Какова физическая, геометрическая форма Вселенной?

Я не спрашиваю о теоретическом мяче, седле или плоской поверхности, что является просто метафорой двумерного пространства.

Трудно сказать, так как мы видим очень мало, и мы видим их в прошлом, потому что свет распространяется так долго. Но что мы знаем, так это то, что он раздувается (а не взрывается, как можно было бы предположить из названия «большой взрыв»).

Как бы выглядела Вселенная, если бы мы заморозили ее на мгновение, была бы она мячом, мячом для регби, конусом или какой-то неправильной формой?

Заполнен ли он насквозь галактиками, пылью, черными дырами или живет по краям своей трехмерной формы, а центральная часть «пуста»?

Есть ли в нем гигантская черная дыра или звезда посередине, вокруг которой все вращается?

Этот вопрос запутан, потому что он зависит от какого-то частного понятия «геометрической формы», которое не прояснено. Геометрическая форма Вселенной в любой момент космологического времени плоская , и это не «просто метафора двумерного пространства». Точнее, та его часть, которую мы видим, довольно плоская, так что если принять какую-то версию принципа Коперника , то она имеет форму стандартного евклидова 3 -пространство. Если это не предполагается, то нельзя дать ответа на крупномасштабную геометрическую форму.
Хорошо, если он имеет форму «стандартного евклидова трехмерного пространства», какую форму он будет иметь?
Что ж, он действительно плоский, то есть можно использовать евклидову геометрию. Поскольку свет распространяется с конечной скоростью, а Вселенная не бесконечно старая, наш «пузырь» наблюдаемого материала во Вселенной будет иметь форму сферы с центром на нас. Однако центр сферы изменится, если вы решите переместиться в другую часть вселенной. Бесконечна ли Вселенная? Это неизвестно, так как мы не можем видеть дальше нашего горизонта наблюдения.
... И я не могу уехать достаточно далеко, чтобы проверить это, я должен добавить.
Значит, это ограниченность нашего наблюдения не позволяет нам даже представить себе всю Вселенную, т.е. за пределами наблюдаемой Вселенной? Я полностью понимаю, что наблюдаемая Вселенная — это трехмерное пространство, центрированное вокруг нас из-за расширения, и что мы воспринимаем его как сферическое. Но разве мы не можем сделать какие-либо выводы о том, как все это будет выглядеть? По крайней мере, если мы предположим, что расширяется трехмерное пространство, мы могли бы придумать какие-то возможные формы, если только четвертое измерение не подходит, не так ли?
@Ska: конечно, мы можем представить себе разные вещи за горизонтом, но ни у одного из них нет и даже не может быть свидетельств наблюдений за областями за горизонтом. Все, что мы действительно знаем, это то, что часть, которую мы видим, в среднем близка к плоской. Чтобы заключить любую конкретную геометрию за горизонтом, требуется некоторое предположение, такое как вышеупомянутый принцип Коперника.

Ответы (2)

Хорошо, может быть, у вас есть некоторые неправильные представления.

У Вселенной вообще нет центра. Он выглядит одинаково из любой точки, куда бы вы ни посмотрели. Это примерно так:

Плотность нитей

Это изображение представляет собой очень крупномасштабную рамку нашей Вселенной по текущему времени (не по восприятию времени, основанному на полученном свете). Конечно, это всего лишь компьютерная симуляция. Каждая точка представляет собой скопление галактик.

Итак, вам нужно представить себе бесконечное трехмерное пространство, заполненное подобными нитевидным структурам. А бесконечность означает, что она не имеет границ, поэтому у нее нет «внешней» формы. Ни мяча, ни мяча для регби, ни конуса. Тоже не неправильная внешняя форма, а просто бесконечная. Любая из этих форм имеет двумерную границу в трехмерном пространстве, но у вселенной нет границ.

