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Ich habe von renommierten Astrophysikern gehört, dass wir noch nicht wissen, ob das Universum unendlich ist oder nicht. Wie ist das möglich, wenn die Urknalltheorie akzeptiert wird (wie sie alle tun)? Beziehen sie sich auf die Existenz anderer Universen, wenn sie sagen, es könnte unendlich sein, oder was?
Was ich meine ist, selbst wenn es sich ausdehnen kann, wenn alles beim Urknall entstanden ist, wie kann dieser Raum in einer endlichen Zeit unendlich werden - dem Alter des Universums.
Im Standard-CDM-Modell des Urknalls ist das Universum unendlich und hat immer so gewesen. Die Singularität des Urknalls ist passiert überall, in dem Sinne, dass die Dichte weit zurück in der Zeit an jedem Ort ins Unendliche divergiert.
Aber dies ist nur ein bestimmtes Modell – es geht davon aus, dass das Universum räumlich flach und global homogen und isotrop ist. Es gibt erweiterte Modelle, in denen es nicht genau flach ist und daher endlich sein könnte, selbst wenn es noch homogen und isotrop ist (wenn die Krümmung sogar leicht positiv ist). Und natürlich tun wir das eigentlich nicht kennt ob es homogen und isotrop auf Skalen ist, die viel größer sind, als wir tatsächlich sehen. Einige inflationäre Modelle implizieren, dass dies nicht der Fall ist.
Zur Verdeutlichung: Das ΛCDM-Modell verwendet die Annahme einer räumlich flachen FLRW-Lösung der Allgemeinen Relativitätstheorie, in der der Raum der euklidische $3$-Raum ist Der euklidische $3$-Raum ist der einzige eben homogene und isotrope $3$-Mannigfaltigkeit, daher gibt es keine Möglichkeit, sie endlich zu machen, ohne mindestens eine dieser Modellierungsannahmen zu verletzen (z. B. könnte ein flacher Torus die gleiche Form für die Metrik haben, wäre aber nicht global isotrop).
Es ist bekannt, dass das Universum, das wir mit unseren Teleskopen sehen können, kleiner ist als das gesamte Universum. Da wir nicht sehen können, was jenseits des visuellen Randes liegt, können wir nicht feststellen, ob das Universum unendlich oder endlich ist.
Ich denke, die Quelle der Verwirrung zwischen den beiden Konzepten – der Urknall-Singularität und einem unendlichen Universum – ist die falsche Vorstellung, dass das Universum begann ursprünglich als endliche Ausdehnung. Dieses Missverständnis ergibt sich leicht aus Analogien mit heutiger Logik und Zahlen, die im frühen Universum nicht anwendbar waren. Ich habe zum Beispiel gehört, dass kurz nach dem Urknall das gesamte beobachtbare Universum die Größe einer Grapefruit hatte, aber in dieser Erklärung wird dies nicht erwähnt Grapefruits wären dann viel größer gewesen.
Das Problem ist, dass wir im Weltraum messen können, wie groß etwas ist, aber der Raum dehnt sich aus, sodass etwas, das in einer bestimmten Entfernung liegt, vor langer Zeit viel näher war, auch wenn sich keines der Objekte im normalen Sinne bewegt hat. Als Analogie zur Veranschaulichung der Wirkung:
Sie und ich stehen auf einem lächerlich großen, entleerten Ballon. Sie legen einen Meterstab ab, machen an jedem Ende eine Markierung auf dem Ballon und wir stehen jeweils auf einer Markierung und sind jetzt einen Meter voneinander entfernt. Dann schalte ich eine Pumpe ein und fange an, den Ballon aufzublasen. Wenn sich der Ballon aufbläst, dehnt sich die Oberfläche aus und Sie und ich scheinen uns weiter voneinander zu entfernen, obwohl wir uns nicht „bewegen“ (z. B. voneinander weggehen): Jetzt müssen wir widersprüchliche Informationen berücksichtigen; nach den Markierungen auf der Ballonoberfläche sind wir immer noch einen Meter voneinander entfernt, aber nach dem Meterstab in deiner Hand (der sich nicht ausdehnt) ist der Abstand größer.
Beachten Sie, dass ich den Ballon zwar "unerhört groß" genannt habe, aber es hätte sein können unendlich groß und verhalten sich trotzdem gleich. Ich weise darauf hin, weil ich in Kommentaren zu anderen Antworten gesehen habe, dass Sie nicht sehen, wie der Raum sowohl unendlich als auch expandieren kann - dass, wenn er sich ausdehnt, er zuvor endlich gewesen sein muss. Das ist falsch: Weil die Unendlichkeit die Eigenschaft der Unbegrenztheit ist, kann etwas unendlich Großes immer noch größer werden, weil per Definition es gibt keine obere Grenze für seine Größe.
Beachten Sie auch, dass, wenn Sie die frühere Analogie umgekehrt aufzeichnen, es den Anschein hat, als würde der Raum so schrumpfen, dass sich ein Abstand von mehreren Metern zwischen uns im Laufe der Zeit auf einen Meter verringerte. Wenn Sie das Universum auf diese Weise weiter verkleinern, wird es schließlich so, dass es Null Abstand zwischen uns. Und wenn Sie das auf ein Szenario anwenden, in dem Menschen unendlich über den Ballon verteilt sind, würden sich alle näher zusammenrücken, wenn der Ballon entleert wird, bis zwischen zwei Menschen kein Abstand mehr besteht… zumindest theoretisch, da echte Menschen real Größe haben. Energie und Raum haben jedoch keine Größe, daher war der Raum zum Zeitpunkt des Urknalls immer noch unendlich (da ein unendlicher/unbegrenzter Raum nicht schrumpfen kann, um endlich/begrenzt zu werden), aber der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten im Raum war Null .
