Wird das Universum als flach angesehen?

Ich habe verschiedene Artikel und Bücher (wie dieses ) gelesen, in denen festgestellt wurde, dass wir uns über die Geometrie des Universums nicht sicher sind, aber es wurden Experimente durchgeführt oder geplant, die uns dabei helfen würden, dies herauszufinden.

Kürzlich habe ich mir jedoch einen Vortrag des Kosmologen Lawrence Krauss angesehen, in dem er kategorisch zu behaupten scheint, dass das Universum durch das BOOMERanG-Experiment als flach erwiesen wurde . Hier ist der relevante Teil des Vortrags .

Ich habe mich umgesehen und es gibt immer noch Artikel, die besagen, dass wir die Antwort auf diese Frage, wie diese , immer noch nicht kennen .

Meine Frage ist also zweifach:

1. Vermische ich Konzepte und spreche über verschiedene Dinge?
2. Wenn nicht, werden diese Beweise dann aus irgendeinem Grund nicht allgemein akzeptiert? Welcher Grund wäre das?

Ich denke, der Grund, warum Sie unter widersprüchlichen Quellen leiden, ist, dass Sie sowohl neue als auch alte, veraltete Informationen mischen. Zunächst wurde das von Ihnen zitierte Buch im Jahr 2001 veröffentlicht - vor 15 Jahren - und der andere Artikel, den Sie zitierten, wurde im Jahr 1999 veröffentlicht - vor 17 Jahren. Es gab eine Menge wirklich Nagel der Arbeit in den letzten 15 Jahren getan, oft unter dem Begriff „Präzision Kosmologie“, in einem Versuch , auf der genauen Inhalt, Form, Größe usw. unser Universums. In den frühen 2000er Jahren kannten wir die Wissenschaft hinter allem (wir wussten über dunkle Materie, dunkle Energie, hatten gut entwickelte Theorien über den Urknall usw.), aber was wir nicht hatten, waren gute, solide, glaubwürdige Zahlen Um diese Theorien zu erläutern, warum die Flachheit des Universums in Ihren Quellen immer noch umstritten war.

Ich werde Sie zu zwei unglaublich wichtigen Observatorien leiten, die für die Erreichung unseres Ziels, "gute Zahlen" zu haben, von größter Bedeutung sind. Der erste ist der Wilkinson Microwave Anisotropie Probe (WMAP) , im Jahr 2001 ins Leben gerufen, und die zweite ist die Planck - Satelliten wurden beide Missionen entworfen im Jahr 2009 ins Leben gerufen gespannt auf den starren kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) Strahlung und versuchen , das sortieren Schatzkammer der Informationen, die daraus gewonnen werden können. In diesem Sinne könnten Sie auch auf den Cosmic Background Explorer (COBE) stoßen.Dieser Satellit hatte einen ähnlichen Zweck wie die beiden anderen, war aber bei weitem nicht so präzise wie die beiden späteren Missionen, um uns bis Anfang der 2000er Jahre gute Zahlen und endgültige Aussagen zu liefern. Aus diesem Grund werde ich mich hauptsächlich auf das konzentrieren, was WMAP und Planck uns erzählt haben.

