Wie können wir feststellen, ob das Universum unendlich ist?

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Ich habe von einer Reihe von Leuten gehört, dass das Universum unendlich ist, und aus meiner Sicht kann ich nicht sehen, wie dies tatsächlich erkannt werden kann, insbesondere angesichts der Tatsache, dass das Universum eine endliche Größe hatte und mit einer endlichen Geschwindigkeit wächst.

Bezüglich der möglichen Ähnlichkeit meiner Frage: Ich möchte wissen, wie es sein könnte und wie wir es wissen würden, anstatt ob es so ist. Dies ist deutlich anders.

Wir wissen es nicht genau, aber es passt auf jeden Fall in unsere Theorien. Es gibt natürlich keine Möglichkeit, tatsächlich zu testen, ob das Universum unendlich ist, aber im Moment halten wir es für wahrscheinlich.

Wenn Sie meine aktualisierte Antwort in Ihrem anderen Beitrag lesen, war das Universum schon immer unendlich groß. Ich erkläre dort drüben, wie es eigentlich funktioniert: Zwischen allem entsteht Raum, und so könnte man sagen, das Universum dehnt sich aus.

Diese Objekte können tatsächlich schneller als die Lichtgeschwindigkeit voneinander wegdriften. Das heißt, das Licht von ihnen wird es schließlich nicht zu uns schaffen, da sie zu schnell wegdriften.

Dies widerspricht nicht wirklich Einsteins Theorie, dass die Lichtgeschwindigkeit das schnellste Ding im Universum ist. Einstein sagte, dass nichts schneller als Licht durch den Weltraum reisen kann – aber hier wird der Raum selbst zwischen den Objekten geschaffen. Die Entfernungen nehmen zu, weil sich der Raum selbst ausdehnt und wir daher schneller als das Licht von anderen Objekten abdriften können.

Wirklich, es gibt keine Begrenzung (soweit ich weiß), wie schnell wir davondriften können. Weiter entfernte Objekte werden immer schneller wegdriften, da unsere Gravitation einen viel schwächeren Einfluss auf sie hat.

Kosmologische Krise: Wir wissen nicht, ob das Universum rund oder flach ist

Reisen Sie weit genug im Universum und Sie könnten wieder dort landen, wo Sie angefangen haben. Messungen des Planck-Weltraumobservatoriums haben gezeigt, dass das Universum eher wie eine Kugel als eine flache Platte geformt sein könnte, was fast alles verändern würde, was wir über den Kosmos zu wissen glauben.

Das Planck-Observatorium, das von 2009 bis 2013 in Betrieb war, kartierte den kosmischen Mikrowellenhintergrund, ein Lichtmeer, das vom Urknall übrig geblieben ist.

Eine Reihe von Beobachtungen zeigte, dass es mehr Gravitationslinsen gab – eine Dehnung des Lichts aufgrund der Form der Raumzeit, die durch schwere Materie verzerrt werden kann – als erwartet. Alessandro Melchiorri von der Universität Sapienza in Rom und seine Kollegen berechneten, dass dies daran liegen könnte, dass die Form des Universums anders ist als wir dachten.

Alle anderen kosmologischen Daten deuten darauf hin, dass das Universum flach ist, dh es hat keine Krümmung, ähnlich wie ein Blatt Papier. Diese Planck-Messungen deuten darauf hin, dass es „geschlossen“ oder kugelförmig sein könnte, was bedeuten würde, dass man, wenn man weit genug in eine Richtung reist, wieder dort landet, wo man angefangen hat. Das liegt daran, dass die zusätzliche Linsenwirkung das Vorhandensein zusätzlicher dunkler Materie impliziert, die das Universum in eine endliche Kugel statt in eine flache Schicht ziehen würde.

Nach diesen Beobachtungen ist das Universum 41-mal wahrscheinlicher geschlossen als flach. „Dies sind die genauesten kosmologischen Daten und geben uns ein anderes Bild“, sagt Melchiorri.

Weiterlesen: Mini-Universen könnten an jedem Punkt im Weltraum ständig explodieren

Wenn das Universum tatsächlich geschlossen ist, könnte dies ein großes Problem für unser Verständnis des Kosmos sein. Ein weiteres kosmologisches Rätsel ist, dass sich das nahe Universum schneller auszudehnen scheint, als es sollte. Dies ist mit unserem Standardmodell der Kosmologie, das ein flaches Universum umfasst, schwer zu erklären, und das Team berechnete, dass dies bei einem kugelförmigen Universum noch schwieriger wird, zusammen mit einigen anderen kosmischen Fehlanpassungen, die wir noch erklären müssen. Es ist so schlimm, dass sie es eine “kosmologische Krise” nennen.

„In einem geschlossenen Universum sind diese Anomalien schwerwiegender, als wir dachten“, sagt Melchiorri. „Wenn nichts stimmt, müssen wir uns unser Modell des Universums und seine Entstehung gründlich überlegen.“

Die übliche Erklärung für die Entstehung des Universums beinhaltet eine Periode kurz nach dem Urknall, die Inflation genannt wird, als sich das Universum schnell ausdehnte. Unsere aktuellen Inflationsmodelle führen natürlich zu einem flachen Universum, wenn das Universum also tatsächlich geschlossen wäre, müssten sie sich ändern.

„Wir brauchen ein neues Modell, und wir wissen noch nicht, was das ist“, sagt Melchiorri. Niemand hat einen Weg gefunden, diese Planck-Beobachtungen mit den vielen widersprüchlichen kosmologischen Messungen in Einklang zu bringen, die sogar einige der anderen Beobachtungen des Planck-Observatoriums einschließen.

Tatsächlich weist jede andere kosmologische Messung, die wir haben, auf ein flaches Universum. Es gibt keine anderen Beobachtungen, die darauf hindeuten, dass der Kosmos tatsächlich geschlossen ist, und es besteht die Möglichkeit, dass diese Planck-Messung nur ein statistischer Zufall ist.

„Wenn das stimmt, hätte das tiefgreifende Auswirkungen auf unser Verständnis des Universums“, sagt David Spergel von der Princeton University. „Es ist eine wirklich wichtige Behauptung, aber ich bin mir nicht sicher, ob sie durch die Daten gestützt wird. Tatsächlich würde ich sagen, dass die Beweise tatsächlich dagegen sind.“

Weitere Daten in den nächsten Jahren werden zeigen, ob wir diese Anomalie ernst nehmen müssen oder ob es sich nur um einen statistischen Zufall handelt, sagt Spergel. Das Simons-Observatorium, das derzeit in Chile gebaut wird, wird Gravitationslinsen noch genauer messen können als Planck und soll uns sagen, ob es wirklich eine kosmologische Krise gibt oder nicht.

Zeitschriftenreferenz: Naturastronomie, DOI: 10.1038/s41550-019-0906-9

Ist es echt? Physiker schlagen Methode vor, um zu bestimmen, ob das Universum eine Simulation ist

Bildnachweis: Hubble/NASA

(Phys.org) – Ein häufiges Thema von Science-Fiction-Filmen und -Büchern ist die Vorstellung, dass wir alle in einem simulierten Universum leben – dass nichts wirklich real ist. Dies ist kein triviales Streben: Einige der größten Köpfe der Geschichte, von Platon bis Descartes, haben über die Möglichkeit nachgedacht. Allerdings konnte keiner beweisen, dass eine solche Idee überhaupt möglich ist. Nun hat ein Team von Physikern der Universität Bonn ein mögliches Mittel gefunden, um uns den gesuchten Beweis zu liefern, nämlich einen messbaren Weg, um zu zeigen, dass unser Universum tatsächlich simuliert ist. Sie haben ein Papier geschrieben, in dem ihre Idee beschrieben wird, und es auf den Preprint-Server hochgeladen arXiv.