Wenn Sie also in der Zeit zum Urknall zurückgehen könnten, würden Sie einen unendlichen Ozean von Energie sehen, da die gesamte Energie "Schulter-an-Schulter" (unendlich dicht) war, sich aber schnell ausdehnt (und daher abkühlt) bis zum Punkt dass sich Grundteilchen bilden können, dann später Materie und Moleküle. Da Ihre Größe natürlich von der Raummetrik abhängt, sieht es nicht unbedingt so aus, als würde sich der Weltraum ausdehnen, sondern einfach so, als würden Energie und Materie abkühlen. Tatsächlich sehen wir dies noch immer als Effekt der räumlichen Ausdehnung in der Rotverschiebung des Lichts aus weit entfernten Quellen: Das Licht „kühlt ab“ oder verliert unterwegs Energie, weil es auf seiner Reise durch den Raum gestreckt wird.
"Wie" kann das Universum unendlich sein? Ich schließe also, dass es eine Art „Verfahren“ geben muss, um es unendlich zu machen.
Raum kann für sich allein existieren, ohne etwas zu haben. Vakuum, intergalaktischer Raum, die riesigen Hohlräume, die in den großräumigen Strukturkarten zu sehen sind, sind Beispiele.
Das heißt, egal wie sehr sich das Universum ausdehnt, der Raum kann nicht wie Atome auseinanderbrechen. Man kann sagen, es hat kein Elastizitätsmodul. Dies kann man als Grundvoraussetzung verwenden, um zu erklären, wie es ein unendliches Universum geben kann.
Alternativ stimmen Theorien der kosmischen Topologie gut mit den Vorhersagen überein, dass die Materiedichte unseres Universums sehr nahe bei 1 liegt, was auf ein ewig expandierendes Universum hinweist. (siehe http://www.scholarpedia.org/article/Cosmic_Topology#fabre:2013)
Sie kann in endlicher Zeit nicht unendlich sein, weil Zeit Raum ist und Zeit mehr oder weniger gleich ist. Sie sind eine Einheit namens Raumzeit.
Es wäre cool, wenn Hubble einen Wegweiser mit der Aufschrift "Bitte gehen Sie nicht über diesen Punkt hinaus, dies ist der Rand des Universums" sehen würde. vielleicht sogar eine Wand oder eine Balustrade.
Wie kann das Universum unendlich sein? unendliche Größe, unendliches Alter, unendlich kleine Quantenkonstrukte? Das Hauptproblem, das wir mit der Unendlichkeit haben, ist, dass sie sich dem menschlichen Verständnis widersetzt.
Kugel- und Kreisgleichungen durchdringen das Universum: Sterne, CMB, Planeten- und Mondbahnen, Atome, Photonen, Pi, sie alle können Sinus-Cosinus-Gleichungen verwenden. Drehungen sind unendlich. Pi und Sinus-Cosinus sind unendlich.
Wenn der Kosmos aus unendlichen mathematischen Funktionen besteht, warum sollte er dann nicht unendlich sein?
Wie viele Winkel hat der Raum? Unendlichkeit. Wie lange dreht sich eine Galaxie? Ewigkeit. Die Kreise des Drehimpulses gehen auf ad-eternum. Drehungen sind unendlich.
Warum sollte es eine räumliche Grenze für unendlich großen oder unendlich kleinen Raum geben? Weil es sich dem menschlichen Verständnis entzieht? das ist kein guter Grund.
Alles im bekannten Universum hängt von mathematischen Prinzipien ab, die unendlich sind, Zahlen sind unendlich, Winkel sind unendlich, im Allgemeinen haben Sinus-Cosinus-, lineare, kreisförmige und kugelförmige Objekte unendliche Drehungen.
Die Mandelbrotmenge ist unendlich. Es ist eine viel einfachere Gleichung als die Objekte des Universums, und sie ist unendlich. Also, ich möchte Sie ermutigen, das Mandelbrot zu studieren und sich zu fragen: Wie kann es unendlich sein? Dann haben Sie einen gewissen Vorteil, diese Studie auf Objekte des Universums anzuwenden.
Es gibt eine merkwürdige Sache, die die unendlich großen und kleinen Objekte im Universum verbindet: Singularitäten von Schwarzen Löchern bestehen fast ausschließlich aus mathematischen Sinus-Cosinus-Beschreibungen, aber sie enthalten Millionen von Sonnen von Atomen im Raum von der Größe einer Geldmünze oder einer CD oder ein Nanometer, alles innerhalb einer Sinus-Cosinus-Scheibe, die ein kreisförmiges Phänomen ist, das Milliarden von Sternen wiegt. Wenn Sonnen in Basketbälle passen und vielleicht Atome, wie können wir dann überhaupt beurteilen, was groß oder klein ist? Wenn sehr große Dinge zu sehr kleinen wiedergeboren werden und wieder sehr groß werden, ist das so etwas wie der Kreislauf des Lebens, und es bedeutet, dass du das Zentrum des Universums bist, was ein gutes Gefühl ist. Atome und Sterne spielen im Vergleich zu dir keine Rolle.
Wie kann das Universum unendlich sein? - Astronomie
Ich bin Naturwissenschaftslehrer in der 6. Derzeit unterrichte ich unsere Astronomie/Weltraumforschungseinheit. Im Unterricht stellte sich eine Schülerin diese Frage: Wenn Sie eine endlose Reihe von Reflektoren in den Weltraum bauen würden, könnte das Licht mit dem gleichen Maß an Lichtenergie, das ursprünglich übertragen wurde, durch das Universum und zurück zur Erde reflektiert werden? Wir Lehrer haben eine unterschiedliche Meinung über die Antwort auf diese Frage. Könnten Sie bei der Antwort helfen? 1) Eine Gruppe von Lehrern sagt „ja“. Licht konnte kontinuierlich und mit dem gleichen Energieniveau wie ursprünglich gesendet werden reflektiert werden. Dies würde dadurch erreicht, dass die Reflektoren genau die ursprünglich gesendete Lichtintensität widerspiegeln würden. Dieser Einfang- und Reflexionsprozess der ursprünglichen Lichtenergie könnte möglicherweise ewig andauern – über Millionen von Lichtjahren Entfernungen im Weltraum. 2) Die andere Gruppe sagt "nein". Aufgrund der erweiterten Kegelform, die Lichtstrahlen beim Durchlassen erzeugen, gibt es keinen Reflektor, der alle Lichtstrahlen „einfangen“ könnte. Somit würde durch Millionen von Reflexionen und möglicherweise durch den Entropieprozess schließlich die gesamte ursprünglich übertragene Lichtenergie an Intensität abnehmen. Während dieses Licht über Millionen von Lichtjahrmeilen reflektiert wird, würde das Licht schließlich an den Weltraum verloren gehen. Könnten Sie uns bei der Beantwortung dieser Frage helfen?
