🤰🏽 😔 ⏺️ Ukuran Universe Minimum 🍆 🐊 🕴🏻

Observed Universe

Berbicara tentang Alam Semesta kita, kita membedakan antara "Alam Semesta" dan "Alam Semesta yang Dapat Diobservasi". Yang terakhir hanya mencakup apa yang bisa kita lihat. Saya tidak bermaksud bahwa kita memiliki teknologi untuk benar-benar "melihat" seluruh alam semesta yang dapat diamati. Yang saya maksud dengan "mengamati" semua objek dari mana cahaya pada prinsipnya dapat mencapai kita, mengingat umur Semesta, kecepatan cahaya dan sejarah dan masa depan ekspansi Semesta. Usia alam semesta adalah 13,8 miliar tahun. Karena kecepatan cahaya yang terbatas, kita tidak dapat melihat apa yang begitu jauh dari kita sehingga dibutuhkan lebih banyak waktu bagi cahaya untuk melakukan perjalanan kepada kita daripada Alam Semesta ada. Ini bukan batasan teknologi - ini adalah batasan apakah, pada prinsipnya, cahaya itu ada sehingga kita dapat melihat apakah kita memiliki teknologi yang kita miliki.

Ketika kita melihat pinggiran Alam Semesta yang dapat diamati, kita melihat masa lalu. Jika cahaya membutuhkan 13,7 miliar tahun untuk mencapai kita, maka kita melihat Semesta seperti 13,7 miliar tahun yang lalu, dan tidak seperti sekarang.

Secara umum, alam semesta mungkin tak terbatas. Sederhana untuk dinyatakan, tetapi konsep ini sangat sulit untuk dibayangkan jika Anda memikirkannya. Salah satu solusi untuk masalah ini adalah proposal untuk tidak repot dengan ini. Jika Anda bertanya pada diri sendiri pertanyaan-pertanyaan seperti "bagaimana ia bisa berkembang jika tidak terbatas", Anda salah mengartikan infinity. Infinity adalah sebuah konsep, bukan angka.

Namun, alam semesta tidak harus tanpa batas. Menurut relativitas umum, ada kemungkinan lain. Saya akan membaginya menjadi dua kategori, tetapi kami akan berbicara secara rinci tentang hanya satu dari mereka.

Topologi yang menarik

Mungkin saja alam semesta memiliki topologi yang menarik. Topologi berbeda dari geometri. Geometri meliputi hal-hal seperti panjang garis, jari-jari kelengkungan, jumlah sudut poligon, dll. Topologi berkaitan dengan bagaimana bagian-bagian ruang yang berbeda saling berhubungan.

Pertimbangkan, sebagai contoh, gim klasik Asteroid:

Permainan ini dimainkan di alam semesta dua dimensi yang sangat kecil. Geometri alam semesta Asteroid adalah Euclidean - garis paralel tidak berpotongan, rasio keliling dengan diameter adalah π, jumlah dari tiga sudut internal segitiga adalah 180 °, dan seterusnya. Tetapi jika Anda memainkan game ini, Anda tahu bahwa jika Anda meninggalkan tepi kiri layar, Anda akan kembali dari tepi kanan. Jika Anda meninggalkan tepi atas, Anda akan kembali dari bawah. Alam semesta tidak memiliki batas, Anda tidak akan pernah lari ke perbatasan, atau tepi. Tapi dia terbatas. Topologinya adalah toroidal - sama dengan permukaan donat, meskipun geometrinya berbeda dengan donat (permukaan donat melengkung).

Mungkin saja alam semesta kita berperilaku sama. Mungkin memiliki geometri datar, tetapi topologi sedemikian rupa sehingga jika Anda bergerak ke satu arah, Anda akan kembali ke tempat asal Anda. Jika benar-benar memiliki topologi seperti itu, maka ia muncul pada skala yang lebih besar dari Semesta yang diamati. Kalau tidak, kita akan melihat konfirmasi topologi seperti itu (misalnya, bagian dari kosmos akan saling mengulangi, jika seseorang berjalan untuk waktu yang lama dalam satu arah) dalam radiasi kosmik gelombang mikro.

Jadi untuk sekarang, kita akan menganggap bahwa Semesta tidak memiliki topologi yang menarik. Entah ini ruang tak terbatas, atau ini adalah ruang terbatas, yang merupakan padanan tiga dimensi dari permukaan bola.

