Чи вважається Всесвіт плоским?

Я читав різні статті та книги (на кшталт цієї ), в яких зазначається, що ми не впевнені в геометрії Всесвіту, але були експерименти, що тривають або плануються, які допоможуть нам з’ясувати.

Нещодавно я переглянув лекцію космолога Лоуренса Крауса, де він, здається, категорично стверджує, що Всесвіт виявився рівним експериментом BOOMERanG . Ось відповідна частина бесіди .

Я озирнувся, і досі є статті, в яких зазначається, що ми все ще не знаємо відповіді на це питання, як це .

Отже, моє питання двояке:

1. Я змішую поняття і говорю про різні речі?
2. Якщо ні, то ці докази чомусь широко не сприймаються? Що це за причина?

Я думаю, що ви страждаєте від конфліктуючих джерел у тому, що ви змішуєте як нові, так і старі застарілі відомості. По-перше, книга, яку ви цитували, була опублікована в 2001 році - 15 років тому, - а інша стаття, яку ви цитуєте, була опублікована в 1999 році - 17 років тому. Протягом останніх 15 років було зроблено багато роботи, часто під терміном "точна космологія", намагаючись реально визначити точний зміст, форму, розмір тощо нашого Всесвіту. На початку 2000-х ми в значній мірі знали науку, що стоїть за всім (ми знали про темну матерію, темну енергію, мали добре розроблені теорії про Великий вибух тощо), але те, чого ми не мали, були хорошими, міцними, правдоподібними цифрами Виклавши ці теорії, пояснюючи, чому плоскість Всесвіту все ще оспорюється у ваших джерелах.

Я спрямую вас на дві неймовірно важливі обсерваторії, які мали першорядне значення для досягнення нашої мети - "хороших чисел". Перший - це зонд Вілконсона Аністропія (WMAP) , запущений у 2001 році, а другий - супутник Планка , запущений у 2009 році. Обидві місії були розроблені для того, щоб уважно придивлятися до випромінювання космічного мікрохвильового випромінювання та намагатися розібратися. скарбниця інформації, яку можна отримати з неї. У цьому ключі ви також можете натрапити на Космічний провідник фону (COBE)Цей супутник мав подібну мету, як і інші два, але був не настільки точним, як дві наступні місії, щоб надати нам хорошу кількість та остаточні заяви до початку 2000-х. З цієї причини я здебільшого зосереджуся на тому, що нам сказали WMAP та Planck.

WMAP була надзвичайно успішною місією, яка дивилася на CMB 9 років і створила найбільш детальну та всебічну карту свого часу. Маючи дані за 9 років, вчені дійсно змогли зменшити помилки спостереження за різними космологічними величинами, включаючи плоскості Всесвіту. Таблицю їхніх кінцевих космологічних параметрів ви можете побачити тут . Для плоскості те, що ви хочете зробити, це скласти (щільність речовини), (щільність темної речовини) та (темна щільність енергії). Це дасть вам параметр загальної щільності , , який говорить вам площинність Всесвіту. Як я впевнений, ви знаєте з своїх джерел, якщо$\Omega_b$$\Omega_d$$\Omega_\Lambda$$\Omega_0$$\Omega_0 < 1$ нас є гіперболічна всесвіт, якщо наша Всесвіт плоска, а передбачає сферичну всесвіт. З результатів WMAP ми маємо, що (хтось може перевірити мою математику), який дуже близький до одного, що вказує на плоску всесвіт. Наскільки мені відомо, WMAP був першим інструментом, який дав по-справжньому точне вимірювання Ω 0 , дозволяючи остаточно сказати, що наш Всесвіт виглядає плоским. Як ви кажете, експеримент BOOMERanG також дав хороші докази цього, але я не думаю, що результати були настільки потужними, як і WMAP.$\Omega_0 = 1$$\Omega_0 > 1$$\Omega_0 = 1.000 \pm 0.049$$\Omega_0$

Інший важливий супутник тут - Планк. Цей супутник, запущений у 2009 році, забезпечив нам найкращі на сьогоднішній день вимірювання високої точності CMB. Я дозволю вам розібратися у їхніх роботах у їхньому документі , але найголовніший результат полягає в тому, що вони вимірюють рівність нашого Всесвіту (обчислена з цієї таблиці результатів ), знову ж таки надзвичайно близькою до одиниці.$\Omega_0 = 0.9986 \pm 0.0314$

На закінчення останні результати (протягом останніх 15 років) дозволяють остаточно констатувати, що наш Всесвіт виглядає плоским. Я не думаю, що наразі хтось заперечує це чи вважає, що це все ще невизначено. Як зазвичай це стосується науки, відповідь на одне питання призвела лише до більшої кількості питань. Тепер, коли ми знаємо , ми повинні запитати, чому це один? Сучасна теорія припускає, що цього не повинно бути - щоб воно було або надзвичайно малим, або надзвичайно великим. Це відома як проблема плоскості . Це в свою чергу заглиблюється в « Антропічний принцип» як спробу відповіді, але потім я виходжу із сфери цього питання.$\Omega_0 \simeq 1$

Основні припущення космологічного принципу означають, що простір може мати лише постійну скалярну кривизну. Це може бути позитивним, негативним або нульовим, а плоский Всесвіт - це той, де кривизна дорівнює нулю.