Откуда эта симуляция и где примерно в ней будет Млечный Путь? Из этой модели он очень похож на кубоподобную форму, вовсе не бесконечную, по крайней мере, на данный момент времени. Может быть, его можно считать бесконечным, основываясь на скорости инфляции: любопытно.astro.cornell.edu/ question.php?number=575 , но в любой заданной замороженной точке это не так. И хотя снаружи нет ни пространства-времени, ни формы , мы все же «знаем», что галактики, сложенные вместе, какими бы огромными они ни были, складываются по определенному образцу, образуя определенную «форму».
Быть бесконечным не означает отсутствие границ (по крайней мере, само по себе). @Ska: если вы искали распределение галактик, вы должны были спросить об этом напрямую.
Между прочим, эта коробка, в которой люди запускают симуляции, является периодической (частицы, которые вылетают с одной стороны, появляются с другой). @Ska Тот факт, что они выбрали куб для представления части вселенной, о которой они хотят узнать, не имеет значения. Кроме того, никто не может доказать, что Вселенная «бесконечна». Расширение пространства-времени, кажется, происходит повсюду, но это не означает, что Вселенная бесконечна.
@StanLiou: Меня это тоже интересует, но в основном о внешней форме вселенной, если бы она застыла во времени.
@Ska: исходя из того, что мы знаем о гравитации, пространство, имеющее границу, нефизично, поэтому, вероятно, оно вообще не имеет «внешней формы». Если вы не имеете в виду границу, то, боюсь, я понятия не имею, что вы подразумеваете под «внешней формой».
@StanLiou: Не уверен, что у меня достаточно терминологии, но если предположить, что вселенная была очень маленькой в ​​самом начале, у нее действительно была граница. Через 0,00000000000000001 секунды он стал больше, но у него были границы и форма. 1 миллион лет спустя он был еще больше, а 13 миллиардов лет спустя он примерно такой же, как сейчас, я предполагаю, что небольшая структура, подобная атому, расширилась во что-то, что имеет границу и форму, только намного больше.
@Ska: твое предположение ошибочно; пространство не имеет и никогда не имело границы ни в одной космологической модели, согласующейся с тем, что мы знаем о гравитации (оговорка заключается в том, что наши знания о гравитации в очень ранней Вселенной совершенно неопределенны). Однако был (и есть) горизонт, определяющий предел возможного наблюдения, как сказал выше astromax. Но там нет ничего физически особенного; каждая точка пространства имеет свой горизонт.
@StanLiou: Я могу представить что-то подобное только в 4D, а не в 3D, если я возьму аналогию с надуванием воздушного шара и муравьев и подниму его на 1 измерение, тогда я смогу понять эту безграничную вещь. Но что же это за 4-е измерение? Разве это не противоречит евклидову трехмерному пространству? Я буду следить за точкой наблюдаемой вселенной в комментарии astromax.
@Ska: это ничего, потому что имеющаяся геометрия является внутренней и не требует встраивания в какое-либо многомерное пространство. И аналогия с воздушным шаром подходит только для одной из четырех возможных однородных и изотропных пространственных геометрий. Так что нет, это не аргумент против возможности евклидова трехмерного пространства.
@StanLiou: Итак, что-то вроде гипертора, который может быть расширяющимся, трехмерным, «плоским» и все же безграничным для наблюдателя, идущего с нашей ограниченной точки зрения и ограниченного горизонта? Но почему это должно повторяться? Если у нас действительно нет средств тестирования, то зачем повторяться, почему бы не использовать шар с краем, который расширяется так быстро, что мы все равно никогда не сможем до него добраться.
@Ska: Да, квартира 3 -тор - это возможная геометрия, но геометрия не обязательно должна быть «повторяющейся» в смысле обертывания самой себя. Это не обязательно должен быть тор. За горизонтом могло быть евклидово пространство вместо плоского тора. Или могут быть розовые единороги. Или что-нибудь еще. Смысл горизонта в том, что мы не знаем , что за ним. (Но если предположить , что Вселенная глобально изотропна, то она не может быть тором.)
@StanLiou: Похоже, все сводится к следующему: возможно , оно плоское, возможно , 3D. Это может быть без краев или нет, мы не знаем. Если да, то может быть гипертор, и мы могли бы в конечном итоге совершить кругосветное путешествие и прийти к отправной точке. Если нет, то может быть мяч или что-то еще. Мы не знаем и не можем представить из-за нашего ограниченного кругозора. Соответствует ли это хотя бы отдаленно сегодняшним теориям или все еще есть зияющие дыры?

Общая геометрия и топология Вселенной были исследованы миссией Planck. Некоторые результаты описаны в этой статье . Окончательные результаты пока недоступны.

Выдержка:

Мы рассчитали байесовское правдоподобие для конкретных топологических моделей вселенных с локально плоской, гиперболической и сферической геометрией, каждая из которых не находит свидетельств многосвязной топологии с фундаментальной областью в пределах последней рассеивающей поверхности. После калибровки при моделировании прямые поиски совпадающих окружностей, возникающих в результате пересечения фундаментальной топологической области с поверхностью последнего рассеяния, также дают нулевой результат с высокой достоверностью ... Будущие планковские измерения поляризации реликтового излучения позволят нам дополнительно протестировать модели анизотропной геометрии и нетривиальной топологии и может дать более точные выводы, например, позволяя нам умеренно расширить чувствительность к крупномасштабной топологии.

Величина анизотропии Вселенной будет выводиться из космического микроволнового фона (CMB).

Космический микроволновый фон, как следует из данных Planck, Изображение предоставлено: Европейское космическое агентство, Planck Collaboration.

Изображение предоставлено: Европейское космическое агентство, Planck Collaboration.

Изображения CMB с более высоким разрешением можно найти здесь .