Was für eine gute Frage! Beide Lehrergruppen machen sehr gute Punkte. Es stellt sich heraus, dass es einige Dinge zu beachten gibt:
1. Obwohl wir alltägliche Spiegel gerne als "perfekte" Reflektoren bezeichnen, sind sie es nicht: Mit jeder Reflexion wird ein wenig Licht absorbiert (und daher verloren). Das gleiche gilt für die Transmission durch ein klares Material wie Glas: In diesem Fall wird ein wenig des auf das Glas auftreffenden Lichts tatsächlich reflektiert statt durchgelassen (wir alle haben schwache Reflexionen an einem Glasfenster gesehen, die eine Manifestation davon sind .) bewirken). Da bei jeder Reflexion eines normalen Spiegels ein wenig Licht verloren geht, können wir das Licht nicht an den Rand des Universums "reflektieren".
Aber wer sagt, dass wir echte Spiegel verwenden müssen? Nehmen wir an, wir haben Zugang zu "perfekten" Spiegeln, die das gesamte Licht, das wir auf sie treffen, reflektieren. Nehmen wir auch an, dass wir diese Spiegel überall im Universum mit unendlicher Genauigkeit platzieren können, dass keine anderen Objekte im Universum (oder Licht von diesen Objekten) unser Experiment verunreinigen und dass wir die Energie jedes Photons im Licht messen können wir versenden mit unendlicher Genauigkeit in jeder Phase. Können wir es nun unendlich reflektieren, wie die erste Gruppe vorschlägt?
2. Die zweite Gruppe hat einen guten Punkt in Bezug auf die Ausbreitung einer Lichtwellenfront auf ihrem Weg: Je weiter wir uns von der Quelle entfernen, die das Licht aussendet, müssen größere Oberflächen bauen, um dieses zu reflektieren. Es zeigt sich, dass dies auch für hochkollimierte Lichtstrahlen wie die von Lasern der Fall ist: Auch sie "spreizen" sich bei ihrer Ausbreitung durch den Raum. Wenn sich das Licht also auf seinem Weg ausbreitet und Sie einen größeren perfekten Spiegel bauen müssen, um alles zu reflektieren, können Sie das Licht nicht unendlich ausbreiten, da Sie schließlich einen unendlichen Spiegel bauen müssten (was sogar in unserer idealisierten Welt wir gehen davon aus, dass es unmöglich ist).
Aber was ist, wenn wir perfekt verwendet haben gebogen Spiegel statt eben Einsen? Wir könnten die Spiegel krümmen und sie gerade genug konkav machen, um der Ausbreitung des Lichts von einem Spiegel zum nächsten entgegenzuwirken. Dann könnte die Größe der Spiegel immer endlich sein, da wir das Licht oft genug "fokussieren" würden, um nicht wirklich große Spiegel zu haben. Vielleicht können wir also ein Signal unendlich reflektieren und doch seine ganze Energie behalten.
3. Es stellt sich heraus, dass bei diesem Experiment das Universum selbst berücksichtigt werden muss, da es sich ausdehnt! Die Expansion des Universums verursacht a Rotverschiebung des sich darin ausbreitenden Lichts - die Wellenlänge des Lichts dehnt sich zusammen mit der Raumzeit im Universum aus, wodurch die Energie des Lichts abnimmt. Selbst wenn wir das Licht von perfekt gekrümmten Spiegeln abprallen lassen, während wir es durch das Universum ausbreiten, können wir die Auswirkungen der Rotverschiebung nicht vermeiden. Das bedeutet, dass wir zwar die *Anzahl* der von uns emittierten Photonen erhalten können, aber nicht ihre Energie – sie wird immer abnehmen.
Unter Berücksichtigung all dieser Dinge denke ich, dass eine angemessene Antwort auf die Frage Ihres Schülers folgende ist: wenn du verwendest perfekte Spiegel und wenn Sie biegen zumindest einige von ihnen, um der Ausbreitung des von Ihnen ausgesendeten Lichtstrahls entgegenzuwirken, dann können Sie jedes einzelne Photon, mit dem Sie begonnen haben, auf unbestimmte Zeit und sicherlich bis zum Ende des Universums und zurück reflektieren. Jedes dieser Photonen wird jedoch aufgrund der Ausdehnung des Universums Energie verlieren, sodass Sie nie die gleiche Energiemenge, nur die Anzahl der Photonen, behalten können.
Ich hoffe, das klärt die Sache! Wenn Sie weitere Fragen haben, schreiben Sie gerne zurück. Es ist uns eine Freude, Lehrern zu helfen, ihren Schülern ein besseres Verständnis der Physik und Astronomie zu vermitteln!
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.
Fragen Sie Ethan: Wie groß ist das gesamte, nicht beobachtbare Universum?
Dieses Bild des Hubble-Weltraumteleskops der NASA/ESA zeigt einen massereichen Galaxienhaufen, PLCK_G308.3-20.2, der glühend ist [+] hell in der Dunkelheit. So sehen riesige Teile des fernen Universums aus. Aber wie weit geht das Universum, wie wir es kennen, einschließlich des unbeobachtbaren Teils?
ESA/Hubble & NASA, RELICS Danksagung: D. Coe et al.
