🚴 ⭕️ 👵🏻 Minimale Universumsgröße 💧 🤭 🐥

Beobachtetes Universum

Wenn wir von unserem Universum sprechen, unterscheiden wir zwischen dem „Universum“ und dem „beobachtbaren Universum“. Letzteres beinhaltet nur das, was wir sehen können. Ich meine nicht, dass wir die Technologie haben, um das gesamte beobachtbare Universum wirklich zu „sehen“. Ich meine mit "beobachtbar" alle Objekte, von denen aus Licht uns im Prinzip erreichen könnte, angesichts der Lebensdauer des Universums, der Lichtgeschwindigkeit und der Geschichte und Zukunft der Expansion des Universums. Das Alter des Universums beträgt 13,8 Milliarden Jahre. Aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit können wir nicht sehen, was so weit von uns entfernt ist, dass es länger dauern würde, bis das Licht zu uns gelangt, als das Universum existiert. Dies ist keine technologische Einschränkung - es ist eine Einschränkung, ob im Prinzip Licht existiert, das wir sehen können, wenn wir über eine Technologie verfügen.

Wenn wir den Rand des beobachtbaren Universums betrachten, schauen wir auf die Vergangenheit. Wenn das Licht 13,7 Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen, dann sehen wir das Universum so, wie es vor 13,7 Milliarden Jahren war, und nicht so, wie es jetzt ist.

Im Allgemeinen ist das Universum vielleicht unendlich. Es ist einfach zu sagen, aber dieses Konzept ist sehr schwer vorstellbar, wenn Sie darüber nachdenken. Eine der Lösungen für dieses Problem ist der Vorschlag, sich nicht damit zu beschäftigen. Wenn Sie sich Fragen stellen wie „Wie kann es sich ausdehnen, wenn es unendlich ist“, verstehen Sie die Unendlichkeit falsch. Unendlichkeit ist ein Konzept, keine Zahl.

Das Universum muss jedoch nicht unendlich sein. Entsprechend der allgemeinen Relativitätstheorie gibt es andere Möglichkeiten. Ich werde sie in zwei Kategorien einteilen, aber wir werden nur über eine von ihnen ausführlich sprechen.

Interessante Topologien

Es ist möglich, dass das Universum eine interessante Topologie hat. Die Topologie unterscheidet sich von der Geometrie. Die Geometrie umfasst Dinge wie Linienlänge, Krümmungsradius, Summe der Winkel von Polygonen usw. Die Topologie befasst sich damit, wie verschiedene Teile des Raums miteinander verbunden sind.

Betrachten Sie als Beispiel das klassische Asteroids-Spiel:

Das Spiel wird in einem sehr kleinen zweidimensionalen Universum gespielt. Die Geometrie des Asteroidenuniversums ist euklidisch - parallele Linien schneiden sich nicht, das Verhältnis von Umfang zu Durchmesser beträgt π, die Summe der drei Innenwinkel des Dreiecks beträgt 180 ° und so weiter. Wenn Sie dieses Spiel gespielt haben, wissen Sie, dass Sie vom rechten Bildschirmrand zurückkehren, wenn Sie den linken Bildschirmrand verlassen. Wenn Sie die Oberkante verlassen, kehren Sie von unten zurück. Das Universum hat keine Grenzen, Sie werden niemals auf eine Grenze oder Kante stoßen. Aber sie ist endlich. Seine Topologie ist toroidal - die gleiche wie die einer Donutoberfläche, obwohl sich seine Geometrie von der eines Donuts unterscheidet (die Donutoberfläche ist gekrümmt).

Es ist möglich, dass sich unser Universum genauso verhält. Es kann eine flache Geometrie haben, aber eine solche Topologie, dass Sie, wenn Sie sich in eine Richtung bewegen, dorthin zurückkehren, wo Sie herkommen. Wenn es wirklich eine solche Topologie hat, erscheint es auf einer Skala, die größer ist als das beobachtete Universum. Andernfalls würden wir eine Bestätigung einer solchen Topologie (zum Beispiel würden sich Teile des Kosmos wiederholen, wenn man lange in eine Richtung geht) in der kosmischen Mikrowellenstrahlung sehen.

Wir gehen also vorerst davon aus, dass das Universum keine interessanten Topologien hat. Entweder ist dies ein unendlicher Raum oder dies ist ein endlicher Raum, der das dreidimensionale Äquivalent der Oberfläche einer Kugel ist.

