Что, если Вселенная вращается как единое целое?

Предположим, что за миллисекунды после Большого взрыва космическое яйцо приобрело большой угловой момент. По мере расширения, сохраняя постоянный импульс (а не внешние силы), скорость вращения замедлялась бы, но она никогда не достигала бы нуля.

Какое значение это может иметь для измерений далеких сверхновых и реликтового излучения? Есть ли у нас какие-либо экспериментальные данные, которые определенно исключают такой сценарий? И до какого уровня достоверности?

Редактировать недавнюю статью предполагает, что вселенная действительно может вращаться как единое целое. Есть желающие потыкать в нем дырочки?

Редактировать 2 Еще более свежая статья накладывает ограничения на возможное вращение.

Мне интересно увидеть ответы. Однако моя первая мысль: «вращение относительно чего?» Я не уверен, что имеет смысл говорить о вращении всей Вселенной.
Как насчет решения Гёделя, Тим? Это правда, что одним из мотивов Эйнштейна для построения ОТО был принцип Маха, но оказывается, что ОТО допускает геометрии, нарушающие этот принцип.
@Raskolnikov: хороший момент с метрикой Гёделя
@Tim: Хотя линейное движение относительно, это неверно относительно углового движения.
@ Тим: с этим точно нет проблем. Причина, по которой эти решения не появляются часто, заключается в том, что для локализованных систем обычно требуется асимптотическая плоскостность (или dS или AdS), в то время как для вселенной в целом часто требуется однородность. Предположения, конечно, можно отбросить, но я не уверен, что тогда можно будет сказать что-то разумное о решениях (в любом случае их может быть нелегко найти).
@Piotr: Не могли бы вы уточнить, что вы подразумеваете под «угловым движением не относительно»? Думаю, я бы сказал, что Земля вращается относительно далеких звезд, но не относительно меня, когда я сижу на ее поверхности. Вы имеете в виду тот факт, что вращающаяся система не является инерционной? Или ваша точка зрения связана с вращающимися метриками в GR, как упомянул Раскольников? Или что-то другое?
Я думаю, что решение Геделя требует фиксированного (постоянного) вращения. А если есть распределение углового момента, как у галактики?
Метрика Гёделя не описывает расширяющуюся Вселенную, поэтому я думаю, что она на самом деле не отвечает на вопрос, предполагающий расширение. en.wikipedia.org/wiki/…
Статья на сайте discovery.com ссылается на реальную статью: arxiv.org/abs/1104.2815 Если это правда, то я думаю, что это будет первый возможный намек на ненулевую скорость вращения Вселенной. Он не пытается сформулировать свои результаты в терминах угловой скорости. Я сомневаюсь, что этот тип анизотропии согласуется с инфляцией...?
Редактировать № 2 со ссылкой на статью, в которой говорится, что шансы на ротацию составляют 1: 121000.
@TimGoodman Еще более реалистично решение Керра описывает вращающуюся вселенную, которая даже пуста.
Я бы проголосовал за этот вопрос, но я не думаю, что было бы справедливо нарушить 42 балла.
В 1984 году я задал этот вопрос Джону Арчибальду Уиллеру. Мое предположение заключалось в том, что глобальное вращение Вселенной может объяснить асимметрию распада мессона и преобладание материи над антиматерией, что привело к материальной Вселенной.
Любая другая частица или система может вращаться и находиться внутри чего-то другого. Есть хороший шанс, что вселенная тоже. Или, по крайней мере, нет причин предполагать, что это не так.
@TimGoodman - Это немного «поздно», но, что касается вашего вопроса (в этих комментариях) «фиксировано относительно чего?», Ответ (в основном, «фиксировано относительно расширяющегося пространства») предоставляется в 2019 г. статья на arxiv.org/pdf/1910.10819.pdf .
Я должен добавить тот факт, что космологическая модель, в которой описан вышеупомянутый ответ на вопрос Тима, немного отличается от гёделевской (поскольку она основана на теории Эйнштейна-Картана, а не на ОТО), хотя, поскольку она, по-видимому, укладывается в рамки Черные дыры Керра-Ньюмена (которые содержат замкнутые времениподобные кривые, обход которых потребует много времени и энергии), я думаю, что они имеют много общего с ним.
Более свежий результат, основанный на анализе около 200 спиральных галактик, в которых было обнаружено, что одно направление вращения предпочтительнее другого с коэффициентом 2%, был опубликован в середине 2020 года и представлен на сайте newscientist.com/article/… .
На en.wikipedia.org/wiki/Axis_of_evil_(cosmology) последствия «Оси Зла», интерпретирующие любое предпочтительное направление движения как психологическую «идею референции», также могут быть истолкованы как отрицание того очевидного факта, что ЛЮБОЙ предпочитаемый направление движения может возникать в ЛОКАЛЬНОЙ вселенной, в мультивселенной (разделенной на причинно-разделенные области горизонтами событий черных дыр, внутри которых могут развиваться ЛЕ), чему способствуют модели «Генезис черной дыры», разработанные Смолиным, Поплавски, и т. д. Они, кажется, упускают возможность категорического деления. – Эдуард