Vor 13,8 Milliarden Jahren ereignete sich der Urknall. Das Universum war mit Materie, Antimaterie und Strahlung gefüllt und existierte in einem ultraheißen, ultradichten, aber sich ausdehnenden und abkühlenden Zustand. Bis heute hat sich das Volumen unseres beobachtbaren Universums auf einen Radius von 46 Milliarden Lichtjahren ausgedehnt, wobei das Licht, das heute zum ersten Mal in unsere Augen fällt, der Grenze dessen entspricht, was wir messen können. Aber was liegt dahinter? Was ist mit dem unbeobachtbaren Universum? Das will Grey Bryan wissen, als er fragt:
Wir kennen die Größe des beobachtbaren Universums, da wir das Alter des Universums kennen (zumindest seit dem Phasenwechsel) und wir wissen, dass Licht strahlt. [. ] Meine Frage ist, schätze ich, warum sagt uns die Mathematik, die bei der Erstellung des CMB und anderer Vorhersagen beteiligt ist, nicht die Größe des Universums? Wir wissen, wie heiß es war und wie cool es jetzt ist. Beeinflusst die Skalierung diese Berechnungen nicht?
Ach, wenn es doch nur so einfach wäre.
Die Geschichte des Universums, so weit wir mit einer Vielzahl von Werkzeugen und Teleskopen zurückblicken können, hat . [+] bestimmt gewesen. Aber unsere Beobachtungen können uns tautologisch nur Hinweise auf die beobachtbaren Teile liefern. Alles andere muss abgeleitet werden, und diese Schlussfolgerungen sind nur so gut wie die Annahmen, die ihnen zugrunde liegen.
Das Universum ist heute kalt und klumpig, aber es dehnt sich auch aus und zieht an. Wenn wir in immer größere Entfernungen blicken, sehen wir die Dinge nicht nur in der Ferne, sondern aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit auch in der Zeit zurück. Das weiter entfernte Universum ist weniger klumpig und gleichmäßiger, da es weniger Zeit hatte, größere, kompliziertere Strukturen zu bilden, die mehr Zeit benötigen, damit die Auswirkungen der Schwerkraft wirksam werden.
Auch das frühe, ferne Universum war heißer. Das expandierende Universum bewirkt, dass sich das gesamte Licht, das durch das Universum wandert, in der Wellenlänge ausdehnt. Wenn sich die Wellenlänge ausdehnt, verliert sie Energie und wird kühler. Dies bedeutet, dass das Universum in der fernen Vergangenheit heißer war, eine Tatsache, die wir durch Beobachtungen entfernter Merkmale im Universum bestätigt haben.
Eine Studie aus dem Jahr 2011 (rote Punkte) hat den bisher besten Beweis dafür erbracht, dass der CMB früher höher war in . [+] Temperatur in der Vergangenheit. Die Spektral- und Temperatureigenschaften des entfernten Lichts bestätigen, dass wir in einem expandierenden Weltraum leben.
P. Noterdaeme, P. Petitjean, R. Srianand, C. Ledoux und S. López, (2011). Astronomie und Astrophysik, 526, L7
Wir können die Temperatur des Universums, wie es heute ist, 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall, messen, indem wir die übrig gebliebene Strahlung dieses heißen, dichten frühen Zustands betrachten. Heute zeigt sich dies im Mikrowellenbereich des Spektrums und ist als kosmischer Mikrowellenhintergrund bekannt. Mit einem Schwarzkörperspektrum und einer Temperatur von 2,725 K lässt sich leicht bestätigen, dass diese Beobachtungen mit unglaublicher Präzision mit den Vorhersagen übereinstimmen, die sich aus dem Urknallmodell unseres Universums ergeben.
Das tatsächliche Licht der Sonne (gelbe Kurve, links) im Vergleich zu einem perfekten schwarzen Körper (in grau), was zeigt, dass die . [+] Die Sonne ist aufgrund der Dicke ihrer Photosphäre auf der rechten Seite eher eine Reihe von Schwarzkörpern. Sie ist der tatsächliche perfekte Schwarze Körper des CMB, wie vom COBE-Satelliten gemessen. Beachten Sie, dass die "Fehlerbalken" auf der rechten Seite erstaunliche 400 Sigma sind. Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Beobachtung ist hier historisch.
Wikimedia Commons-Benutzer Sch (L) COBE/FIRAS, NASA / JPL-Caltech (R)
Darüber hinaus wissen wir, wie sich diese Strahlung in Energie entwickelt, wenn sich das Universum ausdehnt. Die Energie eines Photons ist direkt proportional zum Kehrwert seiner Wellenlänge. Als das Universum halb so groß war, hatten die Photonen des Urknalls die doppelte Energie, während das Universum 10 % seiner aktuellen Größe hatte, diese Photonen die zehnfache Energie hatten. Wenn wir bereit sind, zurück zu gehen, als das Universum nur 0,092% seiner heutigen Größe hatte, werden wir ein Universum finden, das 1089 Mal heißer ist als heute: etwa 3000 K. Bei diesen Temperaturen ist das Universum heiß genug, um zu ionisieren alle Atome darin. Anstelle von fest, flüssig oder gasförmig lag die gesamte Materie im gesamten Universum in Form eines ionisierten Plasmas vor.
Ein Universum, in dem Elektronen und Protonen frei sind und mit Photonen kollidieren, die in ein Neutrales übergehen. [+] eine, die für Photonen transparent ist, wenn sich das Universum ausdehnt und abkühlt. Hier ist das ionisierte Plasma (L) zu sehen, bevor das CMB emittiert wird, gefolgt vom Übergang zu einem neutralen Universum (R), das für Photonen transparent ist.
Zur Größe des Universums gelangen wir heute, indem wir drei Dinge gleichzeitig verstehen:
- Wie schnell sich das Universum heute ausdehnt, können wir mit einer Reihe von Methoden messen.
- Wie heiß das Universum heute ist, wissen wir aus der Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds,
- und woraus das Universum besteht, einschließlich Materie, Strahlung, Neutrinos, Antimaterie, Dunkler Materie, Dunkler Energie und mehr.
Wenn wir das Universum, das wir heute haben, nehmen, können wir auf die frühesten Stadien des heißen Urknalls zurückrechnen und eine Zahl für das Alter und die Größe des Universums zusammen erhalten.
