Giz Spørger

Hvad er på Kanten af Universet?

Illustration: Chelsea Beck (Gizmodo) Daniel KolitzToday 9:00amFiled til: spaceFiled til: space

plads
fysik
universet
kosmologi

303

Giz AsksIn dette Gizmodo-serien, kan vi stille spørgsmål om alt fra rum til skod og få svar fra en række eksperter.

Det er en rutine følelser i 2019 hurtigst muligt ønsker, fire eller fem gange på en dag, til at blive lanceret ikke bare i rummet, men helt ud til kanten af universet, for så vidt som det er muligt at komme fra den feber drøm af dårligt vejr, busted tog og potentielt kræft låret læsioner, der udgør livet på Jorden. Men hvad ville der blive venter på dig, op i en kosmologisk grænsen? Er det endnu en grænse, eller er hvad vi har at gøre med her mere som en slags ufatteligt store loftet? Er der en grænse/loft op, der på alle? Til denne uges Social Anmoder, vi talte med en række af kosmologi-orienterede fysikere at finde ud af.

Sean Carroll

Forskning Professor, Fysik, Caltech, hvis forskning fokuserer på kvante-mekanik, tyngdekraft, kosmologi, statistisk mekanik, og grundlaget for fysik, blandt andre ting

Der er ingen kant til universet, så vidt vi ved. Der er en kant til det observerbare univers—vi kan kun se så langt ud. Det skyldes, at lyset bevæger sig med en bestemt hastighed (et lysår per år), så ser vi på fjerne ting, vi ser også tilbage i tiden. Sidst vi se, hvad der skete for næsten 14 milliarder år siden, den rest stråling fra Big Bang. Det er den Kosmiske Mikrobølge Baggrund, der omgiver os fra alle sider. Men det er ikke rigtig en fysisk “kant” i nogen nyttige mening.

Fordi vi kun kan se så langt, vi er ikke helt sikker på, hvordan tingene er uden for vores observerbare univers. Det univers, vi ser, er nogenlunde ensartet på store skalaer, og måske er der fortsætter bogstaveligt talt for evigt. Alternativt univers kunne wrap rundt som en (tre-dimensionelle version af a) kugle eller en torus. Hvis det var sandt, universet ville være begrænset i størrelse, men stadig ikke ville have en kant, ligesom en cirkel, der ikke har en begyndelse eller slutning.

Det er også muligt, at universet ikke er ensartet forbi, hvad vi kan se og betingelser er vildt forskelligt fra sted til sted. Denne mulighed er den kosmologiske multivers. Vi ved ikke, om der er et multivers i denne forstand, men da vi faktisk ikke kan se den ene eller anden måde, er det klogt at holde et åbent sind.

“Fordi vi kun kan se så langt, vi er ikke helt sikker på, hvordan tingene er uden for vores observerbare univers. Det univers, vi ser, er nogenlunde ensartet på store skalaer, og måske er der fortsætter bogstaveligt talt for evigt.”

Jo Dunkley

Professor, Fysik og Astrofysik Sciences, Princeton University, hvis forskning er i kosmologi og studere oprindelsen og udviklingen af Universet

Mere af det samme!

Okay, så er vi faktisk ikke tror, at der er en kant til universet. Vi mener, at det enten fortsætter på uendeligt langt i alle retninger, eller måske det er pakket op på sig selv, så det ikke er uendeligt stor, men har stadig ingen kanter. Overfladen af en donut er som at: det har ikke en kant. Det er muligt at hele universet er ligesom det også (men i tre dimensioner—overfladen af en donut er bare to-dimensionelt). Det betyder, at du kan modregne i alle retninger i rummet på en raket skib, og hvis du rejst længe nok du ville komme tilbage til hvor du startede. Ingen kanter.

Men der er også en ting, vi kalder det observerbare univers, som er den del af rummet, som vi faktisk kan se. Den kant, der er det sted ud, hvor lyset har ikke haft tid til at nå os siden begyndelsen af universet. Det er kun kanten af, hvad vi kan se, og ud over det er nok mere af de samme ting, som vi kan se omkring os: super-klynger af galakser, som hver enorme galaxy indeholder milliarder af stjerner og planeter.

“Vi mener, at det enten fortsætter på uendeligt langt i alle retninger, eller måske det er pakket op på sig selv, så det ikke er uendeligt stor, men har stadig ingen kanter. Overfladen af en donut er som at: det har ikke en kant. Det er muligt at hele universet er ligesom det også (men i tre dimensioner—overfladen af en donut er bare to-dimensionelt).”

