Why the universe is most likely not infinite

Stellt euch vor, es gibt einen habitablen Planeten, der viel größer ist als die Erde, eine Supererde, deren Oberfläche nur aus Wasser und kleinen Insel besteht.

Auf einer dieser Inseln entwickelt sich eine primitive, intelligente Lebensform, die sich Geschichten über die unendlichen Weiten des Ozeans erzählen.

Niemand hat die Insel je verlassen. Aber an schönen Tagen kann man mit freiem Auge in jeder Himmelsrichtung weit entfernte Insel erspähen.

Eines Tages gelingt es der aufstrebenden Spezies Ferngläser zu bauen und von hohen Türmen aus, den Ozean zu erkunden, dabei machen sie eine interessante Entdeckung, die alle Wissenschaftler der Insel verblüfft.

Die entfernten Inseln bewegen sich langsam von der eigenen Heimatinsel weg, je weiter die Insel weg ist, desto schneller entfernen sie sich und das in allen Himmelsrichtungen, so als ob der Ozean dazwischen expandieren würde. Die Supererde expandiert.

Die am weitesten entfernten Inseln verschwinden sogar allmählich am Horizont, so als ob sie nie existiert haben.

Und könnte die Spezies Schiffe bauen, wäre es sogar unmöglich die weit entfernten Inseln jemals zu erreichen, da sie sich schneller von der Heimatinsel fortbewegen als das schnellste Schiff fahren könnte.

Diese Entdeckung machte übrigens Edwin Hubble in unserem Universums bereits 1929. Galaxien entfernen sich von der Erde weg, proportional zu ihrer Entfernung. Das Universum dehnt sich aus und hatte vor 13.8 Milliarden Jahren einen Anfangszustand. Den Big-Bang.

Zurück zur unserer Supererde. Der Teil des Ozeans den unsere Inselbewohner sehen können ist übrigens endlich, aber keiner weiß, wie groß der Ozean wirklich ist. Viele denken, er sei unendlich, aber ist er das wirklich?

Ähnlich ist es auch im unseren Universum. Wir wissen, dass das sichtbare Universum endlich ist, aber es gibt einen Horizont, wie weit man sehen kann. Eigentlich sogar zwei unterschiedliche, je nachdem ob man in die Vergangenheit sieht (Teilchenhorizont) oder sich mehr auf das Jetzt fokussiert (kosmischer Ereignis-Horizont des Universums).

Diese beiden Konzepte sind auf den ersten Blick etwas verwirrend, da sich Licht in kosmischen Dimensionen nicht unendlich schnell, sondern eher langsam, fortbewegt und wir bei der Beoachtung des Universums damit auch immer in die Vergangenheit blicken.

Der Teilchenhorizont (Particle Horizon) ist die heutige maximale Entfernung, aus der Licht von entfernten Teilchen in der Lebensdauer des Universums (13.8 Milliarden Lichtjahre) zur Erde gelangen konnte. Die am weitesten entfernten Teilchen, würden sich, wenn man die Expansion des Universums berücksichtigt, heute in etwa 46 Milliarden Lichtjahre Entfernung befinden.

Das beobachtbare Universum hätte damit im Moment einen Durchmesser von ungefähr 93 Milliarden Lichtjahren und ist damit endlich.

Aber diese Beobachtung hat noch eine überraschende Konsequenz. Mit hoher Wahrscheinlichkeit können wir ähnlich wie unsere Inselbewohner, deren Sicht durch den Horizont am Ozean limitiert ist, nur einen kleinen Teil des gesamten beim Urknall enstandenen Universums wahrnehmen.

Das tatsächliche Universum ist höchst wahrscheinlich noch viel größer, aber es ist nicht unbedingt unendlich groß, aber mega groß. So groß, dass sich das niemand mehr vorstellen kann. Aber eben nicht unendlich groß.

Weit in der Zukunft (in > 10 Milliarden Jahren) könnten folgende Ereignisse eintreten, die kosmische Hintergrundstrahlung könnte asymmetrisch verblassen, wenn das Universum wirklich nicht unendlich groß (und flach) wäre.

Die Hintergrundstrahlung könnte aber bereits davor wegen der Expansion des Universums vollständig verschwinden. Das Licht von noch weiter entfernten Teilchen würde uns dann einfach nicht mehr erreichen können.

Würde es dann noch intelligentes Leben im Universum geben, würde es noch weniger über den Urknall wissen als wir, aber vielleicht auch nicht mehr vermuten, dass das Universum unendlich groß wäre. Es wäre dann nämlich sehr, sehr dunkel. Nahender "Heat Death" oder "Big Rip".

Was sagt ihr dazu? Denkt ihr, werden wir die tatsächliche Größe des Universums jemals herausfinden können?

Is the universe infinite or rather finite? AI-generated illustration (Stable Diffusion)

English

Imagine there is a habitable planet much larger than Earth, a Super Earth so to speak, whose surface consists only of water and small islands.

On one of these islands, a primitive, intelligent life form develops, telling stories about the endless expanses of the ocean.

No one has ever left the island. But on fine days, you can spot distant islands in every direction with the naked eye.

One day, the aspiring species manage to build binoculars and start to explore the ocean from high towers, making an interesting discovery that surprises all the scientists on the island.

The distant islands slowly move away from their own home island, the further away the island is, the faster they move away in all directions, as if the ocean were expanding in between. The super earth is expanding.

The most distant islands even gradually disappear on the horizon, as if they had never existed.

And if the species could build ships, it would even be impossible to ever reach the distant islands, as they would move away from the home island faster than the fastest ship could travel.

Incidentally, Edwin Hubble made a similar discovery in our universe back in 1929. Galaxies are moving away from Earth in proportion to their distance. The universe is expanding and had an initial state 13.8 billion years ago. The Big Bang.

Back to our super earth. The part of the ocean that our islanders can see is finite, but nobody knows how big the ocean actually is. Many islanders think it is infinite, but is it really?

Similar story with our universe. We know that the visible universe is finite (not infinite), but there is a horizon for how far we can see. Actually two different horizons exist, depending on whether you look into the past (particle horizon) or focus more on the present (cosmic event horizon of the universe).

These two concepts are somewhat confusing at first glance, as light does not travel infinitely fast in cosmic dimensions, but rather slowly, and we are therefore always looking into the past when observing the universe.

The particle horizon is today's maximum distance from which light from distant particles could have traveled to Earth in the age of the universe (13.8 billion light years). If the expansion of the universe is taken into account, the most distant particles would today be located at a mind-boggling distance of around 46 billion light years.

The observable universe would therefore currently have a diameter of around 93 billion light years and is therefore finite.

But this observation has another surprising consequence. It is highly probable that, like our islanders whose view is limited by the horizon at the ocean, we can only perceive a small part of the universe created in the Big Bang.

The actual universe is most likely much larger, but it is not necessarily infinitely large, but super large. So large that nobody can imagine it anymore. But not infinitely large.

Far in the future (in more than 10 billion years) the following events could occur, the cosmic microwave background (CMB) radiation could fade asymmetrically if the universe were really not infinitely large (and flat).

However, the CMB could disappear completely even before that due to the expansion of the universe. The light from even more distant particles would then simply no longer be able to reach us.

If there were still intelligent life in the universe, it would know even less about the Big Bang than we do, but perhaps it would no longer suspect that the universe was infinitely large. And it would then be very, very dark. Approaching “Heat Death” or the “Big Rip”.

What do you think? Do you think we will ever be able to find out the actual size of the universe?