Espacio sin fin. ¿Cuántos universos hay? ¿El espacio tiene un borde?

Quizás las limitaciones de lo que podemos observar son simplemente artificiales; quizás no haya límite para lo que está al otro lado de lo observado.

Hace 13.800 millones de años, el universo comenzó con el Big Bang. Desde entonces, se ha ido expandiendo y enfriando, así que fue ayer, hoy y será mañana. Desde nuestro punto de vista, podemos observarlo a 46 mil millones de años luz en todas direcciones, gracias a la velocidad de la luz y la expansión del espacio. Aunque se trata de una distancia larga, es finita. Pero esto es solo una parte de lo que nos ofrece el Universo. ¿Qué hay detrás de esta parte? ¿Podría el universo ser infinito?

¿Cómo podría probarse esto empíricamente?

Primero, lo que vemos nos dice más de 46 mil millones de años luz.

Cuanto más miramos en cualquier dirección, más atrás miramos en el tiempo. La galaxia más cercana, a 2,5 millones de años luz de distancia, nos parece como era hace 2,5 millones de años, ya que la luz tarda exactamente este tiempo en llegar a nuestros ojos desde el lugar donde se emitió. Vemos las galaxias más distantes como eran hace millones, cientos de millones o incluso miles de millones de años. Vemos la luz del universo joven. Entonces, si buscamos la luz que fue emitida hace 13.8 mil millones de años, dejada por el Big Bang, también encontramos eso: el fondo cósmico de microondas.

Su imagen de las fluctuaciones es increíblemente compleja, con diferentes escalas angulares que muestran diferentes diferencias en las temperaturas medias. También codifica una cantidad increíble de información sobre el universo, incluido un hecho asombroso: la curvatura del espacio, por lo que sabemos, es absolutamente plana. Si el espacio tuviera una curva positiva, si viviéramos en la superficie de una esfera de cuatro dimensiones, veríamos cómo convergen estos distantes rayos de luz. Si el espacio estuviera curvado negativamente, como si viviéramos en una silla de cuatro dimensiones, veríamos los rayos distantes de luz divergir. Pero no, los rayos de luz que vienen de lejos continúan moviéndose en la dirección original y las fluctuaciones hablan de un plano ideal.

El fondo cósmico de microondas y la estructura a gran escala del Universo, combinados, nos permiten concluir que si el Universo es finito y autónomo, debe ser al menos 250 veces más grande de lo que observamos. Y como vivimos en tres dimensiones, obtenemos (250) 3 como volumen, o multiplicamos el espacio 15 millones de veces. Por grande que sea este número, no es infinito. Según la estimación más conservadora, el universo debería tener al menos 11 billones de años luz en todas las direcciones. Y eso es mucho, pero ... por supuesto.

Sin embargo, hay razones para creer que es más grande. El Big Bang podría marcar el comienzo del universo observable tal como lo conocemos, pero no marca el nacimiento del tiempo y el espacio como tal. Antes del Big Bang, el universo atravesaba un período de inflación cósmica. No estaba lleno de materia y radiación, y no estaba caliente. Ella:

• estaba lleno de energía inherente al espacio mismo;
• expandido en un orden exponencial constante;
• creó un nuevo espacio tan rápidamente que la longitud física más pequeña, la longitud de Planck, se extendía hasta el tamaño del universo observado hoy cada 10-32 segundos.

Es cierto que la inflación se acabó en nuestra región del Universo. Pero hay varias preguntas a las que aún no conocemos la respuesta, que pueden determinar el verdadero tamaño del universo, así como si es infinito o no.

¿Qué tamaño tenía la región del universo después de la inflación, en la que nació nuestro Big Bang?

Si observamos nuestro Universo hoy, el resplandor uniforme del Big Bang y el plano del Universo, no hay mucho que podamos extraer. Podemos definir el límite más alto de la escala energética en el que se ha producido la inflación; podemos determinar qué parte del universo ha sufrido inflación; podemos definir un límite inferior para cuánto tiempo debería haber continuado la inflación. Pero el bolsillo del universo inflacionario en el que nació el nuestro podría ser mucho, mucho más grande que el resultado final. Puede ser cientos, millones o googols veces más grande de lo que podemos observar ... o verdaderamente infinito. Pero hasta que podamos observar mas universo de la que tenemos actualmente disponible, no recibiremos suficiente información para responder esta pregunta.

¿Es cierta la idea de "inflación eterna"?

Si cree que la inflación debería ser un campo cuántico, entonces, en cualquier momento durante esta fase de expansión exponencial, existe la posibilidad de que la inflación termine en un Big Bang y la probabilidad de que la inflación continúe, creando cada vez más espacio. Podemos hacer fácilmente estos cálculos (con algunas suposiciones) y nos llevarán a la conclusión inevitable: si desea una inflación que produzca el Universo que observamos, entonces la inflación siempre creará más espacio, que continúa expandiéndose, en comparación con las regiones que tienen ya terminó en Grandes Explosiones. Y si nuestro universo observable podría haber surgido como resultado del fin de la inflación en nuestra región del espacio hace unos 13.800 millones de años, hay regiones en las que la inflación continúa, creando cada vez más espacio y dando origen a Big Bangs, hasta el día de hoy. . Esta idea se llama "inflación eterna" y es generalmente aceptada por la comunidad de físicos teóricos. ¿Y entonces qué tan grande es todo el universo inobservable?

¿Cuánto duró la inflación hasta su fin y el Big Bang?

Solo podemos ver el universo observable creado al final de la inflación y nuestro Big Bang. Sabemos que esta inflación debería haber durado al menos 10-32 segundos más o menos, pero podría haber sido más larga. Pero cuanto mas? ¿Por segundos? ¿Años? ¿Miles de millones de años? ¿O infinitamente? ¿El universo siempre ha sido inflacionario? ¿Tuvo un comienzo? ¿Surgió de un estado anterior que era eterno? ¿O quizás todo el espacio y el tiempo surgieron de la "nada" hace algún tiempo? Hay muchas posibilidades, pero todas ellas no son verificables ni probables a estas alturas.

Según nuestras mejores observaciones, sabemos que el universo es mucho, mucho mas grande que eso la parte que tenemos la suerte de observar. Fuera de lo que vemos, hay mucho más del Universo, con las mismas leyes de la física, con las mismas estructuras (estrellas, galaxias, cúmulos, filamentos, vacíos, etc.) y con las mismas posibilidades de desarrollo de vida compleja. . También debería haber tamaños finitos de "burbujas" en las que termina la inflación, y una cantidad gigantesca de tales burbujas encerradas en un espacio-tiempo gigantesco que se hincha durante la inflación. Pero hay un límite para los números grandes, no son infinitos. Y solo si la inflación no ha continuado durante un tiempo infinitamente largo, el universo debe ser finito.

El problema con todo esto es que solo sabemos cómo acceder a la información disponible en nuestro universo observable: a esos 46 mil millones de años luz en todas las direcciones. La respuesta a la pregunta más importante de todas, si el universo es finito o infinito, puede estar codificada en el universo mismo, pero estamos demasiado atados para saberlo. Desafortunadamente, la física que tenemos no nos da otras opciones.

V La vida cotidiana el hombre a menudo tiene que lidiar con cantidades finitas. Por tanto, puede resultar muy difícil visualizar un infinito ilimitado. Este concepto está envuelto en un aura de misterio e inusual, mezclado con asombro por el Universo, cuyos límites son casi imposibles de definir.

La infinidad espacial del mundo pertenece a los problemas científicos más complejos y controvertidos. Los antiguos filósofos y astrónomos intentaron resolver esta cuestión mediante las más simples construcciones lógicas. Para ello, bastaba con admitir que era posible llegar al supuesto borde del universo. Pero si estira la mano en este momento, el borde retrocede un poco. Esta operación se puede repetir en innumerables ocasiones, lo que prueba el infinito del universo.

El infinito del universo es difícil de imaginar, pero no menos difícil de lo que podría parecer un mundo limitado. Incluso aquellos que no están muy avanzados en el estudio de la cosmología, en este caso, surge una pregunta natural: ¿qué hay más allá de los límites del Universo? Sin embargo, tal razonamiento, basado en el sentido común y la experiencia cotidiana, no puede servir como base sólida para conclusiones científicas rigurosas.

Conceptos modernos del infinito del universo.

Los científicos modernos, explorando múltiples paradojas cosmológicas, han llegado a la conclusión de que la existencia de un universo finito, en principio, contradice las leyes de la física. El mundo fuera del planeta Tierra, aparentemente, no tiene fronteras ni en el espacio ni en el tiempo. En este sentido, el infinito asume que ni la cantidad de materia contenida en el Universo, ni sus dimensiones geométricas pueden expresarse ni siquiera por el número más grande ("Evolución del Universo", ID Novikov, 1983).

Incluso si tenemos en cuenta la hipótesis de que el Universo se formó hace unos 14 mil millones de años como resultado del llamado Big Bang, esto bien puede significar solo que en esos tiempos extremadamente lejanos el mundo pasó por otra etapa de transformación natural. En general, el Universo infinito nunca ha aparecido durante el impulso inicial o desarrollo inexplicable de algún objeto intangible. La asunción de un universo infinito pone fin a la hipótesis de la creación Divina del mundo.

En 2014, los astrónomos estadounidenses publicaron los resultados de los estudios más recientes que apoyan la hipótesis de la existencia de un universo infinito y plano. Con gran precisión, los científicos han medido la distancia entre galaxias ubicadas a una distancia de varios miles de millones de años luz entre sí. Resultó que estos colosales espacios cúmulos de estrellas dispuestas en círculos con un radio constante. El modelo cosmológico construido por los investigadores demuestra indirectamente que el Universo es infinito tanto en el espacio como en el tiempo.

Al estudiar el Universo y su estructura, a menudo surge la pregunta de si tiene un fin o es infinito. El concepto de infinito es uno de los más interesantes de la ciencia, ya que se relaciona con el campo de lo misterioso e inusual. De hecho, es imposible imaginar el infinito, porque este concepto no tiene claridad, pero no es en absoluto una construcción matemática inventada, sino que se usa en la ciencia para resolver muchos problemas.

Los astrónomos y físicos están más interesados ​​en estudiar el infinito, ya que tienen que lidiar con el espacio del Universo y la geometría del mundo circundante. El estudio del infinito del universo y el espacio se inició en la antigüedad. Los grandes filósofos ofrecieron un razonamiento simple y aparentemente irrefutable que, a primera vista, no contradecía la lógica.

Entonces, Lucretius Kar en el poema "Sobre la naturaleza de las cosas" escribió: "No hay fin en ninguno de los lados del Universo, porque de lo contrario ciertamente tendría una ventaja". Demasiados a los científicos Desde entonces, era más fácil imaginar que el Universo no tiene fin y se extiende por un tiempo infinitamente largo en todas las direcciones que el hecho de que tiene ciertos límites, porque entonces sería necesario buscar una respuesta a la pregunta de qué hay. más allá de estos límites.

Sin embargo, el razonamiento de Lucrecio y sus partidarios se basó principalmente en la lógica y las ideas habituales sobre el espacio terrestre, y en mundo moderno no se considera razonable confiar en esto al estudiar el problema del infinito en la escala del Universo. En este caso, uno debe estudiar las propiedades reales del mundo y sacar conclusiones sobre su base.

Durante el Renacimiento, Copérnico desarrolló un modelo heliocéntrico del mundo, según el cual el Sol estaba en el centro del Universo y la Tierra y otros planetas giraban a su alrededor. Según el científico, el universo estaba limitado por una esfera de estrellas fijas. Creía que todos los cuerpos celestes giran alrededor del Sol a la misma velocidad, haciendo una revolución por día. En consecuencia, cuanto mayor es la distancia del Sol a cuerpo celestial, entonces alta velocidad llamamientos de este último.

Por lo tanto, si hay estrellas ubicadas en el infinito largas distancias del Sol, entonces deben poseer infinitamente alta velocidad, lo cual es imposible. De esto se sigue que el Universo tiene un fin, es decir, está encerrado en la esfera de las estrellas. Para los contemporáneos de Copérnico, tal prueba parecía irrefutable, porque entonces aún no sabían que el Sol no es el centro del Universo, sino el centro del Sistema Solar.

El científico italiano Giordano Bruno fue el primero en cuestionar las conclusiones de Copérnico. Fue el primero en sugerir la idea de un universo infinito. En su razonamiento, el científico se basó en puntos de vista filosóficos en lugar de la investigación física o astronómica.

Isaac Newton fue el primero en intentar dar una explicación científica natural del infinito del Universo y en las leyes de la mecánica que desarrolló. De acuerdo con sus disposiciones, si las partículas materiales se atraen entre sí, con el tiempo deberían dispersarse en un espacio infinito. Por lo tanto, no puede haber un Universo finito inmutable. Durante mucho tiempo se creyó que la respuesta a la pregunta del infinito del Universo se recibió y se considera definitiva, pero la opinión resultó ser errónea. Siempre se ha creído que a la pregunta de si el Universo tiene un límite, solo debería haber dos respuestas: "sí" o no ". Y solo más tarde resultó que puede haber varios tipos de infinito. Por ejemplo, en matemáticas hay una infinidad de series números naturales e infinito de todos los puntos ubicados en un segmento de línea.

También pueden existir diferentes infinitos en geometría. Por ejemplo, existen conceptos como el infinito y la ilimitación del espacio, que no son idénticos entre sí. Espacio ilimitado es aquel que no tiene fronteras, pero con eso está cerrado en sí mismo, o por supuesto. Un ejemplo de tal espacio es una esfera. El área de una esfera tiene un valor finito, pero es imposible llegar a su borde, por lo que se considera ilimitada. El ejemplo de la esfera sirve como ejemplo de que el espacio puede tener un volumen finito, pero no tiene límites.

En la ciencia moderna, nadie duda de que el espacio del Universo es ilimitado, es decir, es imposible llegar a la frontera del universo. Pero la cuestión de su infinitud o finitud sigue abierta. Para encontrar la respuesta, los científicos estudian la geometría del mundo y tratan de averiguar la ubicación de la materia en el Universo. Con la ayuda de cálculos teóricos, se mide la densidad crítica de la materia en el Universo. Entonces, se calcula que 1/100000 de la masa del protón cae en 13 cm de espacio. Basado en la teoría de la relatividad, los científicos dicen que el espacio mundial tiene un final si densidad media la materia en el Universo es más crítica. Por el contrario, el Universo tiene un volumen infinito si la densidad de la materia en él está por debajo del valor crítico.

La cosmología, una rama especial de la astronomía, se ocupa del origen, la evolución y las propiedades del Universo. Se basa en ciencias como la física, las matemáticas, la astronomía, así como en la teología y la filosofía.

Con base en esta conclusión, muchos investigadores han creado varias versiones para calcular la densidad promedio de materia en el mundo. Algunos, basándose en sus cálculos, han llegado a la conclusión de que el universo es finito y han intentado calcular su radio. Sin embargo, tales cálculos no pueden responder a la pregunta sobre el infinito del Universo y hablar sobre sus propiedades geométricas.

La relatividad general proporciona un criterio físico sobre cuya base se pueden hacer conjeturas sobre la curvatura del espacio, pero sobre tamaño físico Esta curvatura puede juzgarse, muy probablemente, solo sobre la base de observaciones que indiquen que la densidad promedio de materia en el mundo es aproximadamente igual a la crítica.

Todo esto habla a favor del hecho de que ciencia moderna aún no está listo para dar una respuesta inequívoca a la cuestión de la finitud y la infinidad del Universo y para preferir una de estas probabilidades.

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El infinito como concepto es el colmo de la abstracción. A este respecto, solo la velocidad de la luz o un agujero negro pueden competir con ella. Para domesticar la idea del infinito, los matemáticos durante siglos han ideado signos, imágenes e historias que reconcilian nuestra mente con lo imposible de imaginar.

1. El signo del infinito

Quizás cuando se le ocurrió el signo del infinito, Wallis tomó como base el símbolo del número 1000, escrito en números romanos (CIƆ o CƆ), que los romanos solían usar para denotar innumerables objetos. Según otra versión, el símbolo de infinito se refiere a omega (Ω o ω), la última letra del alfabeto griego.

El concepto de infinito se propuso mucho antes de que a Wallis se le ocurriera un símbolo. Por ejemplo, el antiguo filósofo griego Anaximandro introdujo el concepto de "apeiron", que significaba una especie de sustancia primordial infinita.

2. Las aporías de Zenón

Una de las aporías más famosas del antiguo filósofo griego Zenón se llama "Aquiles y la tortuga": la tortuga invita a Aquiles a correr una carrera, con la condición de que comience a moverse un poco antes.

La tortuga confía en su victoria, porque en el momento en que Aquiles llega al punto de partida de la tortuga, ya se arrastrará un poco más, aumentando nuevamente la distancia entre ellos.

Por lo tanto, a pesar de que la distancia se reducirá, Aquiles nunca alcanzará a la tortuga. Esta paradoja se puede explicar de otra forma. Imagina que estás cruzando la habitación, cubriendo la mitad de la distancia restante con cada paso. Primero, su paso será la mitad de la distancia total, luego un cuarto, luego 1/8, 1/16, etc. Aunque con cada siguiente paso te acercarás a la pared opuesta de la habitación, es imposible llegar al final: tendrás que dar una cantidad infinita de pasos.

3. Número Pi

Otro ejemplo de infinito es π: los matemáticos usan un símbolo especial porque consta de un número infinito de dígitos. La mayoría de las veces se abrevia a 3,14 o 3,14159, pero no importa cuántos lugares decimales haya, es completamente imposible escribir este número.

4. El teorema del mono infinito

Este teorema establece que si un mono abstracto pulsa las teclas de una máquina de escribir durante un tiempo infinitamente largo, tarde o temprano imprimirá Hamlet de Shakespeare. Si bien algunos ven este teorema como una confirmación de que todo es posible, los matemáticos generalmente lo usan como un ejemplo de un evento de muy baja probabilidad.

5. Fractales

Fractal es abstracto objeto matemático, utilizado, entre otras cosas, para la representación de fenómenos de origen natural. En matemáticas, este es un conjunto que tiene la propiedad de auto-semejanza: sus partes son similares al todo. Visualmente, tal objeto es una figura, donde el mismo motivo se repite en una escala decreciente sucesivamente. Por lo tanto, la imagen de un fractal se puede ampliar infinitamente: cuando se aumenta la escala, aparecen todos los detalles nuevos.

Escrito como una ecuación matemática, la mayoría de los fractales son funciones no diferenciables.

6. Dimensiones del infinito

Aunque el infinito no tiene fronteras, puede ser de diferentes tamaños. Positivo y números negativos son dos conjuntos infinitos de igual tamaño. Sin embargo, ¿qué sucede si agrega estos dos conjuntos? Terminarás con algo dos veces más grande que cada uno de ellos.

Los números pares se pueden considerar de manera similar: este también es un conjunto infinito, pero tiene la mitad del tamaño del conjunto de todos los números positivos.

Además, puede intentar sumar uno al infinito y asegurarse de que el número ∞ + 1 siempre sea mayor que ∞.

7. Cosmología e infinito

Los cosmólogos continúan estudiando el universo y reflexionando sobre el concepto de infinito. ¿Es el espacio infinito? Todavía no hay respuesta a esta pregunta. Incluso si nuestro universo físico es finito, existe la posibilidad de que sea solo un universo entre muchos.

8. División por cero

Sabemos por la escuela que la división por cero es una técnica aritméticamente prohibida. El número 1 dividido por 0 no se puede determinar: cualquier calculadora dará un código de error. Sin embargo, según otra teoría, 1/0 es una forma perfectamente válida de infinito.

En cuanto a los límites del espacio y la infinidad del universo, me atreveré a referirme a una de mis respuestas anteriores.

En cuanto a la parte visible del universo, allí es un poco más complicado. Debido a la expansión del universo, la luz de aquellas partes que vuelan lejos de nosotros velocidad más rápida la luz nunca nos alcanzará. Sin embargo, la luz de aquellos objetos que ya están más allá de este límite nos llega, todavía nos llega, pero con una longitud de onda desplazada, una de las manifestaciones del efecto Doppler. Leer más aquí.

Si ahora hablamos de lo que está más allá de los límites de la parte visible del universo, entonces hablando en términos generales, "ahora" es más probable que en general exista el mismo universo que la parte que nos rodea. Más precisamente, en los terimins teoría especial relatividad, si vamos a algún punto distante del universo a una velocidad subluz, entonces, en el momento de nuestra llegada, según nuestro reloj, el universo en este punto aparentemente se parecerá al nuestro en términos generales.

Finalmente, el mismo efecto de corrimiento al rojo, debido al cual la luz nos llega desde los extremos lejanos del universo visible con una longitud de onda más larga, y por lo tanto, en su mayor parte, ya no es visible para nuestro ojo, y nos permite concluir que el el universo se está expandiendo. Es debido a la expansión que el cielo se ve oscuro por la noche; en un universo finito infinito o grande, debería aparecer casi uniformemente claro.

Las razones de la expansión del universo aún no están claras, hasta el momento se ha introducido en la física el concepto de "energía oscura", por lo que el universo se está expandiendo. Su naturaleza aún no está clara, aún no es posible observar directamente a sus portadores, por eso este objeto hipotético se llama energía "oscura".

Aún así, no es del todo exacto, la esfera de Hubble aún no es un horizonte de eventos, y la luz de los objetos que se alejan más rápido que la velocidad de la luz precisamente debido a la aceleración de la expansión del universo alguna vez entrará en la esfera de Hubble. y llega hasta nosotros. Con un horizonte de eventos (no partículas), es más complicado, podemos ver la luz de ciertos objetos y la veremos en el futuro, pero no veremos cómo, por ejemplo, esas estrellas se apagarán (aunque ya se hayan extinguido). ), en general, los eventos son posteriores a una determinada fecha / hora.