¿Qué tamaño tiene el universo? ¿Cómo medir la curvatura del espacio en el universo?

Si alguien te pregunta el tamaño de un objeto, entonces primero debes conocer la forma del objeto, es decir, la estructura geométrica, y luego podrás calcular el área o volumen del objeto en base a algunos Fórmulas geométricas conocidas. Este es el proceso de operación más básico.

Ahora déjame preguntarte ¿qué tamaño tiene el universo? ¿Cómo responder a esta pregunta? De la misma manera, primero necesito conocer la forma o estructura geométrica del universo antes de poder estimar el tamaño de todo el universo.

Entonces, ¿cómo tiene forma el universo? ¡Oye, realmente lo hay! En la época en que vivió Newton, la gente no consideraba la forma del espacio en absoluto, porque Newton creía que el espacio era una estructura de cuadrícula tridimensional plana y absolutamente inalterada.

No importa cómo se mueva la materia en tu espacio, no importa cuánto sea, no importa cómo se distribuya, no afectará la estructura rígida del espacio. Según esta idea, el universo entero es. mundo absolutamente inalterado, estático e infinito.

Pero Einstein no lo creía así. Un universo regido por la relatividad general ya no es el universo a los ojos de Newton, sino un universo regido por la cantidad de materia y energía, la curvatura del espacio y la expansión. tasa del universo, un universo con una relación compleja entre estos tres.

Esto es fácil de entender. Déjame darte un ejemplo. Nuestro sol es una colección de energía cuando está en el espacio del universo, incluso doblará el espacio y el tiempo a su alrededor. Cuando la luz pasa a través del sol, se producen desviaciones a nuestro alrededor.

Lo mismo ocurre con nuestra Tierra. El espacio que la rodea también es curvo. Este es el impacto de la materia en el espacio local. Entonces, si la distribución de materia y energía en el universo es isotrópica, es decir, la densidad es la misma y uniforme en todas las direcciones, es decir, la densidad es la misma en todos los lugares, entonces la materia y la energía en todo el universo serán iguales. ¿El universo también tiene un impacto en todo el universo? El espacio crea una curva. Esto es fácil de entender.

La tasa de expansión del universo también está tirando del espacio de todo el universo, lo que hace que el universo continúe expandiéndose. Esto también hará que la curvatura del universo cambie. El universo se ve afectado por la tasa de expansión y la materia y, la influencia de la cantidad de energía.

La relación entre los tres es la ecuación de Friedman. Esta ecuación fue escrita en 1922, varios años antes de que Hubble descubriera que las galaxias distantes se están alejando de nosotros. Eso es lo bueno de la física teórica: puede predecir algunos hechos.

Dado que la materia puede doblar el espacio y el tiempo, puede haber curvatura en el espacio de todo el universo. Especialmente cuando piensas que el espacio alrededor de la Tierra es curvo, es posible que tengas preguntas como, ¿por qué no puede hacerlo? ¿Lo siento? ¿No ves que el espacio en el que vivo es curvo?

Es así. Como criaturas en el espacio tridimensional, es difícil para nosotros imaginar cómo se verá el espacio tridimensional después de que sea curvado, ni podemos sentir la curvatura del espacio. Sólo podemos experimentar los resultados de la curvatura del espacio, es decir, la gravedad que nos presiona contra la superficie de la Tierra todo el tiempo.

Esto es como una criatura que camina sobre una superficie curva bidimensional. Dado que carece de la dimensión de arriba y abajo, no puede sentir que está caminando sobre una superficie curva. en un plano bidimensional.

Como espacio tridimensional, para una estructura bidimensional, podemos pasar por alto la estructura bidimensional desde una dimensión superior. Podemos ver de un vistazo que esta superficie bidimensional es una estructura plana. , o una estructura curva con curvatura positiva, o una estructura curva con curvatura negativa.

Si hay una criatura avanzada en el espacio de cuatro dimensiones, también puede pasar por alto nuestra estructura tridimensional desde otra dimensión, y también puede ver de un vistazo si nuestro espacio tridimensional es plano o curvo. , o estructura curvada negativamente.

Entonces la pregunta es, como criaturas que viven en espacios bidimensionales y tridimensionales, ¿pueden medir la curvatura del espacio en el que viven?

¡Absolutamente! El método también es muy sencillo, es decir, dibujar un triángulo.

Tomas una hoja de papel y dibujas en ella un triángulo. No importa cómo lo dibujes ni el tamaño del triángulo, la suma de los ángulos interiores de este triángulo es igual a 180°.

Pero si dibujas un triángulo sobre una esfera con curvatura positiva, la suma de los ángulos interiores del triángulo será mayor que 180°. Si dibujas un triángulo sobre una superficie bidimensional con curvatura negativa. , la suma de sus ángulos interiores será menor que 180°.

