Welche Beweise gibt es dafür, dass der Urknall nicht nur ein lokales Phänomen war?

Dieser Beitrag ist der zweite in einer Reihe von Beiträgen, die (abnehmend) auf einige Meinungsverschiedenheiten in der Physik-Community stießen, die meinem Status als reiner Mathematiker zu Beginn des Versuchs, Anwendungen meines Studienfachs (hyperbolic 3 -Verteiler), über die ich ziemlich unwissend war. Die vorherige war: Können wir genug vom Universum sehen, um eine gültige Meinung darüber zu haben, ob es sich ausdehnt? und die folgenden zwei sind In Bezug auf das Universum, bedeutet „fast flach“ nicht „nicht flach“? und Was sind die Anwendungen von hyperbolischen 3 -Mannigfaltigkeitstheorie zur Kosmologie? Ich hoffe, dass andere meine Entscheidung zu schätzen wissen, ein potenziell lästiges Gespräch hervorzurufen, anstatt unwissend zu bleiben. Bitte haben Sie Geduld mit mir und wenn ich etwas Dummes sage, lassen Sie es mich wissen und sagen Sie mir warum.

Wenn wir „das Universum“ sagen, gibt es ein eingebautes Definitionsproblem, denn wenn wir wirklich wüssten, was es ist, wären wir erledigt. Wir umgehen dies oft, indem wir „das beobachtbare Universum“ sagen, was ungefähr den Teil des Weltraums bedeutet, der uns nahe genug ist, um „theoretisch“ messbar zu sein. Tatsächlich schließt die eigentliche Definition des beobachtbaren Universums die Annahme ein, dass es sich ausdehnt, weil nach der Theorie genau diese Ausdehnung die theoretische Messbarkeit einschränkt.

Die naive Idee des Urknalls ist, dass wir, da die Dinge voneinander wegdriften, ihre Flugbahn auf ein einziges, dichteres Objekt zurückverfolgen können, von dem sie explodiert sein müssen. Da wir uns nur an einer bestimmten Sphäre um uns herum messen können, ist es da nicht etwas anmaßend zu sagen, dass dies die gesamte Schöpfung des Universums charakterisiert? (Schließlich haben wir als Menschen eine lange Geschichte der Überschätzung des Umfangs unserer Beobachtungen.)

Nehmen wir an, dass das beobachtbare Universum 4 das Ergebnis einer solchen Explosion war (vielleicht sollten wir es "einen" Urknall nennen). Meine spezielle Frage ist, welche Beweise haben wir dafür, dass Objekte im gesamten Universum, jenseits des beobachtbaren Teils, ebenfalls aus demselben Knall entstanden sind? Welche Eigenschaften von Materie können wir zum Beispiel lokal untersuchen, was dies global im mathematischen Sinne implizieren würde? [Wie ich in meinem anderen Beitrag (oben verlinkt) ausgeführt habe, kann ein homogenes dynamisches System sehr wohl mehrere Abstoßungs- und Anziehungspunkte haben, und wir könnten uns einfach in der Nähe eines großen Abstoßungspunkts befinden.] Schließlich, wenn wir keinen Grund haben, einen solchen zu extrapolieren Sollten wir die Allgemeinheit nicht davor warnen, "Das Universum" auf diese Weise mit dem Teil zu verwechseln, den wir studieren?