Die Größe des Universums in Lichtjahren im Vergleich zur Zeit, die seit dem Großen . [+] Knall. Dies wird auf einer logarithmischen Skala dargestellt, mit einer Reihe von bedeutsamen Ereignissen, die der Klarheit halber annotiert sind. Dies gilt nur für das beobachtbare Universum.
Aus der gesamten Palette verfügbarer Beobachtungen, einschließlich des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, aber auch einschließlich Supernova-Daten, großräumiger Strukturuntersuchungen und baryonischer akustischer Oszillationen, erhalten wir unser Universum. 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall hat er jetzt einen Radius von 46,1 Milliarden Lichtjahren. Das ist die Grenze des Beobachtbaren. Noch weiter, und selbst etwas, das sich seit dem heißen Urknall mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, wird nicht genügend Zeit gehabt haben, uns zu erreichen. Im Laufe der Zeit werden das Alter und die Größe des Universums zunehmen, aber es wird immer eine Grenze dessen geben, was wir beobachten können.
Logarithmische Skalenkonzeption des Künstlers des beobachtbaren Universums. Beachten Sie, dass wir inwieweit begrenzt sind. [+] Wir können an der Zeit seit dem heißen Urknall zurückblicken: 13,8 Milliarden Jahre oder (einschließlich der Ausdehnung des Universums) 46 Milliarden Lichtjahre. Jeder, der in unserem Universum lebt, an jedem Ort, würde von seinem Standpunkt aus fast genau dasselbe sehen.
Wikipedia-Benutzer Pablo Carlos Budassi
Was können wir also über den Teil des Universums sagen, der außerhalb der Grenzen unserer Beobachtungen liegt? Wir können nur auf der Grundlage der physikalischen Gesetze, wie wir sie kennen, und der Dinge, die wir in unserem beobachtbaren Universum messen können, Schlussfolgerungen ziehen. Wir beobachten zum Beispiel, dass das Universum auf den größten Skalen räumlich flach ist: Es ist weder positiv noch negativ gekrümmt, mit einer Genauigkeit von 0,25%. Wenn wir davon ausgehen, dass unsere derzeitigen physikalischen Gesetze richtig sind, können wir zumindest die Größe des Universums begrenzen, bevor es sich wieder in sich selbst zurückkrümmt.
Die Größe der heißen und kalten Stellen sowie deren Skalen zeigen die Krümmung der . [+] Universum. Nach bestem Wissen und Gewissen messen wir, dass es perfekt flach ist. Baryonische akustische Oszillationen bieten eine andere Methode, dies einzuschränken, jedoch mit ähnlichen Ergebnissen.
Smoot Cosmology Group / LBL
Beobachtungen des Sloan Digital Sky Survey und des Planck-Satelliten liefern uns die besten Daten. Sie sagen uns, dass, wenn sich das Universum wieder in sich selbst einkrümmt und sich schließt, der Teil, den wir sehen können, so nicht von "ungekrümmt" zu unterscheiden ist, dass er mindestens das 250-fache des Radius des beobachtbaren Teils betragen muss.
Dies bedeutet, dass das nicht beobachtbare Universum, vorausgesetzt, es gibt keine topologische Verrücktheit, einen Durchmesser von mindestens 23 Billionen Lichtjahren haben und ein Raumvolumen enthalten muss, das über 15 Millionen Mal so groß ist wie das Volumen, das wir beobachten können. Wenn wir jedoch zu Spekulationen bereit sind, können wir ziemlich zwingend argumentieren, dass das unbeobachtbare Universum noch deutlich größer sein sollte.
Das beobachtbare Universum könnte aus unserer Sicht 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen betragen. [+] aber es gibt sicherlich noch mehr, unbeobachtbares Universum, vielleicht sogar unendlich viel, genau wie unseres darüber hinaus. Im Laufe der Zeit werden wir in der Lage sein, ein bisschen, aber nicht viel, mehr davon zu sehen.
Frédéric MICHEL und Andrew Z. Colvin, kommentiert von E. Siegel
Der heiße Urknall könnte den Beginn des beobachtbaren Universums, wie wir es kennen, markieren, aber er markiert nicht die Geburt von Raum und Zeit selbst. Vor dem Urknall durchlief das Universum eine Periode kosmischer Inflation. Anstatt mit Materie und Strahlung gefüllt und anstatt heiß zu sein, war das Universum:
- gefüllt mit Energie, die dem Raum selbst innewohnt,
- mit konstanter, exponentieller Geschwindigkeit expandieren,
- und so schnell neuen Raum zu schaffen, dass die kleinste physikalische Längenskala, die Planck-Länge, alle 10 -32 Sekunden auf die Größe des gegenwärtig beobachtbaren Universums ausgedehnt würde.
Inflation führt zu einer exponentiellen Expansion des Weltraums, was sehr schnell zu einer bereits bestehenden . [+] Gekrümmter oder nicht glatter Raum erscheint flach. Wenn das Universum gekrümmt ist, hat es einen Krümmungsradius, der mindestens hundertmal größer ist als das, was wir beobachten können.
E. Siegel (L) Ned Wrights Kosmologie-Tutorial (R)
Es stimmt, dass in unserer Region des Universums die Inflation zu Ende ging. Aber es gibt drei Fragen, auf die wir keine Antwort wissen und die einen enormen Einfluss darauf haben, wie groß das Universum wirklich ist und ob es unendlich ist oder nicht.
- Wie groß war die Region des Universums nach der Inflation, die unseren heißen Urknall verursachte?
- Ist die Idee der "ewigen Inflation", bei der sich das Universum zumindest in einigen Regionen ewig in die Zukunft aufbläht, richtig?
- Und schließlich, wie lange dauerte die Inflation bis zu ihrem Ende und dem daraus resultierenden heißen Urknall?
