Спросите Итана #6: Центр Вселенной

http://scienceblogs.com/startswithabang/2013/10/11/ask-ethan-6-the-center-of-the-universe/
  • Перевод
image

«Если вы ищете истину, вы можете в конце концов найти успокоение; если вы ищете успокоение, вы не найдёте ни успокоение, ни истины – вы лишь начнёте с мягкого мыла и выдачи желаемого за действительное, а закончите отчаянием».

Клайв Стейплз Льюис


И тем не менее, иногда ответы, которые вы находите, сталкиваются с вашими представлениями, ощущениями и даже вашим здравым смыслом. Например, в том случае, о котором меня спросил читатель:
Этот вопрос беспокоил меня почти всю жизнь. Я читал и перечитывал объяснения по поводу того, что не существует центра вселенной. Но я хорошо помню геометрию, и не могу себе представить объём, у которого бы не было центральной точки. Даже при постоянном расширении в любой момент у вселенной должен быть центр. С тех пор, как я услышал про эту аналогию с раздувающимся шаром, я не могу принять отсутствие центра.

Так какая же у вселенной геометрия, и есть ли у неё центр?

image

Для начала разделим понятия «нашей Вселенной»,– то есть, наблюдаемой Вселенной,- и «вообще Вселенной», включающей всё, что с нами связано с момента Большого взрыва и много чего ещё. Когда мы всматриваемся в ночное небо, то за Солнечной системой, звёздами, газом и пылью в нашей галактике, за пределами наших галактических соседей и дальше, почти в бесконечность – мы смотрим в наблюдаемую Вселенную.

image

Можно взглянуть за пределы самой дальней из наблюдаемых галактик, до того, как зажглись первые звёзды, в тёмные годы Вселенной. До этого, около 13,8 млрд лет назад, когда Вселенная была меньше, горячее и плотнее, было слишком жарко для того, чтобы сформировались отдельные атомы – именно это мы и видим, наблюдая космическое микроволновое фоновое излучение (КМФИ). А ещё за 380000 лет до того был Большой взрыв – создание горячей, плотной, расширяющейся и остывающей Вселенной.

image

Это та часть Вселенной, что мы можем наблюдать со своего места. То, что мы видим – это примерно сфера, порядка 46 млрд световых лет радиусом, с центром у нас.

Но мы не находимся в центре Вселенной. Наоборот, говоря про неё, мы говорим в контексте физической теории, описывающей её на больших масштабах – ОТО. А относительность говорит, что пространство – не плоское, как трёхмерная решётка, а искривлено при наличии материи и энергии.

image

На больших масштабах у Вселенной также может быть кривизна, в зависимости от различного вида материи, энергии и скорости расширения. Она может иметь отрицательную кривизну, когда углы треугольника составляют менее 180 градусов; положительную – когда углы составляют более 180 градусов; или быть плоской, как бумага, где сумма трёх углов равна 180 градусам.

Кроме этого, кривизна влияет на то, что случится с двумя лучами, исходящими из одной точки – они разойдутся дальше, пересекутся или сохранят угол.

image

На основании сегодняшних наблюдений и физических законов мы знаем, что Вселенная плоская (с точностью 1%), и что размер ненаблюдаемой Вселенной по меньшей мере в 150 раз больше, чем наблюдаемой. И лучше всего это подтверждает наблюдаемое нами КМФИ.

image

Если наши заключения верны, то наблюдаемая нами Вселенная не отличается от тех наблюдений, что может сделать любой другой наблюдатель в любой другой её части. Конечно, на локальных масштабах могут быть отличия – плотность распределения галактик и местное распределение материи. В некоторых направлениях существуют огромные кластеры галактик, в других – пустоты. Некоторые части КМФИ горячее или холоднее.

image

Но на больших масштабах Вселенная будет выглядеть примерно так, как на карте ниже. Хотя у любого наблюдателя наблюдаемая часть будет сферической (её радиус определяется путём, который прошёл свет со времён Большого взрыва) с центром в наблюдателе, но космос во всех трёх измерениях вроде бы продолжается и продолжается дальше, насколько это возможно.

image

Так что насчёт центра? Это зависит от того, как сильно вы хотите уйти в область гипотез. С одной стороны, у структуры пространства есть форма на больших масштабах, зависящая от кривизны. Если кривизна положительная, то она имеет форму сферы, и замыкается на себя. Если плоская – она может иметь форму тора или цилиндра, который опять замыкается на себя. Если отрицательная – она может иметь форму седла на мелких масштабах, но всё равно замыкаться на себя.

image

В общем, в зависимости от кривизны, Вселенная может быть конечной или бесконечной. Если она конечная, то можно говорить о центре. Если пространство-время имеют форму сферы, то центр сферы должен быть. Если пространство-время имеет форму пончика – то центр будет в центры дыры.