Pflichtlektüre zu „Single Dense Object“: Ist der Urknall irgendwann passiert?
@ACuriousMind Okay, ich habe mir den von Ihnen verlinkten Beitrag angesehen. Ich glaube nicht, dass es meine Frage beantwortet. Das Konzept eines Raums ohne Zentrum oder Grenze ist topologisch gesehen elementar. Meine Frage ist, wie wir ausschließen können, dass die von uns beobachtete Expansion ein lokales Phänomen sein könnte. Woher wissen wir, dass nicht nur unser Hals des Universums bei der Explosion, die wir untersuchen, explodiert ist? Wie haben wir aus solchen lokalen Messungen eine so globale Lösung erreicht?
Der größte Teil der Kosmologie beruht auf der Annahme, dass das Universum in großen Maßstäben homogen und isotrop ist (und das gilt für den Teil des Universums, den wir beobachten können). Es klingt, als ob Ihre beiden Fragen im Wesentlichen sagen. "Was ist, wenn das Universum außerhalb dessen, was wir beobachten, nicht homogen und isotrop ist?", und die "Antwort" darauf lautet einfach, dass das durchaus sein kann, aber wir haben keinen Grund, dies zu glauben. Dafür kann es über den beobachtbaren Teil des Universums keine Beweise geben, denn dann wäre es beobachtbar, da es Beweise für seine Eigenschaften gibt!
Ich denke, ich sollte lernen, was Physiker mit diesen Begriffen meinen und wie sie sich auf ihre Verwendung in der Mathematik beziehen. Es gibt sicherlich dynamische Systeme mit sowohl expandierenden als auch kontrahierenden Regionen, die leicht in der Natur zu finden sind (z. B. im Ozean) und daher nicht im Widerspruch zu den Gesetzen des Universums stehen. Ich bin nicht überzeugt, dass wir so etwas in größerem Umfang ausgeschlossen haben.
@j0equ1nn: Ich denke, ich sollte lernen, was Physiker mit diesen Begriffen meinen ... Ich habe zwei Links in diesem Kommentar in Ihrem anderen Thread zu genau diesem Thema bereitgestellt.
@KyleKanos Ich habe die gesehen und schätze sie, aber ich glaube nicht, dass sie erklären, was mir fehlt. In den Beiträgen werden sie im Grunde als das dargestellt, was wir brauchen, wenn wir davon ausgehen wollen, dass unsere Schlussfolgerungen für das gesamte Universum gelten, an welchem ​​Punkt wir den Kreis geschlossen haben. Ich kann mir andere Interpretationen vorstellen, die es so aussehen lassen würden, als würden sich die Dinge in unserer Nähe ausdehnen. Zum Beispiel geodätischer Fluss auf einer Hyperbel 3 -Mannigfaltigkeit (und übrigens gibt es unendlich viele solcher geometrischen Strukturen, die sowohl isometrisch als auch homogen sind, falls das darauf ankommt).
Ich denke, sie erklären, was Ihnen fehlt, aber es scheint, dass Sie einfach zu unnachgiebig in Bezug auf Ihre eigene Position sind, um die Antworten dort zu schätzen. Ich bin auch nicht mit Ihrer Einschätzung der Antworten dort einverstanden, es ist nicht P, dann Q, also P, aber wir finden Q, was wahrscheinlich durch P erklärt wird
Da das Universum nicht homogen und isotrop ist, gab es möglicherweise nur ein paar Beweise dafür, vielleicht jünger als die Veröffentlichung dieser Frage und der Kommentar von ACuriousMind dazu: Eine von Laura Mersini-Houghton angenommene Leere hat (angeblich ) wurde im CMB gefunden und würde dazu neigen, Inhomogenität als Alternative zur Dunklen Energie zu unterstützen.

Antworten (1)

Deine letzte Frage kann ich nur abschließend beantworten.

Wenn wir schließlich keinen Grund haben, so etwas zu extrapolieren, sollten wir dann nicht die allgemeine Gemeinschaft davor warnen, „Das Universum“ auf diese Weise mit dem Teil zu verwechseln, den wir studieren?

Wir tun! Dieser Vorbehalt findet sich in vielen Antworten auf dieser Seite. Unter Nicht-Physikern besteht meiner Erfahrung nach ein großes Interesse an grundlegenden Fragen zum Universum (es ist das grundlegende menschliche Bedürfnis zu wissen, das seltsamerweise im Allgemeinen verschwindet, wenn Mathematik eingeführt wird :) Der Link, auf den Sie oben verwiesen haben, muss sein gehören zu den häufigsten Verweisen auf bestimmte Klassen von Fragen, wie z. B. "In was expandiert das Universum?".

Dies ist wirklich die einzige allgemeine Gemeinschaft, die wir erreichen können, abgesehen von dem seltenen Mathematiker, der in ...

Meine spezielle Frage ist, welche Beweise haben wir dafür, dass Objekte im gesamten Universum, jenseits des beobachtbaren Teils, ebenfalls aus demselben Knall entstanden sind? Welche Eigenschaften von Materie können wir zum Beispiel lokal untersuchen, was dies global im mathematischen Sinne implizieren würde?

Wie können wir diese Frage beantworten, außer nach Abwägung der Wahrscheinlichkeiten? Eine Möglichkeit, um zu überprüfen, ob der verborgene Teil dem beobachtbaren Teil sehr ähnlich ist, besteht darin, nach Gravitationsanomalien zu suchen. Ist ein Teil des beobachtbaren Bereichs von einer inhomogenen Verteilung der "Dinge" im verborgenen Teil betroffen, und nach meinem äußerst begrenzten Wissen haben wir diesbezüglich nichts entdeckt.

