¿Cuál es la forma física y geométrica del universo?

No estoy preguntando sobre pelota teórica, silla de montar o superficie plana, que es solo una metáfora con el espacio 2D.

Es difícil decirlo, ya que vemos muy poco y los vemos en el pasado porque la luz viaja durante tanto tiempo. Pero lo que sí sabemos es que se está inflando (no explotando como podría pensarse por el nombre del "big bang").

¿Cómo se vería el universo, si tuviéramos que congelarlo en un momento, es probable que sea una pelota, una pelota de rugby, un cono o una especie de forma irregular?

¿Está completamente lleno de galaxias, polvo, agujeros negros, o vive en los bordes de su forma 3D y la parte central está "vacía"?

¿Tiene un agujero negro gigante o una estrella en el medio alrededor de la cual gira todo?

Esta pregunta es confusa, porque depende de alguna noción privada de "forma geométrica" ​​que no está clara. La forma geométrica del universo en cualquier momento del tiempo cosmológico es plana , y eso no es "solo una metáfora con el espacio 2D". O más bien, la parte que vemos es bastante plana, por lo que si se asume alguna versión del principio copernicano , entonces tiene la forma de un euclidiano estándar. 3 -espacio. Si no se asume, entonces no se puede dar una respuesta a la forma geométrica a gran escala.
Bien, si tiene la forma de "3 espacios euclidianos estándar", ¿qué tipo de forma tendría?
Bueno, de hecho es plano, lo que significa que se puede usar la geometría euclidiana. Dado que la luz viaja a una velocidad finita y que el universo no es infinitamente antiguo, nuestra 'burbuja' de material observable dentro del universo tendría la forma de una esfera centrada en nosotros. Sin embargo, el centro de la esfera cambiaría si decidieras moverte a una parte diferente del universo. ¿Es el universo infinito? Esto no se sabe, ya que no podemos ver más allá de nuestro horizonte de observación.
.. Tampoco podemos viajar lo suficientemente lejos para probar esto, debo agregar.
Entonces, ¿es la limitación de nuestra observación lo que nos impide incluso imaginar el universo entero, es decir, más allá del universo observable? Entiendo totalmente que el universo observable es un espacio 3D centrado en nosotros debido a la expansión, y que lo percibimos como esférico. Pero, ¿no podemos sacar ninguna conclusión sobre cómo se vería todo? Al menos si asumimos que es un espacio 3D que se está expandiendo, tal vez podríamos soñar con algunas formas posibles, a menos que una cuarta dimensión esté en orden, ¿no?
@Ska: por supuesto que podemos imaginar diferentes cosas más allá del horizonte, pero ninguna de ellas tiene, o incluso podría tener, evidencia observacional de regiones más allá del horizonte. Todo lo que realmente sabemos es que la parte que vemos es casi plana en promedio. Para concluir cualquier geometría particular más allá del horizonte se requiere alguna suposición, como el mencionado principio copernicano.

Respuestas (2)

Ok, tal vez usted tiene algunos conceptos erróneos.

El Universo no tiene centro en absoluto. Se ve igual desde cualquier punto, hacia donde mires. Es aproximadamente como sigue:

Filamentos de densidad

Esta imagen representa una caja a gran escala en nuestro universo en el tiempo actual (no en el tiempo percibido, basado en la luz recibida). Por supuesto, es solo una simulación por computadora. Cada punto representa un cúmulo de galaxias.

Así que necesitas imaginar un espacio tridimensional infinito lleno de estructuras similares a filamentos como estas. E infinito significa que no tiene límites, por lo que no tiene forma "externa". Allí no hay pelota, pelota de rugby ni cono. Tampoco forma externa irregular, solo infinita. Cualquiera de estas formas tiene un límite 2D en un espacio 3D, pero el universo no tiene límite.