Но с этим рассуждением есть проблема.

image

Вы мыслите в трёх измерениях. Это неудивительно. Но все описанные поверхности – поверхность сферы, поверхность пончика или седла, они двумерные. А вы ищете центр в третьем измерении.

Но пространство имеет три измерения. Вселенная расширяется не как двумерная поверхность резинового шарика, который раздувается, а как трёхмерное тесто для хлеба (в печке с нулевой гравитацией), расширяющегося во всех трёх измерениях. Поэтому, если Вселенная будет конечной и будет иметь центр, то он будет расположен в пространстве с большим количеством измерений.

image

Слева поверхность круга – одномерная линия. Её центр расположен на двумерной плоскости. Но если вы ходите только по линии, и спрашиваете «где же центр», ваш вопрос не имеет смысла.

Поверхность сферы справа – двумерная. У неё есть центр в трёх измерениях, но если вы ходите по поверхности, то вопрос о центре также не имеет смысла.

А вот, что мы знаем о нашем пространстве, трёхмерном пространстве.

image

Вполне правдоподобно, что оно является поверхностью некоей структуры из многомерного пространства, и что у неё есть центр. Но мы этот центр найти не сможем. Вопрос о центре не имеет смысла – так же, как вопрос о центре окружности с точки зрения точек на этой окружности.

Поэтому у Вселенной нет центра.
Поделиться публикацией
Комментарии 25
    –3
    >Поэтому, если Вселенная будет конечной и будет иметь центр, то он будет расположен в пространстве с большим количеством измерений.

    Вот тут-то моё понимание и закончилось.
      +6
      Почему? Та аналогия с шариком вполне дает представление об этом.
        0
        Шарик трёхмерный. Я себе не могу представить более чем трёхмерное пространство. Если у минусующих с этим проблем нет, могу лишь порадоваться за их глубину мысли.
          0
          Но вы же можете представить себе набор проекций на трехмерное пространство? Можно подойти с другой стороны и представить, что вы на поверхности плоскости и воспринимаете только 2 измерения. А плоскость свернута в сферу. У которой, соотв. есть центр, который лежит не на ней.
            0
            Набор проекций, это, всё же, не совсем то же самое. Хорошо, скажем, четырёхмерную фигуря я ещё как-то с грехом пополам представить могу, но что касается уже каких-то манипуляций с ним или именно «пространства» — тут уже затруднения. Ведь объект суть не одно и тоже что «пространство».
      0
      Если Вселенная плоская и при этом замкнутая (цилиндр), то значит что у нее есть какое-то выделенное направление? Это было бы весьма странно, вроде ничего подобного не наблюдается.

      Лично мне понятнее была бы четырехмерная сфера (с положительной кривизной) — интуитивно это можно было бы привлечь например для объяснения асимметрии материи и антиматерии: если рассматривать заряд как свойство направленности чего-то внутри частиц по отношению к гиперповерхности такой сферы, то направления «внутрь» и «наружу» были бы очевидно неравноценны из-за кривизны. Ну и еще замкнутость/конечность пространства ассоциируется с Большим Взрывом и связанным с ним «начальным моментом времени».

      А если Вселенная разомкнутая (бесконечная) и плоская (Евклидово пространство) то как это связать с Большим Взрывом, расширением пространства и тем что Вселенная была в виде «точки»? Как может нечто расшириться из бесконечно малого в бесконечно большое, да еще за конечный период времени?
        +4
        На мой взгляд, вы просто смотрите на это с разных точек зрения. На бесконечно малую вселенную вы смотрите «извне», а на бесконечно большую — изнутри. Если посмотреть на вселенную-точку до большого взрыва изнутри нее, она все равно будет бесконечна во всех направлениях. По крайней мере я так это понимаю.

        Тут интересная аналогия с черной дырой рождается. Вот, к примеру, частица в черной дыре. Для этой частицы черная дыра бесконечна. В то же время, для стороннего наблюдателя черная дыра очень даже мала.
          0
          Насколько я понимаю, на концепцию разомкнутой Вселенной неплохо «ложится» М-теория.
            +1
            «Большой взрыв» не означает что «вселенная была в виде точки».
            Как может нечто расшириться из бесконечно малого в бесконечно большое, да еще за конечный период времени?
            Вселенная не была бесконечно малой, вселенная расширялась и расширяется сама в себя, как отель с бесконечным числом номеров.

