Heeft De Ruimte Een Vorm?

{h1}

Heeft de ruimte een vorm? Er is geen manier om het te weten, hoewel er veel theorieën bestaan. Ontdek enkele voorgestelde antwoorden op de vraag heeft de ruimte een vorm?

Eeuwen geleden keken menselijke wezens omhoog naar de nachtelijke hemel en dachten ze dat een zwarte bol de aarde omhulde. Ze geloofden dat de sterren eenvoudigweg lichtpuntjes waren. De zon, maan en andere planeten cirkelden rond de aarde in een regelmatig, perfect patroon. In hun gedachten was het universum klein, gecentreerd op aarde en georganiseerd in perfecte sferen.

-Scien-tisten zoals Copernicus en Galileo ontdekten gebreken in deze filosofie. Het duurde meer dan een eeuw na de ontdekkingen van Galileo dat de wereld zou accepteren dat de aarde niet het centrum van het universum was. Naarmate de tijd verstreek, begonnen we meer te leren over het universum. Vandaag bestuderen we de kosmos door middel van geavanceerde telescopen, satellieten en sondes.

Nu hebben we beelden van sterrenstelsels die miljoenen lichtjaren verwijderd zijn van de aarde. Wetenschappers bestuderen regelmatig verre sterren. Ze hebben zelfs planeten in zonnestelsels ontdekt die ver boven de onze liggen.

Maar hoe zit het met de grote foto? Wat weten we over het universum als geheel? Is het aan het uitbreiden? Is het oneindig? Als het niet oneindig is, wat ligt dan buiten de grens van de ruimte? En hoe ziet de ruimte er precies uit?

Deze vragen vallen onder de categorie kosmologie, de studie van het universum. Mensen hebben veel verschillende benaderingen geprobeerd om het universum te bestuderen. Sommige concentreren zich op wiskunde. Anderen gaven de voorkeur aan het gebruik van natuurkunde. En nogal wat namen een filosofische benadering.

Er is geen consensus onder kosmologen over hoe de ruimte eruit ziet, maar er zijn veel theorieën. Een deel van de uitdaging om ruimte te beschrijven, is dat het heel moeilijk te visualiseren is. We zijn gewend te denken aan locaties in twee dimensies. U kunt bijvoorbeeld uw locatie op een kaart bepalen met behulp van lengtegraad en breedtegraad. Maar ruimte heeft vier dimensies. U moet niet alleen diepte toevoegen aan de afmetingen van lengte en breedte, u moet ook toevoegen tijd. In feite verwijzen veel kosmologen naar deze verzameling dimensies als ruimte tijd.

-

Wat zijn enkele van de belangrijkste theorieën die ons kunnen helpen de vorm van de ruimte te bepalen? Lees verder om erachter te komen.

Voor de oerknal?

Wat gebeurde er vóór de oerknal? Het is onmogelijk om te zeggen. Wetenschappers theoretiseren dat als je eenmaal de materie van het universum hebt samengeperst tot een singulariteit (een punt zonder volume maar oneindige dichtheid), wetenschappelijke wetten niet langer van toepassing kunnen zijn. Omdat de wetten van de fysica niet kunnen slagen, is er geen manier om te weten wat er, als er iets was, vóór de oerknal kwam. De wetenschap kan de vraag niet beantwoorden.

The Big Bang, Gravity en General Relativity

Het spiraalvormige stelsel M100, zoals gezien door de Hubble-telescoop.

Het spiraalvormige stelsel M100, zoals gezien door de Hubble-telescoop.

Drie theorieën die een rol spelen bij het begrijpen van de vorm van het universum zijn de oerknal, de theorie van de zwaartekracht en Einstein's theorie van algemene relativiteit. Kosmologen beschouwen al deze theorieën bij het vormen van hypothesen over de vorm van de ruimte. Maar wat proberen deze theorieën precies uit te leggen?

