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¿Por qué el fondo del universo es negro?

¿Cómo es el universo? Esta es quizás una de las preguntas más difíciles que jamás se haya hecho la humanidad. Utilizando las herramientas de observación más avanzadas de todos los tiempos, los cosmólogos han propuesto una variedad de hipótesis, que van desde la bola de cristal de Ptolomeo hasta el "universo en una cáscara" de Hawking. Sin embargo, pocos han tenido tanto éxito como Jeffrey Weeks. Jeffrey Weeks dio una respuesta tan simple e incluso burda: ¿Quieres saber cómo es el universo? Pon una pelota de fútbol frente a ti y, he aquí, ¡el universo es una pelota de fútbol gigante compuesta por 12 "pieles" pentagonales!

Weeks es un matemático independiente en Canton, Nueva York, lo que recuerda fácilmente a los matemáticos campesinos que aparecen aquí cada año afirmando probar la conjetura de Goldbach. Pero la edición del 9 de octubre de Nature incluye en la portada un artículo del que son coautores Weeks y sus colegas. La razón es simple: aunque la hipótesis del "universo del fútbol" es audaz, se basa en datos de observación precisos y en modelos matemáticos completos.

Esta hipótesis se deriva principalmente de las observaciones de la Sonda de Anisotropía de Microondas Wilkinson (WMAP) de la NASA. En febrero de este año, WMAP capturó una gran cantidad de imágenes de alta resolución del universo hace 380.000 años, revelando los secretos del fondo cósmico de microondas que quedó en todas partes después del Big Bang. A partir del tamaño de los puntos fríos y calientes de este fondo cósmico de microondas (la luz fría emitida por el universo en su infancia), se puede inferir la edad y la composición del universo. Los datos mostraron que, si bien había ondulaciones en forma de ondas en el fondo (restos de la formación de estrellas y galaxias en el universo temprano), en general parecía ser bastante uniforme, sin grandes olas. Esto entra en conflicto con la teoría actualmente dominante de un universo infinito.

"Un universo infinito debería contener ondas de todos los tamaños. Las observaciones de WMAP nos indican que el universo puede ser finito, al igual que no puedes ver ondas de choque en tu bañera. Poderoso Para él, lo mejor La explicación es que el universo es en realidad un espacio de 12 lados de Poincaré (matemático francés), "que se ajusta muy bien a los datos", dijo vívidamente en una entrevista con SPACE.COM.

Esta idea. Se ha propuesto antes que Wicks. Sin embargo, no fue hasta hace poco que esta conjetura fue respaldada por datos de observación de la vida real. Los investigadores dijeron que después de casi 2.000 años de especulaciones, la humanidad puede estar cerca del núcleo de la respuesta: ¿Es el universo nosotros? ¿Es limitado o infinito? ¿Es vasto y abierto, o es estrecho y cerrado? ¿Hay otros universos fuera de este universo que sean similares al nuestro?

¿Según la última teoría? , el universo es un espacio compuesto por 12 pentágonos, que están uno frente al otro y están perfectamente empalmados. Has entrado en otro lado. Como ejemplo simple, toma un trozo de papel y enróllalo hasta formar un cilindro. círculo, aún regresarás al final del papel. Cuando lo enrolles en un cilindro, dale la vuelta para que los dos puntos diagonales se enfrenten. Encontrarás que, aunque comenzaste desde el frente del papel, cuando regreses. Hasta el punto de partida, has llegado al otro lado del papel. Este es un pequeño experimento bastante interesante en topología. El nuevo modelo de fútbol del universo es mucho más complicado, pero el principio sigue siendo el mismo. es correcto, entonces la luz está en todas partes del universo y la propagación seguirá el mismo patrón, por lo que es completamente posible para los astrónomos encontrar múltiples imágenes de un objeto en el universo en diferentes momentos, "como ver a la misma persona desde diferentes ángulos". excepto que puede ser visto de frente." 50 años, mientras que desde arriba podría haber tenido 7 años."

Una idea más atractiva para el profano es que, al menos en teoría, si caminas hacia adelante en el universo, sin mirar nunca atrás, pasando un largo viaje (unos 60 mil millones de años luz) y volverás al punto de partida.

¡La cosmóloga de Cambridge Janna Levin señala que hay un "! Cuerpo celeste". Janna Levin señaló que existen otras posibilidades además de la estructura de 12 lados.

Pero este es al menos un comienzo significativo.

Obers Feint: Una de las preguntas más famosas sobre "¿Qué es el universo?"

Cuando miras el cielo nocturno estrellado, no sé si has pensado sobre esta pregunta: ¿Por qué el cielo nocturno está oscuro?

Quizás pienses que esta es una pregunta de bajo nivel que no vale la pena responder, o incluso una pregunta retórica: ¿por qué el cielo nocturno no está oscuro? Pero, de hecho, a partir de 1576, el inglés Thomas? De hecho, a partir de 1576, el inglés Thomas Tyndges describió por primera vez en su libro el problema que más tarde se conoció como "La paradoja de Obers", esta cuestión ha sido una de las cuestiones astronómicas más famosas. acerca de lo que es el universo durante casi 400 años. ¿Qué es el universo?