Es gibt unendlich viele Möglichkeiten für das, was jenseits des beobachtbaren Teils liegt, und es ist sinnlos, sie auch nur als Beispiel zu nennen, da sie alle nicht beweisbar sind.

Da ich dies nicht als Antwort betrachte, halte ich es für akzeptabel, Ihnen die Frage erneut zu stellen. Warum sollte es in irgendeiner Weise einen Unterschied zwischen dem beobachtbaren und dem verborgenen Teil geben, wenn wir Beweise für einen anfänglichen Anfang haben, haben wir eine gute Vorstellung davon, warum wir diese Trennung zwischen beobachtbarem und verborgenem Teil haben, auch wenn wir keinen haben Ahnung von seinem eigentlichen Mechanismus? Ja, ich verstehe, dass dies nur für den beobachtbaren Teil gilt, aber das unterstreicht nur die Schwierigkeit oder Unmöglichkeit, eine Antwort zu geben.

Abschließend sollte ich sagen, da es sowieso offensichtlich ist, dass diese einfache, naive Antwort auf Ihre Frage von jemandem gegeben wird, der nur sehr begrenzte kosmologische Kenntnisse hat, aber ich wäre überrascht und auch erfreut, wenn es eine andere Antwort geben würde, wie raffiniert und detailliert sie auch sein mag , wird alles, was ich hier geschrieben habe, erheblich verändern.