Kemungkinan geometri alam semesta

Geometri alam semesta tidak harus Euclidean. Tergantung pada kepadatan energi total (termasuk kepadatan materi biasa, materi gelap, dan energi gelap), ada tiga kemungkinan untuk kelengkungan Semesta.

Parameter Ω adalah cara mudah untuk membahas kepadatan Alam Semesta. Ada kepadatan kritis, tergantung pada tingkat ekspansi Alam Semesta saat ini. Dia 9 * 10 ^-30g / cm Tampaknya sedikit, tetapi perlu diingat bahwa Semesta hampir kosong. Bumi adalah tempat yang relatif padat dibandingkan dengan sebagian besar alam semesta. Parameter Ω didefinisikan sebagai rasio kerapatan Alam Semesta dengan kritis. Jika Ω = 1, maka geometri Semesta adalah datar. Flat - tidak berarti dua dimensi, dalam arti di mana Anda terbiasa berbicara tentang pesawat. Ini berarti bahwa geometri ruang adalah Euclidean, seperti yang Anda pelajari di sekolah.

Jika Ω> 1, geometri Semesta ditutup. Dalam hal ini, geometri Semesta akan sama dengan permukaan tiga dimensi dari hypersphere empat dimensi. Jika itu tidak terdengar jelas, bayangkan itu sebagai padanan tiga dimensi dari permukaan bola. Dalam hal ini, hypersphere empat dimensi tidak harus memiliki dimensi spasial keempat. Ini hanya berarti bahwa geometri Semesta - bagaimana garis-garis paralel berperilaku, apa jumlah sudut segitiga itu, atau rasio keliling terhadap diameter - adalah sama dengan geometri pada permukaan bola. Matematika dari geometri ini dapat dijelaskan hanya dengan menggunakan tiga dimensi spasial, jadi dimensi yang lebih tinggi mungkin tidak diperlukan. Namun, untuk kebutuhan deskripsi kami, ada baiknya membayangkan permukaan bola, karena ini akan membantu untuk mendapatkan ide tentang struktur alam semesta seperti itu.Permukaan bola adalah alam semesta tertutup dua dimensi. Ingatlah bahwa alam semesta adalah sebuah permukaan. Ia tidak memiliki pusat, tidak berada di dalam alam semesta - karena segala sesuatu yang dikandungnya ada di permukaan bola dan tidak satu pun dari titik-titiknya berbeda dari yang lain.

Jika Ω <1, geometri Semesta terbuka. Ini lebih sulit dibayangkan. Sepotong alam semesta tiga dimensi yang terbuka tidak dapat didorong ke dalam tiga dimensi untuk visualisasi, karena ia berguling dengan alam semesta yang tertutup. Namun, ekuivalen dua dimensi terdekat adalah pelana atau keripik (yang hiperboloid, atau paraboloid hiperbolik). Ini adalah alam semesta tanpa batas dan tak terbatas. Itu berlangsung selamanya. Namun, itu tidak rata dan akan memiliki geometri yang menarik.

Geometri alam semesta kita

Geometri alam semesta Anda dapat ditemukan dalam beberapa cara. Misalnya, di ruang angkasa Anda bisa membuat segitiga tiga garis. Maka Anda perlu mengukur sudut antara masing-masing pasangan garis. Jika Anda melipatnya dan mendapatkan 180 °, Anda berada di alam semesta yang datar. Jika jumlahnya melebihi 180 °, itu akan menjadi alam semesta tertutup; jika kurang dari 180 °, maka itu akan menjadi alam semesta terbuka. Satu-satunya masalah adalah keakuratan pengukuran. Entah Anda perlu mengukur sudut-sudut ini dengan akurasi luar biasa, atau menggambar segitiga yang sangat besar - sedemikian rupa sehingga panjang salah satu sisinya mendekati jari-jari kelengkungan alam semesta Anda. (Tingkat perkiraan tergantung pada keakuratan mengukur sudut).