Entonces, para una criatura que vive en una superficie bidimensional, puede saberlo dibujando un triángulo a gran escala, midiendo el triángulo, los ángulos de los tres vértices y la distancia, y mediante simples cálculos geométricos cuál es la curvatura de la superficie bidimensional en la que uno vive, por supuesto también se puede calcular qué tan grande es su mundo.

En principio, también podemos utilizar este método para medir la curvatura de la superficie terrestre y conocer la forma y tamaño de la tierra. Pero ahora los humanos no tenemos que tomarnos tantas molestias. Podemos volar directamente desde la superficie bidimensional de la Tierra y contemplar toda la Tierra desde un espacio tridimensional más grande.

¿Qué pasa con el universo entero?

El espacio de todo el universo puede ser simplemente una simple estructura tridimensional compuesta de estructuras bidimensionales. Por supuesto, si piensas más profundamente, también puede estar compuesto de estructuras tridimensionales superiores. dimensiones.

Pero no importa cuál sea, no podemos pasar por alto la apariencia del universo entero, por lo que necesitamos medir la curvatura del universo.

¿Cómo realizar la prueba? La forma antigua es dibujar un triángulo. Pero este triángulo no se limita a nuestro sistema solar, la Vía Láctea o incluso al cúmulo de galaxias local, sino que debe dibujarse en una estructura a mayor escala. La distancia entre los tres puntos del triángulo debe ser de al menos varios miles de millones de años luz.

Después de seleccionar tres puntos, estos tres puntos emitirán señales entre sí. Si no hay curvatura en el universo, entonces la luz no se doblará. Si hay curvatura, entonces la suma de los ángulos interiores. del triángulo no debe ser de 180°.

El método parece simple, pero no es viable. Las personas no pueden recorrer una distancia tan larga. Incluso si los extraterrestres cooperan con nosotros, se necesitarán miles de millones de años para enviar una señal y ser recibida por la otra parte. Es posible que para entonces todos los extraterrestres se hayan extinguido.

¿Qué hacer? No olvides que también existe una señal luminosa muy antigua en el universo, que se originó 380.000 años después del Big Bang. Ahora decimos que la distribución de la materia en el universo es uniforme, pero en los primeros días del universo, la distribución de la materia era más uniforme.

Sin embargo, no era absolutamente uniforme. fallas en la uniformidad, es decir, ciertas La densidad será mayor que el promedio en algunos lugares y menor que el promedio en algunos lugares. Este patrón de pequeñas fluctuaciones de densidad se refleja en la radiación térmica observable. Estas radiaciones son microondas sobrantes del Gran. Fondo de explosión.

En la radiación de fondo de microondas, la luz del punto caliente llega a la Tierra a través de una gran distancia. Si el universo es plano, entonces el punto caliente que observamos tiene su tamaño real, y en el microondas. En segundo plano, en una escala de distancia específica, habrá una cierta cantidad de puntos calientes y puntos fríos, su distribución parece uniforme y su tamaño parece uniforme.

Si hay una curvatura positiva en el espacio del universo, entonces el punto caliente se ampliará, y si hay curvatura negativa, el punto caliente se reducirá. En ambos casos, en una distancia específica. Escala, el punto caliente y el punto frío El tamaño y la distribución son desiguales.

A finales de los años 90, mediante la observación de la radiación de fondo de microondas, se confirmó por primera vez que el universo en su conjunto no tiene una curvatura evidente. Esta observación también fue confirmada por el satélite Planck. De hecho es plano.

¿Qué tamaño tiene el universo?

Lo primero que debemos saber es que el universo que medimos es plano, una estructura espacial tridimensional sin curvatura evidente, pero este es sólo el universo que podemos observar, es decir, nuestro universo observable. , aproximadamente 92 mil millones de años luz de diámetro.

Pero esto no significa que no haya curvatura en todo el universo. Es como cuando estamos en la Tierra y no podemos ver la curvatura de la Tierra, porque nuestra escala humana es demasiado pequeña.

El universo que podemos observar es solo una parte muy pequeña de todo el universo, por lo que esto puede hacer que no podamos ver la curvatura del universo si la precisión de la observación no es suficiente.

Así que todavía creemos que nuestro universo observable todavía tiene una pequeña curvatura intrínseca, pero simplemente no podemos verla.

Si nuestro universo realmente tiene una curvatura positiva, entonces la estimación más conservadora es que el tamaño de todo el universo será 15 millones de veces el tamaño de nuestro universo observable.

Así que sólo hemos visto una parte muy pequeña del universo, y si tenemos en cuenta la energía oscura, veremos cada vez menos en el cielo en el futuro.