Как было в начале , так есть теперь и будет всегда .

— Г

ЛОРИЯ

P

ATRI

Если вы подумаете об этом, попытка определить общую кривизну Вселенной
путем измерения общей массы, содержащейся в ней, а затем использовать
уравнения общей теории относительности для работы в обратном направлении имеет огромные потенциальные
проблемы. Неизбежно возникает вопрос, не скрыта ли материя такими способами
, которые мы не можем раскрыть. Например, мы можем исследовать существование
материи внутри этих систем только с помощью гравитационной динамики видимых
систем, таких как галактики и скопления. Если значительная масса как - то проживала
в другом месте мы бы его пропустили. Гораздо лучше было бы непосредственно измерить геометрию
всей видимой Вселенной.

Но как можно измерить трехмерную геометрию всей
видимой Вселенной? Проще начать с более простого вопроса: как бы вы
определили, искривлен ли двумерный объект, такой как поверхность Земли
, если бы вы не могли обогнуть Землю или подняться над ней на спутнике и
посмотреть вниз?

Во - первых, вы могли бы спросить старшеклассника, какова сумма углов
в треугольнике? (Тем не менее, выбирайте среднюю школу тщательно... европейская
- это хорошая ставка.) Вам сказали бы 180 градусов, потому что студент, без
сомнения, изучал евклидову геометрию — геометрию, связанную с плоскими
листами бумаги. На изогнутой двумерной поверхности, подобной глобусу, можно
нарисовать треугольник, сумма углов которого намного больше 180 градусов.
Например, можно провести линию вдоль экватора, а затем повернуть направо.

угол, идущий вверх к Северному полюсу, затем еще один прямой угол обратно вниз к
экватору, как показано ниже. Трижды 90- это 270, намного больше, чем 180
градусов. Voil à!

Оказывается, что это простое двумерное мышление распространяется непосредственно и
тождественно на три измерения, потому что математики, впервые
предложившие не плоскую, или так называемую неевклидову, геометрию, поняли, что те
же самые возможности могут существовать и в трех измерениях. На самом деле, самый известный
математик девятнадцатого века, Карл Фридрих Гаусс, был настолько
очарован возможностью того, что наша собственная вселенная может быть искривлена, что он
взял данные в 1820- х и 30- х годах из геодезических карт для измерения больших размеров.

Конечно, тот факт, что горы находятся на искривленной поверхности Земли
, означает, что двумерная кривизна поверхности Земли мешала бы любому измерению, которое он проводил, чтобы исследовать
кривизну
в фоновом трехмерном пространстве, в котором
находится Земля, которое он должен был знать. Я предполагаю, что он планировал вычесть
любой такой вклад из своих окончательных результатов, чтобы увидеть, есть ли какие - либо возможные остатки
искривление может быть связано с искривлением фонового пространства.

Первым человеком, который попытался окончательно измерить кривизну пространства, был
малоизвестный математик Николай Иванович Лобачевский, живший в
далекой Казани в России.

два математика, которые имели неосторожность предложить в печати возможность
так называемых гибридных криволинейных геометрий, где параллельные линии могут
расходиться. Примечательно, что Лобачевский опубликовал свою работу по гиперболической
геометрии (которую мы теперь называем “ отрицательно изогнутыми ” или “ открытыми ” вселенными) в
1830 году.

Вскоре после этого, рассматривая, может ли наша собственная трехмерная
вселенная быть гиперболической, Лобачевский предположил, что можно было
бы “ исследовать звездный треугольник для экспериментального решения
вопроса ”. Он предположил, что наблюдения за яркой звездой Сириус могут
быть сделаны, когда Земля находится по обе стороны от своей орбиты вокруг Солнца с разницей в шесть
месяцев. Из наблюдений он сделал вывод, что любая кривизна нашей
Вселенной должна быть по крайней мере в 166 000 раз больше радиуса земной орбиты.

Это большое число, но оно тривиально мало в космических масштабах.
К сожалению, в то время как Лобачевский имел правильную идею, он был ограничен
технологией своего времени. Сто пятьдесят лет спустя, однако, все
улучшилось благодаря самому важному набору наблюдений во всей
космологии: измерениям космического микроволнового фонового излучения,
или КМБ.

CMBR- это не что иное, как послесвечение Большого взрыва. Это
дает еще одно прямое доказательство, если оно понадобится, что
Большой взрыв действительно произошел, потому что оно позволяет нам оглянуться назад и
обнаружить природу очень молодой, горячей Вселенной, из которой
позже возникли все структуры, которые мы видим сегодня.

