Vor 13,8 Milliarden Jahren begann das Universum mit einem heißen Urknall. Seitdem hat es sich bis heute erweitert und abgekühlt. Aus unserer Sicht können wir das Universum dank der Begrenzung der Lichtgeschwindigkeit und der Ausdehnung des Universums in einem Umkreis von 46 Milliarden Jahren beobachten. Und obwohl diese Entfernung enorm ist, ist sie endlich. Dies ist jedoch nur der Teil, den wir sehen. Was ist dahinter und ist es möglich, dass es Unendlichkeit gibt?
Adam Stevens will wissen:
Was denkst du über die Unendlichkeit des Universums? Viele Kosmologen haben mir gesagt, dass die Unendlichkeit des Universums nicht bewiesen wurde. Wie kann dies empirisch nachgewiesen werden?
Erstens können wir innerhalb von 46 Milliarden Lichtjahren mehr lernen als wir sehen.
Je weiter wir in eine Richtung schauen, desto weiter schauen wir in die Tiefen der Zeit. Die nächste Galaxie, die sich 2,5 Millionen Lichtjahre von uns entfernt befindet, ist für uns sichtbar wie vor 2,5 Millionen Jahren, da das Licht von dem Moment an, in dem es emittiert wird, von dort zu unseren Augen wandert. Weiter entfernte Galaxien sind für uns sichtbar, als sie vor zig Millionen, Hunderten von Millionen oder sogar Milliarden von Jahren waren. Wenn wir noch weiter schauen, haben wir das Licht des Universums seit seiner Jugend gesehen. Wenn wir uns also das Licht ansehen, das vor 13,8 Milliarden Jahren ausgestrahlt wurde, ein Relikt des Urknalls, dann sehen wir die Reliktstrahlung.
Das Fluktuationsmuster ist äußerst verwirrend, mit unterschiedlichen mittleren Temperaturen bei unterschiedlichen Winkelskalen. Es verschlüsselt auch eine große Menge an Informationen über das Universum, einschließlich einer erstaunlichen Tatsache: Die Krümmung des Raums fehlt, soweit wir das beurteilen können,, das heißt, sie ist flach. Wenn der Raum eine positive Krümmung hätte, als ob wir auf der Oberfläche einer vierdimensionalen Kugel leben würden, würden wir die Konvergenz entfernter Lichtstrahlen sehen. Wenn es eine negative Krümmung hätte, wie auf der Oberfläche eines vierdimensionalen Sattels, würden wir entfernte Lichtstrahlen divergieren sehen. Stattdessen bewegen sich die Lichtstrahlen so, wie sie es taten, und Schwankungen erzählen uns von einer idealen Ebene.
Aus einer Reihe von Daten über die Reliktstrahlung und die großräumigen Strukturen des Universums (zugänglich durch die Untersuchung von akustischen Baryonenschwingungen) können wir schließen, dass das Universum, wenn es endlich und für sich geschlossen ist, mindestens 250-mal größer sein muss als das, was wir sehen können. Da wir in drei Dimensionen leben, bedeutet eine Vergrößerung des Radius um das 250-fache eine Vergrößerung des Volumens um das 250- bis 3-fache oder um das 15-Millionen-fache des Raums. Dies ist jedoch immer noch kein unendliches Volumen. Die minimale Schätzung für die Größe des Universums beträgt 11 Billionen Lichtjahre in alle Richtungen, was eine Menge ist, aber immer noch nicht unendlich.
Es gibt Grund zu der Annahme, dass es noch größer ist. Ein heißer Urknall mag den Beginn des beobachtbaren Universums markieren, aber nicht die Geburt von Raum und Zeit. Vor dem Urknall erlebte das Universum eine Periode kosmischer Inflation. Anstatt mit Materie und Strahlung gefüllt zu sein und heiß zu sein, war das Universum:
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• war mit Energie gefüllt, die dem Raum selbst innewohnt, • exponentiell erweitert, • schuf so schnell neuen Raum, dass sich die kleinste physische Größe, die Planck-Länge, alle 10 ^ -32 s auf die Größe des heute beobachteten Universums erstreckte.
In unserer Region des Universums ist die Inflation wirklich vorbei. Es gibt jedoch mehrere Fragen, deren Antworten uns unbekannt sind und die einen großen Einfluss auf die Größe des Universums und seine Endlichkeit oder Unendlichkeit haben.