Es ist möglich, dass das Universum, in dem Inflation stattfand, kaum eine Größe erreichte, die größer ist als das, was wir beobachten können. Es ist möglich, dass sich jedes Jahr die Beweise für einen "Vorsprung" in Bezug auf den Ort der Inflation ergeben werden. Aber es ist auch möglich, dass das Universum um ein Vielfaches größer ist als das, was wir beobachten können. Bis wir diese Fragen beantworten können, werden wir es vielleicht nie erfahren.
Eine große Anzahl separater Regionen, in denen Urknalle auftreten, werden durch kontinuierliches Aufblasen getrennt. [+] Raum in ewiger Inflation. Aber wir haben keine Ahnung, wie wir testen, messen oder darauf zugreifen können, was da draußen jenseits unseres eigenen beobachtbaren Universums ist.
Abgesehen von dem, was wir sehen können, vermuten wir stark, dass es da draußen noch viel mehr Universum gibt, genau wie unseres, mit den gleichen physikalischen Gesetzen, den gleichen Arten von physikalischen, kosmischen Strukturen und den gleichen Chancen auf komplexes Leben. Es sollte auch eine endliche Größe und Skalierung für die "Blase" geben, in der die Inflation endete, und eine exponentiell große Anzahl solcher Blasen, die in der größeren, sich aufblasenden Raumzeit enthalten sind. Aber so unvorstellbar groß das gesamte Universum – oder Multiversum, wenn Sie es vorziehen – auch sein mag, es ist vielleicht nicht unendlich. Tatsächlich sollte das Universum eine endliche Ausdehnung haben, es sei denn, die Inflation dauerte wirklich unendlich lange oder das Universum wurde unendlich groß geboren.
So riesig unser beobachtbares Universum auch ist und so viel wir sehen können, es ist nur ein winziger Bruchteil dessen, was . [+] muss da draußen sein.
NASA, ESA, R. Windhorst, S. Cohen und M. Mechtley (ASU), R. O'Connell (UVa), P. McCarthy (Carnegie Obs), N. Hathi (UC Riverside), R. Ryan (UC Davis), & H. Yan (tOSU)
Das größte Problem von allen ist jedoch, dass wir nicht genügend Informationen haben, um die Frage endgültig zu beantworten. Wir wissen nur, wie wir auf die Informationen zugreifen können, die in unserem beobachtbaren Universum verfügbar sind: diese 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen. Die Antwort auf die größte aller Fragen, ob das Universum endlich oder unendlich ist, mag im Universum selbst verschlüsselt sein, aber wir können nicht genug darauf zugreifen, um es zu wissen. Bis wir es entweder herausfinden oder ein cleveres Schema entwickeln, um das zu erweitern, wozu die Physik fähig ist, bleiben uns nur die Möglichkeiten.
Geht das Universum für immer weiter?
Erstens ist es immer noch möglich, dass das Universum endlich ist. Alles, was wir mit Sicherheit wissen (meistens sicher), ist, dass es größer ist, als wir beobachten können, im Wesentlichen, weil die am weitesten entfernten Kanten des Universums, die wir sehen können, nicht wie Kanten aussehen. Das beobachtbare Universum ist immer noch riesig, aber es hat Grenzen. Das liegt daran, dass wir wissen, dass das Universum nicht unendlich alt ist – wir wissen, dass der Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren stattfand.
Das bedeutet, dass das Licht „nur“ 13,8 Milliarden Jahre Zeit hatte, um zu reisen. Das ist viel Zeit, aber das Universum ist groß genug, dass Wissenschaftler ziemlich sicher sind, dass es Raum außerhalb unserer beobachtbaren Blase gibt und dass das Universum einfach noch nicht alt genug ist, um dieses Licht zu uns zu erreichen.
(In einer lustigen Wendung hat sich das Universum seit dem Urknall ausgedehnt, so dass die Objekte, die wir vor 13,8 Milliarden Jahren Licht aussenden sehen, jetzt etwa 46 Milliarden Lichtjahre entfernt sind.)
Einige Generationen von Teleskopen – COBE, WMAP und Planck – versuchten, die Form des Universums zu verstehen. War es gewölbt wie eine Kugel oder flach wie ein Stück Papier? Wenn es gekrümmt wäre und wir die Kurve messen könnten, könnten wir die Größe des Universums berechnen.
Aber alle drei Teleskope sagen, dass das Universum flach ist, was uns nichts über die Größe des Universums sagt.
Krümmung des Universums
Erste Annahme der Kosmologie: Das Universum ist homogen auf großen Maßstäben. ``homogen'' bedeutet lediglich, dass jede Region des Universums so ziemlich gleich jeder anderen Region ist, es gibt keine besonderen Orte. Im kleinen Maßstab ist das Universum offensichtlich sehr inhomogen es ist voller klumpen. Sterne sind viel dichter als das interstellare Medium. Galaxien sind viel dichter als das intergalaktische Medium. Selbst Superhaufen sind dichter als die Leerräume zwischen ihnen. JEDOCH auf Skalen größer als Superhaufen und Leerräume (> 100 Mpc) ist das Universum schließlich homogen. Die durchschnittliche Dichte von Stoffen innerhalb einer Kugel mit einem Radius von 100 Mpc ist die gleiche wie die durchschnittliche Dichte jeder anderen Kugel der gleichen Größe.
Zweite Annahme der Kosmologie: Das Universum ist isotrop auf großen Maßstäben. ``Isotrop'' bedeutet lediglich, dass jede Richtung im Universum ziemlich gleich jeder anderen Richtung ist, egal in welche Richtung Sie schauen, Sie sehen die gleiche Ansicht. Auf kleinen Skalen ist das Universum offensichtlich anisotrop, es gibt Vorzugsrichtungen. Schauen Sie nach unten und sehen Sie, wie Felsen nach oben schauen und Sie den Himmel sehen. Schauen Sie in Richtung des Virgo-Clusters und Sie sehen viele Galaxien, die vom Virgo-Cluster wegschauen und Sie sehen weniger Galaxien. JEDOCH auf Skalen größer als Superhaufen und Leerräume (> 100 Mpc) ist das Universum schließlich isotrop.