WMAP war eine äußerst erfolgreiche Mission, die die CMB 9 Jahre lang anstarrte und die detaillierteste und umfassendste Karte ihrer Zeit erstellte. Mit Daten aus 9 Jahren konnten Wissenschaftler die Beobachtungsfehler bei verschiedenen kosmologischen Größen, einschließlich der Ebenheit des Universums, tatsächlich reduzieren. Hier sehen Sie eine Tabelle der endgültigen kosmologischen Parameter . Für die Ebenheit möchten Sie (die Dichte der baryonischen Materie), Ω d (die Dichte der dunklen Materie) und Ω Λ (die Dichte der dunklen Energie) addieren . Dies gibt Ihnen die Gesamtdichte Parameter , Ω $\Omega_b$$\Omega_d$$\Omega_\Lambda$$\Omega_0$, was dir die Flachheit unseres Universums sagt. Da ich sicher bin , wissen Sie von Ihren Quellen, wenn wir einen hyperbolischen Universum haben, wenn Ω 0 = 1 unser Universum flach ist und Ω 0 > 1 bedeutet eine sphärische Universum. Aus den Ergebnissen von WMAP geht hervor, dass Ω 0 = 1.000 ± 0.049 (jemand kann meine Mathematik überprüfen) sehr nahe bei eins liegt, was auf ein flaches Universum hindeutet. WMAP war meines Wissens das erste Instrument, das eine wirklich genaue Messung von Ω 0 ergab$\Omega_0 < 1$$\Omega_0 = 1$$\Omega_0 > 1$$\Omega_0 = 1.000 \pm 0.049$$\Omega_0$Damit können wir definitiv sagen, dass unser Universum flach erscheint. Wie Sie sagen, hat das BOOMERanG-Experiment auch gute Beweise dafür geliefert, aber ich glaube nicht, dass die Ergebnisse annähernd so aussagekräftig waren wie die von WMAP.

Der andere wichtige Satellit hier ist Planck. Dieser Satellit wurde 2009 gestartet und hat uns die bisher besten hochpräzisen Messungen der CMB geliefert. Ich lasse Sie die Ergebnisse in ihrem Papier durchgehen , aber die Pointe ist, dass sie die Ebenheit unseres Universums mit (berechnet aus dieser Ergebnistabelle ) messen , ebenfalls extrem nahe an eins.$\Omega_0 = 0.9986 \pm 0.0314$

$\Omega_0 \simeq 1$

Die Grundannahmen des kosmologischen Prinzips besagen, dass der Raum nur eine konstante Skalarkrümmung haben kann. Dies kann positiv, negativ oder null sein und ein flaches Universum ist eines, bei dem die Krümmung null ist.

Die Krümmung des Raums kann gemessen werden, und der aktuelle Wert ist bekanntermaßen nahe Null , nicht nur aufgrund von BOOMERanG, sondern auch aufgrund nachfolgender Beobachtungen . Die Vanille-FLRW-Kosmologie hat Schwierigkeiten, dies zu erklären, und es ist als das Flachheitsproblem bekannt . Die konventionelle Ansicht ist jedoch, dass die kosmische Inflation bei der Lösung dieses Problems eine sehr gute Arbeit leistet.

Ein wirklich flaches Universum muss jedoch im großen Maßstab eine räumliche Krümmung von genau Null haben. Um also wirklich zu bestimmen, ob das Universum flach ist, ist eine genaue Messung erforderlich, auch wenn eine Reihe vernünftiger Annahmen verwendet werden. Dies ist unmöglich. Eine Beobachtung kann daher niemals ausschließen, dass das Universum eine sehr kleine positive oder negative Krümmung aufweist.

Wenn Sie das kosmologische Prinzip von seiner strengsten Interpretation aus ein wenig lockern, bestimmt die Skalarkrümmung die Topologie des Universums nicht vollständig und öffnet die Tür zu sogenannten exotischen Topologien. Zum Beispiel könnte ein flaches Universum eine toroidale Topologie haben und kompakt sein (mit endlichem räumlichem Volumen).

Sie fragen: "Mische ich Konzepte und spreche über verschiedene Dinge?" Ich habe keine Möglichkeit zu wissen, ob Sie es sind oder nicht, aber der Titel Ihres Beitrags und der erste Satz stimmen nicht überein. Ihre Frage "Wird das Universum als flach angesehen?" Betrifft die Krümmung, die die Geometrie an sich nicht vollständig bestimmt, während die Aussage "Wir sind uns nicht sicher über die Geometrie des Universums, aber es gab laufende oder geplante Experimente, die uns dabei helfen würden, dies herauszufinden" möglicherweise über etwas spricht allgemeiner.