¿De dónde es esta simulación y en qué parte de ella sería aproximadamente una Vía Láctea? A partir de este modelo, se parece mucho a la forma de un cubo, no infinita en absoluto, al menos no en este momento. Tal vez se pueda considerar infinito en función de la velocidad de inflación: www.curious.astro.cornell.edu/question.php?number=575 , pero en cualquier punto congelado no lo es. Y aunque desde el exterior no hay espacio-tiempo, por lo que no hay forma , todavía "sabemos" que las galaxias juntas, sin importar cuán grandes sean, se juntan en un cierto patrón, formando una cierta "forma".
Ser infinito no implica no tener límite (no por sí mismo, al menos). @Ska: si estabas buscando la distribución de galaxias, deberías haberlo pedido directamente.
Por cierto, esta caja que la gente usa para ejecutar simulaciones es periódica (las partículas que salen de un lado aparecen en el otro). @Ska El hecho de que hayan elegido un cubo para representar una parte del universo que les interesa aprender es irrelevante. Además, que el universo es "infinito" no es algo que nadie pueda probar. La expansión del espacio-tiempo parece ocurrir en todas partes, pero eso no significa que el universo sea infinito.
@StanLiou: También estoy interesado en eso, pero sobre todo en la forma exterior del universo si se congelara en el tiempo.
@Ska: según lo que sabemos de la gravedad, el espacio que tiene un límite no es físico, por lo que probablemente no tenga una "forma exterior" en absoluto. Si no te refieres a un límite, entonces me temo que no tengo idea de lo que quieres decir con "forma exterior".
@StanLiou: No estoy seguro si estoy equipado con suficiente terminología, pero asumiendo que el universo era muy pequeño al principio, tenía un límite. 0.00000000000000001 segundos después era más grande, pero tenía un límite y una forma. 1 millón de años más tarde era aún más grande, y 13 mil millones de años más tarde está más o menos donde está ahora, asumo que la estructura similar a un átomo pequeño se expandió en algo que también tiene un límite y una forma, solo que mucho más grande.
@Ska: tu suposición es errónea; el espacio no tiene y nunca tuvo un límite en ningún modelo cosmológico consistente con lo que sabemos de la gravedad (la advertencia es que nuestro conocimiento de la gravedad en el universo muy primitivo es completamente incierto). Sin embargo, había (y hay) un horizonte que define el límite de observación posible, como decía astromax arriba. Pero no hay nada físicamente especial allí; cada punto en el espacio tiene su propio horizonte.
@StanLiou: solo puedo imaginar algo como esto en 4D, no en 3D, si tomo la analogía con el globo inflado y las hormigas, y la subo 1 dimensión, entonces puedo entender esta cosa sin bordes. Pero, ¿qué es esta 4ª dimensión entonces? ¿No está esto entonces en contra del espacio 3D euclidiano? Haré un seguimiento del punto del universo observable en el comentario de astromax.
@Ska: no es nada, porque la geometría en cuestión es intrínseca y no requiere estar incrustada en ningún espacio de dimensiones superiores. Y la analogía del globo solo es apropiada para una de las cuatro posibles geometrías espaciales homogéneas e isotrópicas. Así que no, no es un argumento en contra de la posibilidad del espacio 3D euclidiano.
@StanLiou: Entonces, ¿algo como hypertorus que puede expandirse, 3d, "plano" y aún sin bordes para el observador que proviene de nuestro punto de vista limitado y horizonte limitado? ¿Por qué tiene que ser repetitivo sin embargo? Si realmente no tenemos medios de prueba, por qué repetitivos, por qué no una pelota con borde que se expande tan rápido que nunca podremos alcanzarla de todos modos.
@Ska: Sí, un piso 3 -torus es una geometría posible, pero la geometría no tiene que ser "repetitiva" en el sentido de envolverse en sí misma. No tiene que ser un toroide. Más allá del horizonte podría haber un espacio euclidiano en lugar de un toroide plano. O podría haber unicornios rosas. O algo más. El punto del horizonte es que no sabemos qué hay más allá. (Pero si se supone que el universo es globalmente isótropo, entonces no puede ser un toro).
@StanLiou: Parece que todo se reduce a esto: probablemente sea plano, probablemente en 3D. Puede ser sin bordes, o no, no lo sabemos. En caso afirmativo, podría ser hipertorus y eventualmente podríamos hacer un viaje de ida y vuelta y llegar al punto de partida. Si no, podría ser una pelota o cualquier otra cosa. No sabemos, y no podemos imaginar debido a nuestro alcance limitado. ¿Está esto al menos remotamente alineado con las teorías actuales o todavía hay algunos agujeros?

La geometría general y la topología del universo han sido investigadas por la misión Planck. En este artículo se describen algunos resultados . Los resultados finales aún no están disponibles.

Un experto:

Hemos calculado la verosimilitud bayesiana para modelos topológicos específicos en universos con geometrías localmente planas, hiperbólicas y esféricas, todos los cuales no encuentran evidencia de una topología multiconexa con un dominio fundamental dentro de la última superficie de dispersión. Después de la calibración en simulaciones, las búsquedas directas de círculos coincidentes resultantes de la intersección del dominio topológico fundamental con la superficie de la última dispersión también arrojan un resultado nulo con alta confianza... La medición futura de la polarización CMB de Planck nos permitirá probar más modelos de geometrías anisotrópicas y topologías no triviales y puede proporcionar conclusiones más definitivas, por ejemplo, permitiéndonos extender moderadamente la sensibilidad a la topología a gran escala.

La cantidad de anisotropía del universo se deducirá del fondo cósmico de microondas (CMB).

Fondo cósmico de microondas, como se deduce de los datos de Planck, Crédito de la imagen: Agencia Espacial Europea, Colaboración Planck

Crédito de la imagen: Agencia Espacial Europea, Planck Collaboration

Se pueden encontrar imágenes de mayor resolución del CMB aquí

El universo es aproximadamente un espacio-tiempo de 4 dimensiones con el big bang como singularidad. No tiene bordes en el espacio 3d cuando viaja. Al mirar hacia el pasado, la frontera, si se le gusta llamar así, es el big bang. El big bang nos parece a nosotros en la Tierra como si estuviera a una distancia de 13,81 mil millones (13,81e9) de años luz en cualquier dirección. O estar 13.810 millones de años en el pasado cuando la luz necesitó ese tiempo para viajar hasta nosotros. Pero no podemos viajar hasta ese límite, porque el universo se expande más rápido de lo que nosotros (o la luz) podemos viajar. Tuvimos que viajar al pasado o más rápido que la luz para llegar allí, sin importar en qué dirección espacial.

