Forma del universo: ¿por qué "esfera" (curvatura positiva) significa finito?

Buen día.

artículo de wikipedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Shape_of_the_universe

estados:

"Por ejemplo, un universo con curvatura positiva es necesariamente finito. Aunque generalmente se supone en la literatura que un universo plano o con curvatura negativa es infinito, este no tiene por qué ser el caso si la topología no es trivial".

Permítanme proponer una construcción de un universo espacial e infinito. Imagina una esfera S 0 con dos puntos s 0 a y s 0 b . Considere estos puntos como puntos de ramificación en el sentido habitual (tenemos de variedades complejas). Necesitas dar dos vueltas (en mi construcción) alrededor de (cualquiera de estos puntos) para llegar al mismo "lugar". Para simplificar imagina una línea yo 0 conectando estos puntos yo 0 ( s 0 a , s 0 b ) que representa un corte. Si cruzas el corte terminas en una esfera diferente S 1 . Espero ser lo suficientemente claro. las esperas S 0 y S 1 compartir puntos s 0 a y s 0 b y vas de una esfera a la otra cruzando el corte. Casi en todas partes tenemos una curvatura esférica (localmente).

Elegir un par de puntos diferente s 1 a y s 1 b uno agrega a S 0 un barrio de "izquierda" S 1 . De manera repetitiva se construye una cadena infinita de esferas { S i } i = i = que representa un universo infinito.

¿Qué tiene de malo esta construcción? Déjame pensar:

  • ¿Está un punto de bifurcación en contradicción con el aparato matemático que describe el universo? Bueno, si un agujero negro con curvatura infinita no lo es, ¿por qué debería serlo un punto de ramificación? En el punto de ramificación todo es finito. Una discontinuidad aparece en una curvatura: si en un punto vecino la longitud del círculo es 2 π r ε que en el punto de bifurcación es 4 π r ε (bueno, la derivada no es finita). Aún así, me parece "mejor" que una curvatura infinita.

  • ¿Los puntos de ramificación crean un universo no isotrópico? Bueno, para una sola esfera puede haber direcciones "preferidas": aquellas que apuntan a los puntos de bifurcación. Pero el universo como un todo, es decir, la cadena infinita de esferas puede tener estos puntos de ramificación distribuidos "al azar", por lo que nadie puede hablar realmente de ninguna dirección específica en el universo como un todo.

¿Qué crítica diferente se puede hacer a esta construcción?

Subpregunta: un universo plano pero finito (mencionado en Wikipedia) me parece muy interesante. Sí, podría leer el enlace que hay allí, pero soy muy malo en este tema, no lo entendería. Me imagino que debe ser algún tipo de inteligente "mosaico de un avión". Pregunta: ¿hay una manera simple (ejemplo) de cómo se puede explicar el universo plano pero finito?

Para responder a la pregunta en su último párrafo: considere el toro. Esto se puede hacer plano en dimensiones 4 y superiores. Ver el toro de Clifford . Por "4 y más" me refiero a la dimensión del espacio en el que está incrustado: el toro de Clifford en sí mismo es una variedad bidimensional. Si quiere olvidarse de la incrustación (y creo que los cosmólogos siempre quieren hacerlo porque no se cree que el Universo esté incrustado en nada), la existencia del toro de Clifford demuestra que podemos dar el producto de dos círculos 1 a un Riemanniano estructura con una métrica plana.
Creo que hay dos temas separados: "ser plano" y "ser universo". Bien, un toroide finito se puede hacer plano (localmente). ¿Pero se puede hacer "universo"? Por "universo" entendemos algo isótropo. ¿Es el toro isotrópico? Sin tener un conocimiento profundo, diría que no: hay (dos) direcciones preferidas: la del "diámetro más corto" y la del "diámetro más largo", en términos generales.

Respuestas (1)

Miré la referencia en Wikipedia de que una curvatura positiva significaba que tenía que ser finita. Esa referencia era para Ellis y el artículo de otra persona, ver en https://arxiv.org/abs/gr-qc/9812046

No busqué exhaustivamente esa declaración o discusión o tratamiento del tema en el documento (realmente Lecciones en una conferencia, muy bien escrito y exhaustivo), que tiene más de 80 páginas, y no lo encontré. El documento trata muchas opciones de geometría diferencial para el espacio-tiempo, pero no encontré ninguna topología. Pero he visto lo mismo afirmado en varios artículos, conferencias, libros, etc., lo he afirmado yo mismo, pero nunca lo he visto probado.

Sin embargo, entiendo que hay un teorema que dice que cualquier espacio en N dimensiones que tiene curvatura positiva constante tiene la topología de una esfera. Tienes que tener esa curvatura positiva en todas partes. Si no, y decide hacer una excepción para un punto, una línea, una curva o un volumen, sí, creo que podría crear esas esferas cercanas conectadas. Aún así, no eres entonces curvatura positiva y constante en todas partes. Tenga en cuenta que la curvatura constante no es un problema para la cosmología, las soluciones cosmológicas tienen curvaturas constantes (positivas, negativas o cero). Tenga en cuenta también que asume espacios homogéneos e isotrópicos. Si te desvías de esos, no sé los resultados.

Puede tener curvaturas constantes negativas y cero y aún así construir topologías no triviales. Solo que no con curvatura constante positiva ya que se cierra sobre sí mismo.

Y en cuanto a un agujero negro, sigue siendo un problema, pero la singularidad ocurre en un régimen en el que se aplica la gravedad cuántica, y todavía no tenemos una buena teoría de la gravedad cuántica.

Para plano, sí, puede ser finito debido al mosaico, y tal vez de otras maneras. El espacio-tiempo plano puede ser infinito (y lo sería con una topología trivial) o finito. Creo que vi un artículo y (lo sé) escribí una respuesta en PSE de que había algo así como 17 (puede que no sea el número correcto) topologías planas no triviales posibles. Por supuesto, nunca he visto ninguna evidencia de que alguno de ellos exista, pero no he podido descartarlos por completo. Físicamente, se piensa que, a menos que hubiera algunos efectos muy extremos poco después del Big Bang, la topología debería ser trivial.

¿No es el big bang en sí mismo un evento extremo? solo digo xD