Одна из многих замечательных вещей о космическом микроволновом
фоновом излучении заключается в том, что оно было обнаружено в Нью - Джерси, из всех мест,
двумя учеными, которые действительно не имели ни малейшего представления, что они
ищут. Другое дело, что он существовал практически под всеми нашими носами в течение
десятилетий, потенциально наблюдаемый, но был полностью упущен. На самом деле, вы можете
быть достаточно взрослым, чтобы видеть его эффекты, не осознавая этого, если вы помните

дни до кабельного телевидения, когда каналы использовали для завершения своего вещания
целыми днями в предрассветные часы и не запускать рекламные ролики всю ночь. Когда
они выходили в эфир после показа тестового образца, экран снова становился
статичным. Около 1% помех, которые вы видели на экране телевизора, были
излучением, оставшимся после Большого взрыва.

Происхождение космического микроволнового фонового излучения относительно
просто. Поскольку Вселенная имеет конечный возраст (вспомним, что ей 13,72 миллиарда
лет), и когда мы смотрим на все более отдаленные объекты, мы смотрим

далее во времени (поскольку свету требуется больше времени, чтобы добраться до нас от этих
объектов) вы можете представить, что если бы мы посмотрели достаточно далеко, то увидели
бы сам Большой взрыв. В принципе это не невозможно, но на практике
между нами и тем ранним временем лежит стена. Не физическая стена, как стены
комнаты, в которой я пишу это, но та, которая, в значительной степени, имеет
тот же эффект.

Я не могу видеть за стенами своей комнаты, потому что они непрозрачны. Они
поглощают свет. Теперь, когда я смотрю в небо все дальше и дальше во времени, я
смотрю на Вселенную, которая была все моложе и моложе, а также все горячее
и горячее, потому что она остывала со времени Большого взрыва. Если я загляну
достаточно далеко назад, в то время, когда Вселенной было около 300 000 лет,
температура Вселенной была около 3000 градусов (шкала Кельвина)
выше абсолютного нуля. При этой температуре окружающее излучение было таким
энергия, которая была способна расщепить доминирующие атомы во Вселенной,
атомы водорода, на их отдельные составляющие, протоны и электроны.
До этого времени нейтральной материи не существовало. Нормальная материя во Вселенной,
состоящая из атомных ядер и электронов, состояла из плотной “ плазмы ”
заряженных частиц, взаимодействующих с излучением.

Однако плазма может быть непрозрачной для излучения. Заряженные частицы
в плазме поглощают фотоны и переизлучают их так, что излучение не может
легко проходить через такой материал непрерывно. В результате, если я попытаюсь оглянуться
назад во времени, я не смогу увидеть прошлое время, когда материя во Вселенной в последний
раз состояла в основном из такой плазмы.

Еще раз, это похоже на стены в моей комнате. Я могу видеть их только потому
, что электроны в атомах на поверхности стены поглощают свет от света в
моем кабинете, а затем снова излучают его, и воздух между мной и стенами
прозрачен, так что я могу видеть всю поверхность стены, которая излучала
свет. То же самое и со Вселенной. Когда я смотрю, я вижу весь путь
назад к той “ поверхности последнего рассеяния ”, которая является точкой, в которой
Вселенная стала нейтральной, где протоны объединились с электронами, чтобы образовать
нейтральные атомы водорода. После этого момента Вселенная стала в значительной степени
прозрачной для излучения, и теперь я могу видеть излучение, которое поглощалось
и переизлучалось электронами, когда материя во Вселенной становилась нейтральной.

Таким образом, предсказание картины Большого взрыва Вселенной состоит в том, что
со всех сторон от этой “ последней рассеивающей поверхности ” на меня должно идти излучение
. Поскольку с тех пор Вселенная расширилась примерно
в 1000 раз, излучение остыло на пути к нам и теперь находится в состоянии покоя.

примерно на 3 градуса выше абсолютного нуля. И это именно тот
сигнал, который два незадачливых ученых нашли в Нью - Джерси в 1965 году, и за
открытие которого им впоследствии была присуждена Нобелевская премия.

