Fragen Sie Ethan # 6: Zentrum des Universums

„Wenn du die Wahrheit suchst, kannst du endlich Frieden finden; Wenn du Trost suchst, wirst du keinen Trost oder keine Wahrheit finden - du wirst nur mit einer milden Seife und Wunschdenken beginnen und mit Verzweiflung enden. “

Clive Staples Lewis

Und doch kollidieren manchmal die Antworten, die Sie finden, mit Ihren Ideen, Gefühlen und sogar Ihrem gesunden Menschenverstand. Zum Beispiel für den Fall, dass der Leser mich gefragt hat:

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Wie ist die Geometrie des Universums und hat es ein Zentrum?



Zunächst werden wir die Konzepte „unseres Universums“, dh des beobachtbaren Universums, und „des Universums im Allgemeinen“, die alles umfassen, was mit uns vom Moment des Urknalls an verbunden ist, und vieles mehr, aufteilen. Wenn wir in den Nachthimmel blicken, dann hinter dem Sonnensystem Sterne, Gas und Staub in unserer Galaxie, außerhalb unserer galaktischen Nachbarn und weiter, fast bis ins Unendliche - schauen wir auf das beobachtbare Universum.



Sie können über die am weitesten entfernte beobachtete Galaxie hinausblicken, bevor die ersten Sterne in den dunklen Jahren des Universums beleuchtet wurden. Davor, vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren, als das Universum kleiner, heißer und dichter war, war es zu heiß, als dass sich einzelne Atome bilden könnten - das sehen wir bei der Beobachtung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (KMPI). Und 380.000 Jahre zuvor gab es den Urknall - die Schaffung eines heißen, dichten, expandierenden und kühlenden Universums.



Dies ist der Teil des Universums, den wir von unserem Platz aus beobachten können. Was wir sehen, ist ungefähr eine Kugel mit einem Radius von 46 Milliarden Lichtjahren, die auf uns zentriert ist.

Aber wir sind nicht im Zentrum des Universums. Im Gegenteil, wenn wir davon sprechen, sprechen wir im Kontext einer physikalischen Theorie, die es in großem Maßstab beschreibt - GR. Und die Relativitätstheorie besagt, dass der Raum nicht flach ist wie ein dreidimensionales Gitter, sondern in Gegenwart von Materie und Energie gekrümmt ist.



In großem Maßstab kann das Universum auch eine Krümmung aufweisen, abhängig von den verschiedenen Arten von Materie, Energie und Expansionsgeschwindigkeit. Es kann eine negative Krümmung haben, wenn die Winkel des Dreiecks weniger als 180 Grad betragen; positiv - wenn die Winkel mehr als 180 Grad betragen; oder flach sein wie Papier, wobei die Summe der drei Winkel 180 Grad beträgt.

Darüber hinaus beeinflusst die Krümmung, was mit zwei Strahlen geschieht, die von einem Punkt ausgehen - sie werden sich weiter zerstreuen, schneiden oder einen Winkel beibehalten.



Basierend auf den heutigen Beobachtungen und physikalischen Gesetzen wissen wir, dass das Universum flach ist (mit einer Genauigkeit von 1%) und dass die Größe des nicht beobachtbaren Universums mindestens 150-mal größer ist als das beobachtbare. Und das Beste ist, dass dies den beobachteten KMFI bestätigt.



Wenn unsere Schlussfolgerungen richtig sind, unterscheidet sich das Universum, das wir beobachten, nicht von den Beobachtungen, die jeder andere Beobachter in einem anderen Teil davon machen kann. Natürlich kann es auf lokaler Ebene Unterschiede geben - die Dichte der Verteilung von Galaxien und die lokale Verteilung von Materie. In einigen Richtungen gibt es riesige Galaxienhaufen, in anderen - Hohlräume. Einige Teile von KMFI sind heißer oder kälter.



Aber im großen Maßstab wird das Universum ungefähr so ​​aussehen wie die Karte unten. Obwohl jeder Beobachter einen kugelförmigen Teil (sein Radius wird durch den Weg bestimmt, den das Licht seit dem Urknall zurückgelegt hat) hat, der auf den Beobachter zentriert ist, scheint der Raum in allen drei Dimensionen so weit wie möglich fortzufahren.



Was ist also mit dem Zentrum? Es hängt davon ab, wie viel Sie in den Bereich der Hypothesen gehen möchten. Einerseits hat die Raumstruktur je nach Krümmung eine großräumige Form. Wenn die Krümmung positiv ist, hat sie die Form einer Kugel und schließt sich auf sich selbst. Wenn flach - kann es die Form eines Torus oder Zylinders annehmen, der sich wieder selbst schließt. Wenn es negativ ist, kann es die Form eines Sattels in kleinem Maßstab annehmen, sich aber dennoch an sich selbst binden.



Im Allgemeinen kann das Universum abhängig von der Krümmung endlich oder unendlich sein. Wenn es endlich ist, können wir über das Zentrum sprechen. Wenn die Raumzeit die Form einer Kugel hat, sollte der Mittelpunkt der Kugel sein. Wenn die Raumzeit die Form eines Donuts hat, befindet sich das Zentrum in der Mitte des Lochs.

Aber es gibt ein Problem mit dieser Argumentation.



Sie denken in drei Dimensionen. Kein Wunder. Alle beschriebenen Oberflächen sind jedoch die Oberfläche einer Kugel, die Oberfläche eines Donuts oder Sattels, sie sind zweidimensional. Und Sie suchen ein Zentrum in der dritten Dimension.

Der Raum hat jedoch drei Dimensionen. Das Universum dehnt sich nicht als zweidimensionale Oberfläche eines aufgeblasenen Gummiballs aus, sondern als dreidimensionaler Brotteig (in einem Ofen ohne Schwerelosigkeit), der sich in allen drei Dimensionen ausdehnt. Wenn das Universum also endlich ist und ein Zentrum hat, befindet es sich im Raum mit einer großen Anzahl von Dimensionen.



Links ist die Oberfläche des Kreises eine eindimensionale Linie. Sein Zentrum liegt auf einer zweidimensionalen Ebene. Wenn Sie jedoch nur entlang der Linie gehen und fragen, wo sich das Zentrum befindet, ist Ihre Frage nicht sinnvoll.

Die Oberfläche der Kugel rechts ist zweidimensional. Sie hat ein Zentrum in drei Dimensionen, aber wenn Sie auf der Oberfläche gehen, macht die Frage nach dem Zentrum auch keinen Sinn.

Und hier ist, was wir über unseren Raum wissen, den dreidimensionalen Raum.



Es ist plausibel, dass es sich um die Oberfläche einer bestimmten Struktur aus dem mehrdimensionalen Raum handelt und dass sie ein Zentrum hat. Aber wir können dieses Zentrum nicht finden. Die Frage nach dem Zentrum macht keinen Sinn - genau wie die Frage nach dem Mittelpunkt eines Kreises in Bezug auf Punkte auf diesem Kreis.

Daher hat das Universum kein Zentrum.

Source: https://habr.com/ru/post/de380889/