آیا جهان بی نهایت است؟ پاسخ به سرعت عجیب می شود

زمین دارای یک سطح محدود است. ما می‌توانیم آن را اندازه‌گیری کنیم، و اگر خود سیاره در حال انبساط بود، آن سطح به مرور زمان افزایش می‌یابد. با کمال تعجب، سیاره آشنای ما همچنین راه مفیدی برای فکر کردن در مورد چیزی به مراتب سخت‌تر ارائه می‌دهد: جهان فراتر از منطقه‌ای که می‌توانیم مشاهده کنیم چگونه ممکن است باشد.

ساده ترین فرض این است که فراتر از افق کیهانی ما، به سادگی جهان بیشتری وجود دارد. ستاره های بیشتر کهکشان های بیشتر ویدیوهای بیشتر گربه تولید شده توسط هوش مصنوعی. شبیه این است که در جایی روی زمین بایستید و فرض کنید که فراتر از افق مرئی شما، هنوز زمین بیشتری وجود دارد.

اما کل جهان، از جمله همه چیز فراتر از آنچه ما می‌بینیم چقدر است؟

پاسخ ناامید کننده این است که ما ممکن است هرگز بدانیم.

مرز جهان قابل مشاهده صرفا دورترین فاصله ای نیست که تلسکوپ های ما در حال حاضر می توانند به آن برسند. این نشان دهنده یک محدودیت عمیق تر در مورد اطلاعاتی است که می تواند به ما برسد. کیهان حاوی مقدار محدودی از اطلاعات است که می تواند برای ما قابل دسترسی باشد، حتی اگر برای مدت طولانی خودسرانه منتظر بمانیم.

فراتر از این مرز، ما به استنباط و حدس و گمان مانده ایم.

یک احتمال ساده است: جهان بی نهایت است. فضا به سادگی برای همیشه بدون نقطه پایانی ادامه می یابد.

اما احتمال دیگر این است که جهان متناهی است.

این بلافاصله یک سوال واضح را ایجاد می کند. چگونه ممکن است چیزی متناهی باشد بدون اینکه لبه داشته باشد؟

سطح سیاره ما دارای یک منطقه محدود است، با این حال کسی که در امتداد آن سطح سفر می کند هرگز با مرزی روبرو نمی شود که در آن زمین ناگهان به پایان می رسد. بله، اگر سطح آن را در بعد سوم رها کنید و به فضای بیرونی بروید، یک لبه دارد، اما این نکته را از دست می دهد. خود سطح دو بعدی محدود است و هیچ مرزی ندارد زیرا به عقب منحنی می شود.

برای اثبات خمیدگی سطح زمین، نیازی به ترک زمین نداریم. ریاضیات راه های مختلفی را برای تشخیص انحنا در حالی که به طور کامل روی سطح باقی می ماند به ما می دهد.

مثلث ها یک مثال را ارائه می دهند. در یک صفحه کاملا مسطح، مجموع سه زاویه داخلی یک مثلث 180 درجه است. ممنون اقلیدس

اما تصور کنید که خطوط عظیمی بین سه شهر کاملا جدا شده روی زمین ترسیم کنید. مثلث به دست آمده مانند مثلثی که روی یک ورق کاغذ کشیده شده است رفتار نمی کند. زوایای داخلی آن بیش از 180 درجه است زیرا سطح زیر آن منحنی است.

خطوط موازی سرنخ دیگری را ارائه می دهند. در یک صفحه صاف، خطوط موازی هرگز به هم نمی رسند. با این حال، در یک سطح منحنی، خطوطی که موازی شروع می شوند می توانند در نهایت همگرا شوند.

تصور کنید که من و شما از نقاط مختلف خط استوا شروع می کنیم و مستقیما به سمت شمال حرکت می کنیم. در نهایت، مسیرهای ما در قطب شمال به هم می رسند. هیچکدام به سمت دیگری چرخیدیم. سطح زمین در زیر ما خمیده است.

ستاره شناسان می توانند آزمایش های هندسی مشابهی را بر روی خود کیهان انجام دهند.

یکی از قدرتمندترین ابزارها از پس زمینه مایکروویو کیهانی یا CMB می آید.

