آیا اندازه جهان می تواند محدود باشد؟

اگر گرانش کوانتومی و تونل زنی در دوران اولیه اهمیت داشته باشند، ممکن است توپولوژی کیهان بسیار پیچیده باشد. ابتدا سه نوع اساسی را در نظر خواهیم گرفت. اساساً سه شکل ممکن برای جهان وجود دارد. یک جهان تخت (اقلیدسی یا انحنای صفر)، یک جهان کروی یا بسته (انحنای مثبت) یا یک جهان هذلولی یا باز (انحنای منفی). توجه داشته باشید که این انحنا شبیه به انحنای فضا-زمان به دلیل جرم های ستاره ای است با این تفاوت که کل جرم کیهان انحنا را تعیین می کند. بنابراین یک جهان با جرم بالا/انرژی بالا دارای انحنای مثبت است، یک جهان جرم کم/کم انرژی دارای انحنای منفی است.

هر سه هندسه طبقاتی از آنچه هندسه ریمانی نامیده می شود، بر اساس سه حالت ممکن برای خطوط موازی هستند.

 (مسطح یا اقلیدسی) (کروی)  (هذلولی) یا می توان مثلث هایی را در نظر گرفت که برای یک جهان مسطح، مجموع زوایای یک مثلث 180 درجه، در یک جهان بسته این مجموع باید بیشتر از 180 باشد، در یک جهان باز مجموع آن باید کمتر از 180 باشد.

مشاهدات کیهان شناسی استاندارد چیزی در مورد اینکه چگونه این حجم ها در کنار هم قرار می گیرند تا شکل کلی کیهان یعنی توپولوژی آن را بدهد، نمی گوید. سه هندسه کیهانی قابل قبول با بسیاری از توپولوژی های مختلف سازگار هستند. به عنوان مثال، نسبیت هم یک چنبره (شکل دونات مانند) و هم یک صفحه را با معادلات یکسان توصیف می کند، حتی اگر چنبره متناهی و صفحه بی نهایت باشد. تعیین توپولوژی نیازمند درک فیزیکی فراتر از نسبیت است.

مانند یک سالن آینه، جهان ظاهراً بی پایان ممکن است ما را فریب دهد. کیهان در واقع می تواند متناهی باشد. توهم بی‌نهایتی زمانی پدید می‌آید که نور در سراسر فضا پیچیده می‌شود، شاید بیش از یک بار تصاویر متعددی از هر کهکشان ایجاد می‌کند. جعبه آینه ای کیهانی متناهی را تداعی می کند که بی پایان به نظر می رسد. جعبه فقط شامل سه توپ است، با این حال آینه هایی که دیوارهای آن را پوشانده اند تعداد بی نهایت تصویر را تولید می کنند. البته در جهان واقعی هیچ مرزی وجود ندارد که نور بتواند از آن منعکس شود. در عوض، با پیچیدن پرتوهای نور به دور کیهان، تصاویر متعددی ممکن است ایجاد شود. از الگوی تصاویر مکرر، می توان اندازه و شکل واقعی جهان را استنباط کرد.

توپولوژی نشان می دهد که یک قطعه مسطح از فضازمان را می توان در صورت تماس لبه ها به یک چنبره تا کرد. به روشی مشابه، یک نوار کاغذ صاف را می‌توان پیچاند تا یک نوار موبیوس را تشکیل دهد. نسخه 3 بعدی نوار موبیوس یک بطری کلاین است که در آن فضازمان تحریف شده است، بنابراین داخل یا خارج وجود ندارد، فقط یک سطح وجود دارد.

فرض معمول این است که جهان، مانند یک هواپیما، به سادگی متصل است، به این معنی که تنها یک مسیر مستقیم برای نور وجود دارد که از یک منبع به یک ناظر حرکت کند. یک جهان اقلیدسی یا هذلولی که به سادگی متصل است، در واقع بی نهایت خواهد بود. اما جهان ممکن است مانند یک چنبره به صورت چندگانه مرتبط باشد، در این صورت چنین مسیرهای مختلفی وجود دارد. یک ناظر تصاویر متعددی از هر کهکشان را می بیند و به راحتی می تواند آنها را به عنوان کهکشان های متمایز در یک فضای بی پایان به اشتباه تفسیر کند، همانطور که بازدید کننده از یک اتاق آینه ای توهم دیدن جمعیت عظیمی را دارد.

یکی از هندسه های محدود ممکن، فضای دونات است یا به درستی به عنوان اقلیدسی 2-torus شناخته می شود، یک مربع مسطح است که اضلاع مخالف آن به هم متصل هستند. هر چیزی که از یک لبه عبور کند از لبه مقابل دوباره وارد می شود. اگرچه این سطح نمی‌تواند در فضای سه‌بعدی ما وجود داشته باشد، اما می‌توان با چسباندن بالا و پایین به هم و خرد کردن استوانه به‌صورت حلقه یک نسخه تحریف شده ایجاد کرد. برای ناظران در کهکشان قرمز تصویر، فضا بی نهایت به نظر می رسد زیرا خط دید آنها هرگز به پایان نمی رسد. نور کهکشان زرد می تواند در چندین مسیر مختلف به آنها برسد، بنابراین آنها بیش از یک تصویر از آن را می بینند. اقلیدسی 3-torus به جای یک مربع از یک مکعب ساخته شده است.

