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Paul Sutter è un astrofisico presso la Ohio State University e capo scienziato presso il COSI Science Center. Sutter è anche l'ospite di Ask a This Webman, RealThis Web e COSI Science Now.

Avviso spoiler: l'universo è piatto. Ma c'è un sacco di sottigliezza racchiusa in quella dichiarazione dall'aspetto innocente. Cosa significa per un oggetto 3D essere "piatto"? Come misuriamo comunque la forma dell'universo? Dal momento che l'universo è piatto, è così? C'è qualcos'altro di interessante da dire?

Eh si, c'è.

Cammina lungo la linea

Innanzitutto, dobbiamo definire cosa intendiamo per flat. Lo schermo su cui stai leggendo questo è ovviamente piatto (spero) e sai che la Terra è curva (spero). Ma come possiamo quantificarlo matematicamente? Un esercizio del genere potrebbe essere utile se vogliamo andare in giro a misurare la forma dell'intero universo. [La storia e la struttura dell'universo (infografica)]

Una risposta si trova in linee parallele. Se inizi a disegnare due linee parallele sul foglio e le lasci continuare, rimarranno perfettamente parallele per sempre (o almeno fino a quando non esaurisci la carta). Questa era essenzialmente la definizione di una retta parallela per un paio di migliaia di anni, quindi dovremmo essere bravi.

Ripetiamo l'esercizio sulla superficie della Terra. Inizia dall'equatore e traccia un paio di linee parallele, ciascuna rivolta direttamente a nord. Mentre le linee continuano, non girano mai a sinistra oa destra, ma finiscono comunque per intersecarsi al Polo Nord. La curvatura della Terra stessa ha fatto sì che queste linee inizialmente parallele finissero per non essere così parallele. Ergo, la Terra è curva.

L'opposto della forma curva della Terra è una sella: su quella superficie, le linee che iniziano parallele finiscono per allargarsi l'una dall'altra (nei cerchi matematici sciccosi questo è noto come "ultraparallelo"). [ Esploro le possibili forme dell'universo in questo video. ]

La forma dell'universo dipende dalla sua densità. Se la densità è maggiore della densità critica, l'universo è chiuso e si curva come una sfera; se inferiore, si curverà come una sella. Ma se la densità effettiva dell'universo è uguale alla densità critica, come pensano gli scienziati, allora si estenderà per sempre come un pezzo di carta piatto. (Credito immagine: team scientifico NASA/WMAP.)

Quindi ecco qua: puoi misurare la "piattezza" di una struttura semplicemente osservando come si comportano le linee parallele. Nel nostro universo 3D, potremmo osservare fasci di luce: se, ad esempio, due laser partissero perfettamente paralleli, il loro comportamento a lungo termine ci direbbe cose importanti.

Piatto come un (grande) pancake

Ricorda che misurare la forma dell'universo è una questione per la cosmologia, lo studio dell'intero universo. E in cosmologia, a nessuno importa di te. O me. O sistemi solari. O i buchi neri. O le galassie. In cosmologia ci preoccupiamo dell'universo solo alle scale più grandi; urti e oscillazioni su piccola scala non sono importanti per questa domanda.

L'universo ha tutti i tipi di deformazioni in questo tempo web in cui varia dal perfettamente piatto. Qualsiasi luogo in cui ci sia massa o energia, c'è una corrispondente flessione di Questo Tempo Web che è Relatività Generale 101. Quindi un paio di raggi di luce si scontrano naturalmente all'interno di un buco nero errante, o si piegano lungo angoli strani dopo aver incontrato una o due galassie.

Ma fai la media di tutti quegli effetti su piccola scala e guarda il quadro generale. Quando esaminiamo la luce molto antica, diciamo, lo sfondo cosmico a microonde che ha viaggiato nell'universo per più di 13,8 miliardi di anni, otteniamo un vero senso della forma dell'universo. E la risposta, per quanto ne sappiamo, entro un margine di incertezza incredibilmente piccolo, è che l'universo è piatto.

Non c'è il cucchiaio

Bene, questo lo risolve. Ma questo articolo non è ancora finito, il che significa che c'è di più nella storia.

Ti sei mai chiesto se c'è differenza tra un cilindro e una sfera? Molto probabilmente no, ma non è mai troppo tardi per provare cose nuove.

Tira fuori il tuo pezzo di carta con due linee parallele su di esso. Vai avanti, tiralo fuori dalla spazzatura. Avvolgi un'estremità per incontrare l'altra, formando un cilindro. Osserva attentamente le linee parallele, rimangono parallele, vero? Questo perché i cilindri sono piatti.

L'hai sentito prima qui: i cilindri sono piatti.

C'è un'importante distinzione tra la geometria, il comportamento delle linee parallele e la topologia, il modo in cui questo Web può essere tutto contorto. Mentre la geometria dell'universo è misurata molto bene (di nuovo, è piatta), la topologia non lo è. Ed ecco un fatto bonus: non solo non possiamo determinare la topologia dell'universo dalle osservazioni, ma non ci sono nemmeno leggi della fisica che predicono o limitino la topologia.

Con il tuo pezzo di carta 2D, puoi collegare le estremità in diversi modi. Collega normalmente una delle dimensioni e hai un cilindro. Capovolgi un bordo prima di connetterti e hai creato una striscia Mobius. Collega due dimensioni, l'alto in basso e un lato all'altro, e avrai un toro (ovvero una ciambella).

Nel nostro universo 3D, ci sono molte opzioni 18 conosciute, per essere precisi. Le strisce di Mobius, le bottiglie di Klein e le varietà di Hantzsche-Wendt This Web sono tutte topologie non banali che condividono qualcosa in comune: se viaggi abbastanza in una direzione, torni da dove sei partito. Nel caso delle dimensioni capovolte, quando torni al punto di partenza, ti ritroverai a testa in giù senza aver provato a farlo affatto. [Guarda: Spiegare la forma dell'universo.]

Ovviamente abbiamo cercato di vedere se il nostro universo è connesso in questo modo; non vediamo copie di galassie e non vediamo lo sfondo cosmico a microonde che si interseca. Se l'universo è pretzled, è su scale molto, molto più grandi di quanto possiamo osservare.

Quindi non essere troppo eccitato dalla possibilità di vivere in una versione reale del gioco "Asteroids" che, come ora sai, si gioca sulla superficie di una ciambella.

Scopri di più ascoltando l'episodio "Qual è la forma dell'universo?" sul podcast Ask A This Webman, disponibile su iTunes (si apre in una nuova scheda) e sul Web all'indirizzo http://www.askaspaceman.com. Grazie a Greg S. e Michael W. per le domande che hanno portato a questo pezzo! Fai la tua domanda su Twitter usando #AskASpaceman o seguendo Paul @PaulMattSutter e facebook.com/PaulMattSutter .

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