Eine andere Annahme der Kosmologie (und aller Wissenschaftsgebiete) ist, dass die Gesetze der Physik Universal- das heißt, sie sind überall im Universum gleich. Wir nehmen zum Beispiel an, dass das dritte Keplersche Gesetz für eine Millionen Lichtjahre entfernte Doppelgalaxie genauso gut gilt wie für Planeten innerhalb des Sonnensystems. Kombinieren Sie die Annahmen von Homogenität, Isotropie und Universalität, und Sie haben die kosmologisches Prinzip. Das kosmologische Prinzip besagt, dass das Universum auf großen Skalen (> 100 Mpc) aus jedem Blickwinkel gleich aussieht. Insbesondere befinden wir uns hier auf der Erde nicht in einer besonderen Position im Universum (Schattierungen von Kopernikus!). Das kosmologische Prinzip impliziert, wenn es wahr ist, dass das Universum keinen Rand oder kein Zentrum haben kann. Ein Beobachter am Rande des Universums würde eine ganz andere Sichtweise sehen als ein Beobachter im Zentrum des Universums, wodurch das kosmologische Prinzip verletzt würde.
(2) Das Universum könnte positiv oder negativ gekrümmt sein, ist aber wahrscheinlich flach.
Betrachten Sie die Analogie einer Ameise, die über die Oberfläche einer Orange wandert. Die Ameise wird auf kleine lokale Grübchen (die Poren der Orange) stoßen, aber wenn die Ameise weit genug wandert, wird sie feststellen, dass die Orange im Durchschnitt kugelförmig ist.
Auf großen Skalen gibt es drei Möglichkeiten für die durchschnittliche Krümmung des Raumes. Erste Möglichkeit: Raum ist EBEN
Das zweidimensionale Analogon für den flachen Raum ist eine Ebene (siehe unten).
Auf einer Ebene und im flachen Raum gelten die Standardgesetze der ebenen Geometrie: Zum Beispiel beträgt die Summe der Eckpunkte eines Dreiecks 180 Grad. Eine Ebene hat eine unendliche Fläche, ein flacher Raum hat ein unendliches Volumen. Zweite Möglichkeit: Raum hat POSITIV Krümmung.
Das zweidimensionale Analogon für einen positiv gekrümmten Raum ist eine Kugel, die unten dargestellt ist.
Auf einer Kugel und im positiv gekrümmten Raum gelten die Gesetze der ebenen Geometrie nicht mehr: Die Summe der Eckpunkte eines Dreiecks ist beispielsweise größer als 180 Grad. Ebenso hat eine Kugel eine endliche Fläche, ein positiv gekrümmter Raum hat ein endliches Volumen (aber keine Kante). Dritte Möglichkeit: Raum hat NEGATIV Krümmung.
Das zweidimensionale Analogon für den negativ gekrümmten Raum ist eine Sattelform (von Mathematikern Hyperboloid genannt), die unten dargestellt wird.
On a hyperboloid, and in negatively curved space, the laws of plane geometry don't apply: the sum of the vertices of a triangle, for instance, is less than 180 degrees. A hyperboloid has an INFINITE area similarly, a negatively curved space has an INFINITE volume. So what IS the curvature on large scale? It must be one of the three possibilities, but which?
It's hard to tell, since we see only a limited volume within our cosmic particle horizon. It's comparable to the difficulty that early cultures had in determining that the Earth was spherical -- positively curved -- rather than flat. Actually, it's even worse than you might think, since the local curvature due to stars, galaxies, clusters, and superclusters tends to mask the global positive or negative curvature. (Imagine trying to determine the curvature of the Earth if you were confined to Switzerland. The local curvature, due to the Alps, would totally swamp the global curvature due to the Earth's spherical shape.)
The most promising technique for determining the curvature of the Earth involves looking at the angular size of very distant objects, such as ``hot spots'' in the Cosmic Microwave Background. In flat space, light from the hot spots travels along straight lines. In positively curved space, though, light travels along converging lines. This has the effect of making the hot spots look larger than they would in flat space. Conversely, in a negatively curved space, the hot spots would look smaller than they would in flat space. As it turns out, the actual size of hot spots (about one degree across) is just what cosmologists would have expected in a flat universe. Precise measurements lead cosmologists to conclude that the universe is flat, and thus has infinite volume. (We can't rule out, however, the possibility that the universe has a tiny amount of positive curvature, leading to a universe whose volume is finite, although very very much larger than the volume within our cosmic particle horizon.)
(3) The large scale curvature of the universe is determined by its density.
The mass of clusters of galaxies can be determined by the application of Kepler's Third Law to galaxies within the cluster. A census of all the clusters of galaxies within a few hundred Mpc of us leads to the conclusion that the mass in clusters only amounts to 30 percent or so of the critical density. What provides the rest of the mass (or energy) required to flatten the universe? The Cosmic Microwave Background, although it has no mass, has energy. Every cubic meter of space contains about 400 million CMB photons. The total energy of all those photons contributes 4 x 10 -14 joules per cubic meter. If you divide this energy density by c 2 to find an equivalent mass density, it comes to merely 5 x 10 -31 kilograms per cubic meter, only 0.005 percent of the critical density. The Cosmic Microwave Background doesn't contribute significantly toward flattening the universe. (And starlight doesn't help, either all the light emitted by stars during the past 14 billion years has an average energy density less than the Cosmic Microwave Background.)
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Perhaps the Big Bang was more of a “Big Bounce”, a turning point in an ongoing cycle of contraction and expansion
Or, the Big Bang might be a transition point in a universe that has always been – and always will be – expanding. All of these theories sit outside mainstream cosmology, but all are supported by influential scientists.
The growing number of these competing theories suggests that it might now be time to let go of the idea that the Big Bang marked the beginning of space and time. And, indeed, that it may even have an end.
Many competing Big Bang alternative stem from deep dissatisfaction with the idea of cosmological inflation.
Scars left by the Big Bang in a weak microwave radiation that permeates the entire cosmos provides clues about what the early Universe looked like (Credit: Nasa)
“I have to confess, I never liked inflation from the beginning,” says Neil Turok, the former director of the Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Canada.
