จักรวาลนั้นถือว่าแบนหรือไม่?

ฉันได้อ่านบทความและหนังสือต่าง ๆ (เช่นนี้ ) ที่ระบุว่าเราไม่แน่ใจเกี่ยวกับเรขาคณิตของจักรวาล แต่มีการทดลองหรือวางแผนที่จะช่วยเราค้นหา

แม้ว่าเมื่อเร็ว ๆ นี้ฉันได้ดูการบรรยายโดยนักดาราศาสตร์วิทยาลอเรนซ์อูสซึ่งเขาดูเหมือนจะยืนยันอย่างชัดเจนว่าจักรวาลได้รับการพิสูจน์แล้วว่าถูกแบนโดยการทดลองของบูมเมอแรน นี่คือส่วนที่เกี่ยวข้องของการพูดคุย

ฉันมองไปรอบ ๆ และยังมีบทความที่ระบุว่าเรายังไม่ทราบคำตอบสำหรับคำถามนี้เช่นนี้

ดังนั้นคำถามของฉันคือสองเท่า:

1. ฉันกำลังผสมแนวคิดและพูดคุยเกี่ยวกับสิ่งต่าง ๆ หรือไม่?
2. หากไม่เป็นเช่นนั้นหลักฐานนี้ไม่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในบางเหตุผล? เหตุผลอะไรที่จะเป็น?

ฉันคิดว่าสาเหตุที่คุณต้องทนทุกข์ทรมานจากแหล่งข้อมูลที่ขัดแย้งกันคือคุณกำลังผสมข้อมูลทั้งเก่าและใหม่ที่ล้าสมัย ก่อนอื่นหนังสือที่คุณอ้างถึงถูกตีพิมพ์ในปี 2544 - 15 ปีก่อน - และบทความอื่น ๆ ที่คุณอ้างถึงถูกตีพิมพ์ในปี 2542 - 17 ปีก่อน มีถูกจำนวนมากของงานที่ทำในอดีต 15 ปีที่ผ่านมามักจะอยู่ภายใต้คำว่า "ความแม่นยำจักรวาล" ในความพยายามที่จะเล็บมันลงเนื้อหาที่แม่นยำรูปร่างขนาดและอื่น ๆ ของจักรวาลของเรา ในช่วงต้นปี 2000 เรารู้วิทยาศาสตร์เกือบทุกอย่าง (เรารู้เรื่องสสารมืดพลังงานมืดมีทฤษฎีที่พัฒนามาอย่างดีในบิ๊กแบง ฯลฯ ) แต่สิ่งที่เราไม่มีก็คือตัวเลขที่ดีมั่นคงและน่าเชื่อถือ เพื่ออธิบายทฤษฎีเหล่านี้อธิบายว่าทำไมความเรียบของจักรวาลยังคงถูกโต้แย้งในแหล่งที่มาของคุณ

ฉันจะนำคุณไปยังหอดูดาวที่สำคัญสองแห่งซึ่งเป็นสิ่งสำคัญยิ่งในการบรรลุเป้าหมายของเราในการมี "ตัวเลขที่ดี" ข้อแรกคือวิลคินสันโพรบ Anistropy (WMAP)เปิดตัวในปี 2544 และที่สองคือดาวเทียมพลังค์เปิดตัวในปี 2552 ทั้งสองภารกิจได้รับการออกแบบให้มองอย่างตั้งใจที่พื้นไมโครเวฟคอสมิค (CMB)และพยายามแยกแยะ ขุมสมบัติของข้อมูลที่สามารถรวบรวมได้จากมัน ในหลอดเลือดดำนี้คุณอาจพบCosmic Background Explorer (COBE)เปิดตัวในปี 1989 ดาวเทียมนี้มีจุดประสงค์คล้ายกันกับอีกสอง แต่ไม่แม่นยำเกือบเท่ากับสองภารกิจต่อมาเพื่อให้เราได้ตัวเลขที่ดีและแถลงการณ์ที่ชัดเจนในต้นปี 2000 ด้วยเหตุนี้ฉันจะเน้นไปที่สิ่งที่ WMAP และพลังค์บอกกับเราเป็นส่วนใหญ่