No hay un agujero negro en el centro del universo, sino el Big Bang, si se quiere llamarlo el centro de un espacio-tiempo de 4 dimensiones.

El universo, cuando se mira a una edad fija de, digamos, 13.810 millones de años, está lleno casi homogéneamente de galaxias a gran escala. Localmente, las galaxias se agrupan en cúmulos y supercúmulos. Los supercúmulos forman una especie de red tridimensional. Pero no hay regiones totalmente vacías. Siempre hay algo de gas o algo de polvo o algo de plasma o algunos rayos cósmicos que viajan rápido, neutrinos, etc.

Si pudiera detener la expansión del universo en un tiempo cósmico dado , se vería a sí mismo en cualquier dirección en aproximadamente la misma distancia y en aproximadamente el mismo pasado. (Tal estructura se llama 3 esferas . La superficie de una 4 bolas es un ejemplo de una 3 esferas. Este video de YouTube trata de visualizar una 3 esferas rotando).

Debido a la rápida expansión del espacio-tiempo, la luz no puede viajar lo suficientemente rápido alrededor del universo para que esto sea posible. Por lo tanto, en el mejor de los casos podemos mirar hacia atrás, al Big Bang, sin importar en qué dirección miremos. La luz necesita más tiempo para viajar alrededor del universo ya que el universo existe después del big bang.

Ok, para simplificar al punto más bajo que puedo imaginar. El universo se infló al tamaño de aproximadamente un sistema solar al final del período inflacionario, en algún lugar entre 10 y 32 segundos. Entonces, ¿tenía más forma de disco o de bola, o algo más?
Algo más: más o menos parecido a la superficie tridimensional de una esfera tetradimensional, pero no del todo simétrico. La forma precisa no se conoce con exactitud, pero probablemente no esté demasiado distorsionada, como un toro, un cubo o un dodecaedro. Esto todavía está bajo investigación; se esperan resultados más precisos dentro de unos años, cuando se analice la polarización del CMB.
"Ni la búsqueda de círculos en el cielo ni el método de verosimilitud encuentran evidencia de una topología de conexión múltiple" del artículo de Planck, sección 6.1 significa que no es un objeto toroide o más complejo con agujeros.
Explicación de los espacios simplemente conectados: en.wikipedia.org/wiki/Simply_connected_space .
"Una 3 esferas se puede construir topológicamente "pegando" los límites de un par de 3 bolas. El límite de una 3 bolas es una 2 esferas, y estas dos 2 esferas deben identificarse. Eso es , imagine un par de 3 bolas del mismo tamaño, luego superpóngalas para que sus límites de 2 esféricas coincidan, y deje que los pares de puntos coincidentes en el par de 2 esferas sean idénticamente equivalentes entre sí. En analogía con el caso de la 2-esfera (ver más abajo), la superficie de pegado se llama esfera ecuatorial.", ver en.wikipedia.org/wiki/3-sphere
Tome un hiperboloide 2d ( en.wikipedia.org/wiki/Hyperboloid ), intersérvelo con un plano horizontal: obtendrá un círculo (1 esfera). Ahora intente imaginar lo mismo con dos dimensiones más: Agregar una dimensión devuelve la superficie (2 esferas) de una pelota habitual en 3D. La siguiente dimensión devuelve una esfera de 3, aproximadamente la forma del universo en un tiempo cósmico fijo ( en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_time ).
La respuesta en tu primer comentario es la más precisa que escuché hasta ahora. Ahora me gustaría profundizar aún más :) Entiendo cómo "funcionan" las 3 esferas, pero no cómo se vería, ya que ese "pegado" conduciría a algunas distorsiones fuertes de la esfera "exterior", lo que distorsionaría mucho el objetos dentro (imagina un pez en contenedores esféricos conectados), pero entiendo la idea. ¿Es esta entonces una forma geométrica 4D?
La instantánea es una superficie no euclidiana de una forma geométrica 4D. El pegado conduce a distorsiones, si intentas hacerlo en el espacio 3D de nuestro día a día. Es diferente en 4D. Puede ser simétrico allí sin distorsiones desagradables.
Es el análogo a pegar dos discos (2 bolas) en el círculo exterior (1 esfera) para obtener una 2 esfera (superficie de una bola 3), solo una dimensión más alta. La 2 esferas es fea en 2D, pero agradable en 3D.
Si tiene algunas horas más de tiempo libre, puedo recomendar la conferencia de YouTube sobre 4D: dimension-math.org En inglés, está mirando aquí: dimension-math.org/Dim_reg_E.htm
...debería haber comenzado; la versión americana todavía me funciona: youtube.com/embed/6cpTEPT5i0A?list=PL3C690048E1531DC7
¿Cuál es la forma física y geométrica del universo?
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