Ответы (6)

Если вы всем сердцем верите в принцип Маха, то нет никакой возможности эмпирически проверить вращение Вселенной в целом, поскольку ей больше не к чему вращаться. Однако общая теория относительности не очень махистская и предлагает множество способов, с помощью которых наблюдатель внутри закрытой лаборатории может определить, вращается ли лаборатория. Например, она может наблюдать за движением гироскопа или измерять, равен ли нулю эффект Саньяка. Существуют альтернативные теории гравитации, такие как гравитация Бранса-Дикке, которые более махистские, чем ОТО [Brans 1961], и в этих теориях, вероятно, нет осмысленного смысла, в котором Вселенная могла бы вращаться. Однако тесты Солнечной системы [Бертотти 2003] исключают какие-либо значительные отклонения от ОТО типа, предсказанного гравитацией Бранса-Дикке,

Следовательно, в соответствии с общей теорией относительности возможно существование космологии, в которой Вселенная вращается. Исторически сложилось так, что одним из первых открытых космологических решений уравнений поля Эйнштейна была метрика Гёделя, которая вращается и имеет замкнутые времениподобные кривые. Если бы мы жили во вращающейся Вселенной, как в примере Гёделя, скорость вращения должна была бы выражаться в терминах угловой скорости, а не углового момента. Угловая скорость измеряется гироскопом или эффектом Саньяка, а в ОТО даже нет определения углового момента, применимого к космологическому пространству-времени.

Вращающаяся Вселенная не обязательно должна иметь центр вращения, и она может быть однородной. Другими словами, мы могли бы определить направление на небе и сказать, что Вселенная вращается против часовой стрелки с определенной скоростью вокруг линии, соединяющей нас с этой точкой на небесной сфере. Однако инопланетяне, живущие где-то еще во Вселенной, могли сделать то же самое. Их линия была бы параллельна нашей, но невозможно было бы определить, является ли одна из таких линий настоящим центром вращения.

Самый простой способ выяснить, вращается ли Вселенная, — это наблюдать за движением гироскопа относительно далеких галактик. Если она вращается с угловой скоростью -ω относительно них, то Вселенная вращается с угловой скоростью ω. На практике у нас нет механических гироскопов с достаточно малыми случайными и систематическими ошибками, чтобы ограничить ω очень низким пределом. Однако мы можем использовать всю солнечную систему как своего рода гироскоп. Наблюдения Солнечной системы установили независимый от модели верхний предел вращения в 10^-7 радиан/год [Clemence 1957], что на порядок слишком слабо, чтобы исключить метрику Геделя.

Вращающаяся Вселенная должна иметь определенную ось вращения, поэтому она должна иметь определенный тип анизотропии, который выбирает определенное предпочтительное направление. Таким образом, мы можем посмотреть на космический микроволновый фон и увидеть, содержит ли его анизотропия предпочтительную ось. [Коллинз, 1973] Такие наблюдения налагают более жесткие ограничения, чем те, которые дают измерения Солнечной системы (возможно, 10^-9 рад/год [Su 2009]. ] или 10^-15 рад/год [Barrow 1985]), но такие пределы зависят от модели.

Поскольку все настоящие наблюдения согласуются с нулевой скоростью вращения, невозможно приписать вращению какую-либо выдающуюся космологическую роль. Центробежные силы не могут внести существенный вклад в космологическое расширение или в то, как чувствует себя ваша голова, когда у вас похмелье.

