ramius01 írta:Durván fogalmazva, az Univerzum olyan mint egy sík lap. Arról viszont nincs elképzelésünk, hogy ez a sík lap hogyan kunkorodik. Extrém esetben akár magába is záródhat, mint egy henger felülete.
Így van. Sőt: még bonyolultabb, nehezebben elképzelhető esetek is előfordulhatnak.
Egy végtelen térfogatú henger felülete nyilván végtelen és egyben határtalan. Egy véges térfogatú henger felülete véges ugyan, de határtalan.
A helyzet cifrább. Vegyünk egy véges hosszúságú hengert, és ragasszuk össze a két körlapját, majd tekintsük az így kapott alakzat felületét. Ismerős? Olyan, mint egy biciklibelső - matematikai nevén tórusz. De hiszen ez nem sík felületű, hanem görbült! Nem, ez csak a mi szegényes térszemléletünk szerint van így. Mi csak úgy tudjuk elképzelni a henger két körlapjának összeragasztását, ha az objektumot a térben meggörbítjük. Matematikailag azonban lehetséges teljesen sík, görbületlen felületű, ám véges és határtalan felszínű tórusz is. Akárcsak ennek háromdimenziós analogonja is. Az ilyen objektum (matematikai nevén: kompakt 3-sokaság) görbületlen, de három különböző irányban is körbe lehet járni (sőt cifrább körüljárások is lehetségesek: induljuk el ferdén a tóruszon, ha szerencsénk van, sok-sok fordulat után pontosan visszajuthatunk a kezdőpontba). További bonyodalom: az összehajtott síkot összeragasztása előtt meg is forgathatjuk, így kapjuk a Möbius-szalagot. A tóruszt is tekergethetjük az összeragasztás előtt, ebből lesz a Klein-kancsó, ami a Möbius-szalaghoz hasonlóan egyoldalú, ám zárt felület. Három dimenzióban még nagyobb szabadságunk van: az összeragasztást megelőző elforgatás szöge nem csak 180 fok lehet, hanem tetszőlegesen választhatjuk meg. Az így kapott alakzatok lokálisan mind olyanok, mint a sík, globális topológiájuk viszont különbözik.
Ajánlott irodalom: J.R. Weeks: A tér alakja, Typotex, több kiadás,
http://www.typotex.hu/konyv/A%20t%C3%A9r%20alakjaRemek, szemléletes, didaktikus bevezetés a 2- és 3-dimenziós sokaságok topológiájába. Kész csoda, de középiskolai matematikai ismeretek alapján is követhető és érthető!
Hogy valóban egy henger felületén vagyunk e, annak kiderítése elméletileg rendkívül egyszerű, gyakorlatilag viszont szinte lehetetlen. Csak egy fénysugarat kellene elküldenünk minden irányba, és várni, hogy az egyikből visszaérjen. A fény véges terjedési sebessége és a saját korlátozott élettartalmunk miatt ez kivitelezhetetlen.
Ez is igaz, de a helyzet bonyolultabb. Az Univerzum ugyanis tágul. Elképzelhető, hogy topológiája szerint véges kerületű henger, de a tágulás miatt a kerület olyan gyorsan nő, hogy a fénysebességgel cammogó fény sohasem fog rajta körbeérni, mert a kerület növekedésének sebessége nagyobb a fény sebességénél. Ebben az esetben elméletileg sem pillanthatjuk meg az általunk kibocsátott fénysugarat, vagy másképp mondva: nem láthatjuk meg a távcsőben saját Tejútrendszerünk régi, mondjuk hárommilliárd évvel ezelőtti képét.
Az első kérdésem. Létezik e olyan módszer, amivel a gyakorlatban is meg lehet határozni az Univerzum globális topológiáját?
A kérdés teljesen jogos, a válasz egyszerű: Nincs ilyen módszer.
Ha a tér véletlenül nagyon kicsiny kerületű henger vagy tórusz lenne, és ugyanazt az objektumot többször látnánk, az erre utalna. Kb húsz évvel ezelőtt felmerült ez a lehetőség. A térben periodikusan ismétlődő, sok galaxist tartalmazó "falak" és a köztük levő üres tartományok elhelyezkedésének túlzott szabályosságát magyarázták úgy, hogy csak egyetlen "fal" van, de azt többszörösen látjuk (a kerület nagyságrendileg pár száz millió fényévnek adódott). A későbbi mérések alapján ez az elképzelés tévesnek bizonyult. Ma úgy gondoljuk, hogy ha a topológia ilyen lenne, a kerület sokkal nagyobb lenne, tehát nem pillanthatnánk meg a körbehaladó fényt. Nincs tehát közvetlen mérési módszerünk.
