Топология Вселенной. Некоторые логические выводы из Стандартной Космологической Модели
(ΛCDM)Что мы знаем на текущий момент о Нашей Вселенной?
Под Нашей Вселенной в данном контексте подразумевается именно та Вселенная, которая возникла в результате так называемого “Большого Взрыва” 13,8 млрд лет назад, которая имеет трехмерное пространство, в которой работает известная (не полностью) физика и где мы с вами и существуем.
Наблюдаемая Вселенная является частью Всей Нашей Вселенной, возникшей в результате. “Большого Взрыва”. Вся Наша Вселенная существенно больше видимой ее части.
Вселенная конечна во времени. По крайней мере она не существовала вечно, а возникла
в результате так называемого “Большого Взрыва” 13,8 млрд лет назад (в нашем случае точный возраст Вселенной не имеет принципиального значения.)
До “Большого Взрыва” физики в известном нам виде не существовало.
До “Большого Взрыва” пространство-время не существовало или оно было иным (многомерным).
То, что существовало до “Большого Взрыва”, мы не относим ко Вселенной, ибо не знаем, что там было, и было ли вообще, а если и было, то это вообще никак не походило на Нашу Вселенную, ибо там должна была быть иная физика и другое (многомерное) пространство-время.
На сегодняшний день Вселенная расширяется, причем ускоренно.
Поясню кратко некоторые понятия из геометрии:
Сфера - это множество точек РАВНОУДАЛЕННЫХ от центра.Сфера - это поверхность шара (шар и сфера - это ДВЕ РАЗНЫЕ геометрические фигуры)Двумерная сфера - это поверхность трехмерного шараТрехмерная сфера - это поверхность 4-х мерного шараЦентр трехмерной сферы лежит ВНЕ ее, в центре 4-х мерного шара.“Большой Взрыв” – жаргонный термин, собственно никакого взрыва и не было. На текущий момент его обычно соотносят с моментом распада “ложного вакуума” (скалярного поля, иногда именуемого инфлатонным) и рождения элементарных частиц
До момента “Большого взрыва” была “инфляция” занявшая период времени с 10
−42 сек до 10
−36 сек
За период инфляции линейные размеры Нашей Вселенной увеличились как минимум в 10
26 раз, а её объём увеличился как минимум в 10
78 раз.
Предполагается что в момент начала инфляции, размер Нашей Вселенной, был порядка планковской длины - 1,616 х 10
-35 м. Предполагается что начало инфляции было связано со случайной квантовой флуктуацией “ложного вакуума”, который является неустойчивым состоянием (как шарик на вершине горки – достаточно незначительного воздействия чтобы он начал скатываться и приобрел значительную энергию).
Предполагается что в момент распада “ложного вакуума” (вот этот момент и именуют “Большим Взрывом”), плотности и температуры нашей вселенной были близки к планковским величинам, а искривление пространства нашей вселенной было бесконечно велико.
То есть однозначно в момент распада “ложного вакуума” Наша Вселенная была конечной, замкнутой и сильно искривленной – вот этот тезис кстати в рамках Стандартной Космологической Модели (ΛCDM) и никогда не оспаривался и не оспаривается…
Установленным фактом является то, что расширение Нашей Вселенной (в том числе и в настоящее время) – это ни в коем случае не разлетание галактик и прочих скоплений в трехмерном пространстве. Галактики никуда не разлетаются, раздувается само пространство Нашей Вселенной. А раз так, то расширяться наша Вселенная может и со сверхсветовой скоростью (в начале ее эволюции именно так и было, ибо предполагаемый размер Всей Нашей Вселенной примерно на порядок превосходит ее возраст)
Наблюдаемая вселенная однородна, изотропна (на больших расстояниях) и причинно-связанна (это наблюдаемый факт). Отсюда следует что области Вселенной, ныне удаленные на расстояние больше возраста Вселенной, ранее находились на малом удалении друг от друга и были причинно-связанными.
А теперь опираясь на выше перечисленные факты и базовые понятия Стандартной Космологической Модели (а другой у нас сейчас просто нет) и некоторые понятия из геометрии, можно сделать некоторые интересные выводы о вероятной топологии нашей Вселенной.
Рассмотрим возможные варианты топологии Нашей Вселенной в настоящий момент времени:
1. Стационарная, плоская, бесконечная во времени и пространстве - данная гипотеза внутренне не противоречива, но увы, противоречит наблюдаемым фактам.
2. Расширяющая, плоская, открытая и бесконечная в пространстве, но конечная во времени (имеет конкретную точку и место рождения) - данная гипотеза внутренне очень противоречива, но правда наблюдаемым фактам особо (пока) не противоречит.
3. Расширяющая, искривленная, замкнутая и конечная в пространстве и во времени (имеет конкретную точку и место рождения) - данная гипотеза внутренне очень стройна и логична, при этом наблюдаемым фактам не противоречит (за исключением наблюдаемой нами кривизны пространства).