Бранс и Дике, «Принцип Маха и релятивистская теория гравитации», Phys. 124 (1961) 925, http://loyno.edu/~brans/ST-history/

Бертотти, Иесс и Тортора, «Проверка общей теории относительности с использованием радиосвязи с космическим кораблем Кассини», Nature 425 (2003) 374

Клеменс, «Астрономическое время», Rev. Mod. физ. Том. 29 (1957) 2

Коллинз и Хокинг, «Вращение и искажение Вселенной», Пн. Нет. Р. Астр. соц. 162 (1973) 307

Хокинг, «О вращении Вселенной», пн. Нет. Р. Астр. соц. 142 (1969) 529

Барроу, Юшкевич и Сонода, «Универсальное вращение: насколько большим оно может быть?», Пн. Нет. Р. Астр. соц. 213 (1985) 917, http://adsabs.harvard.edu/full/1985MNRAS.213..917B

Су и Чу, «Вращается ли Вселенная?», 2009 г., http://arxiv.org/abs/0902.4575 .

[Это запись часто задаваемых вопросов на форумах по физике, которую я написал при участии пользователей Джорджа Джонса, Джима Макнамара, Маркуса, Паллена, крошечного-тима и Вела.]

Привет, Бэн. «Их линия была бы параллельна нашей, но невозможно было бы определить, является ли одна из таких линий настоящим центром вращения». интересно, а данный объект между линией, соединяющей обе "оси" (нашу и инопланетян), как бы он сместился из-за вселенского вращения? Как это глобальное вращение проявляется в близких объектах? Я понимаю, что космологическое расширение проявляется в виде локального увеличения расстояния между галактиками, но я не понимаю, какие локальные последствия имеет это вращение.
@lurscher: Каждый инерциальный наблюдатель увидел бы себя покоящимся, а вселенную вращающейся вокруг оси через него. У меня были наблюдатели A и B. Если вы добавите третий объект C, все будет по-прежнему. Каждый из трех говорит, что два других вращаются вокруг оси, проходящей через него. "Локально..." Я думаю, это зависит от того, насколько местный вы подразумеваете под местным. Расширение также нельзя обнаружить локально, если только у вас нет очень снисходительного определения локального.
Бен, в принципе я могу сделать очень длинную материальную нить, отправить ее в другую галактику, и я должен быть в состоянии извлечь работу из космологического расширения. Аналогичным образом, если область имеет постоянную ненулевую положительную кривизну, я должен быть в состоянии создать (опять же, в принципе) действительно большой треугольник с той же нитью, но сумма внутренних углов треугольника выше π / 2
Я надеялся, что вращение в принципе будет означать, что одна из этих нитей, если ее отвести далеко, будет обвиваться вокруг другой нити в заданном направлении, но, похоже, все не так просто.
" Вращающаяся Вселенная должна иметь определенную ось вращения " - На самом деле вращение математически определяется в плоскости, а не "вокруг оси". Например, если пространственно Вселенная представляет собой 3-сферу (гиперповерхность 4D-шара), то она могла бы вращаться в двух ортогональных плоскостях одновременно, в то время как ни одна из осей вращения не может быть определена (и даже при одном вращении ось находится снаружи). физическое многообразие). Более простым примером для визуализации является вращение в 2D-плоскости, где нет оси. Ось может быть определена только в особых случаях и не обязательно должна существовать для вселенной.
@safesphere Насколько я могу рисовать, я понимаю, о чем вы говорите (несмотря на мои ограниченные математические познания), но особенно потому, что кривизна пространственных вращений может быть бесконечно малой (и, следовательно, по своей природе ненаблюдаемой) в пространственно бесконечной Вселенной или мультивселенной, считаете ли вы, что ваши выводы подразумевают, что утверждение Никодема Дж. Поплавского о том, что его теория космологического генезиса в черных дырах научна (т. е. что ее можно опровергнуть), зависит от такого временного вращения, о котором могут свидетельствовать повторяющиеся или одновременные события в пределах единого гравитационного поля?
(Поплавски считал, что отсутствие свидетельств универсального вращения опровергнет его теорию, а поскольку черные дыры локальны, то и соответствующие вселенные, включая нашу собственную, будут локальны.)
@Edouard Ваш вопрос звучит как хороший, чтобы опубликовать его как отдельный вопрос, чтобы получить экспертное представление о тех, кто больше знаком с торсионной гравитацией. У вас также будет больше места, чтобы более четко объяснить, в чем заключается ваш вопрос. В моем комментарии выше просто говорится, что не каждое вращение имеет ось. Однако отсутствие оси не делает вращение необнаружимым. На С 2 , вы можете быть неподвижным на Северном полюсе, наблюдая за вращением земного шара, или вы можете быть на экваторе, вращающемся вместе с земным шаром. На С 3 , вы можете одновременно находиться на Северном полюсе одного вращения и на экваторе другого.