De oerknaltheorie is een poging om het begin van het universum te beschrijven. Door observatie en analyse bepaalden astronomen dat het universum uitdijt. Ze hebben ook licht ontdekt en bestudeerd dat miljarden jaren geleden ontstond toen het universum heel jong was. Ze theoretiseerden dat op een bepaald moment alle materie en energie in het universum op een ongelooflijk klein punt was vervat. Toen breidde het universum zich plotseling uit. Materie en energie explodeerden naar buiten bij miljoenen lichtjaren per fractie van een seconde. Deze werden de bouwstenen voor het universum zoals wij het kennen.

De theorie van de zwaartekracht stelt dat elk deeltje materie een aantrekking heeft tot elk ander deeltje materie. Specifiek zullen deeltjes elkaar aantrekken met een kracht die evenredig is met hun massa en omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand daartussen. De vergelijking ziet er zo uit:

F = GMm / r2.

F is de kracht van aantrekkingskracht. De M en m vertegenwoordigen de massa's van de twee objecten in kwestie. De r2 is de afstand tussen de twee objecten in het kwadraat. Dus wat is de G? Het is de zwaartekrachtsconstante. Het vertegenwoordigt de constante proportionaliteit tussen twee objecten, ongeacht hun massa. De zwaartekrachtsconstante is 6.672 x 10-11 N m2 kg-2 [bron: World of Physics]. Dat is een heel klein aantal, en het verklaart waarom objecten niet altijd aan elkaar blijven plakken. Het neemt voorwerpen van grote massa om iets anders te hebben dan een verwaarloosbaar zwaartekrachteffect op andere objecten.

Als de oerknaltheorie waar is, dan moet er toen het universum begon er een enorme uitbarsting van energie zijn geweest om de materie tot dusver zo snel te duwen. Het moest de aantrekkingskracht van alle materie in het universum overwinnen. Wat kosmologen nu proberen vast te stellen, is hoeveel materie eigenlijk in het universum is. Met voldoende materie zal de aantrekking van de zwaartekracht geleidelijk afnemen en vervolgens de expansie van het universum omkeren. Uiteindelijk zou het universum in een andere singulariteit kunnen krimpen. Dit wordt het grote crisis. Maar als er niet genoeg materie is, zal de aantrekkingskracht niet sterk genoeg zijn om de expansie van het universum te stoppen, en het zal oneindig groeien.

Hoe zit het met de relativiteitstheorie? Naast het verklaren van de relatie tussen energie en materie, leidt het ook tot de conclusie dat ruimte is gebogen. Objecten in de ruimte bewegen in elliptische banen, niet vanwege de zwaartekracht, maar omdat de ruimte zelf gebogen is en daarom een ​​rechte lijn eigenlijk een lus is.In de geometrie is een rechte lijn op een gebogen oppervlak een geodetische.

De drie hierboven beschreven theorieën vormen de basis van de verschillende theorieën over wat de vorm van ruimte eigenlijk is. Maar er is geen echte consensus over welke vorm de juiste is.

Wat zijn de theoretische vormen van de ruimte, en waarom weten we niet welke de juiste is? Ontdek het volgende gedeelte.

eigenaardigheid

Algemene relativiteit suggereert dat vlak voor de oerknal een punt zonder volume en oneindige dichtheid alle materie van het universum bevatte. Dit fenomeen wordt a genoemd eigenaardigheid. Materie die een zwart gat binnengaat, gaat ook een singulariteit binnen wanneer het volume tot nul vermindert en de dichtheid ervan toeneemt tot oneindig [bron: Hawking].

The Shapes of Space

In deze illustratie ziet u de drie verschillende krommingsmodellen die de ruimte kan hebben - geen kromming, positieve kromming en negatieve kromming.

In deze illustratie ziet u de drie verschillende krommingsmodellen die de ruimte kan hebben - geen kromming, positieve kromming en negatieve kromming.

De drie belangrijkste modellen van het universum zijn gebaseerd op kromming: nul kromming, positieve kromming en negatieve kromming.

