Считается ли Вселенная плоской?

Я читал различные статьи и книги (вроде этой ), в которых говорилось, что мы не уверены в геометрии вселенной, но проводились или планировались эксперименты, которые помогут нам это выяснить.

Однако недавно я посмотрел лекцию космолога Лоуренса Краусса, где он, кажется, категорически утверждает, что эксперимент BOOMERANG доказал, что Вселенная была плоской . Вот соответствующая часть разговора .

Я осмотрелся, и все еще есть статьи, в которых говорится, что мы до сих пор не знаем ответа на этот вопрос, как этот .

Итак, мой вопрос состоит из двух частей:

1. Я смешиваю понятия и говорю о разных вещах?
2. Если нет, то почему это доказательство не получило широкого распространения по какой-либо причине? Что это за причина?

Я думаю, что причина, по которой вы страдаете из-за противоречивых источников, состоит в том, что вы смешиваете как новую, так и старую устаревшую информацию. Во-первых, цитируемая вами книга была опубликована в 2001 году - 15 лет назад, а другая цитируемая вами статья была опубликована в 1999 году - 17 лет назад. За последние 15 лет было проделано много работы, часто под термином «точная космология», в попытке действительно зафиксировать точное содержание, форму, размер и т. Д. Нашей Вселенной. К началу 2000-х мы в значительной степени знали науку, стоящую за всем (мы знали о темной материи, темной энергии, имели хорошо разработанные теории о Большом взрыве и т. Д.), Но то, чего у нас не было, было хорошими, солидными, правдоподобными числами вложить в эти теории, объясняя, почему плоскость вселенной все еще оспаривалась в ваших источниках.

Я направлю вас в две невероятно важные обсерватории, которые сыграли первостепенную роль в достижении нашей цели - иметь «хорошие цифры». Первый - это микроволновый зонд антистропии Уилкинсона (WMAP) , запущенный в 2001 году, а второй - спутник Планка , запущенный в 2009 году. Обе миссии были предназначены для пристального наблюдения за космическим микроволновым фоновым излучением (CMB) и попыткой разобраться в сокровищница информации, которую можно почерпнуть из нее. В этом ключе вы также можете столкнуться с Космическим Исследователем фона (COBE).был запущен в 1989 году. Этот спутник имел ту же цель, что и две другие, но был не так точен, как две последние миссии, чтобы предоставить нам хорошие цифры и окончательные заявления к началу 2000-х годов. По этой причине я в основном сосредоточусь на том, что нам сообщили WMAP и Planck.

WMAP была чрезвычайно успешной миссией, которая смотрела на CMB в течение 9 лет и создала самую подробную и всестороннюю карту своего дня. За 9 лет данных ученые действительно смогли уменьшить ошибки наблюдений в различных космологических величинах, включая плоскостность Вселенной. Вы можете увидеть таблицу их окончательных космологических параметров здесь . Чтобы получить плоскостность, вам нужно сложить (плотность барионной материи), (плотность темной материи) и (плотность темной энергии). Это даст вам общий параметр плотности , , который говорит вам о плоскостности нашей вселенной. Как я уверен, вы знаете из своих источников, еслиОм д Ом Л Ом 0 Ом 0 < 1 Ом 0 = 1 Ом 0 > 1 Ом 0 = 1,000 ± 0,049 Ом $\Omega_b$$\Omega_d$$\Omega_\Lambda$$\Omega_0$$\Omega_0 < 1$ нас есть гиперболическая вселенная, если наша вселенная плоская, а подразумевает сферическую вселенную. Из результатов WMAP мы имеем то, что (кто-то может проверить мою математику), что очень близко к единице, что указывает на плоскую вселенную. Насколько я знаю, WMAP был первым инструментом, который дал действительно точное измерение , что позволило нам окончательно сказать, что наша вселенная выглядит плоской. Как вы говорите, эксперимент BOOMERanG также послужил хорошим доказательством этого, но я не думаю, что результаты были такими же сильными, как результаты WMAP.$\Omega_0 = 1$$\Omega_0 > 1$$\Omega_0 = 1.000 \pm 0.049$$\Omega_0$

Другой важный спутник здесь - Планк. Запущенный в 2009 году, этот спутник предоставил нам лучшие высокоточные измерения CMB на сегодняшний день. Я позволю вам разобраться с их результатами в их статье , но изюминка в том, что они измеряют плоскостность нашей вселенной, чтобы (рассчитанный по этой таблице результатов ), опять же, очень близко к единице.$\Omega_0 = 0.9986 \pm 0.0314$

В заключение, последние результаты (за последние 15 лет) позволяют нам окончательно утверждать, что наша Вселенная выглядит плоской. Я не думаю, что в настоящее время кто-либо оспаривает это или считает, что это все еще неопределенно. Как это обычно бывает с наукой, ответ на один вопрос привел только к большему количеству вопросов. Теперь, когда мы знаем , мы должны спросить, почему это так? Современная теория предполагает, что это не должно быть - что оно должно быть либо чрезвычайно маленьким, либо чрезвычайно большим. Это известно как проблема плоскостности . Это, в свою очередь, углубляется в антропный принцип в качестве попытки ответа, но затем я выхожу за рамки этого вопроса.$\Omega_0 \simeq 1$

Основные предположения космологического принципа означают, что пространство может иметь только постоянную скалярную кривизну. Это может быть положительным, отрицательным или нулевым, и плоская Вселенная - это та, где кривизна равна нулю.