            Чуть подробнее:
            0
            Да, знатную путаницу вносит то, что мы видим вселенную во всех доступных человеческому восприятию направлениях, потом представляем себе вполне трехмерный большой взрыв и ясно себе понимаем, где у этого взрыва центр. В то же самое время нам постоянно приводят аналогию с двумерной поверхностью расширяющейся сферы, на которой мы находимся. И вот тут включаются баги восприятия, осознания и понимая того, что происходит вообще. Если мы на двумерной поверхности, пусть даже имеющей толщину (как поверхность воздушного шара — тянется, но некоторую толщину все же имеет), то должны наблюдать с земли совсем другую картину — в каких-то направлениях вселенная должна быть сильно «гуще» чем в других: стоя на поверхности сферы — во всех двух измеренениях мы должны видеть эту самую сферу, а вот посмотрев наверх или вниз должны увидеть примерно ничего. С земли, однако, вселенная размазана относительно равномерно для обывателя, хотя физики и/или астрономы со стажем, наверняка возразят. Проблема в том, что в момент, когда во внимании нормального человека появляется расширяющийся воздушный шарик, он — человек — забывает, что на самом деле речь идет лишь об аналогии. На самом деле мы должны себе представлять поверхность некой расширяющейся гиперсферы, у которой есть как минимум три видимых нами пространсвенных измерения и еще это пресловутое четвертое которое мы зовем временем. На деле их, там, скорее всего гораздо больше, так что имей мы и больше возможностей для осознания, все равно центр вселенной лежал бы где-то за гранью нашего восприятия.
              0
              Аналогия, кстати, хорошая. Мы тоже смотрим вперед и назад во времени и видим ничего :)
                0
                Аналогия с шариком — прекрасная. Просто когда смотришь научпоп программы и ролики на ютубе про раздувающиеся воздушные шарики, то думаешь примерно так (это я за себя, конечно, отвечаю, но я же себя от общества и среднестатистического человека не отделяю, поэтому экстраполирую на большенсвто):«А! Ну все понятно, да. Шарик надувается, да, пространсво расползается, отлично — все понял! Ваще молодца, красава!» — и вот уже бежишь всем родственникам, друзьям, знакомым рассказывать какой ты умный и сколько всего знаешь о мире, а у самого в голове крутится: блин, центр шарика же в центре шарика, хотя конечно на поверхности шарика центр везде! Но ценр вселенной он же нигде, хотя вот взрыв был, значит эпицентр не просто так -центр? И поверхность шарика какая-то двумерная, а с земли я куда ни посмотри космос вижу везде?! ну кроме когда под ноги, там я обычно асфальт вижу. И куда на шарике прикрутить время? Пусть даже в качестве третьего измерения. И так останавливаешься, и говоришь себе: не, чет я наверное рано пошел к родственникам, к знакомым этим, еще не дай бог они ответ знают, а я еще нет… неловко как-то будет.
                А по поводу времени, если бы геперсфера была 4-мерной тогда такое рассуждение было бы, пожалуй, верным и вообще ответило на много нехитрых вопросов — например о направленности времени — время движется исключительно в сторону расширения нашей гиперсферы. В своем трехмерном воображении мы действительно не можем посмотреть «вверх» и «вниз» гиперсферы, но со временем все немного не так просто. ТО, вроде как, что-то говорит о том, что в зависимости от направления движения, особенно с большими скоростями и желательно на большие расстояния вполне можно видеть как будущее, так и прошлое наблюдаемого объекта. Приближаясь к нему — будущее, отдаляясь прошлое, если я ничего не перепутал. Так что своеобразно посмотреть вверх или вниз мы можем, пользуясь тем, что время ведет себя как пространство при этом мы в нем всегда движемся, тем быстрее чем меньше движемся в трех привычных координатах.
                А вот размерность вселенной гораздо больше — товарищи с научными степенями пока вроде не договорились сколько им измерений хватит для всего, и даже если договорятся, что хватит, допустим, 11, это вовсе еще не значит, что их не 26.
              +1
              У меня «чайниковский» вопрос. Вот вы пишете:
              около 13,8 млрд лет назад,… за 380000 лет до того был Большой взрыв
              затем
              То, что мы видим – это примерно сфера, порядка 46 млрд световых лет радиусом, с центром у нас.
              и далее
              наблюдаемая часть будет сферической (её радиус определяется путём, который прошёл свет со времён Большого взрыва)

