Es tut mir leid, dass diese Frage für professionelle Astronomen, von denen ich keine bin, wahrscheinlich albern ist.
Bei Vorträgen höre ich oft, dass das Universum unmittelbar nach dem Urknall klein war, etwa so groß wie Grapefruit oder ähnliches. Aber aufgrund der Inflation, die den Raum mit Superlicht (aber endlich) ausdehnte, ist die Geschwindigkeit, das jetzt beobachtbare Universum, möglicherweise nicht das gesamte Universum, und das gesamte Universum ist möglicherweise unendlich. Wenn es unendlich ist, dann scheint es, dass es auch im Kindesalter unendlich sein musste, nur sehr dicht. Tatsächlich scheint es "am Limit" zu sein, es musste sogar beim Urknall unendlich sein.
Also Fragen:
War das frühe Universum klein oder nur dicht, aber immer noch unendlich?
Wie wäre es mit Urknall, war es unendlich?
Wenn Astronomen sagen, das frühe Universum sei klein, meinen sie dann einfach "der Teil des Universums, der unserem beobachtbaren Universum entspricht, war klein"?
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Antworten:
Diese Frage ist keineswegs albern. Ihre Frage ist eine häufig gestellte Frage zur Kosmologie (die Untersuchung, woher das Universum kam, wie es sich entwickelt und wie sein Schicksal aussehen wird). Die Medien schlachten diese Konzepte oft schrecklich ab, was zu großer Verwirrung führt (von allen wissenschaftlichen Informationen scheint es ihnen am schwersten zu fallen, die Kosmologie genau zu berichten). Ihre Inquisition ist definitiv eine gute Sache.
Nun, sie beziehen sich normalerweise auf das gesamte Universum. In meinem letzten Absatz erkläre ich, was dies für das beobachtbare Universum bedeutet.
Du bist der Wahrheit näher. Wenn wir über die Expansion des Universums sprechen, sagen wir wirklich, dass zwischen allen Materien Raum geschaffen wird.
Wie Sie erwähnt haben, kann das Universum unendlich sein. Es ist nicht wie eine Kugel, sondern wie ein flaches Gitter, und seine "Ausdehnung" bedeutet nur, dass die Abstände zwischen Objekten auf dem Gitter größer werden. Im Wesentlichen wird mehr Platz zwischen den Objekten geschaffen. Das ist es, was wir unter Expansion verstehen - dass sich Objekte voneinander entfernen, da mehr Raum zwischen ihnen geschaffen wird. Unten ist ein GIF, das ich gemacht habe, um dies zu demonstrieren:
Eine nützlichere Möglichkeit, dies zu beschreiben, besteht darin, zu sagen, dass sich das Gitter ausdehnt - der Raum selbst als Koordinatensystem wächst. Stellen Sie sich als Analogie vor, Sie gehen mit Ihrem Hund spazieren. Plötzlich dehnt sich der Boden zwischen Ihnen aus. Sie und Ihr Hund werden sich trennen und weiter voneinander zurücktreten.
Das gleiche passiert mit unserem Universum. Das Gitter wächst tatsächlich und Objekte werden mitgerissen.
OK, jetzt, da wir die Kernkonzepte festgelegt haben, werde ich noch ein bisschen Terminologie einführen. Der "Skalierungsfaktor des Universums" bezieht sich darauf, wie stark sich das Universum im Vergleich zu jetzt erweitert hat. Wenn zum Beispiel in einer Milliarde Jahren der Skalierungsfaktor 3 beträgt, bedeutet dies, dass jedes Objekt im Universum im Vergleich zu jetzt dreimal weiter voneinander entfernt ist. Wenn der Skalierungsfaktor vor 700 Millionen Jahren 0,8 betrug, war zu diesem Zeitpunkt alles um den Faktor 0,8 näher. Per Definition ist der Skalierungsfaktor derzeit 1.
Wenn sich das Universum jetzt ausdehnt, würden wir erwarten, dass es kleiner wird, wenn wir weiter in die Zeit zurückblicken - dh der Skalierungsfaktor wäre geringer. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass der Skalierungsfaktor vor 13,8 Milliarden Jahren Null ist. Dies würde bedeuten, dass jedes Objekt das Nullfache seiner aktuellen Entfernung von uns wäre - mit anderen Worten, es würde keinen Platz geben.
Wenn Sie denken, dass ein Universum ohne Raum unmöglich ist, haben Sie Recht. Wir haben anscheinend einen Widerspruch. In GR können Sie keine Raumzeit mit Nullraum haben.
Unsere modernen physikalischen Theorien funktionieren einige Sekundenbruchteile nach dem Moment des Widerspruchs, und unsere Beobachtungen stimmen mit der Idee eines extrem dichten frühen Universums überein. Unsere Theorien brechen jedoch zusammen, wenn wir versuchen, das Universum immer früher zu modellieren, bis sie sich nicht mehr als richtig erweisen, was uns daran hindert, den interessantesten Moment zu erklären.
Deshalb ist der Moment des Urknalls eines der größten Geheimnisse der Kosmologie. Theorien wie die Quantengravitation sind entstanden, um die Bedingungen in der Nähe des Urknalls zu erklären, aber derzeit reichen keine aus.
In der Tat ergibt sich das Problem aus der Mehrdeutigkeit, wenn man "Universum" sagt. In diesem Fall beziehen sie sich auf das beobachtbare Universum, das tatsächlich sphärisch ist. Das beobachtbare Universum war in der Tat in der Nähe des Urknalls viel kleiner als sein Radius.
Dies liegt daran, dass sein Radius tatsächlich vom Skalierungsfaktor * unseres Universums abhängt, was bedeutet, dass GR im Moment den Skalierungsfaktor als Null vorhersagt und auch die Größe des beobachtbaren Universums als Null vorhersagt.
Dies kann natürlich nicht der Fall sein, da es, wie oben erläutert, nicht möglich sein sollte, dass der Skalierungsfaktor Null ist. Wir können jedoch mit hinreichender Sicherheit sagen, dass das beobachtbare Universum an einem Punkt wahrscheinlich die Größe einer Grapefruit hatte, wenn nicht sogar kleiner (obwohl "Grapefruit" zum Vergleich eine willkürliche Wahl zu sein scheint. Ich kann das Papier, das dies zuerst verwendet, nicht finden Analogie, also was sie ursprünglich bedeuteten, ist ein bisschen unklar).
* Das Messen von Entfernungen ist in der Kosmologie tatsächlich etwas schwierig. In einigen Fällen möchten wir über Entfernungen oder Bewegungen von Objekten sprechen und dabei die Expansion des Universums vernachlässigen. Um Ihnen die Notwendigkeit zu ersparen, viel Terminologie zu lernen, berücksichtige ich gerade die Ausdehnung des Universums, wenn ich über die Größe des beobachtbaren Universums spreche. Das beobachtbare Universum wächst auch aufgrund von Faktoren neben der Expansion des Universums, dh Licht von immer mehr Galaxien, die uns erreichen.
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