Apakah alam semesta dianggap datar?

Saya telah membaca berbagai artikel dan buku (seperti ini ) yang menyatakan bahwa kami tidak yakin tentang geometri alam semesta, tetapi ada eksperimen yang sedang berlangsung atau yang direncanakan yang akan membantu kami mengetahuinya.

Namun baru-baru ini, saya telah menyaksikan sebuah ceramah oleh kosmolog Lawrence Krauss di mana dia tampaknya dengan tegas menyatakan bahwa alam semesta telah terbukti datar oleh eksperimen BOOMERanG . Inilah bagian yang relevan dari pembicaraan .

Saya sudah melihat-lihat dan masih ada artikel yang menyatakan bahwa kita masih belum tahu jawaban untuk pertanyaan ini, seperti ini .

Jadi, pertanyaan saya ada dua:

1. Apakah saya mencampurkan konsep dan membicarakan berbagai hal?
2. Jika tidak, apakah bukti ini tidak diterima secara luas oleh beberapa alasan? Apa alasannya?

Saya pikir alasan Anda menderita sumber yang saling bertentangan adalah karena Anda mencampur informasi baru dan lama, yang ketinggalan zaman. Pertama-tama, buku yang Anda kutip diterbitkan pada 2001 - 15 tahun lalu - dan artikel lain yang Anda kutip diterbitkan pada 1999 - 17 tahun lalu. Ada banyak pekerjaan yang dilakukan dalam 15 tahun terakhir, sering di bawah istilah "kosmologi presisi", dalam upaya untuk benar-benar memaku konten, bentuk, ukuran, dll. Alam semesta kita yang tepat. Pada awal tahun 2000-an, kita tahu banyak tentang sains di balik segalanya (kita tahu tentang materi gelap, energi gelap, memiliki teori yang berkembang baik tentang Big Bang, dll.) Tetapi yang tidak kita miliki, adalah angka yang bagus, solid, dapat dipercaya. untuk dimasukkan ke dalam teori-teori ini, menjelaskan mengapa kerataan alam semesta masih diperebutkan dalam sumber Anda.

Saya akan mengarahkan Anda ke dua observatorium yang sangat penting yang sangat penting dalam mencapai tujuan kami untuk memiliki "angka yang baik". Yang pertama adalah Wilkinson Microwave Anistropy Probe (WMAP) , diluncurkan pada tahun 2001, dan yang kedua adalah satelit Planck , diluncurkan pada tahun 2009. Kedua misi dirancang untuk menatap radiasi Cosmic Microwave Background (CMB) dengan seksama dan mencoba memilah-milah harta karun informasi yang dapat diperoleh darinya. Dalam nada ini, Anda juga dapat menemukan Cosmic Background Explorer (COBE), diluncurkan pada tahun 1989. Satelit ini memiliki tujuan yang sama dengan dua lainnya, tetapi tidak seakurat dua misi selanjutnya untuk memberi kami angka yang baik dan pernyataan definitif pada awal 2000-an. Untuk alasan itu saya akan lebih fokus pada apa yang dikatakan WMAP dan Planck kepada kami.

WMAP adalah misi yang sangat sukses yang menatap CMB selama 9 tahun dan menciptakan peta paling detail dan komprehensif pada zamannya. Dengan data 9 tahun, para ilmuwan benar-benar mampu mengurangi kesalahan pengamatan pada berbagai kuantitas kosmologis, termasuk kerataan alam semesta. Anda dapat melihat tabel parameter kosmologis terakhirnya di sini . Untuk kerataan, yang ingin Anda lakukan adalah menjumlahkan (kepadatan materi ), (kepadatan materi gelap), dan (kepadatan energi gelap). Ini akan memberi Anda parameter kepadatan keseluruhan , , yang memberi tahu Anda kerataan alam semesta kami. Karena saya yakin Anda tahu dari sumber Anda, jikaΩ d Ω Λ Ω 0 Ω $\Omega_b$$\Omega_d$$\Omega_\Lambda$$\Omega_0$Ω 0 = 1 Ω 0 > 1 Ω 0 = 1.000 ± 0,049 Ω $\Omega_0 < 1$ kita memiliki alam semesta hiperbolik, jika alam semesta kita datar, dan menyiratkan alam semesta bulat. Dari hasil WMAP, kita dapat (seseorang dapat memeriksa matematika saya) yang sangat dekat dengan satu, yang menunjukkan alam semesta yang datar. Sejauh yang saya tahu, WMAP adalah instrumen pertama yang memberikan pengukuran benar-benar tepat , memungkinkan kita untuk mengatakan secara pasti bahwa alam semesta kita tampak datar. Seperti yang Anda katakan, percobaan BOOMERanG juga memberikan bukti yang baik untuk ini, tetapi saya tidak berpikir hasilnya hampir sama kuatnya dengan WMAP.$\Omega_0 = 1$$\Omega_0 > 1$$\Omega_0 = 1.000 \pm 0.049$$\Omega_0$