“The inflationary paradigm has failed,” adds Paul Steinhardt, Albert Einstein professor in science at Princeton University, and proponent of a “Big Bounce” model.
“I always regarded inflation as a very artificial theory,” says Roger Penrose, emeritus Rouse Ball professor of mathematics at Oxford University. “The main reason that it didn't die at birth is that it was the only thing people could think of to explain what they call the ‘scale invariance of the Cosmic Microwave Background temperature fluctuations’.”
The Cosmic Microwave Background (or “CMB”) has been a fundamental factor in every model of the Universe since it was first observed in 1965. It’s a faint, ambient radiation found everywhere in the observable Universe that dates back to that moment when the Universe first became transparent to radiation.
The CMB is a major source of information about what the early Universe looked like. It is also a tantalising mystery for physicists. In every direction scientists point a radio telescope, the CMB looks the same, even in regions that seemingly could never have interacted with one another at any point in the history of a 13.8 billion-year- old universe.
Olbers' paradox
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Olbers’ paradox, in cosmology, paradox relating to the problem of why the sky is dark at night. If the universe is endless and uniformly populated with luminous stars, then every line of sight must eventually terminate at the surface of a star. Hence, contrary to observation, this argument implies that the night sky should everywhere be bright, with no dark spaces between the stars. This paradox was discussed in 1823 by the German astronomer Heinrich Wilhelm Olbers, and its discovery is widely attributed to him. The problem was considered by earlier investigators and can be traced back to Johannes Kepler, who, in 1610, advanced it as an argument against the notion of a limitless universe containing an infinite number of stars. Various resolutions have been proposed at different times. If the assumptions are accepted, then the simplest resolution is that the average luminous lifetime of stars is far too short for light to have yet reached the Earth from very distant stars. In the context of an expanding universe, it can be argued similarly: the universe is too young for light to have reached the Earth from very distant regions.
How can the Universe be infinite if it was all concentrated into a point at the Big Bang?
The Universe was not concentrated into a point at the time of the Big Bang. But the observable Universe was concentrated into a point. The distinction between the whole Universe and the part of it that we can see is important. In the figure below, two views of the Universe are shown: on the left for 1 Gyr after the Big Bang, and on the right the current Universe 13 Gyr after the Big Bang (assuming that the Hubble constant is H o = 50 km/sec/Mpc and the Universe has the critical density.)
The size of the box in each view is 78 billion light years. The green circle on the the right is the part of the Universe that we can currently see. In the view on the left, this same part of the Universe is shown by the green circle, but now the green circle is a tiny fraction of the 78 billion light year box, and the box is an infinitesimal fraction of the whole Universe. If we go to smaller and smaller times since the Big Bang, the green circle shrinks to a point, but the 78 billion light year box is always full, and it is always an infinitesimal fraction of the infinite Universe.
Note that the black dots represent galaxies, and the galaxies do not expand even though the separation between galaxies grows with time.
Is the Universe Conscious?
For centuries, modern science has been shrinking the gap between humans and the rest of the universe, from Isaac Newton showing that one set of laws applies equally to falling apples and orbiting moons to Carl Sagan intoning that “we are made of star stuff” — that the atoms of our bodies were literally forged in the nuclear furnaces of other stars.
Even in that context, Gregory Matloff’s ideas are shocking. The veteran physicist at New York City College of Technology recently published a paper arguing that humans may be like the rest of the universe in substance and in spirit. A “proto-consciousness field” could extend through all of space, he argues. Stars may be thinking entities that deliberately control their paths. Put more bluntly, the entire cosmos may be self-aware.
The notion of a conscious universe sounds more like the stuff of late night TV than academic journals. Called by its formal academic name, though, “panpsychism” turns out to have prominent supporters in a variety of fields. New York University philosopher and cognitive scientist David Chalmers is a proponent. So too, in different ways, are neuroscientist Christof Koch of the Allen Institute for Brain Science, and British physicist Sir Roger Penrose, renowned for his work on gravity and black holes. The bottom line, Matloff argues, is that panpsychism is too important to ignore.
“It’s all very speculative, but it’s something we can check and either validate or falsify,” he says.
Three decades ago, Penrose introduced a key element of panpsychism with his theory that consciousness is rooted in the statistical rules of quantum physics as they apply in the microscopic spaces between neurons in the brain.
In 2006, German physicist Bernard Haisch, known both for his studies of active stars and his openness to unorthodox science, took Penrose’s idea a big step further. Haisch proposed that the quantum fields that permeate all of empty space (the so-called "quantum vacuum") produce and transmit consciousness, which then emerges in any sufficiently complex system with energy flowing through it. And not just a brain, but potentially any physical structure. Intrigued, Matloff wondered if there was a way to take these squishy arguments and put them to an observational test.
One of the hallmarks of life is its ability to adjust its behavior in response to stimulus. Matloff began searching for astronomical objects that unexpectedly exhibit this behavior. Recently, he zeroed in on a little-studied anomaly in stellar motion known as Paranego’s Discontinuity. On average, cooler stars orbit our galaxy more quickly than do hotter ones. Most astronomers attribute the effect to interactions between stars and gas clouds throughout the galaxy. Matloff considered a different explanation. He noted that the anomaly appears in stars that are cool enough to have molecules in their atmospheres, which greatly increases their chemical complexity.
Matloff noted further that some stars appear to emit jets that point in only one direction, an unbalanced process that could cause a star to alter its motion. He wondered: Could this actually be a willful process? Is there any way to tell?
If Paranego’s Discontinuity is caused by specific conditions within the galaxy, it should vary from location to location. But if it is something intrinsic to the stars — as consciousness would be — it should be the same everywhere. Data from existing stellar catalogs seems to support the latter view, Matloff claims. Detailed results from the Gaia star-mapping space telescope, due in 2018, will provide a more stringent test.
Matloff is under no illusion that his colleagues will be convinced, but he remains upbeat: “Shouldn’t we at least be checking? Maybe we can move panpsychism from philosophy to observational astrophysics.”