Faktanya, kami berhasil. Pengukuran radiasi kosmik gelombang mikro (MKI) memberi kita segitiga. Satu sisi segitiga diperoleh dari ukuran karakteristik fluktuasi MCI. Kami tahu ukuran fisik mereka. Yang lain datang dari jalur cahaya yang bergerak dari dua sisi fluktuasi ini. Dengan mengukur sudut antara sinar cahaya yang datang dari masing-masing sisi, kita dapat mengetahui geometri segitiga. Kami berhasil. Jawab: alam semesta kita datar. Namun, seperti halnya jumlah fisik, ada kesalahan dalam pengukuran kami. Dilihat oleh perhitungan terbaru , nilai Ω adalah antara 0,9916 dan 1,0133, dengan akurasi 95%. Ini berarti bahwa masih ada kemungkinan bahwa Alam Semesta kita tidak terbatas (Ω≤1) atau terbatas (Ω> 1).

Ukuran minimum alam semesta kita

. . , . , , .

Kami meminta maaf kepada Douglas Adams dan menghitung ukuran alam semesta kita.

Pertama, usia alam semesta adalah 13,8 miliar tahun. Ini adalah waktu yang sangat lama dibandingkan dengan kehidupan kita, tetapi untuk Semesta - umurnya cukup cocok. Tepi Alam Semesta yang dapat diamati berjarak 48 miliar tahun cahaya dari kita. "Tunggu sebentar!" Anda bisa berteriak. "Bagaimana cahaya dapat menempuh jarak 48 miliar tahun cahaya dalam 13,8 miliar tahun!" Ingatlah bahwa pada saat cahaya itu datang kepada kita, alam semesta mengembang. Dalam arti tertentu, cahaya berusaha "mengejar" ekspansi. Ini adalah deskripsi yang tidak sempurna dan jika Anda tahu stasiun layanan, Anda akan keberatan. Tetapi ini masuk akal dalam konteks GR.

Bagaimana ukuran ini berhubungan dengan ukuran keseluruhan alam semesta? Jika kita mengasumsikan bahwa Ω = 1,0133, dan ini adalah kepadatan energi maksimum yang sesuai dengan data saat ini, dan, oleh karena itu, terkecil dari alam semesta tertutup, maka kita dapat menghitung ukuran Semesta. Hasilnya terlihat seperti ini:

Permukaan sebuah bola menunjukkan ukuran seluruh Semesta, di mana Ω = 1,0133. Bagian yang membosankan ada di luar alam semesta yang kita amati; sepotong di atas adalah Alam Semesta yang bisa diamati. Jari-jari kelengkungan alam semesta ini adalah 120 miliar tahun cahaya. Kelilingnya adalah 760 miliar tahun cahaya. Ini berarti bahwa diameter Alam Semesta yang dapat diamati adalah 1/8 dari total panjang garis yang harus ditarik di ruang angkasa sehingga ia menutup dengan sendirinya. Volume seluruh Alam Semesta adalah 100 kali volume yang dapat diamati. (Jika Anda keberatan bahwa 8 ³tidak sama dengan 100, ingatlah bahwa ruang kami adalah non-Euclidean dan intuisi Anda tentang jari-jari dan volume tidak berfungsi).

Ingatlah bahwa ini adalah ukuran minimum alam semesta, menurut data kami. Sebagian besar menduga bahwa Alam Semesta benar-benar lebih besar daripada ini dan mungkin tak terbatas.

Ukuran dan nasib tidak berhubungan

Setelah membuka buku apa pun tentang kosmologi yang ditulis sebelum tahun 2000 (dan beberapa yang sedikit lebih baru), Anda kemungkinan besar akan membaca bahwa alam semesta yang tertutup akan runtuh, dan yang terbuka akan mengembang selamanya. Tetapi ini hanya jika kepadatan energi gelap alam semesta adalah nol! Deskripsi ini secara tidak langsung menyatakan bahwa materi mendominasi alam semesta kita, dalam hal ini geometri dan nasib alam semesta sangat terkait. Di alam semesta seperti kita, di mana energi gelap ada, nasib dan geometri tidak begitu terhubung. Materi gelap dan energi gelap memengaruhi bentuk Alam Semesta dan nasibnya, tetapi mereka memengaruhinya secara berbeda. Apa yang sebenarnya akan terjadi pada alam semesta kita tergantung pada jenis energi gelap apa yang akan berubah. Tetapi jika dia adalah apa yang kebanyakan dari kita bayangkan,Semesta akan berkembang selamanya dan kluster galaksi akan terus terbang terpisah satu sama lain. Tidak masalah jika alam semesta kita datar, terbuka atau tertutup.