Satelit penting lainnya di sini adalah Planck. Diluncurkan pada tahun 2009, satelit ini telah memberikan kami pengukuran presisi tinggi terbaik untuk CMB saat ini. Saya akan membiarkan Anda menggali hasil mereka di kertas mereka , tetapi lucunya adalah bahwa mereka mengukur kerataan alam semesta kita menjadi (dihitung dari tabel hasil ini ), sekali lagi sangat dekat dengan satu.$\Omega_0 = 0.9986 \pm 0.0314$

Sebagai kesimpulan, hasil terbaru (dalam 15 tahun terakhir) memungkinkan kita untuk secara definitif menyatakan bahwa Alam Semesta kita tampak datar. Saya tidak berpikir, pada saat ini, siapa pun membantah atau percaya itu masih belum pasti. Seperti biasanya dengan sains, menjawab satu pertanyaan hanya menghasilkan lebih banyak pertanyaan. Sekarang kita tahu , kita harus bertanya mengapa itu satu? Teori saat ini menyarankan tidak seharusnya - bahwa ia harus sangat kecil atau sangat besar. Ini dikenal sebagai Masalah Kerataan . Itu pada gilirannya menyelidiki Prinsip Antropik sebagai jawaban yang dicoba, tetapi kemudian, saya keluar dari ruang lingkup pertanyaan ini.$\Omega_0 \simeq 1$

Asumsi dasar prinsip kosmologis berarti bahwa ruang hanya dapat memiliki kelengkungan skalar yang konstan. Ini bisa positif, negatif atau nol dan Universe datar adalah satu di mana kelengkungannya nol.

Kelengkungan ruang adalah sesuatu yang dapat diukur dan nilai saat ini diketahui mendekati nol , tidak hanya dari BOOMERanG, tetapi dari pengamatan selanjutnya . Kosmologi FLRW vanilla memiliki kesulitan menjelaskan hal ini dan itu dikenal sebagai masalah kerataan . Namun pandangan konvensional adalah bahwa inflasi kosmik melakukan pekerjaan yang sangat rapi dalam menyelesaikan masalah ini.

Namun Alam Semesta yang benar-benar datar harus memiliki kelengkungan spasial yang persis nol pada skala besar, sehingga untuk benar-benar menentukan apakah Alam Semesta itu datar, bahkan menggunakan sejumlah asumsi yang masuk akal memerlukan pengukuran yang tepat, yang tidak mungkin. Jadi pengamatan tidak pernah dapat mengesampingkan kemungkinan bahwa Semesta mungkin memiliki kelengkungan positif atau negatif yang sangat kecil.

Selain itu, jika Anda sedikit mengendurkan prinsip kosmologis dari interpretasinya yang paling ketat, kelengkungan skalar tidak sepenuhnya menentukan topologi Semesta, membuka pintu menuju apa yang disebut topologi eksotis. Misalnya Universe datar dapat memiliki topologi toroidal dan kompak (volume spasial terbatas).

Anda bertanya, "Apakah saya mencampurkan konsep dan membicarakan berbagai hal?" Saya tidak memiliki cara untuk mengetahui apakah Anda atau tidak, tetapi judul posting Anda dan kalimat pertama agak bertentangan. Pertanyaan Anda "Apakah Semesta dianggap datar?" menyangkut kelengkungan, yang, dengan sendirinya, tidak sepenuhnya menentukan geometri, sementara pernyataan "kami tidak yakin tentang geometri alam semesta, tetapi ada percobaan yang sedang berlangsung atau yang direncanakan yang akan membantu kami mengetahuinya" mungkin berbicara tentang sesuatu lebih umum.