Кривизна пространства - это то, что можно измерить, и известно, что текущее значение близко к нулю не только по БУМЕРАНУ, но и по последующим наблюдениям . Космология Vanilla FLRW с трудом объясняет это, и она известна как проблема плоскостности . Однако общепринятая точка зрения заключается в том, что космическая инфляция делает очень аккуратную работу в решении этой проблемы.

Однако по-настоящему плоская Вселенная должна иметь пространственную кривизну, равную нулю в большом масштабе, поэтому чтобы действительно определить, является ли Вселенная плоской, даже при использовании ряда разумных допущений требуется точное измерение, что невозможно. Таким образом, наблюдение никогда не исключает возможности того, что Вселенная может иметь очень маленькую положительную или отрицательную кривизну.

Кроме того, если вы слегка ослабите космологический принцип от его самой строгой интерпретации, то скалярная кривизна не полностью определяет топологию Вселенной, открывая двери для так называемых экзотических топологий. Например, плоская Вселенная может иметь тороидальную топологию и быть компактной (конечного пространственного объема).

Вы спрашиваете: «Я смешиваю понятия и говорю о разных вещах?» У меня нет возможности узнать, являетесь ли вы или нет, но название вашего поста и первое предложение несколько расходятся. Ваш вопрос "Считается ли Вселенная плоской?" касается кривизны, которая сама по себе не полностью определяет геометрию, в то время как утверждение «мы не уверены в геометрии вселенной, но проводились или планировались эксперименты, которые помогут нам узнать», может говорить о чем-то более общий.

Первая из ваших ссылок - книга Джеффри Уикса « Форма пространства» , в которой большое внимание уделяется топологии пространства. В таблице 19.1 на стр. 186 перечислены некоторые возможные топологии для случаев положительно изогнутого, плоского и отрицательно изогнутого пространства. На этой же странице содержится удивительное утверждение: «Когда первое издание этой книги появилось в 1985 году, многие космологи совершенно не знали о замкнутых многообразиях с плоской или гиперболической геометрией». Мне любопытно, является ли это справедливой характеристикой.

На предыдущей странице этой книги (стр. 185) кратко изложены доказательства существования плоской геометрии с 2001 года. В частности, есть утверждение, что «Новые данные (полученные из исследований далеких сверхновых и космического микроволнового фонового излучения) убедительно доказывают, что видимая вселенная не гиперболическая, а плоская». На этой же странице содержится вопрос «Является ли Вселенная закрытой или открытой? Другими словами, является ли пространство конечным или бесконечным?» и ответ «Короче говоря, мы не знаем». В последних двух главах книги обсуждаются «Космическая кристаллография» и «Круги в небе», два предложенных наблюдательных подхода к топологии Вселенной.

Видимо работа в топологии вселенной продолжает быть активной. Scholarpedia содержит недавний обзор .

Да, он считается пространственно плоским в самых больших масштабах, которые мы можем наблюдать, но мы должны помнить, что научные измерения сопряжены с неопределенностью, и наши модели могут быть заменены лучшими. В настоящее время у нас есть наблюдения, которые говорят, что вселенная является пространственно плоской с высокой степенью точности, но там все еще есть некоторое пространство для маневра, чтобы ее можно было слегка изогнуть, что мы не можем исключить. Кроме того, мы можем наблюдать только ту часть вселенной, которую видим, мы не можем знать, что остальная часть вселенной имеет ту же кривизну, что и наша часть. У нас есть теоретическое понимание, что вселенной было бы очень трудно быть близко к плоскости, не будучи очень близко к плоскости, поэтому мы ожидаем, что она очень близка к плоскости. Но теории могут быть заменены и, как правило,ровно плоский

Но суть в том, что у нас есть и очень хорошие наблюдения, и хорошая теория (теория инфляции и тот факт, что плоскостность нестабильна с возрастом при общей теории относительности), что согласие Вселенной в самых больших масштабах, которые мы можем наблюдать, очень близко к пространственно плоскому Следовательно, мы можем создать модель, в которой она плоская, и успешно использовать эту модель. Это все, что вы когда-либо получали в науке.

Просто чтобы добавить к ответу @zephyr, LISA запустила 3 ​​лазера в пространстве, чтобы сформировать треугольник, чтобы измерить плоскостность пространства: если сумма 3 углов точно равна 180 градусам, то пространство является плоским; Отклонение от 180 градусов говорит вам, насколько искривлено пространство и ориентация кривизны. Но если размер пространства слишком мал, то углы составят ровно 180 градусов; это все равно, что смотреть на поверхность Земли и думать, что она выглядит плоской, когда она на самом деле круглая. LISA измеряется точно на 180 градусов, поэтому либо пространство фактически плоское, либо мы можем ограничить кривизну пространства в больших масштабах с помощью погрешностей.

РЕДАКТИРОВАТЬ: Лазерным экспериментом занималась LISA, а не WMAP. Спасибо @zephyr за исправление.