Что, если Вселенная не однородна?
В далекой галактике гравитация работает не так, как на Земле. И скорость, с которой все там движется, тоже очень странная. Может быть, некоторые места в нашей огромной Вселенной просто не соблюдают наши законы физики? И если бы это было правдой, что бы это означало для нас?
Все вы прекрасно знаете, что галактики разлетаются в разные стороны. Это судьба нашей Вселенной. Насколько мы знаем, она началась как единое целое и расширяется с момента Большого взрыва.
Хотя гравитация должна держать все на своих местах, галактики продолжают удаляться друг от друга под воздействием таинственной гипотетической силы, которую мы называем темной энергией. И этот процесс ускоряется.
Несколько исследований показали, что некоторые места во Вселенной расширяются не так, как мы ожидаем, что делает наше понимание основных законов физики (здесь надо сделать паузу) неправильным. Так что, если все, что мы знаем о Вселенной, неверно?
Этапы эволюции Вселенной. Нажмите на изображение, чтобы его увеличить
Если бы каждый уголок Вселенной оказался разным, то рухнул бы космологический принцип, объясняющий, как работает Вселенная. Мы видим Вселенную как изотропную или однородную. Мы ожидаем, что звезды, планеты и галактики в самом дальнем углу Вселенной ведут себя точно так же, как здесь, в галактике Млечный Путь.
Неоднородная Вселенная была бы анизотропной. И все это будет означать, что фундаментальные законы физики, в конце концов, не универсальны.
Некоторые отдаленные места во Вселенной могут иметь совершенно разные космологические константы, такие как скорость света. В нашем уголке Вселенной свет движется со скоростью 300 000 км / с. И ничто не может путешествовать быстрее света.
Но в анизотропной Вселенной скорость света может быть разной. В некоторых местах она может быть быстрее, позволяя некоторым инопланетным цивилизациям очень быстро путешествовать по своим галактическим окрестностям. Но в других местах скорость света может быть медленнее, что заставляет все в этой части Вселенной двигаться намного, намного медленнее.
Гравитация может работать по-разному во всей Вселенной. Там могут быть планеты, где сила притяжения будет сильнее на объектах с меньшей массой. И, может быть, просто возможно, у этих планет будут звезды, вращающиеся вокруг них, а не наоборот.
На этой фотографии показано Abell 2218 – богатое скопление галактик, состоящее из тысячи отдельных галактик. Оно расположено на расстояние 2,1 миллиардов световых лет от Земли (красное смещение 0,17) в северном созвездии Дракона.
Может быть, в некоторых местах во Вселенной гравитация будет меняться в зависимости от времени суток. И, возможно, инопланетные виды, обитающие в таких мирах, имели бы тела, которые приспосабливаются к изменяющимся гравитационным условиям. Но ничто из этого не изменит то, как все работает здесь, на Земле. Так что же это все означает для нас?
Мы определяем расстояние между объектами во Вселенной, основываясь на принципах, которые мы знаем. Если Вселенная не однородна, мы можем ошибаться в том, как далеко от нас находится галактика Андромеды и как скоро она столкнется с нашей галактикой, Млечным Путем. Мы могли бы просчитаться, сколько времени потребуется, чтобы добраться до Проксимы Центавра. Мы могли ошибаться и в отношении возраста Вселенной.
Если Вселенная не везде одинакова, то это может облегчить нам освоение космоса. Нам просто нужно понять все различные принципы Вселенной и использовать их в своих интересах. Но это также может усложнить межзвездное путешествие, в результате чего мы ограничимся только исследованием и колонизацией нашей собственной Солнечной системы.
Источник
7. Однородность и изотропия Вселенной
7. Однородность и изотропия Вселенной
Приведем более строгие, чем в главе 6, определения однородности и изотропии. Почему это важно? Эти понятия определяются на данный момент времени, а космологическое пространство меняется со временем. В теории Ньютона в этом нет проблемы, поскольку понятие времени абсолютно. В СТО тоже нет больших проблем, определившись с выбором какой-либо инерциальной системы отсчета, наблюдатель также имеет единое время. А в ОТО, да еще в переменном по времени решении, ситуация сложнее. Поясним это на примере того же решения Фридмана: ds 2 = c 2 dt 2 – a 2 (t)dl 2 . Здесь каждому значению времени соответствует пространство со своим значением масштабного фактора a(t). Пространство-время как бы распадается на слои – пространства, сложенные «стопочкой». Ход времени определяется переходом от одного слоя (пространственного сечения) к другому, а каждый слой отвечает своему единственному моменту времени.
Рис. Д4. Расслоение пространства-времени на пространственные сечения
На рис. Д4 такое расслоение произвольного пространства-времени изображено символически, каждый слой – это 3-мерное пространство в данный момент времени. Для вселенной Фридмана каждое такое 3-мерное пространство и однородно, и изотропно. Но это произошло потому, что для поиска решений Фридман специально выбрал такую удобную систему координат именно с этим определением времени. На самом деле можно выбрать другую систему координат, для которой сечения одновременности уже не будут ни однородными, ни изотропными. В неоднородной же Вселенной подобрать однородные пространственные сечения вообще невозможно.
Теперь можно дать строгое определение: Вселенная однородна, если через каждую мировую точку (событие) проходит пространственное сечение однородности. В каждой точке на таком сечении плотность ?, давление p и кривизна пространства должны быть одинаковы.
Теперь определим изотропию Вселенной. Рост масштабного фактора означает и расширение материи, заполняющей Вселенную. На каждую частицу расширяющегося вещества можно мысленно «посадить» сопутствующего наблюдателя. Вселенная изотропна если, каждый сопутствующий наблюдатель не может отличить одно направление от другого.