Jessie Shelton

Adjunkt, Fysik og Astronomi, University of Illinois i Urbana-Champaign, hvis forskning fokuserer på astrofysik og kosmologi

Det afhænger af, hvad du mener med kant af universet. Da lysets hastighed er endelig, som vi ser længere og længere ud i rummet, ser vi længere og længere tilbage i tiden — selv når vi ser på galaxy næste dør, Andromeda, ser vi ikke, hvad der sker nu, men hvad skete to og en halv millioner af år siden, da Andromeda stjerner udsendte det lys, at vores teleskoper er først nu ved at opdage. Det ældste lys, vi kan se der er kommet fra, der er længst væk, så i en vis forstand, på kanten af universet er, hvad vi kan se i de gamle lys, der når frem til os. I vores univers, dette er den kosmiske mikrobølge baggrund — en svag, dvælende efterglød fra Big Bang, der markerer, når universet kølet så meget ned, nok til at lade atomer form. Dette kaldes overfladen af sidste spredning, da det markerer det sted, hvor fotoner stoppet ping-ponging rundt mellem elektroner i et varmt, ioniseret plasma og begyndte streaming ud af en åben plads, hele vejen på tværs af milliarder af lysår ned til os på Jorden. Så man kan sige, at kanten af universet er overfladen af sidste spredning.

Hvad er på kanten af universet lige nu? Godt, vi ikke ved — vi kan ikke, vi er nødt til at vente til det lys, der udsendes der nu for at få de her mange, mange milliarder af år ud i fremtiden, og da universet udvider sig hurtigere og hurtigere, og det vil sandsynligvis ikke være i stand til at gøre det her på alt — men vi kan gøre et gæt. På de største skalaer, vores univers ser stort set den samme i enhver retning, vi ser. Så odds er, hvis du var på kanten af vores synlige univers i dag, vil du se et univers, der så mere eller mindre det samme som vores — galakser, store og små, i alle retninger. Dermed er et meget godt gæt, hvad der er på kanten af universet nu, er ganske enkelt, flere univers: flere galakser, flere planeter, måske endda mere levende ting at stille de samme spørgsmål.

“…i en vis forstand, på kanten af universet er, hvad vi kan se i de gamle lys, der når frem til os.”

Michael Troxel

Adjunkt, Fysik, Duke University, hvis undersøgelser fokuserer på observationelle og teoretiske kosmologi

På trods af Universet sandsynlighed for at være uendelig i størrelse, der er faktisk mere end en praktisk ‘kant’.

Vi tror, at Universet faktisk er uendelig—det har ingen kant til det. Hvis Universet er ‘flade’ (som et ark papir), som vi har testet det for at være bedre end en procent præcision, eller “åbne” (som på en sadel), så det virkelig er uendelig. Hvis det er ‘lukket’, der er som en slags basketball, så det er ikke uendelig. Men hvis du går langt nok i den ene retning, vil du i sidste ende ender tilbage hvor du startede—tænk blot bevæger sig langs overfladen af kuglen. Som en hobbit ved navn Bilbo sagde engang: “Den Vej går nogensinde på og på/Ud fra døren, hvor det begyndte” (igen og igen…).

Universet har stadig en “kant” til os selv, to, virkelig. Dette skyldes, at en del af den Almene Relativitetsteori, som siger, at alle ting (herunder lys) i Universet har en hastighedsgrænse—omkring 670 millioner miles per hour—og at hastighedsgrænsen er den samme overalt. Vores målinger også fortælle os, at Universet udvider sig i alle retninger, og ikke bare udvider sig, men at udvide sig hurtigere og hurtigere over tid. Hvad dette betyder er, at når vi iagttager en genstand, meget langt fra os, lyset fra objektet, der tager noget tid at nå frem til os (afstanden divideret med lysets hastighed). De vanskelige ting er, at fordi rummet udvider, mens lyset bevæger sig til os, er den afstand, lyset skal rejse, er også stigende over tid, på vej til os.

Så den første ting, du kan stille, er, hvad der er den længst afstand kunne vi iagttage i lyset fra et objekt, hvis det var, der udsendes i begyndelsen af Universet (som er omkring 13,7 milliarder år gamle). Dette viser sig at være 47 milliarder lysår væk (et lysår er ca 63,241 gange afstanden mellem Jorden og Solen), og kaldes “comoving horisont’. Du kan også stille spørgsmålet på en lidt anderledes måde. Hvis vi har sendt en besked med lysets hastighed, hvad er det for længst afstand derfra, at en person fra en anden planet nogensinde kunne modtage det? Dette er endnu mere interessant, fordi udvidelsen sats af Universet bliver hurtigere i fremtiden (i stedet for at bremse ned i fortiden).

Det viser sig, at selv om den besked rejste for evigt, vil det altid kun være i stand til at nå en person, der var 16 milliarder lysår fra os nu. Dette kaldes “kosmisk begivenhed horisont’. Den yderste planet, som vi har været i stand til at iagttage, er kun ca 25 tusind lysår væk, men så kunne vi stadig i sidste ende sige hej til alle vi kender, måske eksisterer i Universet, der er så langt. Den fjerneste afstand i vores nuværende teleskoper kan have identificeret en galaxy fra os, er kun omkring 13.3 milliarder lysår, selv, så vi ikke kan se, hvad der er på en af disse ‘kanter’ lige nu. Så ingen ved, hvad der er på enten kanten!