Первый и главный вывод
С самого начала инфляции (на этапе до “Большого Взрыва”) Наша Вселенная должна была быть (с большой вероятностью) 3-х мерной сферой.
Напомню, что Сфера – это поверхность Шара.
То есть 3-х мерная сфера – это поверхность 4-х мерного шара.
(более сложные варианты 3-х мерных искривленных и замкнутых пространств мы оставим пока за скобками)
Почему Наша Вселенная должна была с большой вероятностью быть 3-х мерной сферой?
Это логично вытекает из того факта что расширение Вселенной является расширением 3-х мерного замкнутого искривленного пространства. А 3-х мерная сфера, это самый простой случай замкнутого искривленного трехмерного пространства.
Кроме это есть дополнительные соображения
1. Начальный момент инфляции не мог начаться в пространстве нашей обычной вселенной, ибо для этого нужна несколько иная физика, отличная от той которой подчиняется наша Вселенная и нужно специфическое скалярное поле (ложный вакуум) которое в Нашей Вселенной не наблюдается. Могло ли это пространство иметь большую размерность? Вполне, более того, согласно теории струн, оно просто обязано быть многомерным.
2. Бесконечное и плоское 3-х мерное пространство не может расширяться в другом бесконечном и плоском 3-х мерном пространстве. Такой случай должен приводить к серьезным топологическим дефектам (доменные стенки) на границе стационарного и расширяющегося пространств, а как следствие - расширяющееся пространство и в этом случаем не может быть плоским и бесконечным, а должно быть замкнутым, ограниченным в пространстве и как следствие – искривленным.
3. За конечный промежуток времени наша Вселенная не могла раздуться из точечной замкнутой и искривленной области в бесконечное и плоское пространство.
Невозможно за конечное время раздуться до бесконечности. Это невозможно даже чисто математически, такое возможно только в результате акта Божественного Творения. Конечность существования Нашей Вселенной во времени автоматически подразумевает ее конечность в пространстве и конечность самого 3-х мерного пространства.
Гипотеза о том, что Наша Вселенная является конечной и замкнутой в пространстве и имеет топологию 3-х мерной сферы очень хорошо согласуется с начальными условия ее рождения.
Разумеется, Вселенная, имеющая топологию 3-х мерной сферы должна иметь огромные размеры (как минимум в 100 раз больше Видимой части Вселенной) чтобы можно было объяснить тот факт, что видимая кривизна пространства очень мала и мы пока не зафиксировали ее отличие от нуля (она может находится в пределах погрешности наших измерений). При этом, несмотря на эти огромные размеры она все равно должна быть замкнутой и конечной, из чего кстати совсем не следует что у Нашей Вселенной есть какие-то границы, как пример – поверхность нашей Земли, которая является 2-х мерной сферой (сама Земля – это 3-х мерный шар, а вот ее поверхность – это 2-х мерная сфера).
В 2-х мерном пространстве поверхность Земли конечна и замкнута, но границ при этом не имеет.
Во Вселенной, имеющей топологию 3-х мерной сферы так называемая “темная энергия” находит весьма простое объяснение.
Можно предположить, что “темная энергия” - это давление “ложного вакуума” в 4-х мерном шаре, которое давит на нашу 3-х мерную сферу изнутри и раздувает ее. То есть источник расширения Нашей Вселенной лежит вне нашего 3-х мерного пространства (так же, как и центр Нашей Вселенной)
Аналогичным образом можно объяснить и “темное вещество” которое может являться ничем иным как неравномерностями распределения энергии “ложного вакуума” в 4-х мерном шаре. То есть в реальности никакого “темного вещества” может и не существовать, а мы на самом деле просто наблюдаем гравитационные аномалии, связанные с какими-то неравномерностями в распределении энергии вне нашего 3-х мерного пространства.
У Нашей Вселенной, есть центр, но этот центр лежит ВНЕ Нашей Вселенной. Центр нашей вселенной - это центр 4-х мерного шара, границей которого и является наша вселенная, которая в свою очередь является 3-х мерной сферой. В самой же Нашей Вселенной все ее точки абсолютно равноправны и равноудалены от центра, точно так же, как поверхность воздушного шарика равноудалена от его центра.
И вот именно это и имеют ввиду космологи, когда говорят, что в Нашей вселенной нет центра, из которого она расширяется.В нашем пространстве его действительно нет, он находится извне относительно нашего пространства.
Использованные материалыКосмологические модели — Википедия (wikipedia.org)Трёхмерная сфера — Википедия (wikipedia.org)Как появился наш мир | Олег Верходанов. Памяти лектора (youtube.com)Основы общей теории относительности, Вергелес С.Н., Лекция 01, 12.09.20 (youtube.com)Лекция 1 | Теория поля (youtube.com)P.S. Это не копипаста, это авторский материал