Para entender por qué esta pregunta es desconcertante, imagina que estás en un bosque sin fin. Aunque los árboles en el bosque están espaciados y varían en tamaño, debido a que el bosque es infinito, siempre puedes ver al menos un árbol ya sea que mires desde lejos o de cerca.

Ahora, el bosque relajante es el universo. Ya sabemos que el universo está lleno de estrellas y galaxias como la Vía Láctea, por lo que cuando miramos hacia el universo, sin importar desde qué dirección miremos, debería haber al menos una estrella brillante esperando nuestra mirada, y todo el universo El cielo debería ser una luz cegadora. ¿Por qué vemos un cielo nocturno negro intenso?

No creas que esto se debe a que las estrellas que están demasiado lejos son demasiado oscuras para que las podamos ver. Imaginemos que vivimos en el centro del universo, con estrellas y galaxias tan alejadas de nosotros como el radio de una bola. Suponiendo que el brillo absoluto de todas las estrellas o galaxias sea aproximadamente igual, aunque la capa de estrellas o galaxias con un radio mayor pueda parecer más tenue, un área esférica más grande significa más estrellas y galaxias. Entonces, en teoría, el brillo total de las estrellas y galaxias en cada capa debería ser igual.

De hecho, la razón por la cual la "Paradoja de Obers" es un problema es que se basa en la suposición de que el universo es infinito, eterno e inmutable. Mientras una de las condiciones sea inconsistente, la conclusión será completamente diferente.

La gente fue la primera en cuestionar la suposición de que el universo es eterno. Curiosamente, la primera persona que se dio cuenta de esto no fue un astrónomo, sino el famoso poeta y novelista Edgar Allan Poe. pendiente. El entusiasta científico aficionado señaló en un discurso poco antes de su muerte que la razón por la que hay enormes lagunas oscuras en el cielo nocturno es que las estrellas y galaxias que no podemos ver están demasiado lejos de nosotros y la luz que emiten simplemente no puede alcanzarnos. nosotros en el tiempo. Otro científico irlandés, d'Albe, propuso alrededor de 1907 que si el universo hubiera nacido hace 100.000 años, sería imposible que llegara hasta nosotros la luz procedente de objetos situados a 100.000 años luz de distancia.

No fue hasta la década de 1920 que la paradoja de Olbers recibió una solución razonable. Treinta años después, en la década de 1950, el cosmólogo Hermann Bundy recordó al astrónomo alemán Heinrich Oberth, que hizo grandes contribuciones a este problema, y ​​lo llamó "Paradoja de Oberth". En la década de 1980, Edward Harrison, astrónomo de la Universidad de Massachusetts, lo nombró en honor a Heinrich Oberth, un astrónomo alemán que hizo grandes contribuciones a este problema. El astrónomo Edward Harrison de la Universidad de Massachusetts recopiló una gran cantidad de información relacionada con la finta de Olbers y escribió el libro "La oscuridad de la noche". En el libro, Harrison se sorprende al descubrir que nadie desde Newton, Halley y otros astrónomos ha subvertido la paradoja de Olbers y ha utilizado la oscuridad del cielo nocturno como la razón por la que el universo nació hace un tiempo finito. La hipótesis de Harrison de que el universo es un "dodecaedro finito" puede añadir una nueva página a su trabajo: ¿por qué nadie se dio cuenta, a partir de la paradoja de Obers, de que el universo también podría ser finito?

¿Por qué el cielo está negro por la noche? Ésta es una pregunta famosa en la cosmología clásica.

Desde la antigüedad, la gente ha estado especulando sobre el universo. Los antiguos creían que las estrellas estaban incrustadas en una esfera transparente. La teoría más antigua de China sobre la estructura del universo, la teoría gaitiana, se basa en "el cielo es redondo y la tierra es redonda". El sistema universal geocéntrico de Tolle y el sistema universal geocéntrico heliocéntrico de Copérnico contienen la esfera celeste estelar. El pensador medieval Nicolás creía que el universo

era infinito. Isaac Newton hizo de la infinidad del espacio y del tiempo un principio fundamental de su teoría. También dedujo que el número de estrellas debe ser infinito y estar distribuido de manera bastante uniforme en el espacio.

Según esto, los famosos astrónomos británicos William Herschel y John Herschel anunciaron que al menos algunas nebulosas observables están relacionadas con el tamaño y la estructura de la Vía Láctea, un sistema de estrellas discretas idénticas.

. Estas galaxias se encuentran en todo el universo. Los astrónomos del siglo XIX generalmente creían que el universo observable debía ser estático, infinito y uniforme. Una famosa objeción a un universo estático, infinito y homogéneo es el "problema de la noche oscura", también conocido como "paradoja de Obers". La falacia es:

Si la luz emitida por las estrellas es constante y el espacio es euclidiano (plano), entonces, en un universo así, todo el cielo el brillo parece ser uniforme, tan brillante como el sol.