Я думаю, что в этом случае Вселенная будет однородной, но не изотропной. Такие геометрии были классифицированы Бьянки, и у них есть параметры, которые ограничены экспериментом (это не моя область знаний, поэтому я не уверен, в какой степени). Насколько мне известно, нет никаких указаний на то, что угловой момент необходим для объяснения каких-либо космологических наблюдений.

Между прочим, я не думаю, что общая теория относительности (или любая другая современная теория) подчиняется принципу Маха, как обычно его формулируют, он требует в высшей степени нелокальных эффектов. Перетаскивание кадров может быть в духе принципа Маха, но оно следует из совершенно локальных взаимодействий, закодированных в ОТО.

Я не уверен в эффекте Ленсе-Тирринга в этом случае, но определенно верно, что глобальное вращение будет описано одной из однородных, но анизотропных (не изотропных) моделей Бьянки, как упоминал Моше. Красивые изображения того, как анизотропия космического микроволнового фона будет выглядеть в этих моделях, см., например, в статье Эндрю Понтцена ( Pontzen 2009 ).

Используя текущие данные CMB, особенно из эксперимента WMAP, можно установить верхние границы (и, возможно, когда-нибудь, обнаружение) этих моделей Бьянки. Эта работа восходит как минимум к статье Теда Банна и его сотрудников ( Bunn, Fereira & Silk 1996 ) .

Спасибо, что упомянули мою старую газету! Неудивительно, что с нашего времени появилось множество лучших лимитов. Ограничения на вращение Вселенной очень строгие.

Принцип Маха гласит, что инерция возникает из-за массы всего остального во Вселенной, и поэтому, если бы Вселенная вращалась, она тащила бы нас по кругу вместе с ней, и поэтому мы бы этого не заметили. Это перетаскивание кадров действительно происходит и называется эффектом Ленсе-Тирринга . Если бы вы находились внутри массивной вращающейся сферы, ваша система отсчета вращалась бы по отношению к остальной Вселенной за пределами массивной вращающейся сферы. Однако я не уверен, действительно ли эффект Лензе-Тирринга подразумевает принцип Маха. Может быть, кто-то, кто знает больше, мог бы помочь.

На самом деле пример со сферой не очень хорошо представляет пространство из-за большого расстояния. В случайной сфере вы можете сказать, что внешняя оболочка просто имеет большую линейную скорость, чем внутренние оболочки, но когда речь идет о Вселенной, после точки вам понадобятся скорости выше скорости света, чтобы не отставать от угловой скорости относительно внешней оболочки. ось вращения.
Неясно, работает ли такой аргумент с общей теорией относительности. Если вы посмотрите на черные дыры Керра, часть пространства внутри вращающейся черной дыры вращается так быстро из-за перетаскивания кадра, что объект не может стоять на месте по отношению к пространству за пределами черной дыры.
Классическая статья о том, о чем вы говорите, C. Brans and RH Dicke, Physical Review 124 (1961) 925, loyno.edu/~brans/ST-history . Она очень удобочитаема.

Если вы скажете, что Вселенная вращается «как единое целое», вам придется определить ось вращения. Ось вращения вызовет некоторые проблемы, такие как нарушение однородной и изотропной Вселенной, как это предлагается моделью космической инфляции.

Кстати, нельзя сказать, что Вселенная вращается везде с одинаковой угловой скоростью относительно оси вращения. Это привело бы к линейным скоростям выше скорости света, хотя я просто использовал классическую механику для расчета, возможно, релятивистская модель возможна.

Однако существование такого углового момента может иметь некоторые последствия. Например, можно сказать, что если теория «Большого отскока» (http://en.wikipedia.org/wiki/Big_bounce) верна, можно сказать, что источником всей Вселенной является черная дыра с угловым моментом, то есть вращающаяся черная дыра, возможно, без электрического заряда.