“Hvis du går langt nok i den ene retning, vil du i sidste ende ender tilbage hvor du startede.”

Abigail Vieregg

Assistant Professor ved Kavil Institut for Kosmologiske Fysik på University of Chicago

Ved hjælp af teleskoper på Jorden, vi ser på lys, der kommer fra fjerne steder i universet. Jo længere væk den kilde af lys er, jo længere tid det tager for lyset at komme her. Så, når du ser på, langt væk steder, du kigger på, hvad disse steder var ligesom, når lyset du så, var skabt—ikke på, hvad der disse steder er som i dag. Du kan holde ud længere og længere væk, der svarer til længere og længere tilbage i tid, indtil du rammer et sted, der svarer til et par hundrede tusinde år efter Big Bang. Før, at universet var så varmt og tæt (længe før der var stjerner og galakser!) at alle lys i universet bare raslede rundt, og vi kan ikke se det med vores teleskoper i dag. Dette sted er kanten af det “observerbare univers”—også kaldet horizon—fordi vi ikke kan se ud over det. Som tiden går, kan denne horisont ændringer. Hvis du kunne kigge ud fra en anden planet et eller andet sted i universet, formentlig ville du se noget meget lig det, vi ser her fra Jorden: din egen horisont, begrænset af den tid, der er gået siden Big Bang, lysets hastighed, og hvordan universet har udvidet.

Hvad betyder det sted, der svarer til Jordens horisont i dag se ud i dag? Vi kan ikke vide det, da vi kun kan se det sted, som det var lige efter Big Bang, og ikke som det er i dag. Men alle målinger viser, at alle af universet, vi kan se, herunder kanten af det synlige univers, ser omtrent ligesom vores lokale univers gør i dag: med stjerner, galakser og hobe af galakser og masser af tom plads.

Vi tror også på, at universet er meget meget større end den del af universet, vi kommer til at være i stand til at se her fra Jorden i dag, og der er ingen “kant” til universet selv. Det er bare rumtiden, at udvide.

“Alle målinger viser, at alle af universet, vi kan se, herunder kanten af det synlige univers, ser omtrent ligesom vores lokale univers gør i dag: med stjerner, galakser og hobe af galakser og masser af tomme plads”.

Arthur B. Kosowsky

Professor i Fysik ved Universitetet i Pittsburgh, hvis forskning fokuserer på kosmologi og relaterede spørgsmål af teoretisk fysik

En af de mest fundamentale egenskaber ved universet er sin alder, hvor der ud fra en række målinger, vi nu bestemme at være 13,7 milliarder år. Fordi vi ved også, at lyset udbreder sig med en konstant hastighed, dette betyder, at en lysstråle, der startede på et meget tidligt tidspunkt har rejst en bestemt afstand fra i dag (kaldet “horisont afstand” eller “Hubble afstanden”). Da intet udbreder sig hurtigere end lysets hastighed, Hubble afstanden er den længst afstand, vi nogensinde kan observere i princippet (medmindre vi opdage en eller anden måde omkring relativitetsteorien!).

Vi har en kilde af lys, der kommer til os fra næsten Hubble-afstand: den kosmiske mikrobølge-baggrundsstråling. Vi ved, at der ikke er noget “kant” til universet ud til afstanden mikrobølgeovn baggrund oprindelse, hvilket er næsten det hele Hubble-afstand fra os. Så vi typisk gøre den antagelse, at universet er meget større end vores egen observerbare Hubble rumfang, og eventuelle faktiske kant, der eksisterer, er meget længere væk, end vi nogensinde kan observere. Dette kunne tænkes ikke at være korrekte: måske er universet har en kant lige over Hubble afstanden fra os, og ud over det er havet monstre. Men da alle af det univers, vi kan observere ser forholdsvis ens, og uniform, dette ville være en meget mærkelig situation.

Så jeg er bange for, at vi aldrig vil have et godt svar på spørgsmålet: universet ikke kan have en kant på alle, og hvis det har en fordel i, at kant er langt nok væk, at lyset fra den kant har endnu ikke haft tid nok til at komme til os i hele universet. Vi er nødt til at nøjes med at forstå en del af det univers, vi faktisk kan observere.

“Måske er universet har en kant lige over Hubble afstanden fra os, og ud over det er havet monstre. Men da alle af det univers, vi kan observere ser forholdsvis ens, og uniform, dette ville være en meget mærkelig tilstand”.

Har du et brændende spørgsmål for Giz Spørger? E-mail til os på tipbox@gizmodo.com.

Dele Denne Historie