Tautan pertama Anda adalah buku The Shape of Space karya Jeffrey Weeks , yang memusatkan banyak perhatian pada topologi ruang. Tabel 19.1 pada halaman 186 daftar beberapa topologi yang mungkin untuk kasus-kasus ruang melengkung positif, datar, dan negatif. Halaman yang sama berisi pernyataan mengejutkan "Ketika edisi pertama buku ini muncul pada tahun 1985, banyak kosmolog benar-benar tidak menyadari manifold tertutup dengan geometri datar atau hiperbolik." Saya ingin tahu apakah itu merupakan karakterisasi yang adil.

Pada halaman sebelumnya buku itu (halaman 185), bukti, pada 2001, untuk geometri datar dijelaskan secara singkat. Secara khusus, ada pernyataan bahwa "Data baru (berasal dari studi supernova yang jauh dan radiasi latar belakang gelombang mikro kosmik) membuat kasus yang kuat bahwa alam semesta yang terlihat bukan hiperbolik, tetapi datar." Halaman yang sama berisi pertanyaan "Apakah alam semesta tertutup atau terbuka? Dengan kata lain, apakah ruang terbatas atau tidak terbatas?" dan jawabannya "singkat, kita tidak tahu." Dua bab terakhir buku ini membahas "kristalografi kosmik" dan "Lingkaran di langit", dua mengusulkan pendekatan pengamatan terhadap topologi alam semesta.

Ternyata kerja di topologi jagad terus aktif. Scholarpedia berisi ulasan terbaru .

Ya, itu dianggap datar secara spasial pada skala terbesar yang dapat kita amati, tetapi kita harus ingat bahwa pengukuran ilmiah datang dengan ketidakpastian, dan model kita dapat diganti dengan yang lebih baik. Pada saat ini, kita memiliki pengamatan yang mengatakan bahwa alam semesta datar secara spasial dengan tingkat akurasi yang tinggi, tetapi masih ada beberapa ruang gerak di sana agar sedikit melengkung yang tidak dapat kita singkirkan. Juga, kita hanya dapat mengamati bagian dari alam semesta yang dapat kita lihat, kita tidak dapat mengetahui bahwa bagian alam semesta lainnya memiliki kelengkungan yang sama dengan bagian kita. Kami memiliki pemahaman teoretis bahwa akan sangat sulit bagi alam semesta untuk menjadi dekat dengan datar, tanpa menjadi sangat dekat dengan datar, jadi kami berharap itu sangat dekat dengan datar. Tetapi teori dapat diganti dan biasanya,persis datar.

Tetapi intinya adalah, kita memiliki pengamatan yang sangat baik, dan teori yang baik (teori inflasi, dan fakta bahwa kerataan tidak stabil dengan usia di bawah relativitas umum), yang menyetujui alam semesta pada skala terbesar yang dapat kita amati sangat dekat dengan datar spasial. Oleh karena itu, kita dapat membuat model yang flat, dan menggunakan model itu dengan sukses. Itu saja yang Anda dapatkan dalam sains.

Hanya untuk menambah jawaban @ zephyr, LISA menembakkan 3 laser di ruang untuk membentuk segitiga untuk mengukur kerataan ruang: jika jumlah dari 3 sudut persis sama dengan 180 derajat, maka ruang itu datar; deviasi dari 180 derajat memberi tahu Anda seberapa banyak ruang melengkung dan orientasi kelengkungan. Tetapi jika ukuran ruang terlalu kecil, maka sudut akan berjumlah 180 derajat; ini seperti melihat permukaan bumi dan berpikir itu terlihat datar ketika sebenarnya bulat. LISA diukur tepat 180 derajat, sehingga ruang sebenarnya datar atau kita bisa membatasi kelengkungan ruang pada skala yang lebih besar dengan bar kesalahan.

EDIT: Itu LISA, bukan WMAP, yang melakukan percobaan laser. Berkat @zephyr untuk koreksi.