Mögliche Geometrien des Universums

Die Geometrie des Universums muss nicht euklidisch sein. Abhängig von der Gesamtenergiedichte (einschließlich der Dichte von gewöhnlicher Materie, dunkler Materie und dunkler Energie) gibt es drei Möglichkeiten für die Krümmung des Universums.

Der Parameter Ω ist eine bequeme Möglichkeit, die Dichte des Universums zu diskutieren. Abhängig von der aktuellen Expansionsrate des Universums gibt es eine kritische Dichte. Sie ist 9 * 10 ^-30g / cm Es scheint ein wenig zu sein, aber denken Sie daran, dass das Universum fast leer ist. Die Erde ist im Vergleich zum größten Teil des Universums ein relativ dichter Ort. Der Parameter Ω ist definiert als das Verhältnis der Dichte des Universums zum kritischen. Wenn Ω = 1 ist, ist die Geometrie des Universums flach. Flach - bedeutet nicht zweidimensional in dem Sinne, in dem Sie es gewohnt sind, über eine Ebene zu sprechen. Dies bedeutet, dass die Geometrie des Raums euklidisch ist, wie die, die Sie in der Schule gelernt haben.

Wenn Ω> 1 ist, ist die Geometrie des Universums geschlossen. In diesem Fall ist die Geometrie des Universums dieselbe wie die der dreidimensionalen Oberfläche der vierdimensionalen Hypersphäre. Wenn das nicht klar klingt, stellen Sie es sich als dreidimensionales Äquivalent einer Kugeloberfläche vor. In diesem Fall muss die vierdimensionale Hypersphäre keine vierte räumliche Dimension haben. Es bedeutet einfach, dass die Geometrie des Universums - wie sich parallele Linien verhalten, wie hoch die Summe der Winkel des Dreiecks ist oder wie das Verhältnis von Umfang zu Durchmesser ist - der Geometrie auf der Oberfläche einer Kugel entspricht. Die Mathematik dieser Geometrie kann mit nur drei räumlichen Dimensionen beschrieben werden, sodass möglicherweise keine höheren Dimensionen erforderlich sind. Für die Bedürfnisse unserer Beschreibung lohnt es sich jedoch, sich die Oberfläche der Kugel vorzustellen, da dies dazu beiträgt, eine Vorstellung von der Struktur eines solchen Universums zu bekommen.Die Oberfläche einer Kugel ist ein zweidimensionales geschlossenes Universum. Denken Sie daran, dass das Universum eine Oberfläche ist. Es hat kein Zentrum, es befindet sich nicht im Universum - denn alles, was es enthält, befindet sich auf der Oberfläche der Kugel und keiner seiner Punkte unterscheidet sich von den anderen.

Wenn Ω <1 ist, ist die Geometrie des Universums offen. Das ist schwerer vorstellbar. Ein Stück eines offenen dreidimensionalen Universums kann zur Visualisierung nicht in drei Dimensionen verschoben werden, da es mit einem geschlossenen Universum rollt. Das nächste zweidimensionale Äquivalent ist jedoch ein Sattel oder Chips (die hyperboloid oder hyperbolisch paraboloid sind). Es ist ein grenzenloses und unendliches Universum. Es geht für immer weiter. Es ist jedoch nicht flach und hat eine interessante Geometrie.

Die Geometrie unseres Universums

Die Geometrie Ihres Universums kann auf verschiedene Arten gefunden werden. Im Weltraum können Sie beispielsweise ein Dreieck aus drei Linien erstellen. Dann müssen Sie den Winkel zwischen jedem der Linienpaare messen. Wenn Sie sie falten und 180 ° erreichen, befinden Sie sich in einem flachen Universum. Wenn die Summe 180 ° überschreitet, ist es ein geschlossenes Universum; Wenn es weniger als 180 ° ist, ist es ein offenes Universum. Das einzige Problem ist die Genauigkeit der Messungen. Entweder müssen Sie diese Winkel mit unglaublicher Genauigkeit messen oder sehr große Dreiecke zeichnen - so dass sich die Länge einer ihrer Seiten dem Krümmungsradius Ihres Universums nähert. (Der Grad der Annäherung hängt von der Genauigkeit der Winkelmessung ab.)