Die Idee des Teams basiert auf der Arbeit anderer Wissenschaftler, die sich aktiv mit dem Versuch beschäftigen, Simulationen unseres Universums zu erstellen, zumindest so wie wir es verstehen. Bisher haben solche Arbeiten gezeigt, dass es für die Erstellung einer Realitätssimulation einen dreidimensionalen Rahmen zur Darstellung von Objekten und Prozessen der realen Welt geben muss. Bei computergestützten Simulationen ist es notwendig, ein Gitter zu erstellen, um die Abstände zwischen virtuellen Objekten zu berücksichtigen und den Zeitverlauf zu simulieren. Das deutsche Team schlägt vor, dass ein solches Gitter auf der Grundlage der Quantenchromodynamik erstellt werden könnte – Theorien, die die Kernkräfte beschreiben, die subatomare Teilchen binden.

Beweise dafür zu finden, dass wir in einer simulierten Welt existieren, würde bedeuten, die Existenz eines zugrunde liegenden Gitterkonstrukts zu entdecken, indem man seine Endpunkte oder Kanten findet. In einem simulierten Universum würde ein Gitter naturgemäß der Energiemenge, die durch Energieteilchen repräsentiert werden könnte, eine Grenze auferlegen. Das bedeutet, dass, wenn unser Universum tatsächlich simuliert wird, es eine Möglichkeit geben sollte, diese Grenze zu finden. Im beobachtbaren Universum gibt es eine Möglichkeit, die Energie von Quantenteilchen zu messen und ihren Grenzpunkt zu berechnen, da Energie aufgrund von Wechselwirkungen mit Mikrowellen gestreut wird und könnte mit der aktuellen Technologie berechnet werden. Die Berechnung des Cutoffs, so die Forscher, könnte der Idee Glauben schenken, dass das Universum tatsächlich eine Simulation ist. Natürlich wären alle Schlussfolgerungen, die sich aus solchen Arbeiten ergeben, durch die Möglichkeit eingeschränkt, dass alles, was wir über Quantenchromodynamik oder Simulationen zu verstehen glauben, fehlerhaft sein könnte.

Abstrakt
Beobachtbare Konsequenzen der Hypothese, dass das beobachtete Universum eine numerische Simulation ist, die auf einem kubischen Raum-Zeit-Gitter oder Gitter durchgeführt wird, werden untersucht. Das Simulationsszenario wird zunächst durch die Extrapolation aktueller Trends beim Rechenressourcenbedarf für Gitter-QCD in die Zukunft motiviert. Anhand der historischen Entwicklung der Gittereichtheorie-Technologie gehen wir davon aus, dass unser Universum eine frühe numerische Simulation mit unverbesserter Wilson-Fermion-Diskretisierung ist und untersuchen potenziell beobachtbare Konsequenzen. Zu den betrachteten Observablen gehören das Myon g-2 und die aktuellen Unterschiede zwischen Alpha-Bestimmungen, aber die strengste Schranke für den inversen Gitterabstand des Universums, b^(-1) >

10^(11) GeV, wird aus dem Hochenergie-Cut-Off des kosmischen Strahlenspektrums abgeleitet. Das numerische Simulationsszenario könnte sich in den Verteilungen der kosmischen Strahlung mit der höchsten Energie zeigen, die einen Grad an Rotationssymmetriebrechung aufweist, der die Struktur des darunterliegenden Gitters widerspiegelt.

Ist das Universum endlich oder unendlich? Ein Interview mit Joseph Silk

Dieses Interview wurde 2001 im European Space Technology Centre (ESTEC) der ESA in Noordwijk, Niederlande, während eines internationalen Workshops zur Diskussion des wissenschaftlichen Programms des Planck-Satelliten geführt. Hier klärt er das Konzept der „Flachheit“ und erklärt, warum wir nie erfahren werden, ob das Universum endlich oder unendlich ist.

Leiter der Astrophysik, Department of Physics, University of Oxford, Vereinigtes Königreich

Savilian-Professor für Astronomie, Universität Oxford. Zuvor ordentlicher Professor an der University of California in Berkeley, USA. Derzeit Fellow der American Association for the Advancement of Science, der American Physical Society und der Royal Society, UK.

Die meisten seiner wissenschaftlichen Forschungen beziehen sich auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund und die Kosmologie. Er ist Autor oder Co-Autor von mehr als 300 Artikeln in referierten Zeitschriften sowie von vielen populären Artikeln und Büchern wie The Left Hand of Creation, Cosmic Enigmas und A Short History of the Universe.

Vielleicht gab es schon vor dem Urknall eine Geschichte

ESA: Der Begriff „Urknall“ deutet auf eine Explosion hin. Aber Kosmologen lehnen das Konzept einer Explosion oft ab, warum?

Joseph Seide

Kosmologen mögen den Begriff Explosion nicht, weil er die Vorstellung von Schall vermittelt, und es macht keinen Sinn, so darüber nachzudenken. Aber abgesehen davon gilt das Wort Explosion. Ich denke, die einfachste Beschreibung der Entstehung des Universums ist eine Explosion, in dem Sinne, dass sie von einem sehr kleinen Volumen aus begann und sehr schnell zunahm. Das ist normalerweise das, was Sie mit Explosion meinen.

ESA: Ist das Universum endlich oder unendlich?

Joseph Seide

Wir wissen es nicht. Die Theorie des expandierenden Universums besagt, dass sich das Universum für immer ausdehnen könnte [das entspricht einem „flachen“ Universum]. Und das ist wahrscheinlich das Modell des Universums, dem wir uns jetzt am nächsten fühlen. Aber es könnte auch endlich sein, denn es könnte sein, dass das Universum jetzt ein sehr großes Volumen hat, aber endlich, und dieses Volumen wird zunehmen, also wird es erst in der unendlichen Zukunft tatsächlich unendlich sein.

ESA: Klingt wie ein Wortspiel, oder?

Joseph Seide

Nein. Wir wissen nicht, ob das Universum endlich ist oder nicht. Um Ihnen ein Beispiel zu geben, stellen Sie sich die Geometrie des Universums in zwei Dimensionen als eine Ebene vor. Es ist flach, und eine Ebene ist normalerweise unendlich. Aber Sie können ein Blatt Papier nehmen [ein „unendliches“ Blatt Papier] und Sie können es aufrollen und einen Zylinder herstellen, und Sie können den Zylinder erneut rollen und einen Torus [wie die Form eines Donuts] herstellen. Auch die Oberfläche des Torus ist räumlich flach, aber endlich. Sie haben also zwei Möglichkeiten für ein flaches Universum: ein unendliches, wie eine Ebene, und ein endliches, wie ein Torus, das ebenfalls flach ist.

ESA: „Flach“ scheint für Nicht-Wissenschaftler eine andere Bedeutung zu haben. Unter „flach“ verstehen wir einen Tisch, der Breite hat. Hat das Universum Breite?