1) Wie groß war der Teil des Universums nach der Inflation, der zu unserem heißen Urknall führte? Wenn wir das heutige Universum und die Homogenität des Nachglühens des Urknalls, die Nähe des Universums zu einer Ebene, Schwankungen, die sich über das Universum auf allen Ebenen erstrecken, usw. usw. beobachten, können wir viel lernen. Wir können die Obergrenze auf der Energieskala berechnen, auf der die Inflation aufgetreten ist, wie stark die Inflation das Universum vergrößert hat, die Untergrenze für die Dauer der Inflation. Aber diese Tasche des expandierenden Universums, aus der unser Teil stammt, könnte die Untergrenze weit überschreiten! Es kann Hunderte, Millionen, Googole mal größer sein als das, was wir beobachten können - oder wirklich unendlich sein. Ohne die Fähigkeit, mehr zu beobachten, als uns derzeit zur Verfügung steht, werden wir nicht genügend Informationen erhalten, um diese Frage zu beantworten.
2) Ist die Idee der "ewigen Inflation" richtig? Wenn Sie die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass Inflation ein Quantenfeld ist, besteht in jedem Moment exponentieller Expansion die Möglichkeit, dass die Inflation endet, was zum Urknall führt, und die Wahrscheinlichkeit, dass die Inflation anhält und mehr Raum schafft. Solche Berechnungen stehen uns (im Rahmen bestimmter Annahmen) zur Verfügung und führen zu der Schlussfolgerung: Wenn wir vor der Schaffung des beobachtbaren Universums genügend Inflation benötigen, wird die Inflation immer noch mehr Raum schaffen, der sich weiter ausdehnt, im Gegensatz zu den Abschnitten, in denen sie enden wird und Es wird einen Urknall geben. Und obwohl unser beobachtbares Universum nach dem Ende der Inflation in unserer Region vor 13,8 Milliarden Jahren hätte erscheinen können, gibt es Regionen, in denen die Inflation anhält - und immer mehr Raum schafft,und erzeugt immer mehr Big Bangs - bis heute. Diese Idee ist als ewige Inflation bekannt und wird in der physischen Gemeinschaft allgemein akzeptiert. Wie groß ist das gesamte nicht beobachtbare Universum heute?
3) Wie lange hat die Inflation gedauert, bis sie endete und der Urknall stattfand? Wir haben nur Zugang zum Universum, das durch das Ende der Inflation und unseren heißen Urknall entstanden ist. Wir wissen, dass die Inflation mindestens 10 ^ -32 s hätte anhalten müssen, aber höchstwahrscheinlich dauerte sie länger. Aber wieviel? Sekunden? Jahre? Milliarden von Jahren? Unendlich? War das Universum schon immer der Inflation ausgesetzt? Hat die Inflation begonnen? Hat es sich aus einem früheren Zustand ergeben, der für immer andauerte? Oder sind Raum und Zeit vor einiger Zeit aus dem Nichts hervorgegangen? Es gibt viele Möglichkeiten, aber die Antwort kann derzeit nicht überprüft werden.
Aufgrund unserer besten Beobachtungen wissen wir, dass das Universum viel größer ist als der beobachtbare Teil. Wir vermuten, dass sich noch mehr Teile des Universums über diese Grenzen hinaus ausbreiten, genau wie unsere, mit denselben Gesetzen der Physik, Arten von Strukturen (Sterne, Galaxien, Cluster, Filamente, Hohlräume usw.) und mit denselben Chancen eines Komplexes ein Leben. Die Blase, in der die Inflation geendet hat, muss endlich sein, und die größere, expandierende Raumzeit muss eine exponentiell große Anzahl solcher Blasen enthalten. Aber selbst wenn dieses gesamte Universum oder das Multiversum so unglaublich groß ist, kann es nicht unendlich sein. In der Tat muss das Universum endlich sein, wenn die Inflation nicht unbegrenzt andauert.
Das größte Problem ist jedoch, dass wir in diesen 46 Milliarden Lichtjahren in alle Richtungen nur Zugang zu den Informationen haben, die im beobachtbaren Teil des Universums enthalten sind. Die Antwort auf die größte Frage - ob das Universum endlich oder unendlich ist - kann im Universum codiert werden, aber wir können nicht auf einen ausreichend großen Teil davon zugreifen, um es zu wissen. Bis wir entweder dieses Problem lösen oder einen cleveren Weg finden, um die Möglichkeiten der Physik zu erweitern, wird all dies im Bereich der Möglichkeiten liegen.