یک فضای هذلولی محدود توسط یک هشت ضلعی تشکیل می شود که اضلاع مخالف آن به هم متصل هستند، به طوری که هر چیزی که از یک یال عبور کند از لبه مقابل (بالا سمت چپ) دوباره وارد می شود. از نظر توپولوژیکی، فضای هشت ضلعی معادل یک چوب شور دو سوراخه (بالا سمت راست) است. رصدگرانی که روی سطح زندگی می کردند، یک شبکه هشت ضلعی بی نهایت از کهکشان ها را می دیدند. چنین شبکه ای را می توان تنها بر روی یک منیفولد هذلولی ترسیم کرد یک سطح فلاپی عجیب که در آن هر نقطه هندسه ای مانند یک زین دارد.

این مهم است که به یاد داشته باشید که تصاویر فوق سایه های دوبعدی فضای 4 بعدی هستند، ترسیم هندسه کیهان روی یک تکه کاغذ غیرممکن است، فقط با ریاضیات قابل توصیف است. همه جهان های ممکن متناهی هستند زیرا فقط یک سن محدود و بنابراین یک افق محدود وجود دارد. هندسه ممکن است مسطح یا باز باشد و بنابراین در اندازه ممکن بی نهایت باشد (برای همیشه به رشد خود ادامه می دهد)، اما مقدار جرم و زمان در جهان ما محدود است.

اندازه گیری انحنا:

اندازه گیری انحنای کیهان به دلیل توانایی دیدن فواصل زیاد با فناوری جدید ما قابل انجام است. در روی زمین، دیدن اینکه ما روی یک کره زندگی می کنیم دشوار است. یکی روی یک کوه بلند می ایستد، اما جهان هنوز هم صاف به نظر می رسد. می توان یک کشتی را در افق دید، اما برای مدت طولانی تصور می شد که این انکسار اتمسفر است. فناوری فعلی ما به ما اجازه می دهد تا بیش از 80 درصد از اندازه کیهان را ببینیم که برای اندازه گیری انحنا کافی است. هر روشی برای اندازه گیری فاصله و انحنا به یک «معیار» استاندارد نیاز دارد، برخی از ویژگی های فیزیکی که در فواصل دور قابل شناسایی است و با زمان نگاه به عقب تغییر نمی کند.

سه روش اصلی برای اندازه گیری انحنا عبارتند از درخشندگی، طول مقیاس و عدد. درخشندگی به یک ناظر نیاز دارد که مقداری «شمع» استاندارد، مانند درخشان‌ترین اختروش‌ها را بیابد و آن‌ها را تا انتقال‌های قرمز زیاد دنبال کند. طول مقیاس مستلزم آن است که از برخی اندازه های استاندارد مانند اندازه بزرگ ترین کهکشان ها استفاده شود. در نهایت، شمارش اعداد در جایی استفاده می‌شود که تعداد کهکشان‌های یک جعبه را به عنوان تابعی از فاصله می‌شماریم. تا به امروز همه این روش‌ها بی‌نتیجه بوده‌اند، زیرا درخشان‌ترین، بزرگترین و تعداد کهکشان‌ها با گذشت زمان به‌گونه‌ای تغییر می‌کند که ما کشف نکرده‌ایم. تاکنون، اندازه‌گیری‌ها با یک جهان مسطح، که به دلایل زیبایی‌شناختی محبوب است، مطابقت دارد.

---

مطالب مرتبط

قدیمی ترین ویروس کشف شده در اسکلت انسان که هنوزم خطرناک است

• جمعه 15 تیر 1403
• 0 بازدید

زیباترین خودروهای دهه 1920 و 1930

• پنجشنبه 14 تیر 1403
• 0 بازدید

مکان های روح آلود در آمریکا و داستان های پشت آن

• دوشنبه 11 تیر 1403
• 9 بازدید

بهترین مکان ها برای یافتن حیات فرازمینی در منظومه شمسی کدامند؟

• شنبه 09 تیر 1403
• 9 بازدید

عکس‌های قدیمی نشان می‌دهند لاس وگاس در دوران طلایی خود چگونه بوده است

• جمعه 08 تیر 1403
• 7 بازدید

مغز چگونه فکر می کند؟

• پنجشنبه 07 تیر 1403
• 19 بازدید

داستان واقعی نادین کاریدی، همسر دوم گرگ وال استریت جردن بلفورت

• چهارشنبه 06 تیر 1403
• 17 بازدید