Вселенная представляет собой примерно 4-мерное пространство-время с Большим взрывом в качестве сингулярности. У него нет краев в трехмерном пространстве во время путешествия. Глядя в прошлое, граница, если вам нравится так это называть, — это большой взрыв. Большой взрыв выглядит для нас на Земле так, будто он находится на расстоянии 13,81 миллиарда (13,81e9) световых лет в любом направлении. Или быть на 13,81 миллиарда лет в прошлом, поскольку свету нужно было это время, чтобы добраться до нас. Но мы не можем добраться до этой границы, потому что Вселенная расширяется быстрее, чем мы (или свет) можем двигаться. Мы должны были путешествовать в прошлое или со скоростью, превышающей скорость света, чтобы добраться туда, независимо от того, в каком пространственном направлении.

В центре вселенной нет черной дыры, а есть большой взрыв, если вам нравится называть его центром четырехмерного пространства-времени.

Вселенная, если рассматривать фиксированный возраст, скажем, 13,81 миллиарда лет, почти однородно заполнена галактиками в очень большом масштабе. Локально галактики группируются в скопления и сверхскопления. Сверхскопления образуют своего рода 3d-сеть. Но полностью пустых областей не бывает. Всегда есть какой-то газ, или немного пыли, или плазма, или какие-то быстро летящие космические лучи, нейтрино и т. д.

Если бы вы могли остановить расширение Вселенной в данное космическое время , вы бы увидели себя в любом направлении примерно на одном и том же расстоянии и примерно в одном и том же прошлом. (Такая структура называется 3-сферой . Поверхность 4-шара является примером 3-сферы. Это видео на YouTube пытается визуализировать вращающуюся 3-сферу.)

Из-за быстрого расширения пространства-времени свет не может перемещаться по Вселенной достаточно быстро, чтобы это стало возможным. Следовательно, в лучшем случае мы можем оглянуться на Большой взрыв, независимо от того, в каком направлении мы смотрим. Свету нужно больше времени, чтобы путешествовать по Вселенной, поскольку Вселенная существует после Большого взрыва.

Хорошо, чтобы упростить до самой низкой точки, которую я могу себе представить. Вселенная раздулась до размеров примерно солнечной системы в конце инфляционного периода, где-то за 10 -32 секунды. Тогда это была скорее форма диска или шара, или что-то еще?
Что-то еще: Грубо напоминающее 3-х мерную поверхность 4-х мерной сферы, но не совсем симметричная. Точная форма точно неизвестна, но, вероятно, не слишком искажена, как тор, куб или додекаэдр. Это все еще расследуется; более точные результаты ожидаются через несколько лет, когда будет проанализирована поляризация реликтового излучения.
«Ни поиск кругов в небе, ни метод правдоподобия не находят свидетельств многосвязной топологии» статьи Планка, раздел 6.1, означает, что это не тороподобный или более сложный объект с дырками.
Объяснение односвязных пространств: en.wikipedia.org/wiki/Simply_connected_space .
«3-сфера может быть построена топологически путем «склейки» границ пары 3-шаров. Граница 3-шара есть 2-сфера, и эти две 2-сферы подлежат отождествлению. , представим себе пару 3-шаров одинакового размера, затем наложим их друг на друга так, чтобы их 2-сферические границы совпадали, и пусть совпадающие пары точек на паре 2-сфер будут тождественно эквивалентны друг другу. 2-сферы (см. ниже), поверхность склейки называется экваториальной сферой.", см. en.wikipedia.org/wiki/3-sphere
Берем 2d-гиперболоид ( en.wikipedia.org/wiki/Hyperboloid ), пересекаем его горизонтальной плоскостью: получается круг (1-сфера). Теперь попробуйте представить то же самое еще с двумя измерениями: Добавление одного измерения возвращает поверхность (2-сферу) обычного шара в 3D. Следующее измерение возвращает 3-сферу, примерно форму вселенной в фиксированное космическое время ( en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_time ).
Ответ в вашем первом комментарии - самый точный, который я когда-либо слышал. Теперь хотелось бы еще больше копнуть :) Я понимаю, как "работает" 3-сфера, но не то, как она будет выглядеть, так как "склейка" приведет к каким-то сильным искажениям "внешней" сферы, что сильно исказит картину. объекты внутри (представьте себе рыбу в соединенных сферических контейнерах), но я понял идею. Является ли это четырехмерной геометрической формой?
Снимок представляет собой неевклидову поверхность 4D геометрической формы. Склеивание приводит к искажениям, если пытаться делать это в нашем повседневном трехмерном пространстве. В 4D все иначе. Там может быть симметрично без некрасивых искажений.
Это аналог склеивания двух дисков (2-шаров) во внешнем круге (1-сферы), чтобы получить 2-сферу (поверхность 3-шара), только на одно измерение выше. Двойная сфера уродлива в 2D, но хороша в 3D.
Если у вас есть еще несколько часов свободного времени, я могу порекомендовать лекцию на YouTube о 4D: размеры -math.org На английском языке она смотрит здесь: размеры -math.org/Dim_reg_E.htm
...должно было начаться; у меня до сих пор работает американская версия: youtube.com/embed/6cpTEPT5i0A?list=PL3C690048E1531DC7
Какова физическая, геометрическая форма Вселенной?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v