WMAP เป็นภารกิจที่ประสบความสำเร็จอย่างมากซึ่งจ้องมองที่ CMB เป็นเวลา 9 ปีและสร้างแผนที่ที่ละเอียดและครอบคลุมที่สุดของวันนั้น ด้วยข้อมูล 9 ปีนักวิทยาศาสตร์สามารถลดข้อผิดพลาดเชิงสังเกตการณ์ในปริมาณทางดาราศาสตร์ต่าง ๆ รวมถึงความเรียบของจักรวาล คุณสามารถดูตารางของพวกเขาพารามิเตอร์ดาราศาสตร์สุดท้ายที่นี่ สำหรับความเรียบในสิ่งที่คุณต้องการจะทำคือการเพิ่มขึ้น (ความหนาแน่นของเรื่อง baryonic) Ω d (ความหนาแน่นของสสารมืด) และΩ Λ (ความหนาแน่นของพลังงานมืด) นี้จะช่วยให้คุณพารามิเตอร์หนาแน่นโดยรวม , Ω $\Omega_b$$\Omega_d$$\Omega_\Lambda$$\Omega_0$ซึ่งบอกความเรียบของจักรวาลของเรา อย่างที่ฉันแน่ใจว่าคุณรู้จากแหล่งที่มาของคุณถ้าเรามีเอกภพเกินความจริงถ้าΩ 0 = 1จักรวาลของเราแบนราบและΩ 0 > 1หมายถึงจักรวาลที่เป็นทรงกลม จากผลลัพธ์ของ WMAP เรามีΩ 0 = 1.000 ± 0.049 (ใครบางคนสามารถตรวจสอบคณิตศาสตร์ของฉัน) ซึ่งอยู่ใกล้กับที่หนึ่งบ่งบอกว่าจักรวาลแบน เท่าที่ฉันรู้ WMAP เป็นเครื่องมือแรกที่ให้การวัดที่แม่นยำอย่างแท้จริงที่Ω $\Omega_0 < 1$$\Omega_0 = 1$$\Omega_0 > 1$$\Omega_0 = 1.000 \pm 0.049$$\Omega_0$ทำให้เราสามารถพูดได้อย่างชัดเจนว่าเอกภพของเรานั้นราบเรียบ อย่างที่คุณพูดการทดลองของ BOOMERanG ก็เป็นหลักฐานที่ดีสำหรับเรื่องนี้ แต่ฉันไม่คิดว่าผลลัพธ์จะทรงพลังเท่ากับ WMAP

ดาวเทียมที่สำคัญอื่น ๆ ที่นี่คือพลังค์ เปิดตัวในปี 2009 ดาวเทียมนี้ได้ให้การวัดที่แม่นยำที่สุดของ CMB ที่ทันสมัยที่สุดแก่เรา ฉันจะให้คุณขุดผ่านผลของพวกเขาในกระดาษของพวกเขาแต่มุกก็คือว่าพวกเขาวัดความเรียบของจักรวาลของเราที่จะ (คำนวณจากตารางผล ) อีกครั้งมากใกล้กับหนึ่ง$\Omega_0 = 0.9986 \pm 0.0314$

โดยสรุปแล้วผลล่าสุด (ภายใน 15 ปีที่ผ่านมา) ทำให้เราสามารถระบุได้อย่างชัดเจนว่าจักรวาลของเรานั้นเรียบง่าย ในตอนนี้ฉันไม่คิดว่าจะมีใครโต้แย้งหรือเชื่อว่ามันยังไม่แน่นอน ตามปกติด้วยวิทยาศาสตร์การตอบคำถามเพียงข้อเดียวส่งผลให้มีคำถามเพิ่มขึ้นเท่านั้น ตอนนี้เรารู้แล้วเราต้องถามว่าทำไมมันถึงเป็นหนึ่ง? ทฤษฎีปัจจุบันชี้ให้เห็นว่ามันไม่ควรจะเป็น - มันควรจะเล็กหรือใหญ่มหาศาล นี้เป็นที่รู้จักกันเป็นปัญหาความเรียบ ในทางกลับกันนำหลักการของ Anthropic มาเป็นคำตอบที่พยายามทำ แต่จากนั้นฉันก็หลุดออกจากขอบเขตของคำถามนี้$\Omega_0 \simeq 1$

สมมติฐานพื้นฐานของหลักการจักรวาลวิทยาหมายความว่าอวกาศสามารถมีความโค้งแบบสเกลาร์คงที่เท่านั้น นี่อาจเป็นบวกลบหรือศูนย์และเอกภพแบนก็เป็นหนึ่งในที่ที่ความโค้งเป็นศูนย์