این تشعشعات باستانی زمانی منتشر شد که جهان اولیه به اندازه کافی سرد شد تا نور بتواند آزادانه از درون پلاسمای داغ و متراکم قبلی عبور کند. دانشمندان بسیاری از فیزیک پلاسما مربوطه را درک می کنند (ما درک مناسبی از پلاسما در اینجا روی زمین داریم)، ​​که به آنها اجازه می دهد پیش بینی کنند که چه الگوهایی باید در این درخشش باستانی ظاهر شوند.

این پیش‌بینی‌ها شامل تغییرات دمایی کوچک پراکنده در CMB است.

و این تغییرات دقیقا همان چیزی است که اخترشناسان مشاهده می کنند.

مهمتر از آن، دانشمندان می توانند محاسبه کنند که این لکه های دما چقدر باید ظاهر شوند. اگر فضا به شدت منحنی بود، نوری که در طول میلیاردها سال نوری به سمت ما می‌رود مسیرهای تغییر یافته‌ای را دنبال می‌کرد. این اعوجاج باعث تغییر اندازه ظاهری الگوها می شود.

بنابراین ستاره شناسان می توانند اندازه مشاهده شده ویژگی های CMB را با اندازه پیش بینی شده برای هندسه های مختلف کیهانی مقایسه کنند.

ویژگی ها اساسا در مقیاس مورد انتظار برای فضای مسطح ظاهر می شوند.

به همین دلیل است که دانشمندان می گویند جهان از نظر هندسی مسطح به نظر می رسد.

پس راز حل شد؟ آیا جهان مسطح به طور خودکار به معنای یک جهان بی نهایت است؟

تصور کنید سعی می کنید انحنای زمین را در حالی که محدود به همسایگی خود هستید اندازه گیری کنید. این منطقه تقریبا مسطح به نظر می رسد. مثلث های کوچک تقریبا دقیقا همانطور که اقلیدس پیش بینی کرده بود رفتار می کنند و مسیرهای موازی کوتاه به طور محسوسی همگرا نمی شوند.

مشکل این نیست که زمین واقعا مسطح است. منطقه اندازه گیری شما در مقایسه با اندازه سیاره بسیار کوچک است.

چیزی مشابه می تواند در مورد جهان صادق باشد.

اندازه گیری های ما محدود به کیهان قابل مشاهده است. در آن منطقه عظیم، فضا بسیار مسطح به نظر می رسد. اما جهان خارج از بخش قابل مشاهده ما می تواند بسیار بزرگتر باشد.

بنابراین این امکان وجود دارد که جهان دارای انحنای باشد که فقط در مقیاس هایی بسیار بزرگتر از آن چیزی که ما می توانیم به آن دسترسی داشته باشیم آشکار می شود (من می دانم که ده ها میلیارد سال نوری دقیقا کوچک نیستند، اما با این مقایسه می شود که جهان می تواند چقدر بزرگ باشد.)

اگر چنین باشد، فضا ممکن است در نهایت به دور خودش منحنی شود.

در اصل، این می‌تواند به این معنا باشد که سفر مداوم در یک جهت، در نهایت شما را به جایی که شروع کرده‌اید باز می‌گرداند، همان‌طور که سفر به دور زمین می‌تواند شما را به نقطه شروع بازگرداند.

در عمل، انبساط جهان، مناطقی فراتر از افق کیهانی ما را برای همیشه دور از دسترس قرار می دهد، بنابراین چنین سفری یک آزمایش فکری نظری باقی می ماند.

کیهان می‌تواند مسطح باشد و همچنان به اطراف بپیچد

یک جهان می تواند از نظر هندسی مسطح باشد بدون اینکه از هر جهت بی نهایت باشد.

برای درک چگونگی، یک ورق کاغذ صاف را تصویر کنید. روی آن مثلث و خطوط موازی بکشید. حالا کاغذ را بدون کشش یا پاره شدن به شکل استوانه ای خم کنید.

به صورت محلی، هندسه صاف باقی می ماند. مثلث ها همچنان مانند مثلث های معمولی رفتار می کنند و خطوط موازی همچنان مانند خطوط موازی رفتار می کنند. با این حال اکنون یک جهت در اطراف حلقه می زند.

