Pergunte a Ethan # 6: Centro do Universo

“Se você busca a verdade, pode finalmente encontrar a paz; se você procurar consolo, não encontrará consolo ou verdade - você começará apenas com sabão neutro e pensamento positivo e terminará com desespero. ”

Clive Staples Lewis

E, no entanto, às vezes as respostas que você encontra colidem com suas idéias, sentimentos e até seu bom senso. Por exemplo, no caso em que o leitor me perguntou sobre:

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Então, qual é a geometria do universo, e ele tem um centro?



Para começar, dividiremos os conceitos de "nosso Universo", isto é, o Universo observável e "o Universo em geral", que inclui tudo o que está conectado conosco desde o momento do Big Bang e muito mais. Quando olhamos para o céu noturno, atrás do sistema solar, estrelas, gás e poeira em nossa galáxia, fora de nossos vizinhos galácticos e além, quase até o infinito - olhamos para o Universo observável.



Você pode olhar além da mais distante das galáxias observadas, antes que as primeiras estrelas fossem acesas, nos anos sombrios do Universo. Antes disso, cerca de 13,8 bilhões de anos atrás, quando o Universo era menor, mais quente e mais denso, era quente demais para a formação de átomos individuais - é o que vemos quando observamos a radiação cósmica de fundo em microondas (KMPI). E 380.000 anos antes disso, houve o Big Bang - a criação de um Universo quente, denso, em expansão e refrescante.



Esta é a parte do universo que podemos observar do nosso lugar. O que vemos é aproximadamente uma esfera, com cerca de 46 bilhões de anos-luz, centrada em nós.

Mas não estamos no centro do universo. Pelo contrário, falando nisso, estamos falando no contexto de uma teoria física que a descreve em larga escala - GR. E a relatividade diz que o espaço não é plano, como uma rede tridimensional, mas curvado na presença de matéria e energia.



Em grande escala, o Universo também pode ter curvatura, dependendo dos diferentes tipos de matéria, energia e velocidade de expansão. Pode ter curvatura negativa quando os ângulos do triângulo são menores que 180 graus; positivo - quando os ângulos são superiores a 180 graus; ou seja plano, como papel, onde a soma dos três ângulos é de 180 graus.

Além disso, a curvatura afeta o que acontece com dois raios que emanam de um ponto - eles se dispersam ainda mais, se cruzam ou mantêm um ângulo.



Com base nas observações de hoje e nas leis físicas, sabemos que o Universo é plano (com uma precisão de 1%) e que o tamanho do Universo não observável é pelo menos 150 vezes maior que o observável. E o melhor de tudo, isso confirma o KMFI observado.



Se nossas conclusões estiverem corretas, o Universo que estamos observando não difere daquelas observações que qualquer outro observador em qualquer outra parte dele pode fazer. Obviamente, pode haver diferenças em escalas locais - a densidade da distribuição das galáxias e a distribuição local da matéria. Em algumas direções, existem enormes aglomerados de galáxias, em outras - vazios. Algumas partes do KMFI são mais quentes ou mais frias.



Mas, em larga escala, o universo se parecerá com o mapa abaixo. Embora qualquer observador tenha uma parte esférica (seu raio é determinado pelo caminho que a luz passou desde o Big Bang) centrado no observador, o espaço nas três dimensões parece continuar e continuar o mais longe possível.



E o centro? Depende de quanto você deseja entrar na área de hipóteses. Por um lado, a estrutura do espaço tem uma forma em grande escala, dependendo da curvatura. Se a curvatura é positiva, tem a forma de uma esfera e fecha-se sobre si mesma. Se for plano, pode assumir a forma de um toro ou cilindro, que se fecha novamente. Se for negativo, pode assumir a forma de uma sela em pequena escala, mas ainda assim se prender.



Em geral, dependendo da curvatura, o Universo pode ser finito ou infinito. Se for finito, podemos falar sobre o centro. Se o espaço-tempo tem a forma de uma esfera, então o centro da esfera deve estar. Se o espaço-tempo tiver a forma de um donut, o centro estará no centro do buraco.

Mas há um problema com esse raciocínio.



Você pensa em três dimensões. Não admira. Mas todas as superfícies descritas são a superfície de uma esfera, a superfície de uma rosquinha ou sela, são bidimensionais. E você está procurando um centro na terceira dimensão.

Mas o espaço tem três dimensões. O Universo não se expande como uma superfície bidimensional de uma bola de borracha que infla, mas como uma massa tridimensional para pão (em um forno com gravidade zero), expandindo-se nas três dimensões. Portanto, se o Universo é finito e tem um centro, ele estará localizado no espaço com um grande número de dimensões.



À esquerda, a superfície do círculo é uma linha unidimensional. Seu centro está localizado em um plano bidimensional. Mas se você andar apenas ao longo da linha e perguntar "onde fica o centro", sua pergunta não faz sentido.

A superfície da esfera à direita é bidimensional. Ela tem um centro em três dimensões, mas se você andar na superfície, a questão do centro também não faz sentido.

E aqui está o que sabemos sobre o nosso espaço, o espaço tridimensional.



É plausível que seja a superfície de uma certa estrutura do espaço multidimensional e que tenha um centro. Mas não podemos encontrar este centro. A questão do centro não faz sentido - assim como a questão do centro de um círculo em termos de pontos nesse círculo.

Portanto, o universo não tem centro.

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