Ich schätze diese Antwort sehr angesichts der Tatsache, dass meine Fragen für viele Physiker lästig sein könnten. Ich denke, ein Teil meines Problems ist, dass ich den Unterschied zwischen tatsächlicher Kosmologie und ihrer Darstellung in der Populärwissenschaft besser verstehen muss. Die Leute scheinen zu glauben, dass Physiker glauben, eine gute Vermutung darüber zu haben, wie das Universum begann. Vielleicht ist es wirklich die Vereinfachung, um die es geht. Aber ... es ist nicht schwer, Wörter wie "beweist" und "impliziert" auf, sagen wir, Wikipedia zu finden, die Ihnen als Mathematiker Sodbrennen bereiten. Und ich habe das Gefühl, dass bei diesem Thema besondere Sorgfalt angebracht ist.
Nun, kein Fernsehproduzent, der seinen/ihren Job behalten will, wird JEMALS eine beliebte Serie über Repräsentationsgruppen vorschlagen, aber jeder zweite Produzent verwendet dieses dumme Bild eines Balls, der in einem Koordinatengitter sitzt, um Schwerkraft und verzerrte Raumzeit darzustellen, also Sie dort einen Vorteil haben. Die meisten Menschen, die kosmologische Fragen stellen, können diesen Cartoons nicht entkommen. Ich denke, Physiker verlassen sich nicht auf Beweise, sondern auf Fälschungen, denn während ein mathematischer Beweis zeitlos ist (abgesehen von Gödel-Axiomen und Cantor-Re-Unendlichkeiten, ähm ...), ist eine physikalische Theorie nicht unbedingt zeitlos und wir wissen es Das.
Ich denke, ein Teil meines Problems ist, dass ich den Unterschied zwischen der tatsächlichen Kosmologie und ihrer Darstellung in der Populärwissenschaft besser verstehen muss. Das ist meiner Meinung nach ein riesiges Problem. Physik ist einfacher als Mathematik, um dramatisch auszusehen, aber letzte Woche habe ich 50 Prozent meiner populärwissenschaftlichen Bücher (ich studiere sie selbst) weggeworfen, obwohl sie von Schwergewichten geschrieben wurden, weil das Drama die Details überholte. Wenn sie Akademiker besser bezahlen würden, würde dieses dumme Zeug nie geschrieben werden : )
Direkt am. Es ist jedoch interessant, Cantor und Gödel zur Sprache zu bringen, denn wo das Zeug endete, war, dass wir Unvollständigkeit akzeptieren mussten (Cohen). Damit lernen wir, dass man etwas nicht unbedingt beweisen kann, indem man (was wir denken) sein Gegenteil widerlegt. Ich habe das Gefühl, dass das eine Menge experimenteller Wissenschaft durcheinander bringt ... vielleicht nicht in den meisten Bereichen, aber, nun, wir sprechen über "das Universum!" Ich kann damit leben, dass Repräsentationsgruppen nicht im Fernsehen zu sehen sind. Aber vielleicht könnten Fernsehzuschauer etwas mehr von „diese Frage ist zu groß und wir wissen es nicht, aber was wir wissen, ist …“ schlucken.
Nun, Physik ist nicht Logik. Wenn es so wäre, wie Sie von Gödel und Cantor sagten, könnte es nicht vollständig sein. Die Physik zieht die bestmöglichen Schlussfolgerungen aus Beobachtungen und rationalen Manipulationen der Theorien, die sie erklären können. Es korrigiert sich selbst, anstatt es zu beweisen, aber es kann tatsächlich zeigen, dass unter bestimmten Beobachtungen bestimmte Schlussfolgerungen nicht möglich sind, andere sind es, und Sie sagen dann andere voraus und Sie gelangen zu einer konsistenten Theorie mit einigen Grenzen der Anwendbarkeit. Es ist nicht axiomatisch, aber es ist rational. Was das Universum betrifft, siehe den nächsten Kommentar
Was das Universum betrifft, ist es nicht die Wahrscheinlichkeit, dass der Rest, den wir nicht sehen können, derselbe ist wie das, was wir beobachten, sondern dass so vieles von dem, was wir beobachten, gleich ist (homogen und isotrop, scheint denselben Gesetzen zu folgen wie wir Sehen Sie hier, wie Sie zig Milliarden Lichtjahre weggehen und fast 13,7 Milliarden Jahre zurückgehen. Wir sehen Licht, das 380.000 Jahre nach dem Urknall ausgestrahlt wird, und es verstärkt, was wir sonst sehen, mit denselben Symmetrien und gerade genug Störungen, um die Galaxien zu verursachen, die wir haben Wir sagen einen verrückten nicht-euklidischen Raum voraus und beobachten 100 Jahre später seine Wellenbewegungen
Es ist kein Physiker, der arrogant sagt, dass er etwas weiß, innerhalb gewisser Grenzen und mit vielen Vorbehalten, es ist ein Mathematiker, der arrogant sagt, dass er, weil er Fälle kennt, in denen es Attraktoren und Repulsoren (oder was auch immer) gibt, argumentieren kann, was wir tun wissen bedeutet nichts. Wir wissen aus all unseren Beobachtungen, dass das Universum wahrscheinlich flach oder leicht offen ist (mit einer gewissen Unsicherheit, ich denke etwa 1 oder 2 Prozent), und wir haben keine Attraktoren oder Urknalle oder was auch immer anderswo beobachtet. Und wir suchen weiter. Nicht nervig, ungebildet.
@BobBee: Das könnte eine gute Grundlage für eine Antwort sein
@BobBee Bob, Kommentare werden gelöscht, also denke ich, wenn Sie sie in eine Antwort einfügen könnten, wie Kyle sagt, sollten Sie es tun. Und wenn Sie ein paar Definitionen einfügen möchten, die das OP möglicherweise benötigt, um Ihren Argumenten zu folgen, und Auszüge aus den oben genannten relevanten Links, könnte dies hilfreich sein. Wie ich in meinem Senf sage, würde ich mich freuen, eine andere Ansicht zu bekommen.
