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Fragen Sie Ethan Nr. 87: Die Form des Universums: Es gibt viele Möglichkeiten, aber eine Realität

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Artikelübersetzung Fragen Sie Ethan # 87: Die Form des Universums

Versuchen Sie nicht, die Vergangenheit zu löschen. Es prägt dich heute und hilft dir, das zu werden, was du morgen sein wirst.

Ziad K. Abdelnuar

Das Universum wird noch mehr als wir durch die Bedingungen gebildet, die zum Zeitpunkt seiner Geburt existierten. Aber wie sah sie aus? Ich habe eine Leserfrage von Tom Berry gewählt, der fragt:

So wie ich es verstehe, hat das Universum eine Sattelform. Ich frage mich, warum zur Zeit des Urknalls nicht alle Materie gleichmäßig in alle Richtungen zerstreut und dem Universum keine sphärische Form gegeben hat.

Beginnen wir damit, eine Dimension zu entfernen und darüber zu sprechen, was eine zweidimensionale Oberfläche bildet. Sie stellen sich wahrscheinlich ein Flugzeug vor - wie ein Blatt Papier. Es kann zu einem Zylinder gerollt werden, und obwohl die Oberfläche selbst verbunden ist - einerseits können Sie zur anderen gehen, ist es dennoch eine flache Oberfläche.

Was bedeutet das? Sie können beispielsweise ein Dreieck zeichnen und die Abmessungen der inneren Ecken hinzufügen. Wenn wir 180 Grad bekommen, ist die Oberfläche flach. Wenn Sie zwei parallele Linien zeichnen, bleiben diese durchgehend erhalten.

Dies ist jedoch nur eine Option.

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Die Oberfläche der Kugel ist zweidimensional, aber nicht flach. Jede Linie beginnt sich zu runden, und wenn Sie die Winkel eines Dreiecks hinzufügen, erhalten Sie einen Wert größer als 180 Grad. Wenn Sie parallele Linien zeichnen (Linien, die parallel beginnen), werden Sie sehen, dass sie sich am Ende treffen und schneiden. Solche Oberflächen haben eine positive Krümmung.

Die Satteloberfläche repräsentiert andererseits eine andere Art von nicht planarer zweidimensionaler Oberfläche. Es ist in einer Richtung konkav und in einer anderen konvex, senkrecht, und ist eine Oberfläche mit negativer Krümmung. Wenn Sie ein Dreieck darauf zeichnen, erhalten Sie die Summe der Winkel von weniger als 180 Grad. Zwei parallele Linien divergieren in verschiedene Richtungen.

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Sie können sich auch ein flaches rundes Stück Papier vorstellen. Wenn Sie einen Keil herausschneiden und erneut kleben, erhalten Sie eine Oberfläche mit positiver Krümmung. Wenn Sie diesen Keil in ein anderes Stück einsetzen, erhalten Sie eine Oberfläche mit negativer Krümmung wie auf dem Bild.

Eine zweidimensionale Oberfläche ist aus dem dreidimensionalen Raum recht einfach vorstellbar. Aber in unserem dreidimensionalen Universum ist alles etwas komplizierter.

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Für die Krümmung des Universums haben wir drei Möglichkeiten:

- positive Krümmung wie eine Kugel in höheren Dimensionen
- negative Krümmung wie ein Sattel in höheren Dimensionen
- Null (flach) - wie ein dreidimensionales Gitter

Man würde denken, dass die Anwesenheit des Urknalls die erste sphärische Version nahelegt, da das Universum in alle Richtungen gleich zu sein scheint - aber das ist nicht so. Es gibt einen sehr interessanten Grund, warum das Universum in alle Richtungen gleich ist - und es hat nichts mit Krümmung zu tun.

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Die Tatsache, dass das Universum an allen Orten (homogen) und in allen Richtungen (isotrop) gleich ist, beweist die Existenz des Urknalls, dessen Hypothese besagt, dass alles mit einem heißen und dichten homogenen Zustand begann, in dem die Anfangsbedingungen und Naturgesetze überall gleich waren.

Im Laufe der Zeit führen kleine Abweichungen zum Auftreten von Strukturen - Sternen, Galaxien, Clustern und großen Hohlräumen. Der Grund für die Homogenität des Universums ist jedoch, dass alles den gleichen Anfang hatte und nicht in der Krümmung.

Aber wir können die Größe der Krümmung messen.

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Das Bild zeigt die Schwankungsmuster, die in der kosmischen Hintergrundstrahlung erfasst werden. Die Spitzen der Schwankungen - die heißesten und kältesten Stellen auf bestimmten Winkelskalen - hängen davon ab, wie das Universum funktioniert und woraus es besteht. Wenn das Universum eine negative Krümmung (Sattel) hat, tendiert das Universum zu einem kleineren Maßstab, wenn es positiv ist, zu einem größeren.

Der Grund ist der gleiche wie wir beschrieben haben - wie sich gerade Linien auf diesen Oberflächen verhalten.

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Daher müssen wir nur die Schwankungen der kosmischen Mikrowellenstrahlung im Hintergrund untersuchen und die Krümmung des beobachteten Universums messen.

Und was bekommen wir?

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Und wir bekommen, dass die Größe der Krümmung, die in den blauen Kreisen gezeigt wird, ungefähr 0,5% beträgt. Dies legt nahe, dass die Krümmung des Universums nicht von der Ebene zu unterscheiden ist.

Es dehnte sich wirklich gleichmäßig in alle Richtungen aus, aber das hat nichts mit Krümmung zu tun. Natürlich kann die Krümmung des Universums in einem viel größeren Maßstab, als wir beobachten können, ungleich Null sein. Der Inflationsprozess, der nach dem Urknall stattfand, vergrößert exponentiell jeden Teil des Universums.

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Das heißt, es ist möglich, dass die Krümmung des Universums positiv oder negativ ist, dass es wie ein Sattel oder eine Kugel aussieht, dass es selbst verbunden sein kann und wir von einem Ende zum anderen gehen können. Dies kann nicht ausgeschlossen werden - im beobachtbaren Teil jedoch nicht. Und für uns ist das Universum nicht von einem flachen zu unterscheiden. Wie in der Abbildung in Teil D gezeigt, können wir jedoch davon ausgehen, dass Ihr Raum flach ist und das Universum möglicherweise nicht flach ist. Dies ist eine Schlussfolgerung aus den Informationen, die wir haben.

Das Originalmaterial .

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