Joseph Seide

Flat ist nur eine zweidimensionale Analogie. Was wir meinen ist, dass das Universum „euklidisch“ ist, was bedeutet, dass parallele Linien immer parallel verlaufen und dass die Winkel eines Dreiecks sich zu 180° addieren. Das zweidimensionale Äquivalent dazu ist nun eine Ebene, ein unendliches Blatt Papier. Auf der Oberfläche dieser Ebene können Sie parallele Linien zeichnen, die sich niemals treffen werden. Eine gekrümmte Geometrie wäre eine Kugel. Wenn Sie auf einer Kugel parallele Linien zeichnen, treffen sich diese Linien an einem bestimmten Punkt, und wenn Sie ein Dreieck zeichnen, summieren sich seine Winkel auf mehr als 180o. Die Kugeloberfläche ist also nicht eben. Es ist ein endlicher Raum, aber er ist nicht flach, während die Oberfläche eines Torus ein flacher Raum ist.

ESA: Planck wird den Cosmic Microwave Background (CMB) messen, der Informationen über die Geometrie des Universums enthält. Werden wir in der Lage sein herauszufinden, ob das Universum endlich ist oder nicht?

Joseph Seide

Selbst wenn wir mit unseren kosmischen Mikrowellen-Hintergrunddaten beweisen können, dass das Universum flach ist, wissen wir immer noch nicht, ob es endlich oder unendlich ist.

ESA: Wie sollen wir dann wissen, ob das Universum unendlich ist?

Joseph Seide

Mit großer Mühe! Wir werden es vielleicht nie erfahren. Wenn das Universum endlich ist, bedeutet dies, dass es in einer zweidimensionalen Geometrie wie ein Torus wäre. Denken Sie jetzt an einen Torus. In einem solchen Universum kann Licht, das sich auf der Oberfläche eines Torus ausbreitet, zwei Wege nehmen: Es kann um die Seiten herum gehen, aber auch in einer geraden Linie. Das heißt, wenn das Universum wie ein Torus ist, kann Licht auf verschiedene Weise zum selben Punkt gelangen. Sie können einen langen und einen kurzen Weg haben. Und das wäre in einem Flugzeug nicht wahr. Aber ein Torus bedeutet, dass der Raum komplizierter ist. Das würde bedeuten, dass Sie beim Messen des CMB seltsame Muster am Himmel sehen werden, da das Licht aus der Ferne aufgrund der Topologie des Universums nicht geradlinig zu uns gekommen wäre. Die Hoffnung wäre also, irgendwann nach diesen seltsamen Mustern am Himmel zu suchen.

ESA: Wird Planck diese Muster erkennen können?

Joseph Seide

Im Prinzip ja. Wenn das Universum wie ein Torus ist, kannst du etwas sehen. Wenn das Universum endlich wäre, wäre es 100-mal größer als der Horizont, also die Entfernung, die das Licht seit dem Urknall zurückgelegt hat. Das entspräche der Größe des „Donut“ des Torus. Mit Planck könnten wir das im Prinzip messen. Auf der anderen Seite, wenn das Universum wirklich unendlich wäre, würden wir von diesem eigentümlichen Ding überhaupt kein Signal sehen. Was wir in diesem Fall wirklich sagen könnten, ist, dass das Universum größer als eine bestimmte Größe ist. Aber wenn es endlich wäre, könnte es messbar sein.

ESA: Wie groß wäre das Universum, wenn es endlich wäre?

Joseph Seide

Es könnte so groß sein wie das 100-fache des Horizonts. Das bedeutet, dass das Universum bis zu 100.000 Millionen Parsec groß sein würde, etwa 300.000 Millionen Lichtjahre, wenn wir die Topologie messen könnten.

ESA: Wir scheinen uns darin einig zu sein, dass der Urknall mit einer „Inflation“ begann, einer kurzen Phase rasanter Expansion. Aber was ist davor passiert?

Joseph Seide

Vielleicht gab es lange vor der Inflation ein Universum, das nahe einer Singularität zusammenbrach, die sich dann wieder aufblähte, also gab es bereits eine Geschichte vor dem Urknall. Manche Leute denken, es habe einen „Pre-Big Bang“ gegeben. Eine Möglichkeit ist, dass dieser Vor-Urknall, wenn es einen solchen Ort gegeben hätte, viel Entropie (die Menge an Unordnung im Universum) erzeugt hätte. Und das Universum, in dem wir leben, hat riesige Mengen an Entropie. Das ist eine Theorie. Aber wir haben kein Verständnis dafür, wie man vom Zusammenbruch zum Ausdehnen wechselt. Es gibt keinen physikalischen Weg, diesen Übergang zu erklären. Einige Leute glauben, dass sie Erklärungen vor dem Urknall haben, also ist es eine respektable Theorie.

Das Universum ist nicht ewig, sondern hatte einen Anfang von Rich Deem

Ich habe kürzlich eine E-Mail erhalten, in der behauptet wird, dass die meisten Wissenschaftler nicht glauben, dass der Urknall den Beginn des Universums darstellt. Andere Besucher der Site haben in der Vergangenheit ähnliche Behauptungen aufgestellt, daher dachte ich, es wäre eine gute Idee, die Aufzeichnungen über den Ursprung des Universums richtigzustellen. Obwohl es atheistische Wissenschaftler gibt, die glauben dass das Universum vor dem Urknall existierte, muss ich klarstellen, dass sie dafür keine Beweise liefern Glauben, schon seit keiner existiert! Diese Art von Glauben ist metaphysischer Natur, wie in einem Artikel der The Origin-of-Life Foundation, Inc. angegeben :

"Appelle an multiple oder "parallele" Kosmosen oder an eine unendliche Anzahl kosmischer "Urknall/Crunch"-Schwingungen als wesentliche Elemente vorgeschlagener Mechanismen sind in Einreichungen wegen mangelnder empirischer Korrelation und Testbarkeit nicht akzeptabel. Solche Überzeugungen sind ohne harte physikalische Beweise und müssen daher als nicht falsifizierbar angesehen werden, derzeit außerhalb der Methodik der wissenschaftlichen Untersuchung, um sie zu bestätigen oder zu widerlegen, und daher eher mathematisch theoretischer und metaphysischer als wissenschaftlicher Natur. Jüngste kosmologische Beweise deuten auch darauf hin, dass die Masse nicht ausreicht, um die anhaltende kosmische Expansion umzukehren. Die bisher besten kosmologischen Beweise deuten darauf hin, dass der Kosmos eher endlich als unendlich alt ist.“

Der Anfang des Universums

Solche metaphysischen Überzeugungen sind oft in populären Büchern über Kosmologie enthalten, obwohl selten behauptet wird, dass diese Überzeugungen ohne Beweise sind. So sehr Atheisten gerne einen Anfang des Universums loswerden würden, es ist offensichtlich, dass es irgendwann in der Vergangenheit begann zu existieren. Der Satz 2 von Borde-Guth-Vilenkin zeigt, dass es keine Möglichkeit gibt, einen Anfang zu irgendein Universum, das durch kosmische Expansion gekennzeichnet ist (H_{ein V} >0). Da unser Universum durch kosmische Expansion gekennzeichnet ist, ist es Muss einen Anfang gehabt haben. Der Satz von Borde-Guth-Vilenkin eliminiert also das ewige Inflationsmodell, das auf einem sich ständig erweiternden Multiversum basiert. Zyklische Universumsmodelle versagen, weil die Entropie eines kollabierenden und expandierenden Universums alle Teile des Universums innerhalb weniger Zyklen thermisch tot machen würde (eine ewige Anzahl von Zyklen ist offensichtlich mehr als wenige!). Das kosmische Ei-Modell scheitert, weil das Ei nicht ewig hätte existieren können, da es durch Quanteninstabilitäten nach einer endlichen Zeit zum Kollaps gezwungen würde. 3 Hier sind einige Zitate von Universitäts-Websites von Wissenschaftlern, die kennt dass das Universum einen Anfang hatte:

„Das Fazit dieses Vortrags ist, dass das Universum nicht ewig existiert. Vielmehr haben das Universum und die Zeit selbst im Urknall vor etwa 15 Milliarden Jahren ihren Anfang genommen.“ Stephen Hawking Der Anfang der Zeit
„Wissenschaftler sind sich im Allgemeinen einig, dass „der Urknall“ das Universum vor etwa 15 Milliarden Jahren geboren hat.“ Tom Parisi, Northern Illinois University
"Als Folge des Urknalls (der gewaltigen Explosion, die den Beginn unseres Universums markierte) dehnt sich das Universum aus und die meisten Galaxien entfernen sich voneinander." CalTech
„Das Urknallmodell der Geburt des Universums ist das am weitesten verbreitete Modell, das jemals für den wissenschaftlichen Ursprung von allem entwickelt wurde.“ Stuart Robbins, Case Western Reserve University
„Viele glaubten einst, das Universum habe weder Anfang noch Ende und sei wirklich unendlich. Durch die Einführung der Urknalltheorie konnte das Universum jedoch nicht mehr als unendlich betrachtet werden. Das Universum war gezwungen, die Eigenschaften eines endlichen Phänomens anzunehmen, das eine Geschichte und einen Anfang besitzt.“ Chris LaRocco und Blair Rothstein, University of Michigan
"Die wissenschaftlichen Beweise sind jetzt überwältigend, dass das Universum mit einem "Urknall" begann

Fazit

Die Daten aus der Kosmologie zeigen, dass das Universum einen Anfang hatte, als Raum, Zeit, Materie und Energie aus dem als Urknall bekannten kosmischen Ereignis explodierten. Die Bibel sagt uns, dass Gott "den Himmel ausbreitet" (ein sich ausdehnendes Universum) 4 und dass die sichtbaren Teile aus dem Unsichtbaren gemacht wurden (Hebräer 11,3), 5 beides Ideen, die von der modernen Kosmologie unterstützt werden. Sind Atheisten deshalb so bestrebt, den Anfang des Universums loszuwerden?

Ist das Universum unendlich oder nur sehr groß?

WIR kennen die Größe der Erde seit der Zeit der alten Griechen. Sonne, Sonnensystem und Milchstraße? Kein Problem. Aber wenn es um die Größe des Universums geht, haben wir keine Ahnung.

“Es ist seltsam: Die Größe des beobachtbaren Universums ist eine der genauer bekannten Größen in der Astronomie, aber die Größe des gesamten Universums ist eine der am wenigsten bekannten,”, sagt Scott Dodelson, ein Kosmologe bei Fermilab in Batavia, Illinois.

Eine Möglichkeit, über die Größe des beobachtbaren Universums nachzudenken, besteht darin, zu überlegen, wie weit das beim Urknall emittierte Licht inzwischen gereist sein könnte. Nach unseren besten kosmologischen Modellen beträgt diese Entfernung etwa 46 Milliarden Lichtjahre. Dies ist der kosmische “horizont”, eine Art dreidimensionales Äquivalent des 2D-Horizonts, den wir auf der Erde sehen.

“So weit wir sehen können und wie groß wir empirisch beobachten können, wie groß das Universum ist,”, sagt Adam Riess von der Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, der 2011 für seine Entdeckung den Nobelpreis erhielt Die Expansion des Universums beschleunigt sich. “Natürlich sind wir ziemlich sicher, dass es noch viel weiter geht.”

Warum? Denn das Universum sieht sehr ähnlich aus, egal in welche Richtung man schaut. Nehmen Sie den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), die Strahlung, die der Urknall hinterlassen hat. Es ist am Himmel weitgehend einheitlich, und wir haben keinen Grund zu der Annahme, dass sich dies über den kosmischen Horizont hinaus ändern würde. Es gibt keine Anzeichen dafür, dass das Universum nachlässt, also wäre es &hellip

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Gravitation und die Geometrie der Raumzeit

Die physikalische Grundlage von Einsteins Auffassung der Gravitation, der Allgemeinen Relativitätstheorie, beruht auf zwei empirischen Erkenntnissen, die er zu grundlegenden Postulaten erhoben hat. Das erste Postulat ist das Relativitätsprinzip: Die lokale Physik wird von der speziellen Relativitätstheorie beherrscht. Das zweite Postulat ist das Äquivalenzprinzip: Es gibt keine Möglichkeit für einen Beobachter, lokal zwischen Gravitation und Beschleunigung zu unterscheiden. Die Motivation für das zweite Postulat ergibt sich aus Galileis Beobachtung, dass alle Objekte – unabhängig von Masse, Form, Farbe oder einer anderen Eigenschaft – in einem (gleichförmigen) Gravitationsfeld gleich schnell beschleunigen.

Einsteins spezielle Relativitätstheorie, die er 1905 entwickelte, hatte als Grundvoraussetzungen (1) die (ebenfalls auf Galilei zurückgehende) Vorstellung, dass die Gesetze der Physik für alle Trägheitsbeobachter gleich sind und (2) die Konstanz der Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum – nämlich dass die Lichtgeschwindigkeit für alle Trägheitsbeobachter unabhängig voneinander den gleichen Wert hat (3 × 10 10 Zentimeter pro Sekunde [cm/s] oder 2 × 10 5 Meilen pro Sekunde [Meilen/s]). ihrer Bewegung relativ zur Lichtquelle. Diese zweite Prämisse ist eindeutig unvereinbar mit den euklidischen und Newtonschen Vorschriften des absoluten Raums und der absoluten Zeit, was zu einem Programm führte, das Raum und Zeit zu einer einzigen Struktur verschmolz, mit bekannten Konsequenzen. Die Raum-Zeit-Struktur der speziellen Relativitätstheorie wird oft als „flach“ bezeichnet, weil unter anderem die Ausbreitung von Photonen auf einem flachen Millimeterpapier mit gleich großen Quadraten leicht dargestellt werden kann. Jeder Tick auf der vertikalen Achse repräsentiert ein Lichtjahr (9,46 × 10 17 cm [5,88 × 10 12 Meilen]) Entfernung in Flugrichtung des Photons, und jeder Tick auf der horizontalen Achse repräsentiert den Durchgang von einem Jahr (3,16 × 10 7 Sekunden) der Zeit. Die Ausbreitungsbahn des Photons ist dann eine 45°-Linie, weil es in einem Jahr ein Lichtjahr fliegt (in Bezug auf die Raum- und Zeitmessungen aller Inertialbeobachter, egal wie schnell sie sich relativ zum Photon bewegen).