Porque no importa desde qué ángulo mires el cielo, tu línea de visión encontrará una estrella.

Esto se puede explicar con un sencillo argumento geométrico: pensemos en un fino cono de luz que entra en el ojo humano. Mientras que el brillo aparente de la superficie de una estrella es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, el área de la sección transversal de un cono (o el número de estrellas) aumenta con el cuadrado de la distancia, por lo que la luz concentrada en el cono es proporcional al lugar donde se emite. No existe relación, por lo que todo el cielo debe ser tan brillante como el sol, cuando en realidad el cielo nocturno está oscuro. ¿Cómo eliminar la contradicción entre observación y teoría?

La derivación de Obers se basa en las siguientes ideas cosmológicas:

1. La materia en el universo está distribuida uniformemente.

2. El universo es estático.

3. El universo es infinito.

4. El universo existe desde hace un tiempo infinito. Para evitar la conclusión de que "el cielo nocturno es tan brillante como el sol", debemos reexaminar el punto anterior. En el modelo jerárquico del universo, la densidad media disminuye a medida que aumenta la distancia de observación

y está acotada por cero, lo que elimina la paradoja, pero a costa de perder uniformidad

sexo . Pero los resultados observacionales hasta ahora muestran que la distribución de la materia en el universo es uniforme e isotrópica en el espacio dimensional a gran escala. Esta visión se llama principio cosmológico, que es el axioma en el que deben basarse las teorías cosmológicas modernas. El primer punto anterior es consistente con los principios cosmológicos y debe mantenerse

. Este modelo en capas del universo debería abandonarse. Esto es muy problemático hoy en día porque Olbers supuso que la luminosidad de las estrellas no cambia.

Si se supone que las estrellas no siempre fueron tan brillantes, sino sólo en un pasado finito, porque la luz de las estrellas distantes aún no nos ha llegado,

esto evita la posibilidad de que la cielo entero Todo tan brillante como el sol. Esto nos deja con una pregunta:

¿Qué hace que una estrella brille en primer lugar? De esta manera, un universo con un pasado finito parece evitar las falacias obelsianas. En este punto, el universo tiene un comienzo en el tiempo. Otro universo con una tasa de expansión suficientemente grande también evita la paradoja de Olbers, incluso si su pasado es infinito. Porque según la teoría cuántica, la energía de un fotón es directamente proporcional a su frecuencia. Un haz de luz que persigue una fuente de luz a gran velocidad a lo largo de una larga distancia producirá un desplazamiento hacia el rojo muy grande, por lo que su energía se reducirá en consecuencia, de modo que la suma seguirá siendo finita.

Incluso puede ser ignorado.

Dado que no existe ninguna razón observacional para abandonar los principios cosmológicos, se debe aceptar la primera observación, mientras que se deben reconsiderar la segunda y la cuarta.

A principios del siglo XX, Einstein creó la teoría general de la relatividad, que proporcionó una base teórica para estudiar la

estructura general del universo. Las propiedades generales del universo están determinadas por las ecuaciones del campo gravitacional. El físico holandés

De Sitter obtuvo por primera vez la solución cósmica a la ecuación del campo gravitacional, pero es dinámica, no

posiblemente estática: el universo se está expandiendo o contrayendo. Hubble descubrió a través de observaciones

que la velocidad de desintegración radial de las galaxias extragalácticas es proporcional a la distancia, es decir, cuanto mayor es la distancia, mayor es la velocidad radial

. Esto significa que la distancia entre dos galaxias cualesquiera en el universo está aumentando y el universo se está expandiendo.

Si el universo en expansión viajara hacia atrás en el tiempo y el espacio, alcanzaría el estado de superdensidad original, lo que significa que el universo estuvo formado por materia primitiva producida en algún momento del pasado. una explosión. Este es el modelo de universo de la cosmología del Big Bang. De acuerdo con las predicciones teóricas y las observaciones experimentales, el universo pasó por una fase de expansión al principio de su vida. Claramente, un modelo de un universo en expansión con un pasado finito evita la paradoja de Olbers. También existe un modelo de universo de estado estacionario con un pasado infinito. Aunque elimina la finta de Obers, la gente ya no lo acepta porque destruye la conservación de la energía y no explica cuestiones como el fondo cósmico de microondas. aceptar radiación.

En resumen, hoy en día la comunidad científica acepta que el universo observado se está expandiendo. El modelo cosmológico del Big Bang que ha pasado por la etapa de inflación es un modelo exitoso y sus predicciones teóricas concuerdan bien con las observaciones experimentales. Obviamente, este es un modelo cosmológico dinámico y el universo puede tener un punto de partida en el tiempo

. Por lo tanto, para un modelo cosmológico clásico homogéneo, estático e infinito, el segundo y cuarto argumentos no son válidos. Si abandonamos estos dos puntos, naturalmente no llegaremos a la conclusión de que "el cielo de noche es tan brillante como el sol"

.