Викривлення простору - це те, що можна виміряти, і поточне значення, як відомо, близьке до нуля , не тільки від BOOMERanG, але і з подальших спостережень . Космологія ванільної FLRW має труднощі в поясненні цього, і це відоме як проблема плоскості . Однак загальноприйнята думка полягає в тому, що космічна інфляція робить дуже акуратну роботу у вирішенні цієї проблеми.

Однак по-справжньому плоска Всесвіт повинна мати просторову кривизну, рівну нулю у великих масштабах, тому для справжнього визначення, чи є Всесвіт плоским, навіть використовуючи ряд розумних припущень, потрібне точне вимірювання, що неможливо. Тож спостереження ніколи не виключає можливості того, що у Всесвіті може бути дуже мала позитивна чи негативна кривизна.

Крім того, якщо ви трохи розслабите космологічний принцип від його найсуворішої інтерпретації, скалярна кривизна не повністю визначає топологію Всесвіту, відкриваючи двері до так званих екзотичних топологій. Наприклад, плоский Всесвіт може мати тороїдальну топологію і бути компактним (з кінцевим просторовим об'ємом).

Ви запитуєте "Я змішую поняття і говорю про різні речі?" Я не можу знати, ти є чи ні, але назва вашої посади та перше речення дещо розбігаються. Ваше запитання "Чи вважається Всесвіт плоским?" стосується кривизни, яка сама по собі не повністю визначає геометрію, в той час як твердження "ми не впевнені в геометрії Всесвіту, але були експерименти, що продовжуються або плануються, які допоможуть нам з'ясувати", може говорити про щось більш загальне.

Перше з ваших посилань - на книгу Джефрі Вікса « Форма космосу» , яка приділяє багато уваги топології космосу. У таблиці 19.1 на сторінці 186 перераховано деякі можливі топології для випадків позитивно вигнутих, плоских та негативно вигнутих просторів. На цій же сторінці міститься дивовижне твердження "Коли перше видання цієї книги з'явилося в 1985 році, багато космологів були абсолютно не підозрювані про закриті колектори з плоскою або гіперболічною геометрією". Мені цікаво, чи це справедлива характеристика.

На попередній сторінці цієї книги (стор. 185) коротко викладені докази 2001 року щодо плоскої геометрії. Зокрема, є твердження, що "Нові дані (виходячи з досліджень віддалених наднових та космічного мікрохвильового фонового випромінювання) доводять твердження, що видимий Всесвіт не гіперболічний, а плоский". На цій же сторінці міститься питання "Всесвіт закритий чи відкритий? Іншими словами, чи простір обмежений чи нескінченний?" і відповідь "Якщо коротко, ми не знаємо". Останні два глави книги обговорюють «Космічну кристалографію» та «Кола в небі», два запропоновані спостережливі підходи до топології Всесвіту.

Мабуть, робота в топології Всесвіту продовжує бути активною. Scholarpedia містить нещодавній огляд .

Так, він вважається просторово рівним на найбільших масштабах, які ми можемо спостерігати, але ми повинні пам’ятати, що наукові вимірювання мають невизначеність, і наші моделі можуть бути замінені на кращі. В даний час у нас є спостереження, які говорять про те, що Всесвіт просторово рівна з високим ступенем точності, але все ж є певна кімната, що може бути трохи вигнутою, що ми не можемо виключити. Крім того, ми можемо спостерігати лише ту частину Всесвіту, яку ми можемо бачити, ми не можемо знати, що решта Всесвіту має ту саму кривизну, як і наша частина. Ми маємо теоретичне розуміння того, що Всесвіту було б дуже важко бути близьким до плоского, не будучи надзвичайно близьким до плоского, тому ми очікуємо, що він надзвичайно близький до плоского. Але теорії можна замінити і зазвичай є,рівно рівна.

Але суть полягає в тому, що у нас є і дуже хороші спостереження, і хороша теорія (теорія інфляції, і той факт, що плоскостопість нестабільна з віком за загальної відносності), що узгоджують Всесвіт за найбільшими масштабами, які ми можемо спостерігати, дуже близько до просторово-плоских. Отже, ми можемо створити модель, в якій вона плоска, і успішно використовувати цю модель. Це все, що ти коли-небудь отримуєш у науці.

Просто для додання відповіді @zephyr, LISA випустила 3 ​​простори в просторі, щоб утворити трикутник, щоб виміряти рівність простору: якщо сума трьох кутів точно дорівнює 180 градусам, то простір плоский; відхилення від 180 градусів говорить про те, наскільки вигнутий простір та орієнтація кривизни. Але якщо розмір простору занадто малий, то кути становитимуть рівно 180 градусів; це як дивитись на поверхню Землі і думати, що вона виглядає плоскою, коли вона насправді кругла. LISA вимірював рівно 180 градусів, тому або простір насправді плоский, або ми можемо обмежувати кривизну простору на великих масштабах за допомогою помилок.

EDIT: Лазерний експеримент здійснив саме LISA, а не WMAP. Дякуємо @zephyr за виправлення.