این تفاوت بین هندسه و توپولوژی را برجسته می کند.

هندسه ویژگی هایی مانند انحنا را توصیف می کند. توپولوژی روش گسترده تر اتصال یک فضا را توصیف می کند.

جهان قابل مشاهده از نظر هندسی مسطح به نظر می رسد. اما این به طور خودکار به ما نمی گوید که آیا یک یا چند بعد ممکن است در اطراف خود بپیچند و به خودشان متصل شوند در حالی که به صورت محلی مسطح می مانند.

توپولوژی به برخی از احتمالات بسیار عجیب اجازه می دهد.

یک نوار Mobius را می توان با اتصال انتهای یک نوار پس از ایجاد یک پیچ و تاب ایجاد کرد. بطری کلاین را می توان به عنوان یکی دیگر از سطوح متصل غیرمعمول در نظر گرفت. استوانه‌ها، دونات‌ها، نوارهای موبیوس و بطری‌های کلاین همگی می‌توانند نشان دهند که چگونه فضاهایی با هندسه مسطح محلی می‌توانند ساختار کلی بسیار متفاوتی داشته باشند.

در سه بعد، ریاضیدانان 17 توپولوژی مجزا را شناسایی کرده اند که همگی می توانند از نظر هندسی مسطح باقی بمانند. یکی از مثال‌های جالب توجه فضای Hantzsche Wendt است که شامل تکرار ساختارهای مرتبط با الگوهای شش ضلعی است.

ستاره شناسان شواهدی را جست و جو کرده اند که کیهان توپولوژی بسته ای دارد.

یک استراتژی این است که به دنبال الگوهای تکراری در پس زمینه مایکروویو کیهانی بگردید. دیگری جستجو برای کهکشان‌هایی است که ممکن است در مکان‌های مختلف در طرف‌های مقابل آسمان ظاهر شوند، زیرا نور آن‌ها از طریق جهانی که به دور خود می‌پیچد، عبور کرده است.

تا کنون، محققان هیچ مدرک قانع کننده ای که این اتفاق می افتد پیدا نکرده اند.

بر اساس همه چیزهایی که در حال حاضر می توانیم مشاهده کنیم، جهان هم از نظر هندسی تخت و هم از نظر توپولوژیکی ساده به نظر می رسد. به عبارت دیگر، هیچ علامت شناسایی شده ای وجود ندارد که ابعاد آن به خود بازگردد.

اما بار دیگر، افق کیهانی ما یک محدودیت اساسی ایجاد می کند. اگر مقیاس چنین حلقه‌ای بزرگتر از جهان قابل مشاهده باشد، ممکن است هرگز نتوانیم آن را تشخیص دهیم.

این بدان معناست که ما هرگز نمی‌توانیم با قطعیت بدانیم که آیا کل جهان نامتناهی، متناهی، منحنی است یا به روشی بزرگ‌تر و عجیب‌تر متصل است.

در برخی از ایده‌های کیهان‌شناسی، هر چیزی که ما جهان می‌نامیم، از جمله مناطق بسیار فراتر از افق قابل مشاهده ما، ممکن است تنها یک حباب در میان بالقوه‌های بی‌شماری دیگر باشد. این حباب‌ها می‌توانند از یکدیگر منبسط شوند، در حالی که مناطق جدید شروعی شبیه به انفجار بزرگ خود را تجربه می‌کنند.

اما این احتمالا برای یک روز هندسه کیهانی کافی است.

مواد ارائه شده توسط Universe Today. نوشته اصلی توسط پل ساتر. توجه: محتوا ممکن است برای سبک و طول ویرایش شود.

دانشمندان یک "حافظه" مولکولی کشف کردند که می تواند باعث بازگشت وزن از دست رفته شود

دانشمندان فاش کردند که اگر یلوستون اکنون فوران کند چه اتفاقی می‌افتد

دانشمندان یک کمک خواب غیرمنتظره ساخته شده از ریشه درختان را آزمایش کردند

تلسکوپ رومی ناسا چشم 300 مگاپیکسلی خود را بر روی کیهان باز کرد