ความโค้งของพื้นที่เป็นสิ่งที่สามารถวัดและค่าปัจจุบันเป็นที่รู้จักกันใกล้กับศูนย์ไม่เพียง แต่จากบูมเมอแรง, แต่จากการสังเกตที่ตามมา วานิลลา FLRW จักรวาลมีความยากลำบากอธิบายนี้และเป็นที่รู้จักกันปัญหาความเรียบ อย่างไรก็ตามมุมมองทั่วไปคือเงินเฟ้อของจักรวาลทำงานได้ดีมากในการแก้ปัญหานี้

อย่างไรก็ตามเอกภพที่แบนราบอย่างแท้จริงจะต้องมีความโค้งเชิงพื้นที่เท่ากับศูนย์ในขนาดใหญ่ดังนั้นเพื่อพิจารณาว่าจักรวาลนั้นแบนจริง ๆ หรือไม่แม้ว่าการใช้สมมติฐานที่สมเหตุสมผลจำนวนมากนั้นก็ต้องมีการวัดที่แน่นอนซึ่งเป็นไปไม่ได้ ดังนั้นการสังเกตไม่สามารถแยกแยะความเป็นไปได้ที่จักรวาลอาจมีความโค้งเชิงบวกหรือเชิงลบที่เล็กมาก

นอกจากนี้หากคุณผ่อนคลายหลักการทางจักรวาลวิทยาเล็กน้อยจากการตีความที่เข้มงวดที่สุดความโค้งของสเกลาร์ไม่ได้กำหนดโทโพโลยีของจักรวาลโดยสมบูรณ์ซึ่งเป็นการเปิดประตูสู่โทโพโลยีที่แปลกใหม่ ยกตัวอย่างเช่นเอกภพแบนราบอาจมีโทโพโลยีทอพอโลยีและมีขนาดกะทัดรัด

คุณถามว่า "ฉันกำลังผสมผสานแนวคิดและพูดคุยเกี่ยวกับสิ่งต่าง ๆ หรือไม่" ฉันไม่มีทางรู้ว่าคุณเป็นหรือไม่ แต่ชื่อของโพสต์และประโยคแรกของคุณค่อนข้างแปลก คำถามของคุณ "จักรวาลถือว่าเป็นแบนหรือไม่" ความกังวลเกี่ยวกับความโค้งซึ่งโดยตัวมันเองไม่ได้กำหนดรูปทรงเรขาคณิตอย่างสมบูรณ์ในขณะที่คำว่า "เราไม่แน่ใจเกี่ยวกับเรขาคณิตของจักรวาล แต่มีการทดลองที่กำลังดำเนินอยู่หรือวางแผนที่จะช่วยให้เราค้นพบ" อาจกำลังพูดถึงบางอย่าง ทั่วไปมากขึ้น

ลิงค์แรกของคุณคือหนังสือของเจฟฟรีย์วีคThe Shape of Spaceซึ่งมุ่งเน้นความสนใจไปที่โทโพโลยีของอวกาศ ตารางที่ 19.1 ในหน้า 186 แสดงรายการทอพอโลยีที่เป็นไปได้สำหรับกรณีของพื้นที่เชิงเส้นโค้งพื้นที่ราบและพื้นที่ทางลบ หน้าเดียวกันมีคำแถลงที่น่าประหลาดใจ "เมื่อฉบับพิมพ์ครั้งแรกของหนังสือเล่มนี้ปรากฏในปี 1985 นักดาราศาสตร์วิทยาหลายคนไม่ทราบว่ามีแมนิโฟลด์ที่ปิดสนิทด้วยเรขาคณิตแบบแบนหรือไฮเพอร์โบลิก" ฉันอยากรู้ว่ามันเป็นลักษณะที่ยุติธรรมหรือไม่

