Исследователи предполагают, что Вселенная может иметь экзотическую или «нетривиальную» топологию, такую как пончик или тор, а не плоскую структуру, как принято считать. Такая сложная топология позволяет образовывать замкнутые петли, внутри которых огромное гипотетическое прямолинейное перемещение ведет обратно к исходной точке. Потенциально это может объяснить некоторые температурные аномалии, обнаруженные в космическом микроволновом фоне (CMB).
Топология — это раздел математики, который занимается изучением формы и структуры объектов. Ее не следует путать с геометрией, которая определяет, как может быть искривлено пространство, в то время как топология выражает его связность. Согласно стандартной модели космологии, которая лишь частично объединяет общую относительность и квантовую механику, геометрия Вселенной считается плоской (или почти плоской).
С этой точки зрения топологии, в которых пространство искривляется или представляет собой замкнутые петли, немыслимы. Это означает, что для того, чтобы попасть из одной точки в другую, нужно идти по прямому пути, без изгибов и петель. Однако эта точка зрения, кажется, больше сосредоточена на общей теории относительности, не уделяя достаточного внимания квантовой механике. Действительно, первое касается больше локальной геометрии (в малых масштабах) пространства-времени, а не его глобальной топологии.
С другой стороны, исследования показывают, что квантовые процессы в самом начале существования Вселенной могли вызвать нетривиальную топологию пространства-времени, которая сохраняется и по сей день на очень больших масштабах. Другими словами, топология космоса может допускать неожиданную связность, так что траектория, которая кажется линейной, на самом деле может привести обратно к исходной точке.
По мнению международной группы физиков, некоторые аномалии, обнаруженные в CMB, указывают на то, что Вселенная может иметь подобную замкнутую петлю. «Возможность того, что Вселенная имеет «интересную» топологию, полностью укладывается в рамки нашей стандартной модели физики, но, тем не менее, обычно считается экзотикой«, — пояснил Phys.org один из экспертов исследования, Гленн Д. Старкман (Glenn D. Starkman) из Case Western Reserve (США). В своем новом исследовании, подробно описанном в журнале Physical Review Letters, ученые изучили несколько возможных топологий.
Замкнутые петли возвращаются в исходную точку?
CMB — это остаток излучения, которое распространялось в космосе примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. Поэтому он предоставляет ценную информацию о зарождении Вселенной и последующих процессах, которые привели к формированию крупномасштабных структур, таких как скопления галактик. Хотя в большинстве наблюдений температура Вселенной однородна, в некоторых регионах космоса наблюдаются тонкие флуктуации и аномалии.
Эти колебания свидетельствуют о том, что Вселенная статистически анизотропна, то есть ее свойства различаются в зависимости от направления или ориентации, что противоречит предсказаниям стандартной модели. По мнению авторов нового исследования, это может быть результатом нетривиальной топологии. «Топология — это очень естественный способ «проникновения» анизотропии во Вселенную«, — объясняет Старкман. Флуктуации, наблюдаемые в CMB, дают информацию о топологии космоса, даже если масштаб превышает наблюдаемую Вселенную.
Если бы топология Вселенной была действительно нетривиальной, то в разных точках пространства существовали бы замкнутые петли. По аналогии, Вселенная напоминала бы аркадные игры 1990-х годов, где при пересечении одной стороны экрана появлялся бы персонаж на противоположной стороне. В таком видении перемещение в пространстве по прямой неумолимо вело бы к исходной точке. Кроме того, наблюдатель воспринимал бы каждый объект как несколько копий, как будто космос размножился.
Нарушая статистическую изотропию, нетривиальная топология может вызывать флуктуации температуры и поляризации CMB. Совпадающие температурные петли можно наблюдать в разных частях космоса, поскольку излучение от данного источника (например, звезды) будет достигать наблюдателя с двух разных направлений. Другими словами, одинаковые температуры или другие физические характеристики будут наблюдаться в двух разных точках Вселенной. По мнению авторов исследования, это привело бы к появлению флуктуаций, аналогичных тем, которые в настоящее время наблюдаются в CMB.
Топологические параметры областей пространства, в которых наблюдатели могли бы или не могли бы увидеть пару температурных петель
Недавно ученые изучили 17 различных нетривиальных космологических топологий, включая «пончик» и «три тора». Последний представляет собой трехмерный куб, который зацикливается (или демультиплицируется) на самом себе, и выход из которого с одной стороны приводит к возвращению на противоположную сторону. По их мнению, существование одной или другой из этих топологий нельзя исключать.
Однако важно отметить, что на сегодняшний день нет никаких доказательств наличия таких температурных петель. Тем не менее исследователи считают, что их отсутствие свидетельствует о том, что пространственно-временные петли, проходящие мимо нашего местоположения (Земли), просто малы. «Отсутствие соответствующих температурных петель говорит нам кое-что о длине самой короткой замкнутой петли, проходящей через нас«, — говорит Старкман.
Более того, обнаружение этих аномалий на уровне CMB потребует огромных вычислительных мощностей. Чтобы преодолеть эту трудность, исследователи планируют использовать модели машинного обучения (для уменьшения количества необходимых вычислений). Новые подсказки могут быть обнаружены и в предстоящих данных космического телескопа Euclid (Европейское космическое агентство), касающихся распределения галактик.