Második kérdésem. Ha jelenleg nem ismerjük ezt a topológiát akkor mi alapján mondjuk, hogy az Univerzum végtelen? Miért nem képzelhető el egy olyan globális topológia, ahol az Univerzum síkja valahogy (pl. henger) magába kunkorodik?
Nyugodtan elképzelhető ilyen globális topológia, de úgysem tudunk dönteni. A kozmológiai ismeretterjesztő könyvek és előadások (beleértve az enyémeket is) e tekintetben kissé pongyolák. Azt mondják: "kimértük, hogy a tér sík, ebből következik, hogy végtelen". Ez nem igaz. A pontos állítás: "Kimértük, hogy a tér sík. Geometriája tehát lokálisan olyan, mint az euklideszi téré. HA FELTESSZÜK, hogy globális topológiája a lehető legegyszerűbb (azaz egyszeresen összefüggő, matematikusabban mondva: homotópia-csoportja triviális), AKKOR ebből az következik, hogy a tér végtelen. HA EZT NEM TESSZÜK FEL, akkor számos más lehetséges globális topológia is elképzelhető."
Miért mondjuk mégis azt, hogy a tér végtelen? Az ok: Occam borotvája. Ha egy tapasztalat sokféleképp magyarázható, válasszuk a legegyszerűbb magyarázatot - HACSAK valami későbbi újabb megfigyelés ellent nem mond ennek! Ez esetben viszont keressünk a lehetséges bonyolultabb magyarázatok közül olyat, amely az új tényadattal is kompatibilis! Jelenleg semmiféle ilyen extra adatunk nincs - ezért a legegyszerűbb lehetőséget, a végtelen euklideszi teret tekintjük az Univerzum tere alakjának.
Megerősíti a végtelen tér elképzelését az izotrópia tapasztalata is. A nemtriviális topológiájú terek nem izotrópok, amit mi látunk, az viszont az, tehát a legegyszerűbb, ha feltesszük, hogy egyszerű a topológiája. Ez sajnos nem túl meggyőző érv: ha a bezáródó világ kerülete sok nagyságrenddel nagyobb, mint az általunk látott Univerzum 13 milliárd fényéves sugara, akkor nyugodtan elképzelhető, hogy a látott világ egy nagy és bonyolult Univerzum parányi, é parányisága miatt még izotrópnak tekinthető darabkája. (Az Alföld közepén egy pár kilométeres átmérőjű terület jó közelítéssel izotróp, ugyanez a Mártában vagy az Alpokban már nem mondható el...)
Miféle új, elképzeléseinket felülíró adat képzelhető el? A teret közvetlenül körüljáró fénysugár nem valószínű. Közvetett (majdani) bizonyítékok viszont lehetségesek. Az egyik a fentebb említett anizotrópia felfedezése lenne. Ez nem túl valószínű, mert a legmesszebbről érkező fény, a háttérsugárzás négy tizedes pontossággal izotrópnak bizonyult. De van más lehetőség is. Pl ha a kozmológiai elmélet további fejlődése (mondjuk a galaxisok kialakulásával kapcsolatos mai nehézségek meghaladása) során kiderül: az anyag ma ismert eloszlásának és szerveződésének előfeltétele az, hogy az ősi, még kisméretű, hengeres vagy tóruszos topológiájú Univerzumot néhányszor körüljárja egy sűrűséghullám, és homogenizálja az akkori anyageloszlást - nos akkor (az elmélet sokszori ellenőrzése és a megfigyelésekkel való gondos összevetés után) kénytelenek leszünk elfogadni a globális topológia nemtriviális voltát. Ilyen közvetett bizonyítékok igen gyakoriak a természettudományokban, de természetesen csak igen alapos megvitatás és ellenőrzés, az egyéb lehetőségek kizárása után szokták elfogadni őket. Szóval a hengeres Világegyetem hívei számára még van remény...
dgy