ในหน้าก่อนหน้าของหนังสือเล่มนั้น (หน้า 185) หลักฐานของปี 2001 สำหรับรูปทรงเรขาคณิตแบบเรียบจะถูกร่างสั้น ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีข้อความว่า "ข้อมูลใหม่ (มาจากการศึกษาของซุปเปอร์โนวาที่ห่างไกลและรังสีไมโครเวฟพื้นหลังของจักรวาล) ทำให้เกิดกรณีที่ชัดเจนว่าจักรวาลที่มองเห็นไม่ได้เป็นไฮเพอร์โบลิก แต่แบน" หน้าเดียวกันมีคำถาม "จักรวาลถูกปิดหรือเปิดหรือไม่ในคำอื่น ๆ อวกาศมี จำกัด หรือไม่มีที่สิ้นสุด" และคำตอบ "พูดสั้น ๆ เราไม่รู้" สองบทสุดท้ายของหนังสือเล่มนี้พูดถึง "จักรวาลวิทยาผลึก" และ "วงกลมในท้องฟ้า" ทั้งสองเสนอวิธีการเชิงสังเกตการณ์ไปยังโทโพโลยีของจักรวาล

เห็นได้ชัดว่าการทำงานในโทโพโลยีของจักรวาลยังคงใช้งานอยู่ Scholarpedia มีที่ผ่านการตรวจสอบ

ใช่มันถูกพิจารณาว่าแบนราบในระดับที่ใหญ่ที่สุดที่เราสามารถสังเกตได้ แต่เราต้องจำไว้ว่าการวัดทางวิทยาศาสตร์มาพร้อมกับความไม่แน่นอนและแบบจำลองของเราสามารถแทนที่ได้ ในปัจจุบันเรามีข้อสังเกตที่บอกว่าเอกภพแบนราบภายในความแม่นยำระดับสูง แต่ยังมีห้องเลื้อยอยู่ที่นั่นเพื่อให้มันโค้งเล็กน้อยซึ่งเราไม่สามารถแยกออกได้ นอกจากนี้เราสามารถสังเกตได้เพียงส่วนหนึ่งของเอกภพที่เราเห็นเราไม่สามารถรู้ได้ว่าส่วนที่เหลือของเอกภพมีความโค้งเหมือนกับส่วนของเรา เรามีความเข้าใจทางทฤษฎีว่ามันยากมากสำหรับจักรวาลที่จะอยู่ใกล้กับแฟลตโดยไม่ต้องอยู่ใกล้กับแฟลตมากดังนั้นเราคาดว่ามันจะอยู่ใกล้กับแฟลตมาก แต่ทฤษฎีสามารถถูกแทนที่และมักจะเป็นแบน อย่างแน่นอน

แต่บรรทัดล่างคือเรามีทั้งการสังเกตที่ดีมากและทฤษฎีที่ดี (ทฤษฎีของอัตราเงินเฟ้อและความจริงที่ว่าเรียบไม่เสถียรกับอายุภายใต้สัมพัทธภาพทั่วไป) ที่เห็นด้วยจักรวาลบนเครื่องชั่งน้ำหนักที่ใหญ่ที่สุดที่เราสามารถสังเกตเห็นเป็นอย่างมาก ใกล้กับแบนเชิงพื้นที่ ดังนั้นเราสามารถสร้างแบบจำลองที่เป็นแบบแบนและใช้โมเดลนั้นได้สำเร็จ นั่นคือทั้งหมดที่คุณเคยได้รับในวิทยาศาสตร์

เพียงเพิ่มคำตอบของ @ zephyr LISA ยิงเลเซอร์ 3 อันในอวกาศเพื่อสร้างรูปสามเหลี่ยมเพื่อวัดความเรียบของพื้นที่: ถ้าผลรวมของ 3 มุมเท่ากับ 180 องศาดังนั้นพื้นที่จะแบน ความเบี่ยงเบนจาก 180 องศาจะบอกคุณว่าช่องว่างเป็นโค้งและทิศทางของความโค้ง แต่ถ้าขนาดของพื้นที่มีขนาดเล็กเกินไปมุมก็จะรวมกันเป็น 180 องศา มันเหมือนกับมองพื้นผิวโลกและคิดว่ามันดูแบนเมื่ออยู่ในความเป็นจริง LISA วัดได้ 180 องศาดังนั้นพื้นที่ใดพื้นที่หนึ่งจึงราบจริงหรือเราสามารถจำกัดความโค้งของพื้นที่บนเครื่องชั่งขนาดใหญ่ที่มีแถบข้อผิดพลาด

แก้ไข: มันเป็น LISA ไม่ใช่ WMAP ที่ทำการทดลองเลเซอร์ ขอบคุณ @ zephyr สำหรับการแก้ไข