Das Äquivalenzprinzip der Allgemeinen Relativitätstheorie erlaubt es, die lokal flache Raum-Zeit-Struktur der Speziellen Relativitätstheorie durch die Gravitation zu verformen, so dass (im kosmologischen Fall) die Ausbreitung des Photons über Tausende von Millionen Lichtjahren nicht mehr aufgetragen werden kann auf einem global flachen Blatt Papier. Allerdings kann die Krümmung des Papiers bei Betrachtung nur eines kleinen Stücks nicht sichtbar sein, wodurch der lokale Eindruck entsteht, die Raumzeit sei flach (dh erfülle die spezielle Relativitätstheorie). Erst wenn das Millimeterpapier global untersucht wird, erkennt man, dass es gekrümmt ist (dh die allgemeine Relativitätstheorie erfüllt).

In Einsteins 1917-Modell des Universums tritt die Krümmung nur im Raum auf, wobei das Millimeterpapier auf seiner Seite zu einem Zylinder aufgerollt ist, eine Schleife um den Zylinder zu konstanter Zeit mit einem Umfang von 2πR– die gesamte räumliche Ausdehnung des Universums. Beachten Sie, dass der „Radius des Universums“ in einer „Richtung“ senkrecht zur Raum-Zeit-Oberfläche des Millimeterpapiers gemessen wird. Da die beringte Raumachse einer von drei Dimensionen der realen Welt entspricht (jede ist ausreichend, da in einem isotropen Modell alle Richtungen äquivalent sind), existiert der Radius des Universums in einer vierten räumlichen Dimension (nicht der Zeit), die nicht Teil von . ist die wahre Welt. Diese vierte räumliche Dimension ist ein mathematischer Kunstgriff, der eingeführt wurde, um die Lösung (in diesem Fall) von Gleichungen für einen gekrümmten dreidimensionalen Raum diagrammartig darzustellen, die sich auf keine anderen Dimensionen als die drei physikalischen beziehen müssen. Photonen, die sich geradlinig in jede physikalische Richtung bewegen, haben Trajektorien, die diagonal (in einem Winkel von 45° zur Raum- und Zeitachse) von Ecke zu Ecke jeder kleinen quadratischen Zelle des Raum-Zeit-Gitters verlaufen zylindrische Oberfläche des Millimeterpapiers, eine Umdrehung machen, nachdem eine räumliche Distanz 2π . zurückgelegt wurdeR. Mit anderen Worten, Photonen flogen immer direkt voraus und kehrten nach einer endlichen Entfernung zu ihrem Ausgangspunkt zurück, ohne jemals an eine Kante oder Grenze zu gelangen. Der Abstand zur „anderen Seite“ des Universums beträgt also πR, und es würde in jeder Richtung liegen, der Raum wäre in sich geschlossen.

Außer in Analogie zur geschlossenen zweidimensionalen Oberfläche einer Kugel, die gleichförmig zu einem Zentrum in einer dritten Dimension gekrümmt ist, die nirgendwo auf der zweidimensionalen Oberfläche liegt, kann sich kein dreidimensionales Wesen ein geschlossenes dreidimensionales Volumen vorstellen, das gleichmäßig zu einem Zentrum in einer vierten Dimension gekrümmt, die nirgendwo im dreidimensionalen Volumen liegt. Trotzdem konnten dreidimensionale Lebewesen die Krümmung ihrer dreidimensionalen Welt entdecken, indem sie Vermessungsexperimente mit ausreichender räumlicher Reichweite durchführten. Sie könnten zum Beispiel Kreise zeichnen, indem sie ein Ende einer Schnur festheften und entlang einer einzigen Ebene den vom anderen Ende beschriebenen Ort verfolgen, wenn die Schnur dazwischen immer straff gehalten wird (eine gerade Linie) und von einem Vermesser herumgeführt wird. In Einsteins Universum, wenn die Zeichenfolge im Vergleich zur Menge kurz wäre R, der Umfang des Kreises geteilt durch die Länge der Schnur (der Radius des Kreises) würde fast 2π = 6.2837853… betragen, wodurch die dreidimensionalen Kreaturen glauben gemacht werden, dass die euklidische Geometrie eine korrekte Beschreibung ihrer Welt gibt. Das Verhältnis von Umfang zu Saitenlänge würde jedoch kleiner als 2π werden, wenn die Saitenlänge vergleichbar mit wird R. In der Tat, wenn eine Zeichenfolge der Länge πR zur Antipode eines positiv gekrümmten Universums straff gezogen werden könnte, würde das Verhältnis gegen Null gehen. Kurz gesagt, am festgehefteten Ende konnte man sehen, wie die Schnur einen großen Bogen in den Himmel von Horizont zu Horizont und wieder zurück strich, aber um die Schnur dazu zu bringen, brauchte der Vermesser am anderen Ende nur einen Bogen zu gehen Kreis von verschwindend kleinem Umfang.

Um zu verstehen, warum die Gravitation den Raum (oder allgemeiner die Raumzeit) auf so verblüffende Weise krümmen kann, betrachten Sie das folgende Gedankenexperiment, das ursprünglich von Einstein konzipiert wurde. Stellen Sie sich einen Aufzug im freien Raum vor, der aus der Sicht einer Frau im Trägheitsraum mit einer Geschwindigkeit von numerisch gleich nach oben beschleunigt G, das Gravitationsfeld an der Erdoberfläche. Lassen Sie diesen Aufzug an zwei Seiten parallele Fenster haben, und lassen Sie die Frau einen kurzen Lichtimpuls auf die Fenster werfen. Sie wird sehen, wie die Photonen in der Nähe der Oberseite des nahen Fensters eintreten und nahe der Unterseite des fernen Fensters austreten, weil der Aufzug in dem Intervall, das Licht braucht, um über den Aufzug zu fahren, nach oben beschleunigt wurde. Für sie bewegen sich Photonen geradlinig, und erst die Beschleunigung des Aufzugs hat dazu geführt, dass sich die Fenster und der Boden des Aufzugs bis zur Flugbahn der Photonen krümmen.

Lassen Sie jetzt einen Mann im Aufzug stehen. Denn der Aufzugsboden beschleunigt ihn mit einer Geschwindigkeit nach oben G, kann er – wenn er sich selbst als stationär betrachten möchte – denken, dass er auf der Erdoberfläche stillsteht und von ihrem Gravitationsfeld zu Boden gezogen wird G. Tatsächlich kann er nach dem Äquivalenzprinzip, ohne aus dem Fenster zu schauen (das Äußere ist nicht Teil seiner lokalen Umgebung), kein lokales Experiment durchführen, das ihn anders informieren würde. Lass die Frau ihren Lichtpuls erstrahlen. Der Mann sieht genau wie die Frau, dass die Photonen am oberen Rand des einen Fensters eintreten und am unteren Rand des anderen wieder austreten. Und genau wie die Frau weiß er, dass sich Photonen im freien Raum geradlinig ausbreiten. (Nach dem Relativitätsprinzip müssen sie sich auf die Gesetze der Physik einigen, wenn sie beide Trägheitsbeobachter sind.) Da er jedoch sieht, dass die Photonen relativ zu sich selbst einer gekrümmten Bahn folgen, schlussfolgert er, dass sie durch die Schwerkraft gebogen werden müssen . Die Frau versucht ihm zu sagen, dass keine solche Kraft am Werk ist, er ist kein träger Beobachter. Nichtsdestotrotz hat er die Solidität der Erde unter sich, also besteht er darauf, seine Beschleunigung der Schwerkraft zuzuschreiben. Nach Einstein haben beide Recht. Es besteht keine Notwendigkeit, lokal zwischen Beschleunigung und Schwerkraft zu unterscheiden – die beiden sind in gewisser Weise äquivalent. Aber wenn das der Fall ist, dann muss es wahr sein, dass die Schwerkraft – die „echte“ Schwerkraft – Licht tatsächlich biegen kann. Und das kann sie tatsächlich, wie viele Experimente seit Einsteins erster Diskussion des Phänomens gezeigt haben.