Да, ось вращения, и эта неоднородная вселенная была бы следствием (хотя и незначительного), но какие доказательства мы увидели бы, чтобы поддержать или опровергнуть это? Нарушения теории инфляции недостаточно, потому что инфляция — это всего лишь конструкция для объяснения плоскостности Вселенной, за которой не стоит какой-либо физический механизм (здесь я могу ошибаться).
Если Вселенная вращается в классическом смысле без оси вращения и каким-то образом с помощью теории относительности возможно вращаться везде с одинаковой угловой скоростью, мой ответ будет таким: это не имеет значения. Потому что тогда оно было бы неподвижным для каждого наблюдателя в этой вселенной . Тогда мы можем задать вопрос «Вращение по отношению к кому?» что было бы чертовски спекулятивным вопросом, на мой взгляд. Однако вернемся к вашему первоначальному вопросу: если вращение происходит в классическом смысле, то невозможно понять изнутри Вселенной.
Вы рассуждаете, основываясь на своей ньютоновской интуиции о вращении, и это заставляет вас говорить вещи, которые не соответствуют действительности в ОТО. Вы можете иметь вращение с однородностью. См., например, Барроу Дж. Д., Юшкевич Р. и Сонода Д. Х. «Универсальное вращение: насколько большим оно может быть?», 1985 г. — adsabs.harvard.edu/full/1985MNRAS.213..917B . модель не приводит к скоростям выше с. Беспокоиться о скоростях >c в этом контексте не имеет смысла, потому что ОТО не имеет однозначно четко определенного понятия относительной скорости удаленных объектов.

Хойл и Нарликар также показали, что вращение на самом деле затухает для расширяющейся Вселенной, что потенциально может объяснить, почему, если вращение существует, оно кажется очень-очень медленным (см. собственные замечания Хокинга по этому поводу). Это также объясняет, почему не было бы заметной оси вращения. Темный поток может быть остаточным первичным вращением Вселенной (о чем я предполагал некоторое время назад). Вращение также требует энергии - мог иметь место обмен энергией между массой и вращением, что может объяснить проблему энергии вакуума (немного досягаемо, но мне было трудно не упомянуть об этом). Очевидно, вращающаяся Вселенная раньше играла бы значительную роль в расширении Вселенной из-за внутренней центробежной силы. Вселенная, кажется, стала достаточно большой, чтобы ей не мешали силы гравитации внутри нее. Следующая ссылкаhttps://gyroverse.quora.com/ — это моя собственная работа, но она дает разумное представление о расширяющейся вселенной.

Вращение может потребовать энергии, но и инфляция тоже. Тем не менее, один уволен, а другой, по крайней мере, рассматривается.
@ja72 Хокинг обсуждает завихренность adsabs.harvard.edu/full/1969MNRAS.142..129H (о завихренности см. en.wikipedia.org/wiki/Vorticity ). Именно так «вращение» проявляется в четырех измерениях и дает очень низкие предельные значения для него из наблюдений CMB еще в 1969 году.
Инфляцию заменит что-то лучшее, может быть, даже раннее вращательное свойство. Инфляция подвергается нападкам прямо сейчас, даже некоторые из ее основателей заявляют, что она естественным образом ведет к мультивселенной, и утверждалось, что это не научная теория. Поэтому нам нужно начать думать о новых альтернативах.
Хокинг сделал заявление о том, действительно ли Вселенная вращается, четко заявив, что если и вращается, то очень медленно. Я хотел бы найти соответствующие данные для темного потока, чтобы проверить, насколько медленным должно быть это вращение, не оставляя следов реликтового излучения. Я постараюсь найти его соответствующее заявление.
вот и все: прямая цитата Хокинга: «Эти модели вполне могут быть разумным описанием Вселенной, которую мы наблюдаем, однако данные наблюдений совместимы только с медленным вращением».
Ja72, я бы с осторожностью сказал, что вращающаяся вселенная была отклонена. Свидетельства, которые я видел, говорят об обратном.
Уважаемый Гарет Мередит! К вашему сведению, Physics.SE придерживается политики , согласно которой можно цитировать себя, но это должно быть четко и ясно указано в самом ответе, а не в прикрепленных ссылках.
Прошу прощения, но я выразился ясно. Все, что я сделал, это связал вас с математикой. Но я очень ясно выразился иначе.
В вашем ответе не сказано , что ссылка на вашу собственную работу. Нужно сказать, что ссылка на вашу собственную работу «четко и явно в самом ответе, а не в прикрепленных ссылках» .
Я удалил этот пост до тех пор, пока вы не решите проблему раскрытия информации.
Под «вопросом раскрытия» мы подразумеваем: из текста вашего ответа должно быть однозначно понятно, относится ли ссылка, которую вы даете, к произведению, которое вы создали.
Перестаньте помечать эту публикацию для восстановления. Вам неоднократно объясняли, что в самом ответе должно быть четко указано , что вы являетесь автором ресурса, на который вы ссылаетесь. Соблюдайте это или живите с удалением вашего поста.
Что, если Вселенная вращается как единое целое?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v