Een nul-kromming zou betekenen dat het universum een ​​is vlak of Euclidisch universum (Euclidische geometrie houdt zich bezig met niet-gebogen oppervlakken). Stel je de ruimte voor als een tweedimensionale structuur - een Euclidisch universum zou eruitzien als een plat vlak. Parallelle lijnen zijn alleen mogelijk op een plat vlak. In een vlak universum is er net voldoende materie, zodat het universum oneindig uitdijt zonder om te keren tot een instorting, hoewel de snelheid van uitzetting in de loop van de tijd afneemt.

Als het universum een ​​positieve kromming heeft, is het a gesloten universum. Een tweedimensionaal model van een dergelijk universum zou eruitzien als een bol. Het is onmogelijk om parallelle geodesics te hebben (rechte lijnen op een gebogen oppervlak) - de twee lijnen kruisen elkaar op een gegeven moment. In een gesloten universum is er voldoende ruimte om de expansie om te keren. Uiteindelijk zal zo'n universum instorten. Een gesloten universum is een eindig universum - het zal alleen naar een bepaalde grootte uitzetten voordat het instort.

Negatieve kromming is een beetje lastiger om te visualiseren. De meest voorkomende beschrijving is een zadel. In een negatief krommingsmodel zullen twee lijnen die evenwijdig zijn op een vlak vlak zich van elkaar uitstrekken. Kosmologen noemen negatieve krommingsmodellen van het universum open universums. In deze universums is er niet voldoende materie om de expansie om te keren of te vertragen, en zo blijft het universum zich oneindig uitbreiden.

Betekent dit dat ruimte de vorm heeft van een plat vlak, een bol of een zadel? Niet noodzakelijk. Onthoud dat ruimte-tijd wordt gemeten in vier dimensies, wat het nut van tweedimensionale voorbeelden vermindert. En er zijn veel concurrerende theorieën over wat de uiteindelijke vorm van het universum eigenlijk is.

Een mogelijke vorm is de drietal torus. Op het eerste gezicht lijkt de drievoudige torus een gewone kubus te zijn. Maar elk vlak van de kubus is gelijmde naar het gezicht aan de andere kant. Stel je voor dat je in een ruimteschip zit dat in een grote kubus vliegt. Je gaat naar de bovenkant van de kubus. Je zou jezelf niet plat slaan als je eenmaal contact hebt gemaakt. In plaats daarvan zou je verschijnen op een corresponderende plek aan de onderkant van de kubus. Met andere woorden, je bent door de top omhooggegaan en bent via de bodem weer binnengekomen. Als je ver genoeg in een willekeurige richting zou hebben gereisd, zou je uiteindelijk terugkeren naar waar je begon. Dit is niet zo vreemd van een concept, want als je op aarde reist in een rechte lijn, kom je uiteindelijk terug naar je startpunt. Je zult gewoon erg moe zijn.

Heeft de ruimte een vorm?: vorm

Een andere vorm is de Poincaré dodecaëder bolvorm. Een dodecaëder is een 12-zijdig voorwerp. De Poincaré-variant heeft oppervlakken die iets naar buiten buigen. Het raadsel is dat de geprojecteerde grootte van dit universum kleiner is dan het gebied dat we daadwerkelijk kunnen waarnemen. Met andere woorden, onze zichtbaarheid overschrijdt de grenzen van het universum. Geen probleem, zeggen de kosmologen. Wanneer je naar een verre melkweg kijkt die buiten de grenzen van de ruimte lijkt te liggen, ervaar je in feite het wrap-around effect dat hierboven is beschreven. Het sterrenstelsel in kwestie zou echt achter je staan, maar je kijkt door een vlak van de dodecaëder alsof het een raam is. Als je ver genoeg zou kunnen zien, zou je naar de achterkant van je hoofd kijken.

Nog duizelig? Er zijn veel andere theoretische vormen die het universum zou kunnen aannemen, maar de meeste passen niet bij het bewijsmateriaal dat we tot nu toe hebben. Wat is dat bewijs en hoe verzamelen we het? Ontdek het volgende gedeelte.

Quiz Corner

Denk je dat je alles weet wat er te weten valt over het universum? Test je kennis met onze Hole in the Universe Quiz.

