Czy wszechświat jest uważany za płaski?

Czytałem różne artykuły i książki (takie jak ten ) stwierdzające, że nie jesteśmy pewni geometrii wszechświata, ale były w toku lub planowane eksperymenty, które pomogą nam się dowiedzieć.

Ostatnio jednak obejrzałem wykład kosmologa Lawrence'a Kraussa, gdzie wydaje się kategorycznie twierdzić, że wszechświat został udowodniony jako płaski przez eksperyment BOOMERanG . Oto odpowiednia część rozmowy .

Rozejrzałem się i wciąż są artykuły stwierdzające, że wciąż nie znamy odpowiedzi na to pytanie, takie jak to .

Moje pytanie jest więc dwojakie:

1. Czy mieszam koncepcje i mówię o różnych rzeczach?
2. Jeśli nie, to czy z jakiegoś powodu dowody te nie są powszechnie akceptowane? Jaki to byłby powód?

Myślę, że powodem, dla którego cierpisz z powodu sprzecznych źródeł, jest mieszanie zarówno nowych, jak i starych, nieaktualnych informacji. Po pierwsze, cytowana książka została opublikowana w 2001 r. - 15 lat temu, a drugi artykuł, który zacytowałeś, został opublikowany w 1999 r. - 17 lat temu. W ciągu ostatnich 15 lat wykonano wiele pracy, często pod nazwą „precyzyjna kosmologia”, aby naprawdę dopracować dokładną treść, kształt, rozmiar itp. Naszego Wszechświata. Na początku 2000 roku prawie znaliśmy naukę stojącą za wszystkim (wiedzieliśmy o ciemnej materii, ciemnej energii, mieliśmy dobrze rozwinięte teorie o Wielkim Wybuchu itp.), Ale nie mieliśmy dobrych, solidnych, wiarygodnych liczb aby wprowadzić te teorie, wyjaśniając, dlaczego płaskość wszechświata wciąż była kwestionowana w waszych źródłach.

Skieruję cię do dwóch niezwykle ważnych obserwatoriów, które miały ogromne znaczenie dla osiągnięcia naszego celu, jakim jest posiadanie „dobrych liczb”. Pierwszym z nich jest sonda Wilkinson Microwave Anistropy Probe (WMAP) , wystrzelona w 2001 roku, a druga to satelita Planck , wystrzelony w 2009 roku. Obie misje zostały zaprojektowane tak, aby uważnie wpatrywać się w promieniowanie tła kosmicznej mikrofalówki (CMB) i spróbować rozwiązać problem skarbnica informacji, które można z niego uzyskać. W tym duchu możesz także natknąć się na Cosmic Background Explorer (COBE), wystrzelony w 1989 roku. Ten satelita miał podobny cel jak pozostałe dwa, ale nie był tak dokładny jak dwie późniejsze misje, aby zapewnić nam dobre liczby i ostateczne stwierdzenia na początku 2000 roku. Z tego powodu skupię się głównie na tym, co powiedzieli nam WMAP i Planck.

WMAP była niezwykle udaną misją, która patrzyła na CMB przez 9 lat i stworzyła najbardziej szczegółową i kompleksową mapę swoich czasów. Dzięki 9-letnim danym naukowcy byli w stanie naprawdę zredukować błędy obserwacyjne różnych wielkości kosmologicznych, w tym płaskości wszechświata. Możesz zobaczyć tabelę ich ostatecznych parametrów kosmologicznych tutaj . Aby uzyskać płaskość, należy dodać (gęstość materii barionowej), Ω d (gęstość ciemnej materii) i Ω Λ (gęstość ciemnej energii). Otrzymasz ogólny parametr gęstości , Ω $\Omega_b$$\Omega_d$$\Omega_\Lambda$$\Omega_0$, co mówi o płaskości naszego wszechświata. Jak zapewne wiesz z twoich źródeł, jeśli mamy wszechświat hiperboliczny, jeśli Ω 0 = 1 nasz wszechświat jest płaski, a Ω 0 > 1 implikuje sferyczny wszechświat. Z wyników WMAP wynika, że Ω 0 = 1.000 ± 0,049 (ktoś może sprawdzić moją matematykę), który jest bardzo zbliżony do jednego, co wskazuje na płaski wszechświat. O ile mi wiadomo, WMAP był pierwszym instrumentem, który zapewnił naprawdę dokładny pomiar Ω $\Omega_0 < 1$$\Omega_0 = 1$$\Omega_0 > 1$$\Omega_0 = 1.000 \pm 0.049$$\Omega_0$, co pozwala nam definitywnie powiedzieć, że nasz wszechświat wydaje się płaski. Jak mówisz, eksperyment BOOMERanG również dostarczył na to dobrych dowodów, ale nie sądzę, aby wyniki były prawie tak potężne jak WMAP.

Drugim ważnym satelitą tutaj jest Planck. Wystrzelony w 2009 roku satelita zapewnił nam najlepsze jak dotąd precyzyjne pomiary CMB. Pozwolę ci przejrzeć ich wyniki w swoich papierach , ale punktem kulminacyjnym jest to, że mierzą płaskość naszego wszechświata, aby wynosić (obliczone z tej tabeli wyników ), ponownie bardzo blisko jednego.$\Omega_0 = 0.9986 \pm 0.0314$

$\Omega_0 \simeq 1$

The basic assumptions of the cosmological principle mean that space can only have constant scalar curvature. This can be positive, negative or zero and a flat Universe is one where the curvature is zero.

The curvature of space is something that can be measured and the current value is known to be close to zero, not just from BOOMERanG, but from subsequent observations. Vanilla FLRW cosmology has difficulty explaining this and it is known as the flatness problem. However the conventional view is that cosmic inflation does a very neat job in solving this problem.

However a truly flat Universe must have a spatial curvature of exactly zero on a large scale, so to truly determine if the Universe is flat, even using a number of reasonable assumptions requires an exact measurement, which is impossible. So observation can never rule out the possibility that the Universe might have a very small positive or negative curvature.

In addition, if you slightly relax the cosmological principle from its strictest interpretation, the scalar curvature does not completely determine the topology of the Universe, opening the door to so-called exotic topologies. For example a flat Universe could have a toroidal topology and be compact (of finite spatial volume).

You ask "Am I mixing concepts and talking about different things?" I have no way of knowing whether you are or are not, but the title of your post and the first sentence are somewhat at odds. Your question "Is the Universe considered to be flat?" concerns curvature, which, by itself, does not completely determine geometry, while the statement "we are not certain about the geometry of the universe, but there were experiments on-going or planned that would help us find out" may be talking about something more general.

The first of your links is to Jeffrey Weeks' book The Shape of Space, which focuses a lot of attention on the topology of space. Table 19.1 on page 186 lists some possible topologies for the cases of positively curved, flat, and negatively curved space. The same page contains the surprising statement "When the first edition of this book appeared in 1985, many cosmologists were completely unaware of closed manifolds with flat or hyperbolic geometry." I am curious about whether that is a fair characterization.

On the preceding page of that book (page 185), the evidence, as of 2001, for a flat geometry is briefly outlined. In particular, there is the statement that "New data (coming from studies of distant supernovas and the cosmic microwave background radiation) make a strong case that the visible universe is not hyperbolic, but flat." The same page contains the question "Is the universe closed or open? In other words, is space finite or infinite?" and the answer "Put briefly, we don't know." The last two chapters of the book discuss "Cosmic crystallography" and "Circles in the sky", two proposed observational approaches to the topology of the universe.

Apparently work in the topology of the universe continues to be active. Scholarpedia contains a recent review.

Yes, it's considered to be spatially flat on the largest scales we can observe, but we must remember that scientific measurements come with uncertainties, and our models can be replaced by better ones. At the present time, we have observations that say the universe is spatially flat to within a high degree of accuracy, but there is still some wiggle room there for it to be slightly curved that we cannot rule out. Also, we can only observe the part of the universe we can see, we cannot know that the rest of the universe has the same curvature as our portion does. We have a theoretical understanding that it would be very difficult for the universe to be close to flat, without being extremely close to flat, so we expect it is extremely close to flat. But theories can be replaced and usually are, and even if the theoretical expectation continues to pass tests way into the future, we still can never know the universe is exactly flat.

But the bottom line is, we have both very good observations, and a good theory (the theory of inflation, and the fact that flatness is unstable with age under general relativity), that agree the universe on the largest scales we can observe is very close to spatially flat. Hence, we can create a model in which is it is flat, and use that model successfully. That's all you ever get in science.

Just to add to @zephyr 's answer, LISA fired 3 lasers in space to form a triangle in order to measure the flatness of space: if the sum of the 3 angles exactly equals 180 degrees, then the space is flat; deviation from 180 degrees tells you how much the space is curved and the orientation of the curvature. But if the size of the space is too small, then the angles will sum to exactly 180 degrees; this is like looking at the surface of the Earth and thinking it looks flat when it is actually round. LISA measured exactly 180 degrees, so either space is actually flat or we can constrain the curvature of space on larger scales with error-bars.

EDIT: It was LISA, not WMAP, that did the laser experiment. Thanks to @zephyr for the correction.