Wie können wir zeigen, dass das sehr frühe Universum als flach angesehen werden kann?

Dies bezieht sich auf das Flachheitsproblem . Insbesondere bezieht es sich auf den Wert des Parameters$\Omega$, das ist das Verhältnis der Dichte zur kritischen Dichte. Für ein positiv gekrümmtes (geschlossenes) Universum$\Omega>1$, für ein negativ gekrümmtes (offenes) Universum$\Omega<1$und für ein flaches Universum$\Omega=1$. Die Frage lädt Sie ein, dies im frühen Universum zu zeigen$\Omega$muss ziemlich genau gleich eins gewesen sein und daher ziemlich genau flach.

Aus der ersten Friedmann-Gleichung können wir einen Ausdruck für ableiten$\Omega$:

Wo$\rho(t)$ist die Dichte von Materie/Energie im Universum und$a(t)$ist der Skalierungsfaktor. Beides sind also Funktionen der Zeit$\Omega(t)$ist eine Funktion der Zeit. Der Parameter$k$ist eine Konstante, die die Krümmung des Universums beschreibt.

Die Beziehung zwischen dem Skalierungsfaktor und der Energiedichte ist kompliziert, aber wenn man davon ausgeht, dass das Universum nur Materie enthält, dann$\rho \propto 1/a^3$und die obige Gleichung wird zu:

für einige konstant$K$. Der Skalierungsfaktor$a(t)$nimmt seit dem Urknall mit der Zeit zu und hat seit dem Urknall tatsächlich um viele Größenordnungen zugenommen. Das bedeutet, wenn$\Omega$Die Einheit beginnt außerhalb der Ordnung und entwickelt sich dann mit der Zeit von der Einheit weg. Wenn$K > 0$(geschlossenes Universum)$\Omega$steigt mit der Zeit, oder wenn$K < 0$(offenes Universum)$\Omega$nimmt mit der Zeit ab. Wenn$K = 0$dann ist dies das flache Universum und$\Omega = 1$und ändert sich nicht mit der Zeit.

Das Problem ist, dass die Beobachtung des Universums jetzt, ungefähr 14 Milliarden Jahre nach dem Urknall, darauf hindeutet, dass der aktuelle Wert von$\Omega$ist der Einigkeit nahe. Seit$\Omega$entwickelt sich weg von der Einheit mit der Zeit und seit dem Skalierungsfaktor$a(t)$hat sich in den letzten 14 Milliarden Jahren um viele Größenordnungen verändert, das bedeutet, dass wenige Sekunden nach dem Urknall der Wert von$\Omega$muss der Einigkeit außerordentlich nahe gewesen sein .

Wie können wir beweisen, dass das sehr frühe Universum als flach angesehen werden kann?

Die kurze Antwort ist, dass wir das nicht beweisen können.

Wenn die Inflationstheorie richtig ist, kann man zeigen (siehe "Flatness-Problem", verlinkt von @John Rennie), dass nach der Erhöhung des Skalierungsfaktors um viele Bestellungen in diesem Zeitraum der Wert von$\Omega$(das Verhältnis von tatsächlicher zu kritischer Dichte) kommt im sehr frühen Universum nach dem Ende der Inflation sehr nahe an eins heran.

Die Antwort auf Ihre Frage hängt also davon ab, was Sie mit "als flach angesehen" meinen. Wenn Sie euklidische Ebenheit meinen, dann nein, das kann nicht berücksichtigt werden, da die euklidische Ebenheit dies erfordert$\Omega=1$.

Wenn die Theorie der Inflation zutrifft, folgt daraus, dass im sehr frühen Universum der Wert von$\Omega$war ganz in der Nähe$1$was bedeutet, dass die räumliche Geometrie des Universums der euklidischen Flachheit sehr nahe kam, was jedoch nicht widerlegt, dass die Form des Universums eine große 3-Kugel ist.

Da Sie in Ihrer Frage nur Worte verwendet haben, denke ich, dass die heuristischste (grundsätzlich verständliche) Antwort der Einstein-Cartan-Theorie ist, die 1929 von ihnen entwickelt wurde, nachdem subatomare Teilchen einen intrinsischen Drehimpuls (Spitzname "Spin") haben. aber komplexer als der Spin makroskopischer Objekte) entdeckt worden war.

In dem kosmologischen Modell, das ECT verwendet, tritt die Bildung eines Schwarzen Lochs beim Gravitationskollaps eines großen rotierenden Sterns auf, nachdem der Verbrauch seines Kernbrennstoffs ihn ohne Strahlungsdruck zurücklässt, der ausreicht, um diesem Kollaps zu widerstehen, der sich vom Zentrum des Sterns nach außen ausbreitet virtuelle Teilchen, indem sie sie von ihren gepaarten Antiteilchen trennen. In ECT (im Gegensatz zur Allgemeinen Relativitätstheorie von 1915) haben die Fermionen (Materieteilchen) eine winzige räumliche Ausdehnung, und ihre Wechselwirkung mit den stellaren Fermionen (die exponentiell größer sind) „wirbelt“ die neu materialisierten Teilchen nach außen, um ein neues „lokales Universum“ zu bilden ", deren Form der Haut eines Basketballs entspricht, wobei die Umlaufbahn des ersten von ihnen die Form einer Scheibe umreißt, deren Rotation ("geerbt" vom elterlichen Stern) verbindet sich mit schnell aufeinanderfolgenden Ereignissen desselben Prozesses, um dieses neue, geschlossene Universum zu bilden. Die kausale Trennung seiner Teilchen von jenen im Lokaluniversum, die den Mutterstern enthielten, tritt auf, wenn sie die Lichtgeschwindigkeit erreichen, die in jenem früheren LU vorherrschend war.

Innerhalb jedes Lokaluniversums wiederholt, ist das letztendliche Ergebnis ein „Multiversum“ von Lokaluniversen (einschließlich unseres eigenen) auf nacheinander abnehmenden Maßstäben. Da die räumliche Ausdehnung nicht dasselbe ist wie die Bewegung von Teilchen relativ zueinander, kann sie viel schneller als die Lichtgeschwindigkeit erfolgen, sodass dieses Modell die einfachste Erklärung für die Möglichkeit liefert, dass das Universum unendlich und voller Teilchen ist Sterne, obwohl der größte Teil des Nachthimmels schwarz ist.

Das Modell wird von seinem Urheber, dem Relativisten Nikodem Poplawski, in vielen Artikeln beschrieben, die zwischen 2010 und 2021 auf der Arxiv-Website der Cornell University veröffentlicht wurden und unter seinem Namen zu finden sind.

Obwohl es bemerkenswert einfach erscheinen mag, basiert dieses Modell auf der Mathematik von Cartan, der (1913) den Spinor in die Geometrie eingeführt hatte. Die Einstein-Cartan-Theorie ist komplexer als die Allgemeine Relativitätstheorie, und, vielleicht teilweise aus diesem Grund und teilweise, weil das durch ihre Verwendung entwickelte kosmologische Modell potenziell ewig für die Vergangenheit sowie für die Zukunft ist, wird sie in vielen der nicht gelehrt private und staatliche Universitäten in Regionen, in denen ein "Creation Event" bevorzugt wird, vielleicht aus kulturellen Gründen, verstärkt durch die politischen Gründe, die sich daraus opportunistisch ableiten.