Ein sich unendlich wiederholendes Universum würde bedeuten, dass jemand in einer geraden Linie reisen und dorthin zurückkehren könnte, wo er begonnen hat. Bildnachweis: V. Springel et al. und die Virgo Consortium / Millennium-Simulation, herausgegeben von E. Siegel.

Könntest du in einer geraden Linie im Weltraum reisen und zur Erde zurückkehren?

Könnte sich das Universum auf sich selbst drehen und könnten Sie auf die andere Seite zurückkehren?

„Wenn Sie einmal den Flug probiert haben, werden Sie mit himmelwärts gerichteten Augen über die Erde wandeln, denn dort waren Sie und dort werden Sie lange zurückkehren.“ -Leonardo da Vinci

Damals, als die Menschen dachten, die Erde sei flach, war es beinahe ketzerisch, zu behaupten, dass das Fahren in einer geraden Linie über eine ausreichend lange Strecke Sie schließlich zu Ihrem Ausgangspunkt zurückbringen würde. Aber es ist wahr: Fahren Sie ungefähr 40.000 Kilometer in eine Richtung - über die Berge, Ozeane und jedes andere Terrain, auf das Sie gelaufen sind - und kehren Sie dorthin zurück, wo Sie begonnen haben. Man fragt sich, ob der Raum genauso sein könnte. Wenn Sie in ein Raketenschiff eingestiegen sind und lange genug schnell genug gereist sind und die Dinge nicht durch einen Zusammenstoß mit einem fernen Stern oder einer fernen Galaxie ruiniert haben, könnten Sie dann irgendwann dorthin zurückkehren, wo Sie angefangen haben?

Eine Simulation der Struktur des Universums. Wenn Sie einen Rand des Universums verlassen und durch einen anderen zurückkehren, können Sie in einem wiederkehrenden Universum leben. Bildnachweis: NASA, ESA und E. Hallman (Universität von Colorado, Boulder).

Es ist nicht so verrückt, wie es sich anhört. Wir mögen denken, dass das Universum unendlich ist und für immer in alle Richtungen weitergeht, aber die Beweise, die wir für die Größe und Form des Universums haben, sind sehr begrenzt. Zum einen sind seit dem Urknall erst 13,8 Milliarden Jahre vergangen, und so können wir nur die Menge an Raum sehen, die 13,8 Milliarden Jahre Licht durch das Universum wandern und dort, wo wir uns aufhalten, erleuchten können. Zum anderen gibt es Hunderte von Milliarden Galaxien, die in der fernen Vergangenheit umso jünger erscheinen, je weiter wir davon entfernt sind. Ist es möglich, dass einer (oder mehrere) von ihnen eine Säuglingsversion der Milchstraße ist, in der wir aufgewachsen sind? Und schließlich, könnte es der Fall sein, dass das Universum eine höherdimensionale Struktur sein könnte, genau wie die Erde zwei Dimensionen hat, in die wir uns hineinbewegen können (Nord-Süd und Ost-West, aber nicht auf und ab) Wie eine Hypersphäre oder ein Hypertorus, bei dem die verschiedenen Dimensionen geschlossen und endlich sind und sich auf sich selbst zurückbiegen?

In einem Hypertorus-Modell des Universums werden Sie durch Bewegung in einer geraden Linie an Ihren ursprünglichen Standort zurückgebracht. Bildnachweis: ESO und deviantART Benutzer InTheStarlightGarden, unter einem c.c.-by-s.a. 4.0 Lizenz.

Wenn dies der Fall wäre und Sie lange genug in einer geraden Linie fahren könnten, würden Sie genau wieder dort landen, wo Sie angefangen haben. Wenn Sie nicht älter wären, könnten Sie vielleicht sogar Ihren eigenen Hinterkopf sehen, wenn Sie nur lange genug suchen, da Ihre Augen schließlich auf das Licht stoßen würden, das von Ihrem eigenen Ursprung ausgeht. Wenn das Universum so wäre, wie würden wir es herausfinden?

Eine Simulation der großräumigen Struktur des Universums. Die Identifizierung einer Region von Galaxien in einer Richtung mit identischen Galaxien in einer anderen wäre ein Hinweis auf ein sich wiederholendes Universum. Bildnachweis: Dr. Zarija Lukic.

Der Schlüssel wäre, das Universum auf den größten Skalen zu betrachten und nach Orten zu suchen, an denen es die gleichen Eigenschaften in verschiedenen Himmelsrichtungen zu haben scheint. Ein Universum, das endlich und wiederkehrend ist, würde bedeuten, dass dieselben Strukturen im Universum immer und immer wieder auftauchen. Während es schwierig wäre, den größten Teil des Universums als wiederkehrend zu identifizieren, da die endliche Lichtgeschwindigkeit bedeutet, dass wir die gleichen Objekte in unterschiedlichen Entwicklungsstadien sehen würden (wie bei einer jüngeren Milchstraße), gibt es immer eine Menge Objekte, die an verschiedenen Orten auf der gleichen Evolutionsstufe erscheinen würden. Die großräumige Struktur des Universums zeigt keine solche Struktur, aber es gibt einen noch besseren Ort zum Schauen: den kosmischen Mikrowellenhintergrund!

