Krümmt sich das Universum in sich selbst?

In den derzeit vorherrschenden Theorien ist das Universum im Grunde überall gleich, wenn man es groß genug betrachtet. Möglicherweise gibt es überhaupt keinen Stern, der am weitesten von der Erde entfernt ist (das Universum kann unendlich sein), oder es kann wie "der am weitesten von London entfernte Punkt der Erde" sein, der existiert, aber kein besonders interessanter Ort ist. Der Unterschied zwischen diesen beiden Möglichkeiten besteht genau darin, ob sich das Universum "in sich selbst krümmt" (in diesem Fall ist es endlich) oder nicht, in diesem Fall ist es unendlich. Wir wissen es nicht genau, aber jede Krümmung ist definitiv ziemlich gering.

Um das Universum als einheitlich zu sehen, muss man jedoch auf einen ziemlich großen Maßstab (Milliarden von Lichtjahren) schauen. Auf kleineren Skalen als diesem ist die Verteilung von Galaxienhaufen (und damit Galaxien und somit Sterne) ziemlich ungleichmäßig, und es gibt Orte, an denen es keine Sterne gibt, die nahe genug sind, um sie mit bloßem Auge zu sehen. Trotzdem würde man mit einem ausreichend großen Teleskop an einem dieser Orte immer noch Sterne in alle Richtungen verstreut sehen.

Sie erwähnen den Urknall, und was Sie schreiben, deutet auf ein allgemeines Missverständnis hin – dass der Urknall mitten in einem großen leeren Raum stattgefunden hat, in den sich Materie ausdehnt. Das suggeriert die Theorie nicht. Stattdessen scheinen alle Punkte im Raum, wenn man die Dinge weit genug zurückverfolgt, ein sehr heißes, sehr dichtes Meer von Materie enthalten zu haben, das sich, soweit wir es extrapolieren können, alle auseinander ausgebreitet hat und neuen Raum geschaffen hat, der gleichmäßig überall verteilt ist der alte Raum in den Prozess.

Wir wissen es nicht.

Die Antwort auf diese Frage hängt davon ab, ob das Universum offen, flach oder geschlossen ist. Dies sind Fachbegriffe, die sich aus den Friedmann-Gleichungen ergeben . Die Mathematik ist nicht trivial, aber das Wesentliche ist, dass es eine sogenannte kritische Dichte gibt:

$\rho_c = \frac{3H^2}{8\pi G}$

Wenn die durchschnittliche Dichte des Universums über diesem Wert liegt, ist das Universum geschlossen. Sie können immer noch für immer reisen, ohne einen Rand zu erreichen, nicht unähnlich wie Sie für immer auf der Erde reisen können, ohne herunterzufallen. Wenn es diesem Wert entspricht, ist das Universum flach, und wenn es kleiner als dieser Wert ist, ist es offen. Im letzteren Fall hat das Universum eine negative Krümmung, wie der mittlere Teil eines Sattels. In beiden Fällen ist das Universum unendlich.

Es stellt sich heraus, dass die beobachtete Dichte des Universums zufällig etwa so ist$\rho \approx \rho_c$.$^1$Dies ist ein Mysterium, das eine Hauptmotivation für die Theorie der kosmischen Inflation darstellt .

1. Wenn es genau wäre $\rho_c$, das wäre auch eine große Überraschung, weil es keinen Grund gibt, ein so genaues Ergebnis zu erwarten. Genauer ist zu sagen, dass die aktuellen Einschränkungen auf$\rho_c$sind ganz in der Nähe$\rho_c=1$. Ich weiß die genauen Zahlen nicht aus dem Kopf, aber das letzte Mal, als ich sah, sahen sie ungefähr so ​​​​aus$\rho = 0.998^{+0.004}_{-0.007}$(Bitte nehmen Sie diese Zahl nicht zu genau, sie dient nur der Veranschaulichung). Daher sind alle drei Universen weiterhin möglich.

Über einen ausreichend langen Zeitraum wiederholt sich alles. Man könnte also sagen, dass sich das Universum um sich selbst krümmt. Derzeit sind zyklische Kosmologien im Trend. Diese beschreiben, dass das Universum einen minimalen Informationspunkt erreicht und daher seinen ursprünglichen Zustand erreicht. Obwohl die kosmische Inflation nicht direkt beobachtet werden kann, würden Sie, wenn Sie zum Ende des Universums reisen würden, dort landen, wo Sie in diesen Kosmologien begonnen haben.