Tatsächlich haben wir es geschafft. Messungen der kosmischen Mikrowellenstrahlung (MKI) ergaben Dreiecke. Eine Seite des Dreiecks ergibt sich aus der charakteristischen Größe der Schwankungen im MCI. Wir kennen ihre physische Größe. Andere kommen vom Lichtweg, der sich von zwei Seiten dieser Schwankung bewegt. Durch Messen des Winkels zwischen den von jeder Seite kommenden Lichtstrahlen können wir die Geometrie des Dreiecks ermitteln. Wir haben es geschafft. Antwort: Unser Universum ist flach. Wie bei allen physikalischen Größen liegt jedoch bei unseren Messungen ein Fehler vor. Nach den neuesten Berechnungen liegt der Wert von Ω zwischen 0,9916 und 1,0133 mit einer Genauigkeit von 95%. Dies bedeutet, dass es immer noch die Möglichkeit gibt, dass unser Universum unendlich (Ω ≤ 1) oder endlich (Ω> 1) ist.

Die Mindestgröße unseres Universums

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Wir entschuldigen uns bei Douglas Adams und berechnen die Größe unseres Universums.

Erstens beträgt das Alter des Universums 13,8 Milliarden Jahre. Dies ist eine sehr lange Zeit im Vergleich zu unserem Leben, aber für das Universum - das Alter ist durchaus geeignet. Der Rand des beobachtbaren Universums ist 48 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. "Warte eine Minute!" Du kannst schreien. "Wie kann Licht in 13,8 Milliarden Jahren über eine Entfernung von 48 Milliarden Lichtjahren reisen!" Denken Sie daran, dass sich das Universum während der Zeit, in der Licht zu uns kam, erweitert hat. In gewisser Weise versuchte das Licht, mit der Erweiterung „aufzuholen“. Dies ist eine unvollständige Beschreibung, und wenn Sie die Tankstelle kennen, werden Sie etwas dagegen haben. Dies ist jedoch im Zusammenhang mit GR sinnvoll.

In welcher Beziehung steht diese Größe zur Gesamtgröße des Universums? Wenn wir annehmen, dass Ω = 1,0133 ist und dies die maximale Energiedichte ist, die den aktuellen Daten entspricht, und daher das kleinste der geschlossenen Universen, können wir die Größe des Universums berechnen. Das Ergebnis sieht

ungefähr so aus: Die Oberfläche einer Kugel gibt die Größe des gesamten Universums an, wobei Ω = 1,0133 ist. Der langweilige Teil befindet sich außerhalb des Universums, das wir beobachten. Ein Stück darüber ist das beobachtbare Universum. Der Krümmungsradius dieses Universums beträgt 120 Milliarden Lichtjahre. Sein Umfang beträgt 760 Milliarden Lichtjahre. Dies bedeutet, dass der Durchmesser des beobachtbaren Universums 1/8 der Gesamtlänge der Linie beträgt, die im Raum gezeichnet werden müsste, damit sie sich selbst schließt. Das Volumen des gesamten Universums beträgt das 100-fache des Volumens des Beobachtbaren. (Wenn Sie dies beanstanden 8 ³Denken Sie daran, dass unser Raum nicht euklidisch ist und Ihre Intuition über Radien und Volumen nicht funktioniert.

Denken Sie daran, dass dies nach unseren Daten die Mindestgröße des Universums ist. Die meisten vermuten, dass das Universum wirklich unermesslich größer ist und unendlich sein kann.

Größe und Schicksal hängen nicht zusammen

Wenn Sie ein Buch über Kosmologie geöffnet haben, das vor 2000 geschrieben wurde (und einige etwas neuere), werden Sie höchstwahrscheinlich lesen, dass ein geschlossenes Universum wieder zusammenbrechen und ein offenes für immer expandieren wird. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Dichte der dunklen Energie des Universums Null ist! Diese Beschreibungen implizierten implizit, dass Materie unser Universum dominierte. In diesem Fall waren die Geometrie und das Schicksal des Universums eng miteinander verbunden. In einem Universum wie dem unseren, in dem dunkle Energie existiert, sind Schicksal und Geometrie nicht so eng miteinander verbunden. Dunkle Materie und dunkle Energie beeinflussen sowohl die Form des Universums als auch sein Schicksal, aber sie beeinflussen es unterschiedlich. Was genau mit unserem Universum passieren wird, hängt davon ab, welche Art von dunkler Energie sich herausstellen wird. Aber wenn sie das ist, was sich die meisten von uns vorstellen,Das Universum wird sich für immer ausdehnen und galaktische Cluster werden weiterhin auseinander fliegen. Es spielt keine Rolle, ob unser Universum flach, offen oder geschlossen ist.