Hoe de ruimte te meten

Zichtbare of baryonische materie

Zichtbare of baryonische materie

Optische telescopen laten ons objecten binnen het zichtbare lichtspectrum onderzoeken, maar zijn relatief zwakke gereedschappen. Dat komt omdat het licht van verre sterrenstelsels wolken van deeltjes en andere lichamen kan onderscheppen voordat ze de aarde bereiken. Andere apparaten kunnen golflengten meten die ver buiten het zichtbare spectrum vallen. Veel van de recente studies in de kosmologie richten zich op de kosmische microgolfachtergrond (CMB). De CMB is straling die het universum genereerde toen het slechts 380.000 jaar oud was [bron: Luminet]. Door deze straling te bestuderen, kunnen kosmologen conclusies trekken over hoe het universum eruitzag kort nadat het begon.

De... gebruiken Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), hebben wetenschappers een interessante ontdekking gedaan over de CMB. Ze vonden dat de variatie in stralingsgolflengten van de CMB op een bepaald punt stopt. In een oneindig, onbegrensd universum zou er geen limiet zijn voor de grootte van de golflengten. We verwachten variaties en frequenties in alle groottes te zien. Het is alleen in een eindig universum of een zeer gespecialiseerde oneindige die we verwachten een definitieve dop op de golflengten te zien.

Wat betreft expansie noemen kosmologen de verhouding van de hoeveelheid materie in het universum en de hoeveelheid die nodig is om expansie te stoppen dichtheid parameter. Een dichtheidsparameter groter dan 1 zou een gesloten universum betekenen - er is meer massa in het universum die nodig zou zijn om de expansie om te keren. Een dichtheidsparameter van 1 zou een plat universum betekenen waarin de uitzetting langzamer maar nooit echt stopt. En een dichtheidsparameter tussen 0 en 1 zou een open universum betekenen dat voor altijd zou blijven uitbreiden.

- Maar we weten niet hoeveel materie echt in het universum is. De hoeveelheid die we kunnen detecteren is relatief klein - 5 procent van de hoeveelheid die nodig is om de expansie om te keren. Maar er lijkt materie te zijn die we helemaal niet kunnen zien. Kosmologen hebben gemerkt dat sterren op een vreemde manier bewegen - ze gedragen zich alsof er meer materie is die een zwaartekrachtsinvloed op hen uitoefent dan we kunnen waarnemen. Sommige kosmologen theoretiseren dat dit betekent dat er een soort materie is die we helemaal niet kunnen zien, genaamd donkere materie.

Heeft de ruimte een vorm?: ruimte

Donkere materie

Maar is er genoeg donkere materie om een ​​grote crunch te veroorzaken? Dat wil zeggen, is er genoeg - materie in het universum om de balans te maken en de ratio naar een 1 of hoger te duwen? Hoewel kosmologen geloven dat er veel meer donkere materie in het universum is dan waarneembare materie, schatten ze dat de combinatie van zowel zichtbare als donkere materie nog steeds slechts ongeveer 30 procent bedraagt ​​van de hoeveelheid die nodig is om de expansie om te keren [Source: String Theory Web Site].

Hoewel we momenteel niet weten wat de definitieve vorm van ruimte is, blijft onderzoek ons ​​elke dag nieuwe informatie geven. En als de ruimte grenzen heeft, wat ligt erachter? We weten het niet, en we zijn misschien niet in staat om te weten.

Wilt u meer weten over ruimte en aanverwante onderwerpen? Stel een koers in voor de links op de volgende pagina.

Muziek in mijn oren

Bij harmonischen produceert een tokkel een geluid met een golflengte die twee keer zo lang is als de snaar. Je kunt geen geluid produceren met een langere golflengte dan dat. In ruimtethema's leidt de afwezigheid van langere stralingsgolflengtes ertoe dat sommige kosmologen geloven dat het universum een ​​eindige grens heeft.


Video Supplement: Waarom heeft de Melkweg armen?.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com