Der erste Ihrer Links ist das Buch The Shape of Space von Jeffrey Weeks , in dem die Topologie des Raums im Mittelpunkt steht. In Tabelle 19.1 auf Seite 186 sind einige mögliche Topologien für die Fälle positiv gekrümmter, flacher und negativ gekrümmter Räume aufgeführt. Die gleiche Seite enthält die überraschende Aussage "Als 1985 die erste Ausgabe dieses Buches erschien, waren sich viele Kosmologen geschlossener Mannigfaltigkeiten mit flacher oder hyperbolischer Geometrie überhaupt nicht bewusst." Ich bin gespannt, ob das eine faire Charakterisierung ist.

Auf der vorhergehenden Seite dieses Buches (Seite 185) werden die Beweise für eine flache Geometrie ab 2001 kurz umrissen. Insbesondere gibt es die Behauptung, dass "neue Daten (die aus Studien entfernter Supernovae und der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung stammen) ein starkes Argument dafür sind, dass das sichtbare Universum nicht hyperbolisch, sondern flach ist." Die gleiche Seite enthält die Frage "Ist das Universum geschlossen oder offen? Mit anderen Worten, ist der Raum endlich oder unendlich?" und die Antwort "Kurz gesagt, wir wissen es nicht." Die letzten beiden Kapitel des Buches behandeln "Kosmische Kristallographie" und "Kreise am Himmel", zwei vorgeschlagene Beobachtungsansätze zur Topologie des Universums.

Anscheinend ist die Arbeit in der Topologie des Universums weiterhin aktiv. Scholarpedia enthält eine aktuelle Rezension .

Ja, es wird auf der größten Skala, die wir beobachten können, als räumlich flach angesehen, aber wir müssen bedenken, dass wissenschaftliche Messungen mit Unsicherheiten verbunden sind und unsere Modelle durch bessere Modelle ersetzt werden können. Gegenwärtig haben wir Beobachtungen, die besagen, dass das Universum bis zu einem hohen Grad an Genauigkeit räumlich flach ist, aber es gibt immer noch einen gewissen Spielraum für eine leichte Krümmung, den wir nicht ausschließen können. Außerdem können wir nur den Teil des Universums beobachten, den wir sehen können, und wir können nicht wissen, dass der Rest des Universums die gleiche Krümmung aufweist wie unser Teil. Wir haben ein theoretisches Verständnis davon, dass es für das Universum sehr schwierig sein würde, nahe an der Ebene zu sein, ohne extrem nahe an der Ebene zu sein. Aber Theorien können ersetzt werden und sind in der Regel,genau flach.

Aber das Fazit ist, dass wir beide sehr gute Beobachtungen haben und eine gute Theorie (die Inflationstheorie und die Tatsache, dass die Ebenheit mit dem Alter unter der allgemeinen Relativitätstheorie instabil ist), die das Universum auf der größten Skala, die wir beobachten können, sehr gut einig ist nahe an räumlich flach. Daher können wir ein Modell erstellen, in dem es flach ist, und dieses Modell erfolgreich verwenden. Das ist alles, was Sie jemals in der Wissenschaft bekommen.

Um die Antwort von @zephyr zu ergänzen, feuerte LISA 3 Laser im Raum ab, um ein Dreieck zu bilden, um die Ebenheit des Raums zu messen: Wenn die Summe der 3 Winkel genau 180 Grad entspricht, ist der Raum flach; Abweichung von 180 Grad gibt Auskunft darüber, wie stark der Raum gekrümmt ist und wie die Krümmung ausgerichtet ist. Wenn der Raum jedoch zu klein ist, summieren sich die Winkel zu genau 180 Grad. Das ist, als würde man auf die Erdoberfläche schauen und denken, dass sie flach aussieht, wenn sie tatsächlich rund ist. LISA hat genau 180 Grad gemessen, also ist entweder der Raum flach oder wir können die Raumkrümmung in größeren Maßstäben mit Fehlerbalken einschränken.

EDIT: Es war LISA, nicht WMAP, die das Laserexperiment durchgeführt hat. Danke an @zephyr für die Korrektur.