🐧 💺 🤘🏼 Tamanho mínimo do universo 🔥 🏔️ 🥝

Universo observado

Falando em nosso universo, distinguimos entre o "universo" e o "universo observável". O último inclui apenas o que podemos ver. Não quero dizer que tenhamos a tecnologia para realmente "ver" todo o universo observável. Quero dizer com "observável" todos os objetos dos quais a luz poderia, em princípio, chegar até nós, dada a vida útil do Universo, a velocidade da luz e a história e o futuro da expansão do Universo. A idade do universo é de 13,8 bilhões de anos. Devido à velocidade finita da luz, não podemos ver o que está tão longe de nós que levaria mais tempo para a luz viajar até nós do que o Universo existe. Esta não é uma limitação tecnológica - é uma limitação se, em princípio, existe luz que poderíamos ver se tivéssemos alguma tecnologia à nossa disposição.

Quando olhamos para os arredores do universo observável, olhamos para o passado. Se a luz levou 13,7 bilhões de anos para chegar até nós, então vemos o Universo como era 13,7 bilhões de anos atrás, e não o que é agora.

Em geral, o universo é talvez infinito. É simples de afirmar, mas esse conceito é muito difícil de imaginar se você pensar sobre isso. Uma das soluções para esse problema é a proposta de não se preocupar com isso. Se você se perguntar: "como ele pode se expandir se for infinito", você concebe o infinito erroneamente. Infinito é um conceito, não um número.

No entanto, o universo não precisa ser infinito. Segundo a relatividade geral, existem outras possibilidades. Vou dividi-los em duas categorias, mas falaremos em detalhes sobre apenas uma delas.

Topologias interessantes

É possível que o universo tenha uma topologia interessante. A topologia é diferente da geometria. A geometria inclui itens como comprimento da linha, raio de curvatura, soma dos ângulos dos polígonos, etc. A topologia trata de como diferentes partes do espaço são interconectadas.

Considere, por exemplo, o clássico jogo de Asteróides:

O jogo é jogado em um universo bidimensional muito pequeno. A geometria do universo Asteroids é euclidiana - as linhas paralelas não se cruzam, a razão entre a circunferência e o diâmetro é π, a soma dos três ângulos internos do triângulo é de 180 ° e assim por diante. Mas se você jogou esse jogo, sabe que se sair da borda esquerda da tela, retornará da borda direita. Se você deixar a borda superior, retornará da parte inferior. O universo não tem limites, você nunca encontrará uma borda ou borda. Mas ela é finita. Sua topologia é toroidal - a mesma de uma superfície de rosca, embora sua geometria seja diferente da de uma rosca (a superfície da rosca é curva).

É possível que o nosso universo se comporte da mesma maneira. Pode ter uma geometria plana, mas com uma topologia que, se você se mover em uma direção, retornará à sua origem. Se realmente tem essa topologia, aparece em uma escala maior que o Universo observado. Caso contrário, veríamos a confirmação de tal topologia (por exemplo, partes do cosmos se repetiriam, se alguém for por muito tempo em uma direção) na radiação cósmica de microondas.

Então, por enquanto, assumiremos que o Universo não tem topologias interessantes. Ou este é um espaço infinito ou é um espaço finito, que é o equivalente tridimensional da superfície de uma esfera.

Possíveis geometrias do universo

A geometria do universo não precisa ser euclidiana. Dependendo da densidade total de energia (incluindo a densidade da matéria comum, matéria escura e energia escura), existem três possibilidades para a curvatura do Universo.

O parâmetro Ω é uma maneira conveniente de discutir a densidade do Universo. Há uma densidade crítica, dependendo da taxa de expansão atual do Universo. Ela é 9 * 10 ^-30g / cm Parece ser um pouco, mas tenha em mente que o Universo está quase vazio. A Terra é um lugar relativamente denso em comparação com a maior parte do universo. O parâmetro Ω é definido como a razão entre a densidade do Universo e a crítica. Se Ω = 1, então a geometria do Universo é plana. Plano - não significa bidimensional, no sentido em que você está acostumado a falar sobre um avião. Isso significa que a geometria do espaço é euclidiana, como a que você estudou na escola.

Se Ω> 1, a geometria do Universo está fechada. Nesse caso, a geometria do Universo será a mesma da superfície tridimensional da hiperesfera quadridimensional. Se isso não parecer claro, imagine-o como o equivalente tridimensional de uma superfície de esfera. Nesse caso, a hiperesfera quadridimensional não precisa ter uma quarta dimensão espacial. Significa simplesmente que a geometria do Universo - como se comportam as linhas paralelas, qual é a soma dos ângulos do triângulo ou a razão da circunferência / diâmetro - são as mesmas da geometria na superfície de uma esfera. A matemática dessa geometria pode ser descrita usando apenas três dimensões espaciais, portanto, dimensões mais altas podem não ser necessárias. No entanto, para as necessidades de nossa descrição, vale a pena imaginar a superfície da esfera, pois isso ajudará a ter uma idéia sobre a estrutura de um universo assim.A superfície de uma esfera é um universo fechado bidimensional. Lembre-se de que o universo é uma superfície. Não tem centro, não está dentro do universo - porque tudo o que contém está na superfície da esfera e nenhum dos seus pontos é diferente dos outros.

