กลางของโลกไปยังดวงอาทิตย์และไปยังศูนย์กลางของกาแลคซี่เกิดขึ้นจากเครื่องตรวจจับนิวตริโนใต้ดินและใต้น้ำ MACRO, LVD (ห้องปฏิบัติการ Gran Sasso), NT-200 (Lake Baikal, Russia) , SuperKamiokande, AMANDA (สถานีสกอตต์ -Amundsen, ขั้วโลกใต้) แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่ได้รับผลในเชิงบวก

การทดลองเพื่อค้นหา WIMP กำลังดำเนินการอย่างแข็งขันที่เครื่องเร่งอนุภาคมูลฐาน จากสมการ E=mc2 ที่มีชื่อเสียงของไอน์สไตน์ พลังงานเทียบเท่ากับมวล ดังนั้น โดยการเร่งอนุภาค (เช่น โปรตอน) ให้เป็นพลังงานที่สูงมาก และชนกับอนุภาคอื่น เราสามารถคาดหวังการสร้างคู่ของอนุภาคและปฏิปักษ์อื่น ๆ (รวมถึง WIMP) ซึ่งมวลรวมจะเท่ากับ พลังงานรวมของอนุภาคที่ชนกัน แต่การทดลองใช้เครื่องเร่งความเร็วยังไม่ได้ผลในเชิงบวก

พลังงานมืด

พลังงานมืดสามารถพูดได้น้อยกว่าเกี่ยวกับสสารมืด ประการแรก มันถูกกระจายอย่างเท่าเทียมกันทั่วทั้งจักรวาล ไม่เหมือนกับสสารธรรมดาและสสารมืดรูปแบบอื่นๆ มีมากในดาราจักรและกระจุกดาราจักรพอๆ กับที่อยู่ภายนอก ประการที่สอง มันมีคุณสมบัติที่แปลกประหลาดหลายอย่างที่สามารถเข้าใจได้โดยการวิเคราะห์สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพและตีความคำตอบเท่านั้น ตัวอย่างเช่น พลังงานมืดเผชิญกับการต้านแรงโน้มถ่วง: เนื่องจากการมีอยู่ของมัน อัตราการขยายตัวของจักรวาลจึงเพิ่มขึ้น พลังงานมืดเหมือนที่เคยเป็นมา ผลักตัวเองออกจากกัน เร่งการกระเจิงของสสารธรรมดาที่รวบรวมในกาแลคซี่ พลังงานมืดก็มีแรงดันลบเช่นกัน เนื่องจากมีแรงเกิดขึ้นในสารที่ป้องกันไม่ให้ยืดออก

ผู้สมัครหลักสำหรับบทบาทของพลังงานมืดคือสุญญากาศ ความหนาแน่นของพลังงานสุญญากาศไม่เปลี่ยนแปลงตามการขยายตัวของเอกภพซึ่งสอดคล้องกับแรงดันลบ ผู้สมัครอีกคนหนึ่งคือฟิลด์ superweak สมมุติที่เรียกว่าแก่นสาร ความหวังในการชี้แจงธรรมชาติของพลังงานมืดนั้นสัมพันธ์กับการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ครั้งใหม่เป็นหลัก ความก้าวหน้าในทิศทางนี้จะนำความรู้ใหม่ที่รุนแรงมาสู่มนุษยชาติอย่างไม่ต้องสงสัย เนื่องจากไม่ว่าในกรณีใด พลังงานมืดจะต้องเป็นสารที่ไม่ปกติโดยสิ้นเชิง ไม่เหมือนกับที่ฟิสิกส์ได้ดำเนินการมาจนถึงตอนนี้โดยสิ้นเชิง

ดังนั้น โลกของเราจึงเป็น 95% ของบางสิ่งที่เราแทบไม่รู้เลย เราสามารถปฏิบัติต่อข้อเท็จจริงที่ปฏิเสธไม่ได้ดังกล่าวในรูปแบบต่างๆ มันสามารถทำให้เกิดความวิตกกังวลซึ่งมักจะมาพร้อมกับการพบปะกับสิ่งที่ไม่รู้จัก หรือความผิดหวังเนื่องจากวิธีการยาวและซับซ้อนในการสร้างทฤษฎีทางกายภาพที่อธิบายคุณสมบัติของโลกของเรานำไปสู่ข้อความ: จักรวาลส่วนใหญ่ซ่อนเร้นจากเราและไม่รู้จักเรา

วิทยาศาสตร์โลกเผชิญกับคำถามจำนวนหนึ่ง ซึ่งคำตอบที่แน่นอนจะไม่มีวันได้รับอย่างแน่นอน อายุของจักรวาลเป็นเพียงหนึ่งในนั้น นานถึงหนึ่งปี วัน เดือน นาที จะไม่สามารถคำนวณได้ แม้ว่า...

ครั้งหนึ่ง ดูเหมือนว่าการจำกัดอายุให้แคบลงเหลือ 12-15 พันล้านปีเป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่

และตอนนี้ NASA มีความภูมิใจที่จะประกาศว่าอายุของจักรวาลถูกกำหนดด้วยความผิดพลาดเพียง 0.2 พันล้านปีเท่านั้น และอายุนี้เท่ากับ 13.7 พันล้านปี

นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะพบว่าดาวฤกษ์ดวงแรกเริ่มก่อตัวเร็วกว่าที่คาดไว้มาก

มันถูกติดตั้งอย่างไร?

ปรากฎว่าด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์เครื่องเดียวซึ่งปรากฏภายใต้ชื่อ MAP - โพรบไมโครเวฟ Anisotropy (โพรบไมโครเวฟ Anisotropy)

เพิ่งเปลี่ยนชื่อเป็น Wilkinsonไมโครเวฟ Anisotropy Probe (WMAP) เพื่อเป็นเกียรติแก่ David Wilkinson นักดาราศาสตร์ฟิสิกส์ซึ่งเสียชีวิตในปี 2545 ซึ่งเป็นเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน

ศาสตราจารย์เดวิด วิลกินสันผู้ล่วงลับ ซึ่งต่อมาได้ตั้งชื่อโพรบ WMAP

โพรบนี้ซึ่งอยู่ห่างจากโลกประมาณ 1.5 ล้านกิโลเมตร บันทึกตัวบ่งชี้พื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก (CMB) ทั่วทั้งท้องฟ้าตลอดทั้งปี

เมื่อ 10 ปีที่แล้ว อุปกรณ์อื่นที่คล้ายคลึงกัน Cosmic Microwave Background Explorer (COBE) ได้ทำการสำรวจทรงกลมครั้งแรกของ CMF

COBE ตรวจพบความผันผวนของอุณหภูมิด้วยกล้องจุลทรรศน์ในพื้นหลังไมโครเวฟที่สอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นของสสารในเอกภพอายุน้อย

MAP ซึ่งติดตั้งอุปกรณ์ที่ล้ำสมัยกว่ามาก มองเข้าไปในส่วนลึกของอวกาศเป็นเวลาหนึ่งปี และได้รับภาพที่มีความละเอียดดีกว่ารุ่นก่อน 35 เท่า

พื้นหลังไมโครเวฟจักรวาลเป็นพื้นหลังไมโครเวฟจักรวาลที่เหลือจากบิ๊กแบง โฟตอนเหล่านี้เป็นโฟตอนที่ถูกทิ้งไว้หลังจากการระเบิดของรังสีแสงที่เกิดขึ้นจากการระเบิด และเย็นตัวลงเป็นเวลาหลายพันล้านปีจนอยู่ในสถานะไมโครเวฟ กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือแสงที่เก่าแก่ที่สุดในจักรวาล

เมมเบรนเขียนไว้แล้วว่าในฤดูใบไม้ร่วงปี 2545 กล้องโทรทรรศน์วิทยุดีกรีแองกูลาร์สเกลอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ที่ขั้วโลกใต้ค้นพบว่ารังสีไมโครเวฟพื้นหลังคอสมิกมีโพลาไรซ์

แผนที่ดาวแสดงความผันผวนของอุณหภูมิพื้นหลังไมโครเวฟคอสมิก

โพลาไรซ์ในอวกาศเป็นหนึ่งในการคาดการณ์ที่สำคัญของทฤษฎีจักรวาลวิทยามาตรฐาน ตามที่เธอกล่าว จักรวาลอายุน้อยเต็มไปด้วยโฟตอนที่ชนกับโปรตอนและอิเล็กตรอนอย่างต่อเนื่อง

อันเป็นผลมาจากการชนกัน แสงกลายเป็นโพลาไรซ์ และรอยประทับนี้ยังคงอยู่แม้หลังจากที่อนุภาคที่มีประจุสร้างอะตอมไฮโดรเจนที่เป็นกลางเป็นครั้งแรก

คาดว่าการค้นพบนี้จะช่วยอธิบายได้อย่างชัดเจนว่าเอกภพขยายตัวอย่างไรในเสี้ยววินาทีและกำเนิดดาวดวงแรกอย่างไร ตลอดจนชี้แจงอัตราส่วนของสสารประเภท "ธรรมดา" และ "มืด" และพลังงานมืด

ปริมาณของสสารมืดและพลังงานในจักรวาลมีบทบาทสำคัญในการกำหนดรูปร่างของจักรวาล - แม่นยำยิ่งขึ้นคือเรขาคณิตของมัน

นักวิทยาศาสตร์เริ่มต้นจากการสันนิษฐานว่าหากค่าความหนาแน่นของสสารและพลังงานในจักรวาลมีค่าน้อยกว่าค่าวิกฤต จักรวาลก็จะเปิดและเว้าเหมือนอานม้า

หากค่าความหนาแน่นของสสารและพลังงานตรงกับค่าวิกฤต จักรวาลก็จะแบนราบเหมือนแผ่นกระดาษ หากความหนาแน่นที่แท้จริงสูงกว่าที่ถือว่าวิกฤตในทางทฤษฎี จักรวาลจะต้องปิดและเป็นทรงกลม ในกรณีนี้ แสงจะกลับสู่แหล่งกำเนิดแสงเสมอ

แผนภาพแสดงอัตราส่วนของรูปแบบสสารในจักรวาล

ทฤษฎีการขยายตัว ซึ่งเป็นผลสืบเนื่องมาจากทฤษฎีบิกแบง คาดการณ์ว่าความหนาแน่นของสสารและสสารในจักรวาลจะใกล้เคียงที่สุดกับวิกฤต ซึ่งหมายความว่าจักรวาลแบน

การอ่าน MAP ยืนยันสิ่งนี้

เหตุการณ์ที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งก็คือปรากฎว่าดาวดวงแรกเริ่มปรากฏในจักรวาลอย่างรวดเร็ว - เพียง 200 ล้านปีหลังจากบิ๊กแบงเอง

ในปี 2545 นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการจำลองด้วยคอมพิวเตอร์เกี่ยวกับการก่อตัวของดาวฤกษ์ที่เก่าแก่ที่สุดซึ่งไม่มีโลหะและองค์ประกอบ "หนัก" อื่น ๆ โดยสิ้นเชิง สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นจากการระเบิดของดาวฤกษ์เก่า สารตกค้างที่ตกลงบนพื้นผิวของดาวฤกษ์อื่น และในกระบวนการหลอมนิวเคลียร์แสนสาหัสก็ทำให้เกิดสารประกอบที่หนักกว่า