|
Нетривиальная космическая топология
|
|
|
|
В новом исследовании Physical Review Letters (PRL) ученые исследуют возможность существования нетривиальных или экзотических топологий во Вселенной для объяснения некоторых аномалий, наблюдаемых в космическом микроволновом фоне (CMB). Наша космологическая модель Вселенной, основанная на квантовой механике и общей теории относительности, рассматривает геометрию Вселенной под влиянием материи и энергии, которая для большинства целей считается плоской. Однако в нем ничего не говорится о топологии самой Вселенной: бесконечна ли она, есть ли в ней петли и т.д. Исследование PRL сосредоточено на этом аспекте Вселенной и на том, допускают ли современные модели и данные наличие этих экзотических или нетривиальных топологий. Исследование проводится в рамках КОМПАКТНОГО сотрудничества, состоящего из международной команды ученых. Один из соавторов исследования, профессор Гленн Д. Старкман из Университета Кейс Вестерн Резерв в Огайо, США, рассказал Phys.org о работе команды.
|
|
|
|
Обсуждая свою мотивацию продолжить эту работу, он сказал: "Возможность того, что Вселенная имеет "интересную" топологию, полностью укладывается в рамки нашей стандартной физической модели, но, тем не менее, обычно рассматривается как экзотическая". "Я давно опасался, что мы упустим выдающееся открытие о нашей Вселенной, если просто будем смотреть в другую сторону. Тем временем появляется все больше свидетельств того, что Вселенная не является "статистически изотропной", то есть что физика одинакова во всех направлениях. Топология - это очень естественный способ проникновения анизотропии в нашу Вселенную". Реликтовое излучение - это тип излучения, относящийся к микроволновому спектру. Предсказанное в 1940-х годах как остаток Большого взрыва, оно было обнаружено в 1965 году случайно. После Большого взрыва, благодаря которому возникла нынешняя Вселенная, не было ничего, кроме супа из элементарных частиц и газов при чрезвычайно высоких температурах и давлениях, который часто называют первичным супом.
|
|
|
По мере расширения Вселенной она также охлаждалась. Это привело к тому, что элементарные частицы объединились в атомы. До этого момента фотоны взаимодействовали с этими элементарными частицами и рассеивались, не позволяя им свободно перемещаться. Но как только атомы начали формироваться, фотоны стали перемещаться более свободно, примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. Это ознаменовало распространение реликтового излучения, которое считается "послесвечерним излучением" Большого взрыва. В нем содержится важная информация о ранней Вселенной и последующих процессах, которые привели к образованию крупномасштабных структур, таких как звезды и галактики. Реликтовое излучение присутствует повсюду и, по большей части, однородно по температуре. Однако в данных о реликтовом излучении имеются небольшие колебания и аномалии, которые не были объяснены. Исследователи из PRL предполагают, что эти флуктуации и аномалии в измерениях реликтового излучения могут быть объяснены с помощью рассмотрения нетривиальных топологий Вселенной, что означает, что нам не обязательно рассматривать ее как "плоскую".
|
|
|
|
Топология - это раздел математики, который изучает форму и структуру объектов. Правила топологии существенно отличаются от правил геометрии. Хотя геометрия и топология - разные понятия, геометрия влияет на топологию. Геометрия определяет, как искривлено пространство (в небольших масштабах пространство-время считается плоским), а топология определяет общую связность пространства. Если бы у нас было плоское пространство, у нас не могло бы быть топологий, в которых пространство изгибается внутрь или имеет петли. Это означает, что для перемещения между двумя точками нам пришлось бы выбирать прямой путь без каких-либо обходных путей или петель. Профессор Старкман объяснил: "Вселенная может быть похожа на старую видеоигру, в которой, выйдя из правой части экрана, вы попадаете в нее слева, так что вы можете вернуться к тому, с чего начали, по прямой линии. Это называется множественной связью".
|
|
|
|
По сути, прямолинейная траектория предполагает, что, несмотря на видимость непрерывного движения, лежащая в ее основе топология пространства допускает неожиданные взаимосвязи, когда то, что кажется линейной траекторией, на самом деле может замыкаться на себя. Если бы Вселенная была "многосвязной" (то есть имела нетривиальную топологию), мы бы наблюдали совпадающие температурные круги. Это связано с тем, что свет, исходящий от источника (например, звезды), может двигаться по двум разным траекториям и достигать наблюдателя (Земли) с двух направлений. Это приводит к аналогичным колебаниям температуры на карте реликтового излучения (или тепловой карте), в результате чего получаются соответствующие температурные круги. Однако не было никаких свидетельств, указывающих на наличие этих совпадающих температурных кругов. "Отсутствие согласованных температуры кругах, что говорит нам о длине кратчайшего замкнутого контура через нас, но это не говорит нам о длине петли через других местах", - сказал профессор. Старкман.
|
|
|
|
Отсутствие совпадающих температурных кругов в данных CMB позволяет предположить, что если существует нетривиальная топология, то петли, проходящие через наше местоположение (Землю), должны быть относительно небольшими. Это накладывает ограничение на длину этих петель. Профессор Старкман объяснил: "Если аномалии CMB обусловлены космической топологией, то длина кратчайших петель, проходящих через нас, должна быть не более чем на 20-30% больше диаметра последней рассеивающей поверхности — сферы с радиусом, равным расстоянию, пройденному светом за всю историю Вселенной." В свете вышеуказанного ограничения и поиска нетривиальной топологии исследователи предлагают дополнительные способы обнаружения такой топологии в будущем. В частности, они упоминают изменения в статистических моделях температурных флуктуаций в данных CMB, а также в крупномасштабной структуре Вселенной. Эти флуктуации или чередования были бы обнаружены, если бы существовала нетривиальная топология.
|
|
|
|
Но для такого обнаружения требуются огромные вычислительные мощности, и исследователи предлагают использовать алгоритмы машинного обучения для ускорения вычислений и интеллектуального анализа данных CMB для обнаружения нетривиальной топологии. "Поиск топологии будет возобновлен после примерно десятилетнего перерыва. Надеемся, что мы обнаружим космическую топологию и, таким образом, поймем происхождение анизотропии нашей Вселенной и получим представление о процессах, ответственных за первоначальное возникновение нашей вселенной", - заключил профессор Дж. Старкман. В исследовании также подчеркивается, что даже при отсутствии явно совпадающих кругов наличие статистической анизотропии (или аномалий) в реликтовом излучении указывает на потенциальное существование обнаруживаемой информации о структуре и топологии Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