Если Вселенная изотропна, то она автоматически однородна. Действительно, если это не так, то будут какие-то ее части с разной плотностью, давлением и т. п. Но тогда, найдутся выделенные направления к областям с разными характеристиками, а это нарушение изотропии. А вот однородная Вселенная может быть анизотропной. Но для всех сопутствующих наблюдателей эта анизотропия будет одинаковой. Таких моделей Вселенной существуют целые семейства, они до сих пор активно исследуются. Поскольку изотропия Вселенной подтверждена с определенной точностью, то модели с меньшей величиной анизотропии имеют право на жизнь.
В качестве наглядного и простого примера рассмотрим однородную, но анизотропную космологическую модель, предложенную американским математиком Эдвардом Каз-нером (1878–1955) в 1922 году. Эта вселенная, в отличие от фридмановской, без материи, хотя ее можно заполнить веществом, но «пробным», так что оно не влияет на геометрию. Решение Казнера, метрика которого имеет вид
не выдумано, а является решением уравнений Эйнштейна. Параметры p 1, p 2, p 3 удовлетворяют двум соотношениям p 1 + p 2 + p 3 = 1 и p 1 2 + p 2 2 + p 3 2 = 1. Отсюда следует, что все числа не могут быть равными одновременно, мало того, одно из них всегда отрицательно. Исключение составляют два вырожденных случая.
Поскольку модель пустая, то пространство характеризуется только значениями кривизны в каждой точке. Эти значения определяются только моментом времени и одинаковы во всех точках пространства, так как метрические коэффициенты не зависят от пространственных координат, то есть пространство однородно. Из ограничений на параметры можно сделать вывод, что эта вселенная расширяется. Действительно, элемент объема
dV = t p 1+p2+p3 dxdydz = tdxdydz увеличивается пропорционально времени. Однако увеличивается такая вселенная довольно странно – по двум координатам расширяется (тем, которым соответствуют положительные параметры), а по третьей – сжимается (ей соответствует отрицательный параметр). Очевидно, что это анизотропное поведение.
Казнеровский режим расширения, конечно, не соответствует современному расширению – слишком очевидна его анизотропия, которая не наблюдается. Однако, вблизи сингулярности t = 0, которая имеет место, так же, как и во фридмановском сценарии, решение Казнера представляется интересным космологам. Оказывается, при приближении к сингулярности возникает осциллирующий режим Казнера, когда отрицательный параметр начинает переходить от одного пространственного измерения к другому с возрастающей частотой. Это дает дополнительные возможности «подобраться» к пониманию физики космологической сингулярности. Связь с вселенной Фридмана, в которой мы живем, в одном из вариантов осуществляется следующим образом. Анизотропная часть модели Казнера трактуется как эффективная материя, которая с расширением распадается с образованием обычной материи. Если и остается анизотропия, то она не наблюдается из-за слабости эффекта.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
14. Судьба Вселенной
14. Судьба Вселенной Твердят, мол, сгинет мир в огне Или во льду. По опыту, пожалуй, мне Приятней погибать в огне[23]. Роберт Фрост Игра не закончена, пока она не закончилась. Йоги Берра Как мы уже видели, способность цивилизации на Земле или в космосе достичь уровня такого
МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ
МАСШТАБЫ ВСЕЛЕННОЙ Наше путешествие начинается в привычном нам масштабе — том самом, в котором мы живем, пользуемся разными вещами, видим и трогаем их. Неслучайно именно один метр — не одна миллионная его доля и не десять тысяч метров — лучше всего соответствует размеру
ЭКСКУРСИЯ ПО ВСЕЛЕННОЙ
ЭКСКУРСИЯ ПО ВСЕЛЕННОЙ Книга и фильм «Степени десяти» (Powers of Ten) — одно из классических путешествий по далеким мирам и измерениям — начинаются и заканчиваются изображением пары людей, сидящих на травке в парке в Чикаго; надо сказать, что это место подходит для начала
5. Расширение вселенной
5. Расширение вселенной Тем временем в конце 1960-х нас снова ожидал кризис, хотя и гораздо менее драматичный, чем злополучное знакомство Роберта с эффектами лекарств. Членство Стивена в колледже в качестве научного сотрудника подходило к концу, и так как один раз срок уже
9. Происхождение Вселенной
9. Происхождение Вселенной Вопрос о происхождении Вселенной немного схож с самой древней проблемой: что появилось сначала – курица или яйцо? Другими словами, какая сила создала Вселенную и что создало эту силу? Или, возможно, Вселенная или создавшая ее сила существовали
Содержимое Вселенной
Содержимое Вселенной «Что там?» — привычный вопрос людей, вглядывающихся в небо.Попытки астрономии ответить на него в отношении всей Вселенной то дразнят нас своими поразительными ответами, то обескураживают столь же поразительными вопросами. Содержимое всей
Жизнь во Вселенной
Жизнь во Вселенной 107. Как жизнь начиналась? Определение жизни трудное, но выглядит приблизительно так: жизнь это самоподдерживающаяся химическая система, способная следовать дарвиновской эволюции.Нет сомнения, что жизнь может возникнуть во Вселенной. Посмотрите в
9. Модели Вселенной
9. Модели Вселенной Ни один физик не оспаривает сегодня специальную теорию относительности, и лишь немногие оспаривают основные положения общей теории относительности. Правда, общая теория относительности оставляет многие важные проблемы нерешенными. Несомненно и то,
2. Вкратце о Вселенной
2. Вкратце о Вселенной Вселенная безбрежна и невероятно прекрасна. Удивительно проста в одних своих проявлениях и невероятно сложна в других. Из всего несметного многообразия понятий, относящихся ко Вселенной, нам сейчас понадобится лишь несколько – о них
Источник