              И что-то тут у меня в голове не стыкуется. Если Большой взрыв произошел 14 млрд лет назад, то как наблюдаемая сфера может иметь радиус 46 млрд световых лет? Википедия утверждает, что на удалении 46 млрд св. лет находится «поверхность последнего рассеяния реликтового излучения» — мне вот любопытно, как эту поверхность «увидели» и оценили, что она именно на таком расстоянии? Я был уверен, что самый удаленный от нас наблюдаемый объект — это галактика (UDFj-39546284), которая как раз находится на удалении 13.4 млрд световых лет и это и есть радиус наблюдаемой «сферы».
                0
                Если Большой взрыв произошел 14 млрд лет назад, то как наблюдаемая сфера может иметь радиус 46
                Вселенная расширяется. Наблюдаемая часть это такая область пространства, из которой фотоны до наших глаз всё таки дошли. Т.к. вселенная расширяется везде и сама в себя, то чем дальше 2 объекта находятся друг от друга, тем с большей скоростью они друг от друга удаляются в результате расширения. И начиная с некоего момента эта скорость превышает световую. Соответственно, что находится за этой гранью мы не наблюдаем. Фотон, стремящийся прямо к нам, обречён нас никогда не догнать.

                Как то так. Забыл отметить, что световой год это расстояние, которое свет преодолевает за 1 год. Т.е. это расстояние, а не время.
                  +2
                  По поводу поверхности последнего рассеяния можете почитать вот тут. Фотоны, представляющие собой реликтовое излучение были испущены примерно через 400000 лет после Большого Взрыва, никаких звезд, и, тем более, галактик тогда еще не было. До этого вселенная была непрозрачна для фотонов, поэтому более раннее излучение мы никогда не увидим.

                  Насчет расстояния — когда вы смотрите на галактику UDFj-39546284, вы видите не то, где она находится сейчас, а то, где она находилась 13,4 миллиарда лет назад; а эти самые 46 миллиардов километров — это как раз примерное расстояние до поверхности последнего рассеяния на настоящий момент, оно не измерено, а рассчитано. Вся фигня с расстояниями происходит из-за расширения вселенной, причем некоторые объекты удаляются друг от друга со скоростью больше скорости света, поэтому вы не можете сказать, что размер вселенной равен скорости света, помноженной на ее возраст.
                    0
                    Понятно, спасибо. Вообще может вполне оказаться так, что наши сегодняшние представления тоже весьма далеки от истинного положения дел. Ещё каких-то несколько тысяч лет назад (что по космическим меркам ну просто «чих») мы полагали, что Земля плоская, равно как были уверены, что она находится прямо в центре Вселенной. Пройдёт ещё несколько тысяч (возможно десятков тысяч) лет, появятся принципиально новые знания, и выяснится, что на самом-то деле всё совсем не так, как нам представляется сейчас и рассчитанный диаметр 93 миллиарда световых лет столь же ошибочен как и давние умозаключения наших предков о плоской Земле.
                  +1
                  «Вселенная плоская (с точностью 1%)»
                  Процента от чего? От нулевой кривизны?
                    0
                    «Если кривизна положительная, то она имеет форму сферы»
                    Есть еще проективное пространство. А если допустить существование особых точек, то пространство с положительной кривизной может быть и бесконечным.
                      0
                      Кстати, вот интересно. Если прстранство таки сфера (гиперсфера) — то открытая кротовая нора топологически делает из сферы тор?
                      0
                      А разве по имеющимся данным, вселенная может быть бесконечной?
                      Ведь если вселенной 13,7 млрд лет, значит за 13,7 млрд лет она из маленькой точки стала бесконечной, а это значит, что 7,35 млрд лет назад вселенная была бы в 2 раза меньше чем сейчас т.е. бесконечной, т.к бесконечность / 2 = бесконечность Тоже справедливо и для следующего выражения: бесконечность / 13,7 = бесконечность, а это значит что она не была маленькой точкой вначале расширения, а уже в первый день была бесконечно большого размера.
                      К тому же если бы она была бесконечной это значит что бесконечное количество времени на скорости может даже больше скорости света, (т.к. само пространство может расширяться быстрее скорости света) она бы расширялась и мы бы не видели ни галактик ни света в ней, так как скорость расширения была бы быстрее скорости света
                        +1
                        … Иначе это бы значило, что галактики генерируются при расширении, но мы вроде как полагаем, что они были созданы в момент большого взрыва
                          –1
                          Ведь если вселенной 13,7 млрд лет, значит за 13,7 млрд лет она из маленькой точки стала бесконечной
                          Выше есть ролик. Вселенная не из точки появилась (по текущим представлениям). Взрыв произошел везде и расширялась вселенная сама в себя.
                        0
                        Спасибо, очень интересно, но почти ничего не понял :(
                          0
                          Да, что там думать? Там, где взрыв, там и центр. )
                            0
                            если пространство двухмерное и свернуто в сферу, то центр будет в пересечении всех отрезков, соединяющих противоположные точки. И пускай эти астрономы не внушают нам про «вопрос не имеет смысла». Вот если пространство двухмерное и свернуто в цилиндр, то да, центра, как такого, нет.

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое