(wacomka/Getty Images) Kuvittele maailmankaikkeus, jossa voisit osoittaa avaruusaluksen yhteen suuntaan ja palata lopulta sinne, mistä aloitit. Jos universumimme olisi rajallinen munkki, tällaiset liikkeet olisivat mahdollisia ja fyysikot voisivat mahdollisesti mitata sen koon.
'Voimme sanoa: Nyt tiedämme maailmankaikkeuden koon', astrofyysikko Thomas Buchert Lyonin yliopistosta, astrofysikaalisesta tutkimuskeskuksesta Ranskassa, kertoi Live Sciencelle sähköpostissa.
Aiheeseen liittyvä: 10 villiä teoriaa maailmankaikkeudesta
Tutkimassa valoa varhaisesta universumista, Buchert ja ryhmä astrofyysikoita ovat päättäneet että kosmoksemme voidaan moninkertaisesti yhdistää, mikä tarkoittaa, että avaruus sulkeutuu itseensä kaikissa kolmessa ulottuvuudessa kuin kolmiulotteinen munkki.
Tällainen maailmankaikkeus olisi äärellinen, ja niiden tulosten mukaan koko avaruus voisi olla vain noin kolmesta neljään kertaa suurempi kuin havaittavan maailmankaikkeuden rajat, noin 45 miljardin valovuoden päässä.
Fyysikot käyttävät kieltä Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria selittämään maailmankaikkeutta. Tämä kieli yhdistää aika-avaruuden sisällön aika-avaruuden taipumiseen ja vääntymiseen, mikä sitten kertoo näiden sisältöjen olevan vuorovaikutuksessa. Näin koemme painovoiman.
Kosmologisessa kontekstissa tuo kieli yhdistää koko maailmankaikkeuden sisällön - pimeä aine , pimeää energiaa , säännöllinen aine, säteily ja kaikki muu – sen yleiseen geometriseen muotoonsa.
Tähtitieteilijät olivat vuosikymmeniä keskustelleet tuon muodon luonteesta: onko universumimme 'litteä' (eli kuvitteelliset yhdensuuntaiset viivat pysyisivät samansuuntaisina ikuisesti), 'suljettu' (rinnakkaiset viivat leikkaavat lopulta) vai 'avoin' (nämä viivat eroavat toisistaan) ).
Aiheeseen liittyvä: 8 tapaa nähdä Einsteinin suhteellisuusteoria tosielämässä
Tuo universumin geometria sanelee sen kohtalon. Litteät ja avoimet universumit jatkaisivat laajenemista ikuisesti, kun taas suljettu universumi lopulta romahtaisi itseensä.
Useita havaintoja, erityisesti kosminen mikroaaltouuni tausta (valon välähdys, joka vapautui, kun universumimme oli vain 380 000 vuotta vanha), ovat vakaasti vahvistaneet, että elämme litteässä universumissa. Yhdensuuntaiset viivat pysyvät yhdensuuntaisina ja universumimme vain jatkaa laajentumistaan.
Mutta muotoiltavaa on muutakin kuin geometriaa. Siellä on myös topologiaa , jolloin muodot voivat muuttua säilyttäen samat geometriset säännöt.
Ota esimerkiksi litteä paperi. Se on selvästi tasainen – yhdensuuntaiset viivat pysyvät yhdensuuntaisina. Ota nyt paperin kaksi reunaa ja rullaa se sylinteriksi. Nämä yhdensuuntaiset viivat ovat edelleen yhdensuuntaisia: Sylinterit ovat geometrisesti litteitä. Ota nyt sylinterimäisen paperin vastakkaiset päät ja yhdistä ne. Tämä tekee donitsista, joka on myös geometrisesti tasainen.
Vaikka mittauksemme maailmankaikkeuden sisällöstä ja muodosta kertovat meille sen geometrian – se on tasainen – ne eivät kerro meille topologiasta. Ne eivät kerro meille, onko universumimme moninkertaisesti kytketty, mikä tarkoittaa, että yksi tai useampi kosmoksen ulottuvuuksista liittyy takaisin toisiinsa.
Katso valoon
Vaikka täysin litteä universumi ulottuisi ääretön , litteällä universumilla, jossa on moninkertaisesti kytketty topologia, olisi rajallinen koko. Jos voisimme jotenkin määrittää, onko yksi tai useampi ulottuvuus kietoutunut itseensä, niin tietäisimme, että universumi on äärellinen tässä ulottuvuudessa. Voisimme sitten käyttää näitä havaintoja maailmankaikkeuden kokonaistilavuuden mittaamiseen.
Mutta kuinka moninkertaisesti yhdistetty universumi paljastaisi itsensä?
Ryhmä astrofyysikoita Ulmin yliopistosta Saksasta ja Lyonin yliopistosta Ranskasta tarkasteli kosmista mikroaaltotaustaa (CMB). Kun CMB julkaistiin, universumimme oli miljoona kertaa pienempi kuin nykyään, ja jos universumimme todellakin on moninkertaisesti yhdistetty, se oli paljon todennäköisemmin kietoutunut itseensä kosmoksen havaittavissa oleviin rajoihin tuolloin.
Nykyään universumin laajenemisen vuoksi on paljon todennäköisempää, että kääriminen tapahtuu mittakaavassa havaittavien rajojen ulkopuolella, joten käärettä olisi paljon vaikeampi havaita. CMB:n havainnot antavat meille parhaan mahdollisuutemme nähdä moninkertaisesti yhdistetyn maailmankaikkeuden jäljet.
Aiheeseen liittyvä: 5 syytä, miksi voimme elää multiversumissa
Ryhmä tarkasteli erityisesti CMB:n lämpötilan häiriöitä – hienoa fysiikan termiä töyssyille ja heiluille. Jos yksi tai useampi ulottuvuus universumissamme yhdistyisi takaisin itsensä kanssa, häiriöt eivät voisi olla suurempia kuin etäisyys noiden silmukoiden ympärillä. Ne eivät yksinkertaisesti sopisi.
Kuten Buchert selitti Live Sciencelle sähköpostissa: 'Äärettömässä avaruudessa CMB-säteilyn lämpötilan häiriöt esiintyvät kaikissa asteikoissa. Jos avaruus on kuitenkin äärellinen, puuttuu ne aallonpituudet, jotka ovat suurempia kuin avaruuden koko.
Toisin sanoen: Häiriöillä olisi maksimikoko, mikä voisi paljastaa universumin topologian.
Yhteyden muodostaminen
NASAn WMAP:n ja ja ESAn Planckin kaltaisilla satelliiteilla tehdyt CMB-kartat ovat jo nähneet kiehtovan määrän puuttuvia häiriöitä suuressa mittakaavassa. Buchert ja hänen työtoverinsa tutkivat, voisivatko puuttuvat häiriöt johtua moninkertaisesti yhdistetystä universumista.
Tätä varten tiimi suoritti useita tietokonesimulaatioita siitä, miltä CMB näyttäisi, jos universumi olisi kolmitorus, mikä on matemaattinen nimi jättiläismäiselle kolmiulotteiselle donitsille, jossa kosmoksemme on yhteydessä itseensä kaikissa kolmessa ulottuvuudessa. .
'Siksi meidän on tehtävä simulaatioita tietyssä topologiassa ja verrattava havaittuun', Buchert selitti. 'CMB:n havaittujen vaihteluiden ominaisuudet osoittavat sitten 'puuttuvan tehon' asteikoissa, jotka ylittävät universumin koon.'
Puuttuva teho tarkoittaa, että CMB:n vaihtelut eivät ole läsnä näillä asteikoilla. Tämä merkitsisi, että universumimme on moninkertaisesti kytketty ja äärellinen tällä kokoasteikolla.
'Löysimme paljon paremman vastineen havaittuihin vaihteluihin verrattuna standardiin kosmologiseen malliin, jonka uskotaan olevan ääretön', hän lisäsi.
'Voimme vaihdella tilan kokoa ja toistaa tämän analyysin. Tuloksena on optimaalinen maailmankaikkeuden koko, joka parhaiten vastaa CMB-havaintoja. Paperimme vastaus on selvästi, että äärellinen universumi vastaa havaintoja paremmin kuin ääretön malli. Voisimme sanoa: Nyt tiedämme maailmankaikkeuden koon.
Ryhmä havaitsi, että moninkertaisesti yhdistetty universumi, joka on noin kolmesta neljään kertaa suurempi kuin havaittava kuplamme, vastasi parhaiten CMB-tietoja. Vaikka tämä tulos tarkoittaa teknisesti sitä, että voisit matkustaa yhteen suuntaan ja päätyä takaisin lähtökohtaan, et pystyisi todellisuudessa saavuttamaan sitä.
Elämme laajenevassa universumissa , ja suuressa mittakaavassa maailmankaikkeus laajenee nopeudella, joka on nopeampi kuin valon nopeus, joten et voi koskaan saavuttaa silmukkaa loppuun.
Buchert korosti, että tulokset ovat vielä alustavia. Instrumenttiefektit voivat myös selittää puuttuvat vaihtelut suurissa mittakaavassa.
Silti on hauskaa kuvitella elävänsä jättimäisen munkin pinnalla.
Asiaan liittyvä sisältö:
11 kiehtovaa faktaa Linnunradan galaksistamme
5 syytä, miksi voimme elää multiversumissa
Fysiikan 18 suurinta ratkaisematonta mysteeriä
Tämän artikkelin julkaisi alun perin Live Science . Lue alkuperäinen artikkeli tässä .