На самом деле вторая Нобелевская премия была присуждена совсем недавно за наблюдения
космического микроволнового фонового излучения, и не без оснований. Если бы мы
могли сфотографировать поверхность последней рассеивающей поверхности, мы получили
бы картину неонатальной Вселенной всего за 300 000 лет ее существования.
Мы могли видеть все структуры, которые однажды разрушатся, образуя
галактики, звезды, планеты, инопланетян и все остальное. Самое главное, что эти
структуры не были бы затронуты всеми последующими динамическими процессами.
эволюция, которая может затмить основную природу и происхождение первых крошечных
первичных возмущений в материи и энергии, которые, по - видимому
, были созданы экзотическими процессами в самые ранние моменты Большого взрыва.

Самое важное для наших целей, однако, на этой поверхности было бы
признак шкалы, на которой запечатлен ничем другим, чем само время.
Понять это можно следующим образом: если один считает расстояния, охватывающих
около 1 градуса на поверхности последнего рассеяния, как видно для наблюдателя на
Земле, то это будет соответствовать расстоянию на поверхности около 300 000
световых лет. Теперь, поскольку последняя поверхность рассеяния отражает время, когда самой
Вселенной было около 300 000 лет, и поскольку Эйнштейн говорит нам, что
никакая информация не может перемещаться в пространстве быстрее скорости света, это
означает, что сигнал из одного места не может перемещаться по этой поверхности в
то время более чем на 300 000 световых лет.

Теперь рассмотрим кусок материи размером менее 300 000 световых лет.
Такая глыба начнет разрушаться под действием собственной силы тяжести. Но комок
размером более 300 000 световых лет в поперечнике даже не начнет коллапсировать, потому
что он еще даже не “ знает ”, что это комок. Гравитация, которая сама распространяется со
скоростью света, не могла пройти по всей длине комка.
Койот бежит прямо со скалы и висит подвешенным в
воздухе в Дорожном бегуне мультфильмов, комок будет просто сидеть там, ожидая, чтобы
коллапс, когда Вселенная станет достаточно взрослой, чтобы знать, что она
должна делать!

Это выделяет особый треугольник, с одной стороной 300 000 световых лет
в поперечнике, известное расстояние от нас, определяемое расстоянием между
нами и поверхностью последнего рассеяния, как показано ниже:

Самые крупные куски материи, которые уже начнут разрушаться и
при этом будут создавать неровности на изображении поверхности микроволнового
фона, будут охватывать этот угловой масштаб. Если бы нам удалось получить
изображение этой поверхности в том виде, в каком она выглядела в то время, мы бы ожидали, что такие горячие
точки будут в среднем самыми большими значительными комками, которые мы видим на изображении.

Однако, будет ли угол, охватываемый этим расстоянием, точно равен 1
градусу, на самом деле будет определяться геометрией Вселенной. В плоской
вселенной лучи света движутся по прямым линиям. В открытой вселенной, однако,
лучи света изгибаются наружу, когда человек следует за ними назад во времени. В замкнутой
вселенной лучи света сходятся, когда человек следует за ними назад. Таким образом,
фактический угол, охватываемый на наших глазах линейкой, составляет 300 000 световых лет
в поперечнике, расположенной на расстоянии, связанном с поверхностью последнего рассеяния,
зависит от геометрии Вселенной, как показано ниже:

Это обеспечивает прямую, чистую проверку геометрии Вселенной. Поскольку
размер наибольшего горячие и холодные точки в микроволнового фонового
излучения изображения зависит только после причинности, — тот факт, что гравитация может
распространяться только со скоростью света, и, таким образом, крупнейшим регионом которые
рухнули в это время определяется самой дальней дистанции
луч света может иметь размножаются в это время и - за угол, мы
видим, натянутого на фиксированной правителя на фиксированном расстоянии от нас находится всего определено
по кривизне Вселенной простая картина поверхности последнего рассеяния
может открыть нам крупномасштабную геометрию пространства - времени.

Первым экспериментом, предпринявшим попытку такого наблюдения, был
наземный эксперимент с воздушным шаром в Антарктиде в 1997 году под названием БУМЕРАНГ.
Хотя аббревиатура расшифровывается как B alloon Observations of F Millimetric
Extragalactic Radiation and d Geophysics, реальная причина, по которой он был назван этим
именем, проще. Микроволновый радиометр был прикреплен к высокогорному
воздушному шару, как показано ниже:

Затем шар облетел вокруг света, что легко сделать в
Антарктиде. На самом деле, на Южном полюсе это действительно легко сделать, так как вы можете
просто развернуться по кругу. Однако со станции Мак - Мердо кругосветное путешествие
вокруг континента, которому помогали полярные ветры, заняло две недели, после чего
аппарат вернулся в исходную точку, отсюда и название БУМЕРАНГ.