Se Ω <1, a geometria do Universo está aberta. Isso é mais difícil de imaginar. Uma parte de um universo tridimensional aberto não pode ser empurrada em três dimensões para visualização, pois rola com um universo fechado. No entanto, o equivalente bidimensional mais próximo será uma sela ou cavacos (que são hiperbolóides ou parabolóides hiperbólicos). É um universo ilimitado e infinito. Isso continua para sempre. No entanto, não é plana e terá uma geometria interessante.

A geometria do nosso universo

A geometria do seu universo pode ser encontrada de várias maneiras. Por exemplo, no espaço, você pode construir um triângulo de três linhas. Então você precisa medir o ângulo entre cada um dos pares de linhas. Se você dobrá-los e conseguir 180 °, estará em um universo plano. Se a soma exceder 180 °, será um universo fechado; se for menor que 180 °, será um universo aberto. O único problema é a precisão das medições. Você precisa medir esses ângulos com uma precisão incrível ou desenhar triângulos muito grandes - de modo que o comprimento de um dos lados se aproxime do raio de curvatura do seu universo. (O grau de aproximação depende da precisão da medição dos ângulos).

De fato, nós fizemos. Medições da radiação cósmica de microondas (MKI) nos deram triângulos. Um lado do triângulo é obtido a partir do tamanho característico das flutuações no MCI. Conhecemos o tamanho físico deles. Outros vêm do caminho da luz que viaja de dois lados dessa flutuação. Ao medir o ângulo entre os raios de luz vindos de cada lado, podemos descobrir a geometria do triângulo. Nós conseguimos. Resposta: nosso universo é plano. No entanto, como em qualquer quantidade física, há um erro em nossas medições. A julgar pelos cálculos mais recentes , o valor de Ω está entre 0,9916 e 1,0133, com 95% de precisão. Isso significa que ainda existe a possibilidade de nosso Universo ser infinito (Ω≤1) ou finito (Ω> 1).

O tamanho mínimo do nosso universo

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Pedimos desculpas a Douglas Adams e calculamos o tamanho do nosso universo.

Primeiro, a idade do universo é de 13,8 bilhões de anos. Este é um tempo muito longo comparado às nossas vidas, mas para o Universo - a idade é bastante adequada. O limite do universo observável está a 48 bilhões de anos-luz de nós. "Espere um minuto!" Você pode gritar. "Como a luz pode viajar por uma distância de 48 bilhões de anos-luz em 13,8 bilhões de anos!" Lembre-se de que durante o tempo em que a luz chegou até nós, o universo se expandiu. Em certo sentido, a luz estava tentando "acompanhar" a expansão. Esta é uma descrição imperfeita e, se você conhece a estação de serviço, você se importa. Mas isso faz algum sentido no contexto da GR.

Como esse tamanho se relaciona com o tamanho geral do universo? Se assumirmos que Ω = 1,0133, e essa é a densidade máxima de energia correspondente aos dados atuais e, portanto, o menor dos universos fechados, podemos calcular o tamanho do Universo. O resultado é mais ou menos assim:

A superfície de uma esfera denota o tamanho de todo o Universo, onde Ω = 1,0133. A parte monótona está fora do universo que estamos observando; uma peça acima é o universo observável. O raio de curvatura deste universo é de 120 bilhões de anos-luz. Sua circunferência é de 760 bilhões de anos-luz. Isso significa que o diâmetro do Universo observável é 1/8 do comprimento total da linha que precisaria ser desenhada no espaço para que ela se fechasse. O volume de todo o universo é 100 vezes o volume do observável. (Se você objetar que 8 ³diferente de 100, lembre-se de que nosso espaço é não-euclidiano e sua intuição sobre raios e volumes não funciona).

Lembre-se de que esse é o tamanho mínimo do universo, de acordo com nossos dados. A maioria suspeita que o Universo é realmente incomensuravelmente maior que isso e pode ser infinito.

Tamanho e destino não estão relacionados

Depois de abrir qualquer livro sobre cosmologia escrito antes de 2000 (e alguns um pouco mais novos), você provavelmente lerá que um universo fechado se lembrará e um aberto se expandirá para sempre. Mas isso é apenas se a densidade da energia escura do universo for zero! Essas descrições implicitamente implicavam que a matéria dominava nosso universo; nesse caso, a geometria e o destino do universo estavam fortemente relacionados. Em um universo como o nosso, onde existe energia escura, destino e geometria não estão tão intimamente conectados. A matéria escura e a energia escura afetam tanto a forma do Universo quanto seu destino, mas elas a afetam de maneira diferente. O que exatamente acontecerá ao nosso universo depende de que tipo de energia escura se tornará. Mas se ela é o que a maioria de nós imagina,O Universo se expandirá para sempre e os aglomerados galácticos continuarão a se separar. Não importa se o nosso universo é plano, aberto ou fechado.