Проблема плоскостности

Проблема плоскостности — это космологическая проблема, связанная с вопросом, почему наблюдаемая Вселенная кажется практически плоской (в смысле евклидовой геометрии), несмотря на то, что в рамках стандартной модели Большого взрыва плоскость Вселенной должна быть очень нестабильной. Эта проблема является одним из ключевых вызовов, с которым столкнулась классическая теория Большого взрыва, и стала одним из аргументов в пользу инфляционной модели Вселенной.

Общая теория относительности предсказывает, что форма пространства зависит от плотности материи и энергии во Вселенной. В зависимости от этой плотности Вселенная может быть:

• Положительно изогнутой (если плотность больше критической, аналогично сфере),
• Отрицательно изогнутой (если плотность меньше критической, как гиперболическая поверхность),
• Плоской (если плотность равна критической, как в евклидовой геометрии).

Современные наблюдения, особенно данные реликтового излучения, показывают, что Вселенная почти плоская, с отклонениями, если они существуют, не более чем на 0,4 %. Однако, если Вселенная была немного не плоской в ранние времена, со временем её кривизна должна была увеличиваться. Если Вселенная не была строго плоской с самого начала, её кривизна должна была стать заметной сегодня.

Без инфляции плоскостность Вселенной выглядит крайне неустойчивой. Даже небольшие отклонения от критической плотности в первые моменты после Большого взрыва должны были привести к значительному увеличению кривизны со временем. Однако, по данным наблюдений, этого не произошло. Вопрос, почему текущие измерения показывают почти идеальную плоскость, стал известен как «проблема плоскостности».

Наиболее распространённое решение проблемы плоскостности — это инфляционная теория Вселенной, предложенная Аланом Гутом в 1981 году. Инфляция — это гипотетический период экспоненциального расширения Вселенной, который произошёл в первые доли секунды после Большого взрыва. Этот процесс разгладил пространство, уменьшая кривизну Вселенной до очень малых значений, практически сделав её плоской.

Инфляционная модель предполагает, что даже если Вселенная начиналась с кривизной, инфляция быстро сделала её настолько близкой к плоской, что сегодня мы не можем наблюдать заметных отклонений.

Современные наблюдения, в том числе данные от миссий WMAP и Planck, предоставили высокоточные измерения космического микроволнового фонового излучения. Эти данные подтверждают, что наблюдаемая Вселенная очень близка к плоской. Инфляционная теория объясняет не только это, но и другие проблемы классической космологии, такие как проблема горизонта и проблема монополя.

Хотя инфляция является доминирующим решением проблемы плоскостности, существуют и альтернативные теории. Среди них:

• Теории с переменной плотностью энергии во Вселенной, которые позволяют избежать необходимости инфляции.
• Модели циклической Вселенной, согласно которым Вселенная проходит через периоды расширения и сжатия, при этом плоскостность достигается в каждом цикле.

Проблема плоскостности тесно связана с другими космологическими вопросами, такими как проблема горизонта и проблема монополя. Все они представляют собой вызовы для классической модели Большого взрыва и стимулировали развитие инфляционных моделей.

• Инфляционная теория Вселенной
• Космологические параметры
• Реликтовое излучение

1. Guth, A.H. (1981). «Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems.» Physical Review D.
2. Bennett, C.L., et al. (2003). «First Year Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Observations: Preliminary Maps and Basic Results.» The Astrophysical Journal Supplement Series.
3. Planck Collaboration (2016). «Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters.» Astronomy & Astrophysics.

• WMAP: Исследования реликтового излучения
• Миссия Planck