Es war das Genie von Einstein, noch weiter zu gehen. Rather than speak of the force of gravitation having bent the photons into a curved path, might it not be more fruitful to think of photons as always flying in straight lines—in the sense that a straight line is the shortest distance between two points—and that what really happens is that gravitation bends space-time? In other words, perhaps gravitation is curved space-time, and photons fly along the shortest paths possible in this curved space-time, thus giving the appearance of being bent by a “force” when one insists on thinking that space-time is flat. The utility of taking this approach is that it becomes automatic that all test bodies fall at the same rate under the “force” of gravitation, for they are merely producing their natural trajectories in a background space-time that is curved in a certain fashion independent of the test bodies. What was a minor miracle for Galileo and Newton becomes the most natural thing in the world for Einstein.

To complete the program and to conform with Newton’s theory of gravitation in the limit of weak curvature (weak field), the source of space-time curvature would have to be ascribed to mass (and energy). The mathematical expression of these ideas constitutes Einstein’s theory of general relativity, one of the most beautiful artifacts of pure thought ever produced. The American physicist John Archibald Wheeler and his colleagues summarized Einstein’s view of the universe in these terms:

Curved spacetime tells mass-energy how to move

mass-energy tells spacetime how to curve.

Contrast this with Newton’s view of the mechanics of the heavens:

Force tells mass how to accelerate

mass tells gravity how to exert force.

Notice therefore that Einstein’s worldview is not merely a quantitative modification of Newton’s picture (which is also possible via an equivalent route using the methods of quantum field theory) but represents a qualitative change of perspective. And modern experiments have amply justified the fruitfulness of Einstein’s alternative interpretation of gravitation as geometry rather than as force. His theory would have undoubtedly delighted the Greeks.

How could we tell if the Universe is infinite? - Astronomie

I am a 6th grade science teacher. Currently I am teaching our astronomy/space exploration unit. During class a student asked this question:

If you built an unending line of reflectors out into space, could light be reflected across the universe and back to earth at the same degree of light energy that was originally transmitted?

We teachers have a difference of opinion about the answer to this question. Could you assist with the answer?

1) One group of teachers says 'yes'. Light could be reflected continuously and at the same energy level as was originally sent. This would be accomplished because the reflectors would mirror exactly the light intensity level which was originally sent. This capture and reflection process of the original light energy could potentially go on forever - through millions of light year distances in outer space.

2) The other group says "no". Due to the expanded cone shape which light rays create when transmitted - there would be no reflector that could 'catch' all of the light rays. Thus, through millions of reflections and potentially through the process of entropy, eventually the total light energy originally transmitted would diminish in intensity. Eventually, while reflecting this light across millions of light year miles - the light would be lost to outer space.

Could you help us with the answer to this question?

What a good question! Both groups of teachers make very good points. It turns out that there are a few things to consider:

1. Although we like to think of everyday mirrors as "perfect" reflectors, they aren't: a little bit of light is absorbed (and therefore lost) with each reflection. The same is true with transmission through a clear material like glass: in this case, a little bit of the light impinging on the glass is actually reflected instead of transmitted (we've all seen faint reflections against a glass window that's a manifestation of this effect). Since a little bit of light is lost with each reflection of a normal mirror, we can't "reflect" the light to the edge of the Universe.

But who says that we have to use real-life mirrors? Let's assume that we have access to "perfect" mirrors, that reflect all of the light that we impinge on them. Let's also assume that we can place these mirrors anywhere we want in the Universe with infinite accuracy, that no other objects in the Universe (or light from these objects) contaminates our experiment, and that we can measure the energy of each photon in the light we send out with infinite accuracy at each stage. Now can we reflect it infinitely, as the first group suggests?

2. The second group has a good point about the expansion of a light wave front as it travels: as we get farther away from the source that emitted the light, we have to build bigger surfaces to reflect the latter. It turns out that this is also the case for highly collimated beams of light like those from lasers: they too "spread out" as they propagate through space. So if light spreads out as it travels and you have to keep building a bigger perfect mirror to reflect it all, then you can't propagate the light infinitely since eventually you'd have to build an infinite mirror (which even in our idealized world we'll assume is impossible).

But what if we used perfect gebogen mirrors instead of flat ones? We could curve the mirrors and make them just concave enough to counteract the spreading of the light from one mirror to the next. Then the size of the mirrors could always be finite, since we would "focus" the light often enough to avoid having really big mirrors. So perhaps we can reflect a signal infinitely and retain all its energy after all.

3. It turns out that the Universe itself has to be taken into account in this experiment, because it's expanding! The expansion of the Universe causes a Rotverschiebung of light propagating in it - the wavelength of the light expands along with spacetime in the Universe, and that causes the energy of the light to decrease. Even if we bounce the light off perfect curved mirrors as we propagate it through the Universe, we can't avoid the effects of the redshift. This means that although we can preserve the *number* of photons that we emit, we can't preserve their energy - it will always decrease.

All of these things considered, I think a fair answer to your student's question is this: wenn you use perfect mirrors and wenn you curve at least some of them to counteract the spreading of the light beam you send out, then you can keep reflecting every single photon you started with indefinitely, and certainly to the end of the Universe and back. However, each of these photons will lose energy because of the expansion of the Universe, and so you can never retain the same amount of energy, just the number of photons.

I hope that this clarifies matters! If you have any additional questions, feel free to write back. It's a pleasure to help teachers give their students a better understanding of physics and astronomy!

Diese Seite wurde zuletzt am 27.06.2015 aktualisiert.

Über den Autor

Christopher Springob

Chris untersucht die großräumige Struktur des Universums mit den eigentümlichen Geschwindigkeiten von Galaxien. Er promovierte 2005 an Cornell und ist heute Research Assistant Professor an der University of Western Australia.

Can Physicists Ever Prove the Multiverse Is Real?

The universe began as a Big Bang and almost immediately began to expand faster than the speed of light in a growth spurt called “inflation.” This sudden stretching smoothed out the cosmos, smearing matter and radiation equally across it like ketchup and mustard on a hamburger bun.

That expansion stopped after just a fraction of a second. But according to an idea called the “inflationary multiverse,” it continues—just not in our universe where we could see it. And as it does, it spawns other universes. And even when it stops in those spaces, it continues in still others. This “eternal inflation” would have created an infinite number of other universes.

Together, these cosmic islands form what scientists call a “multiverse.” On each of these islands, the physical fundamentals of that universe—like the charges and masses of electrons and protons and the way space expands—could be different.

Cosmologists mostly study this inflationary version of the multiverse, but the strange scenario can takes other forms, as well. Imagine, for example, that the cosmos is infinite. Then the part of it that we can see—the visible universe—is just one of an uncountable number of other, same-sized universes that add together to make a multiverse. Another version, called the “Many Worlds Interpretation,” comes from quantum mechanics. Here, every time a physical particle, such as an electron, has multiple options, it takes all of them—each in a different, newly spawned universe.