@BobBee Wo Sie mich verlieren, sagen Sie "Wir wissen, dass das Universum nach all unseren Beobachtungen wahrscheinlich flach ist" usw. Wenn wir davon ausgehen, dass das Universum unendlich ist, sagen Sie, dass wir messbares Vertrauen haben etwas, das darauf basiert, 0 % davon gesampelt zu haben. 13,7 Lichtjahre vor der Unendlichkeit sind immer noch 0. Wir haben keine anderen Urknalle beobachtet, aber dieser erklärt ein Phänomen bis zu unseren Beobachtungsgrenzen, richtig? Ich denke auch, dass die Antwort ohne die Beleidigungen professioneller wäre. Ich kam hierher, gab zu, das Thema nicht zu kennen und bat respektvoll um Aufklärung.
Bitte verzeihen Sie mir auch, wenn ich arrogant rüberkam oder mein eigenes Wissen übertrieb. Es war nicht meine Absicht. Was ich betonen wollte, ist, dass ich in einem Zweig der Mathematik ausgebildet bin, der Anwendungen in der Kosmologie hat, und dass ich am Anfang stehe, diese Anwendung zu erforschen. Ich bin der Meinung, dass Leute, die aus dieser Perspektive kommen, besser willkommen geheißen werden sollten und dass wir einen Beitrag leisten können. Zum Beispiel führte mein Hintergrund zu geschlossenen Verteilern zu einer erheblichen Korrektur der empfohlenen Lektüre physical.stackexchange.com/questions/136860/…
Darf ich alle Beteiligten bitten, bis 10 zu zählen, es besteht kein Grund zur Respektlosigkeit von beiden Seiten. Danke.
@j0equ1nn. Ich persönlich hatte kein Problem mit Ihrem Beitrag, außer wenn Sie sagen, dass Mathematiker sich dafür entscheiden, nicht über Physik zu sprechen, könnte dies möglicherweise schlecht ausgelegt werden, und ich glaube nicht, dass Physiker behaupten, so viel zu wissen, wie Sie implizieren (in Bezug auf Vermutungen). Aber ich bin ein totaler Laie, also habe ich das Glück, solche Sätze nicht einmal zu bemerken: ). Vielleicht können Sie es aus der Perspektive eines Vollzeitphysikers sehen.
@ CountTo10 Ich werde das gerne umformulieren, damit es weniger wahrscheinlich ist, jemanden zu beleidigen. Was ich wirklich meinte, ist, dass meine Perspektive von bestimmten anderen Mathematikern geteilt wird, die ich kenne, die es vermeiden, über Physik zu sprechen, nicht dass Mathematiker keine Physiker sein können oder so! Lassen Sie mich darüber nachdenken, während ich einige Besorgungen mache, und dann versuchen, die Bearbeitung diplomatischer zu gestalten.
Mach dir keine Sorgen um Diplomatie, nicht um das Thema. Ich halte es für mutmaßlich, Studien von X zu verwenden, um Y auf der Grundlage dessen zu bewerten, ob es in der Sprache / Methodik / dem Ansatz / usw. von X sinnvoll ist, ohne Y zu studieren. Ich bezweifle, dass irgendein Physiker durch naive Ansichten beleidigt wird. Vielleicht verärgert, wenn sie den Nobelpreis bekommen. Das Universum hat drei Aspekte: Begrenztheit (unendlich oder endlich), Krümmung (offen, geschlossen oder flach) und Topologie (einfach verbunden, multipliziert usw.). Geschlossen bedeutet endlich, aber flach/offen bedeutet nicht unendlich. Lesen: Beginnen Sie bei en.m.wikipedia.org/wiki/Shape_of_the_universe .
Und ich kann nicht wirklich eine Antwort posten, weil ich nicht weiß, was die Frage ist. Wenn es darum geht, ob es nur einen Urknall gab, gibt es das MWH aus unendlichen inflationären Universen und eine andere Multiversum-Hypothese. Es ist meist spekulatives Denken in der Physik, also nichts bewiesenes oder gemessenes, kann es aber auch nicht widerlegen. An diesem Punkt muss man entscheiden, ob es einem die Zeit wert ist. Die Frage nach multiplen Urknallen scheint sich also in diesem Zusammenhang zu stellen und NOCH unter Bezugnahme auf die Möglichkeiten in mathematischen Modellen zu argumentieren. Ja, vieles ist möglich, aber wissenschaftliche Wahrheit ist nicht so einfach
@BobBee Ich empfehle, diese Frage als einen frühen Versuch eines Mathematikers zu betrachten, um mögliche Anwendungen seines Studienfachs zu verstehen. Mir wurde oft gesagt, dass die Kosmologie ein natürliches Gebiet für die Anwendung der hyperbolischen 3-Mannigfaltigkeitstheorie ist, aber vielleicht war mein erster Versuch, die Lücke zu schließen, zu allgemein, weil ich meistens von einer größeren Diskrepanz zwischen den Methoden der Mathematik und der Physik beeindruckt bin. Aus meiner Sicht ist die Frage direkt (siehe Titel). Wenn es keine Antwort rechtfertigt, überrascht mich das, scheint aber hauptsächlich auf einen größeren Bedarf an Patientenkommunikation hinzuweisen.
Nein, dies ist keine Bildungsseite, um Mathematiker zu Physikern zu machen. Lesen Sie Bücher, nehmen Sie an Kursen teil, lesen Sie Fachartikel und nutzen Sie diese Website, um Fragen zu etwas zu stellen, worüber Sie nachgedacht und selbst recherchiert haben. Das ist meine Meinung. Ich weiß, dass es eine Schnittmenge gibt, aber ebenso würden Physiker nicht zum Mathematikaustausch gehen, um Differentialgeometrie zu lernen - sie haben vielleicht spezifische Fragen, aber die axiomatische Entwicklung der Differentialgeometrie ist nicht falsch, weil sie keine topologischen Räume berücksichtigt. Ich hoffe, Sie verstehen, was ich meine, es ist nicht persönlich oder um Sie zu entmutigen
Welche Beweise gibt es dafür, dass der Urknall nicht nur ein lokales Phänomen war?
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