Переосмыслить форму Вселенной: Может ли она быть изогнутой, а не плоской?

Независимо от того, насколько элегантна любая теория, последнее слово всегда будет за экспериментальными данными. Наблюдения за ретроградным движением планет были фундаментальными для революции Коперника, в которой Солнце заменило Землю в центре Солнечной системы. И необычная орбита Меркурия предоставила эффектное подтверждение общей теории относительности (ОТО). На самом деле, все наше понимание вселенной построено на наблюдаемых неожиданных аномалиях.

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, пришло к выводу, который, если он будет подтвержден, может вызвать кризис в космологии. Исследование доказывает, что с вероятностью, превышающей 99%, форма вселенной на самом деле может быть изогнутой, а не плоской, как считалось ранее. В искривленной вселенной, независимо от того, в каком направлении вы путешествуете, вы окажетесь в начальной точке - как на сфере. Хотя вселенная имеет четыре измерения, включая время.

Результат был основан на недавних измерениях космического микроволнового фона, света, оставшегося от Большого взрыва, собранного спутником Планка (Planck Satellite). Согласно теории относительности Альберта Эйнштейна, масса искажает пространство и время вокруг нее. В результате лучи света совершают видимый поворот вокруг массивного объекта, а не движутся по прямой линии - эффект, известный как гравитационное линзирование.

В данных от спутника Планка таких линз гораздо больше, чем должно быть, что означает, что во Вселенной может быть больше темной материи - невидимой и неизвестной субстанции - чем мы думаем. В исследовании ученые показали, что замкнутая вселенная может дать физическое объяснение этому эффекту, потому что она может содержать намного больше темной материи, чем плоская вселенная. Такая вселенная прекрасно совместима с общей теорией относительности.

Не всем космологам комфортно в замкнутой вселенной - предыдущие исследования предполагали, что космос действительно плоский. И если сферическая вселенная является решением аномалии линзирования, то нам придется иметь дело с несколькими серьезными последствиями. Прежде всего, мы должны пересмотреть фундаментальный краеугольный камень космологии - теорию космологической инфляции. Инфляция описывает первые моменты после Большого взрыва, предсказывая период экспоненциального расширения для изначальной вселенной.

Эта теория разрабатывалась в последние 40 лет, чтобы объяснить, почему отдаленные части вселенной выглядят одинаково и имеют одинаковую температуру, находясь при этом слишком далеко друг от друга. Инфляция решает проблему, потому что она означает, что обширные области вселенной когда-то были бы связаны. Но также считается, что период быстрого расширения, который отбросил эти области друг от друга, также с изысканной точностью привел Вселенную в состояние плоскости.

Если вселенная замкнута, то у привычной инфляции проблемы, и мы теряем наше стандартное объяснение того, почему вселенная имеет ту структуру, которую она имеет.

Как только мы предполагаем, что вселенная искривлена, то данные спутника Планка по существу перестают согласовываться со всеми другими наборами данных. Все это сводится к настоящему кризису для космологии. По этим причинам космологи осторожны - и многие из них предпочитают приписывать полученные результаты статистической случайности, которая разрешится, когда будут доступны новые данные из будущих экспериментов.

Возможна ли ошибка?

Возможна. Но все же есть одна главная причина, почему эту аномалию не следует просто отбрасывать. В физике элементарных частиц открытие должно достигать точности не менее пяти «сигм», которые должны быть приняты сообществом. Исследователи, сделавшие данное открытие, признают, что они добились точности выше трех сигм, что явно ниже уровня принятия. Но в то время как стандартная модель физики элементарных частиц основана на известной и проверенной физике, стандартная космологическая модель основана на неизвестной физике.

В настоящее время физические доказательства трех столпов космологии - темной материи, темной энергии (которая заставляет вселенную расширяться с ускоренной скоростью) и инфляции - получены исключительно из космологии. Их существование может объяснить многие астрофизические наблюдения.

Но они не присутствуют ни в стандартной модели физики элементарных частиц, которая управляет вселенной в наименьших масштабах, ни в теории общей теории относительности, которая действует в больших масштабах. Вместо этого эти вещества относятся к области неизвестной физики. Никто никогда не видел ни темной материи, темной энергии или инфляции - ни в лаборатории, ни где-либо еще.

Таким образом, хотя аномалия в физике элементарных частиц может рассматриваться как намек на то, что нам может понадобиться изобрести совершенно новую физику, аномалия в космологии должна рассматриваться, как единственный способ пролить свет на совершенно неизвестную физику.

Поэтому наиболее интересным результатом этого исследования является не то, что Вселенная окажется изогнутой, а не плоской, а тот факт, что она может заставить нас переставить кусочки космической головоломки совершенно другим способом.