A representation of the evolution of the universe over 13.77 billion years. The far left depicts the earliest moment we can now probe, when a period of "inflation" produced a burst of exponential growth in the universe. (NASA / WMAP Science Team)

Kavli Prize winners for invention of inflation (The Kavli Prize)

An image of how a collision with another universe might show up in the microwave background (University College London)

But all of those other universes might be beyond our scientific reach. A universe contains, by definition, all of the stuff anyone inside can see, detect or probe. And because the multiverse is unreachable, physically and philosophically, astronomers may not be able to find out—for sure—if it exists at all.

Determining whether or not we live on one of many islands, though, isn’t just a quest for pure knowledge about the nature of the cosmos. If the multiverse exists, the life-hosting capability of our particular universe isn’t such a mystery: An infinite number of less hospitable universes also exist. The composition of ours, then, would just be a happy coincidence. But we won’t know that until scientists can validate the multiverse. And how they will do that, and if it even possible to do that, remains an open question.

Null results

This uncertainty presents a problem. In science, researchers try to explain how nature works using predictions that they formally call hypotheses. Colloquially, both they and the public sometimes call these ideas “theories.” Scientists especially gravitate toward this usage when their idea deals with a wide-ranging set of circumstances or explains something fundamental to how physics operates. And what could be more wide-ranging and fundamental than the multiverse?

For an idea to technically move from hypothesis to theory, though, scientists have to test their predictions and then analyze the results to see whether their initial guess is supported or disproved by the data. If the idea gains enough consistent support and describes nature accurately and reliably, it gets promoted to an official theory.

As physicists spelunk deeper into the heart of reality, their hypotheses—like the multiverse—become harder and harder, and maybe even impossible, to test. Without the ability to prove or disprove their ideas, there’s no way for scientists to know how well a theory actually represents reality. It’s like meeting a potential date on the internet: While they may look good on digital paper, you can’t know if their profile represents their actual self until you meet in person. And if you never meet in person, they could be catfishing you. And so could the multiverse.

Physicists are now debating whether that problem moves ideas like the multiverse from physics to metaphysics, from the world of science to that of philosophy.

Show-me state

Some theoretical physicists say their field needs more cold, hard evidence and worry about where the lack of proof leads. “It is easy to write theories,” says Carlo Rovelli of the Center for Theoretical Physics in Luminy, France. Here, Rovelli is using the word colloquially, to talk about hypothetical explanations of how the universe, fundamentally, works. “It is hard to write theories that survive the proof of reality,” he continues. “Few survive. By means of this filter, we have been able to develop modern science, a technological society, to cure illness, to feed billions. All this works thanks to a simple idea: Do not trust your fancies. Keep only the ideas that can be tested. If we stop doing so, we go back to the style of thinking of the Middle Ages.”

He and cosmologists George Ellis of the University of Cape Town and Joseph Silk of Johns Hopkins University in Baltimore worry that because no one can currently prove ideas like the multiverse right or wrong, scientists can simply continue along their intellectual paths without knowing whether their walks are anything but random. “Theoretical physics risks becoming a no-man's-land between mathematics, physics and philosophy that does not truly meet the requirements of any,” Ellis and Silk noted in a Natur editorial in December 2014.

It’s not that physicists don’t want to test their wildest ideas. Rovelli says that many of his colleagues thought that with the exponential advance of technology—and a lot of time sitting in rooms thinking—they would be able to validate them by now. “I think that many physicists have not found a way of proving their theories, as they had hoped, and therefore they are gasping,” says Rovelli.

“Physics advances in two manners,” he says. Either physicists see something they don’t understand and develop a new hypothesis to explain it, or they expand on existing hypotheses that are in good working order. “Today many physicists are wasting time following a third way: trying to guess arbitrarily,” says Rovelli. “This has never worked in the past and is not working now.”

The multiverse might be one of those arbitrary guesses. Rovelli is not opposed to the idea itself but to its purely drawing-board existence. “I see no reason for rejecting a priori the idea that there is more in nature than the portion of spacetime we see,” says Rovelli. “But I haven't seen any convincing evidence so far.”

“Proof” needs to evolve

Other scientists say that the definitions of “evidence” and “proof” need an upgrade. Richard Dawid of the Munich Center for Mathematical Philosophy believes scientists could support their hypotheses, like the multiverse—without actually finding physical support. He laid out his ideas in a book called String Theory and the Scientific Method. Inside is a kind of rubric, called “Non-Empirical Theory Assessment,” that is like a science-fair judging sheet for professional physicists. If a theory fulfills three criteria, it is wahrscheinlich true.

First, if scientists have tried, and failed, to come up with an alternative theory that explains a phenomenon well, that counts as evidence in favor of the original theory. Second, if a theory keeps seeming like a better idea the more you study it, that’s another plus-one. And if a line of thought produced a theory that evidence later supported, chances are it will again.

Radin Dardashti, also of the Munich Center for Mathematical Philosophy, thinks Dawid is straddling the right track. “The most basic idea undergirding all of this is that if we have a theory that seems like it works, and we have come up with nothing that works better, chances are our idea is right,” he says.

But, historically, that undergirding has often collapsed, and scientists haven’t been able to see the obvious alternatives to dogmatic ideas. For example, the Sun, in its rising and setting, seems to go around Earth. People, therefore, long thought that our star orbited the Earth.

Dardashti cautions that scientists shouldn’t go around applying Dawid’s idea willy-nilly, and that it needs more development. But it may be the best idea out there for “testing” the multiverse and other ideas that are too hard, if not impossible, to test. He notes, though, that physicists’ precious time would be better spent dreaming up ways to find real evidence.

Not everyone is so sanguine, though. Sabine Hossenfelder of the Nordic Institute for Theoretical Physics in Stockholm, thinks “post-empirical” and “science” can never live together. “Physics is not about finding Real Truth. Physics is about describing the world,” she wrote on her blog Backreaction in response to an interview in which Dawid expounded on his ideas. And if an idea (which she also colloquially calls a theory) has no empirical, physical backing, it doesn’t belong. “Without making contact to observation, a theory isn’t useful to describe the natural world, not part of the natural sciences, and not physics,” she concluded.

Multiverse (Standford University)

The truth is out there

Some supporters of the multiverse claim they have found real physical evidence for the multiverse. Joseph Polchinski of the University of California, Santa Barbara, and Andrei Linde of Stanford University—some of the theoretical physicists who dreamed up the current model of inflation and how it leads to island universes—say the proof is encoded in our cosmos.

This cosmos is huge, smooth and flat, just like inflation says it should be. “It took some time before we got used to the idea that the large size, flatness, isotropy and uniformity of the universe should not be dismissed as trivial facts of life,” Linde wrote in a paper that appeared on arXiv.org in December. “Instead of that, they should be considered as experimental data requiring an explanation, which was provided with the invention of inflation.”

Similarly, our universe seems fine tuned to be favorable to life, with its Goldilocks expansion rate that’s not too fast or too slow, an electron that’s not too big, a proton that has the exact opposite charge but the same mass as a neutron and a four-dimensional space in which we can live. If the electron or proton were, for example, one percent larger, beings could not be. What are the chances that all those properties would align to create a nice piece of real estate for biology to form and evolve?