Die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund, wie von Planck gesehen. Es gibt keine Hinweise auf sich wiederholende Strukturen. Bildnachweis: ESA und die Planck-Kooperation.

Die Schwankungen im übrig gebliebenen Glühen des Urknalls haben ein ganz bestimmtes Muster, sie weisen jedoch auch eine zufällige Verteilung dieses bestimmten Musters auf. Viele Algorithmen wurden programmiert, um nach sich wiederholenden, nicht zufälligen Signalen oder nach Korrelationen zwischen den Fluktuationen auf verschiedenen Teilen des Himmels zu suchen. Wenn das Universum endlich und geschlossen wäre - wenn Teile davon an anderen Orten wiederholt würden -, wäre es im kosmischen Mikrowellenhintergrund aufgetaucht.

Eine Visualisierung eines 3-Torus-Modells des Raums, in dem unser beobachtbares Universum nur einen kleinen Teil der Gesamtstruktur darstellen könnte. Bildnachweis: Bryan Brandenburg, unter c.c.a.-s.a.-3.0.

Das Fehlen einer solchen nachweisbaren, sich wiederholenden Struktur bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass das Universum nicht über diese Art von Topologie verfügt. Es bedeutet nur, dass wenn sich das Universum wiederholt, wenn es eine geschlossene Hyperfläche ist und wenn wir theoretisch an der gleichen Stelle wieder auftauchen könnten, nachdem wir lange genug in einer geraden Linie gereist sind, dies auf einer Skala geschieht, die größer als das Teil ist wir können beobachten. Angesichts der Tatsache, dass wir uns auf die Reichweite von Licht in 13,8 Milliarden Jahren beschränken, gibt es noch viel Raum dafür.

Aber da ist ein Fang.

Egal, wie technologisch fortgeschritten Sie sich eines Tages einen Menschen vorstellen, solange wir durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sind, werden wir nie herausfinden können, ob das Universum wirklich so ist. Dank der dunklen Energie und der beschleunigten Expansion des Universums ist es physisch unmöglich, den Rand des heutigen beobachtbaren Universums zu erreichen. wir können maximal ein Drittel des Weges dorthin schaffen. Ohne eine Wiederholung des Universums auf einer Skala von weniger als 15 Milliarden Lichtjahren Durchmesser hätten wir keine Möglichkeit, jemals auf einer geraden Linie zu unserem ursprünglichen Ausgangspunkt zurückzukehren.

Die Größe unseres sichtbaren Universums (gelb), zusammen mit der Menge, die wir erreichen können (magenta). Bildnachweis: E. Siegel, basierend auf der Arbeit der Wikimedia Commons-Benutzer Azcolvin 429 und Frédéric MICHEL.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass das Universum nicht geschlossen, endlich und in sich selbst gefaltet werden kann, wie dies bei einer Hypersphäre oder einem Drei-Torus der Fall ist. Es bedeutet nur, dass die Expansion des Universums - so beschleunigt es ist - es uns verbietet, jemals eine einzige „Umrundung“ des Universums zu vollenden und zu unserem Ursprung zurückzukehren. Aufgrund der Kombination von:

  • das endliche Alter des Universums,
  • die endliche Lichtgeschwindigkeit,
  • die Expansion des Universums und
  • die Anwesenheit von dunkler Energie,

Wir werden vielleicht nie wissen können, ob unser Universum unendlich ist oder nicht und wie seine wahre Topologie aussieht.

Das Auftreten von Fluktuationen unterschiedlicher Winkelgröße in der CMB führt zu unterschiedlichen räumlichen Krümmungsszenarien. Bildnachweis: die Smoot-Gruppe bei Lawrence Berkeley Labs, über http://aether.lbl.gov/universe_shape.html.

Alles, was wir sehen können, ist der Teil, auf den wir zugreifen können, wodurch wir die Topologie einschränken können. Soweit wir das beurteilen können, ist es flach, nicht wiederholend und möglicherweise (aber nicht unbedingt) unendlich. Vielleicht werden wir im Laufe der Zeit und mit zunehmender Offenbarung des Universums oder mit zunehmender Genauigkeit unserer Krümmungsmessungen eine Abweichung von dem feststellen, was wir bisher festgestellt haben. Obwohl wir durch das, was wir beobachten können, begrenzt sind, könnte die Möglichkeit eines Universums, das sich von dem, was wir bisher geschlossen haben, stark unterscheidet, direkt hinter dem kosmischen Horizont liegen.

Dieser Beitrag erschien zum ersten Mal bei Forbes und wird Ihnen von unseren Patreon-Unterstützern werbefrei zur Verfügung gestellt. Kommentieren Sie unser Forum und kaufen Sie unser erstes Buch: Beyond The Galaxy!