In a universe that is, in fact, the only universe, the chances are vanishingly small. But in an eternally inflating multiverse, it is certain that one of the universes should turn out like ours. Each island universe can have different physical laws and fundamentals. Given infinite mutations, a universe on which humans can be born werden be born. The multiverse actually explains why we’re here. And our existence, therefore, helps explain why the multiverse is plausible.

These indirect pieces of evidence, statistically combined, have led Polchinski to say he’s 94 percent certain the multiverse exists. But he knows that’s 5.999999 percent short of the 99.999999 percent sureness scientists need to call something a done deal.

The detailed, all-sky picture of the infant universe created from nine years of WMAP data. The image reveals 13.77 billion year old temperature fluctuations (shown as color differences) that correspond to the seeds that grew to become the galaxies. (NASA / WMAP Science Team)

Eventually, scientists may be able to discover more direct evidence of the multiverse. They are hunting for the stretch marks that inflation would have left on the cosmic microwave background, the light left over from the Big Bang. These imprints could tell scientists whether inflation happened, and help them find out whether it’s still happening far from our view. And if our universe has bumped into others in the past, that fender-bender would also have left imprints in the cosmic microwave background. Scientists would be able to recognize that two-car accident. And if two cars exist, so must many more.

Or, in 50 years, physicists may sheepishly present evidence that the early 21 st -century’s pet cosmological theory was wrong.

“We are working on a problem that is very hard, and so we should think about this on a very long time scale,” Polchinski has advised other physicists. That’s not unusual in physics. A hundred years ago, Einstein’s theory of general relativity, for example, predicted the existence of gravitational waves. But scientists could only verify them recently with a billion-dollar instrument called LIGO, the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory.

So far, all of science has relied on testability. It has been what makes science science and not daydreaming. Its strict rules of proof moved humans out of dank, dark castles and into space. But those tests take time, and most theoreticians want to wait it out. They are not ready to shelve an idea as fundamental as the multiverse—which could actually be the answer to life, the universe and everything—until and unless they can prove to themselves it doesn’t exist. And that day may never come.

Excerpt: 'The Hidden Reality'

The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the CosmosBy Brian GreeneHardcover, 384 pagesKnopfList price: $29.95

If, when I was growing up, my room had been adorned with only a single mirror, my childhood daydreams might have been very different. But it had two. And each morning when I opened the closet to get my clothes, the one built into its door aligned with the one on the wall, creating a seemingly endless series of reflections of anything situated between them. It was mesmerizing. I delighted in seeing image after image populating the parallel glass planes, extending back as far as the eye could discern. All the reflections seemed to move in unison — but that, I knew, was a mere limitation of human perception at a young age I had learned of light's finite speed. So in my mind's eye, I would watch the light's round-trip journeys. The bob of my head, the sweep of my arm silently echoed between the mirrors, each reflected image nudging the next. Sometimes I would imagine an irreverent me way down the line who refused to fall into place, disrupting the steady progression and creating a new reality that informed the ones that followed. During lulls at school, I would sometimes think about the light I had shed that morning, still endlessly bouncing between the mirrors, and I'd join one of my reflected selves, entering an imaginary parallel world constructed of light and driven by fantasy. It was a safe way to break the rules.

To be sure, reflected images don't have minds of their own. But these youthful flights of fancy, with their imagined parallel realities, resonate with an increasingly prominent theme in modern science — the possibility of worlds lying beyond the one we know. This book is an exploration of such possibilities, a considered journey through the science of parallel universes.

There was a time when "universe" meant "all there is." Everything. The whole shebang. The notion of more than one universe, more than one everything, would seemingly be a contradiction in terms. Yet a range of theoretical developments has gradually qualified the interpretation of "universe." To a physicist, the word's meaning now largely depends on context. Sometimes "universe" still connotes absolutely everything. Sometimes it refers only to those parts of everything that someone such as you or I could, in principle, have access to. Sometimes it's applied to separate realms, ones that are partly or fully, temporarily or permanently, inaccessible to us in this sense, the word relegates ours to membership in a large, perhaps infinitely large, collection.

With its hegemony diminished, "universe" has given way to other terms introduced to capture the wider canvas on which the totality of reality may be painted. Parallel worlds or parallel universes or multiple universes or alternate universes or the metaverse, megaverse, or multiverse — they're all synonymous and they're all among the words used to embrace not just our universe but a spectrum of others that may be out there.

You'll notice that the terms are somewhat vague. What exactly constitutes a world or a universe? What criteria distinguish realms that are distinct parts of a single universe from those classified as universes of their own? Perhaps someday our understanding of multiple universes will mature sufficiently for us to have precise answers to these questions. For now, we'll use the approach famously applied by Justice Potter Stewart in attempting to define pornography. While the U.S. Supreme Court wrestled mightily to delineate a standard, Stewart declared simply and forthrightly, "I know it when I see it."

In the end, labeling one realm or another a parallel universe is merely a question of language. What matters, what's at the heart of the subject, is whether there exist realms that challenge convention by suggesting that what we've long thought to be the universe is only one component of a far grander, perhaps far stranger, and mostly hidden reality.

During the last half century, science has provided ample ways in which this possibility might be realized.

Varieties of Parallel Universes

A striking fact (it's in part what propelled me to write this book) is that many of the major developments in fundamental theoretical physics — relativistic physics, quantum physics, cosmological physics, unified physics, computational physics — have led us to consider one or another variety of parallel universe. Indeed, the chapters that follow trace a narrative arc through nine variations on the multiverse theme. Each envisions our universe as part of an unexpectedly larger whole, but the complexion of that whole and the nature of the member universes differ sharply among them. In some, the parallel universes are separated from us by enormous stretches of space or time in others, they're hovering millimeters away in others still, the very notion of their location proves parochial, devoid of meaning. A similar range of possibility is manifest in the laws governing the parallel universes. In some, the laws are the same as in ours in others, they appear different but have shared a heritage in others still, the laws are of a form and structure unlike anything we've ever encountered. It's at once humbling and stirring to imagine just how expansive reality may be.

Some of the earliest scientific forays into parallel worlds were initiated in the 1950s by researchers puzzling over aspects of quantum mechanics, a theory developed to explain phenomena taking place in the microscopic realm of atoms and subatomic particles. Quantum mechanics broke the mold of the previous framework, classical mechanics, by establishing that the predictions of science are necessarily probabilistic. We can predict the odds of attaining one outcome, we can predict the odds of another, but we generally can't predict which will actually happen. This well-known departure from hundreds of years of scientific thought is surprising enough. But there's a more confounding aspect of quantum theory that receives less attention. After decades of closely studying quantum mechanics, and after having accumulated a wealth of data confirming its probabilistic predictions, no one has been able to explain why only one of the many possible outcomes in any given situation actually happens. When we do experiments, when we examine the world, we all agree that we encounter a single definite reality. Yet, more than a century after the quantum revolution began, there is no consensus among the world's physicists as to how this basic fact is compatible with the theory's mathematical expression.

Excerpted from The Hidden Reality by Brian Greene Copyright 2011 by Brian Greene. Excerpted by permission of Knopf, a division of Random House, Inc. All rights reserved. No part of this excerpt may be reproduced or reprinted without permission in writing from the publisher.