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Eine Billion Jahre vor dem Urknall
Eine Billion Jahre vor dem Urknall
Anonim

Der Titel dieses Artikels mag nicht wie ein kluger Scherz klingen. Nach dem allgemein anerkannten kosmologischen Konzept, der Urknalltheorie, entstand unser Universum aus einem extremen Zustand eines physikalischen Vakuums, das durch eine Quantenfluktuation erzeugt wurde. In diesem Zustand existierten weder Zeit noch Raum (oder sie waren in Raum-Zeit-Schaum verstrickt) und alle grundlegenden physikalischen Wechselwirkungen waren miteinander verschmolzen. Später trennten sie sich und erlangten eine unabhängige Existenz - zuerst Schwerkraft, dann starke Wechselwirkung und erst dann - schwach und elektromagnetisch.

Der Moment, der diesen Veränderungen vorausging, wird normalerweise als Nullzeit bezeichnet, t = 0, aber dies ist reine Konvention, eine Hommage an den mathematischen Formalismus. Nach der Standardtheorie begann der kontinuierliche Zeitfluss erst, nachdem die Schwerkraft unabhängig geworden war. Dieses Moment wird normalerweise dem Wert t = 10-43 s (genauer 5,4x10-44 s) zugeschrieben, der als Planck-Zeit bezeichnet wird. Moderne physikalische Theorien sind einfach nicht in der Lage, mit kürzeren Zeiträumen sinnvoll zu arbeiten (man glaubt, dass dies eine Quantentheorie der Gravitation erfordert, die noch nicht erstellt wurde). Im Kontext der traditionellen Kosmologie macht es keinen Sinn, über das zu sprechen, was vor dem ersten Moment der Zeit geschah, da Zeit in unserem Verständnis zu dieser Zeit einfach nicht existierte.

Der Urknalltheorie wird von der absoluten Mehrheit der Wissenschaftler vertraut, die die frühe Geschichte unseres Universums untersuchen. Es erklärt wirklich viel und widerspricht in keiner Weise den experimentellen Daten. In letzter Zeit hat es jedoch einen Rivalen gegenüber einer neuen, zyklischen Theorie, deren Grundlagen von zwei Physikern der Extraklasse entwickelt wurden - dem Direktor des Institute of Theoretical Science der Princeton University Paul Steinhardt und dem Preisträger der Maxwell Medaille und den renommierten internationalen TED-Preis Neil Turok, Direktor des Canadian Institute for Advanced Study im Bereich Theoretische Physik (Perimeter Institute for Theoretical Physics). Mit Hilfe von Professor Steinhardt versuchte Popular Mechanics, über die zyklische Theorie und die Gründe für ihr Auftreten zu sprechen.

Inflationäre Kosmologie

Ein unverzichtbarer Bestandteil der kosmologischen Standardtheorie ist das Inflationskonzept (siehe Seitenleiste). Nach dem Ende der Inflation kam die Gravitation zur Geltung und das Universum dehnte sich weiter aus, jedoch mit abnehmender Geschwindigkeit. Diese Evolution erstreckte sich über 9 Milliarden Jahre, danach trat ein weiteres Antigravitationsfeld noch unbekannter Natur, die sogenannte Dunkle Energie, in Aktion. Es brachte das Universum erneut in einen Modus exponentieller Expansion, der in zukünftigen Zeiten erhalten zu bleiben scheint. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Schlussfolgerungen auf astrophysikalischen Entdeckungen basieren, die Ende des letzten Jahrhunderts, fast 20 Jahre nach dem Aufkommen der inflationären Kosmologie, gemacht wurden.

Die inflationäre Interpretation des Urknalls wurde erstmals vor etwa 40 Jahren vorgeschlagen und seitdem vielfach verfeinert. Diese Theorie löste mehrere grundlegende Probleme, mit denen die bisherige Kosmologie nicht fertig wurde. Sie erklärte zum Beispiel, warum wir in einem Universum mit einer flachen euklidischen Geometrie leben – nach den klassischen Friedmann-Gleichungen ist dies genau das, was es bei der exponentiellen Expansion tun soll. Die Inflationstheorie erklärte, warum kosmische Materie in einer Größenordnung von nicht mehr als Hunderten von Millionen Lichtjahren granular ist und gleichmäßig über große Entfernungen verteilt ist. Sie interpretierte auch das Scheitern jeglicher Versuche, magnetische Monopole zu entdecken, sehr massive Teilchen mit einem einzigen magnetischen Pol, von denen angenommen wird, dass sie vor Beginn der Inflation in Hülle und Fülle geboren wurden (die Inflation dehnte den Raum so sehr aus, dass die anfänglich hohe Dichte von Monopolen wurde auf fast Null reduziert und können daher von unseren Instrumenten nicht erkannt werden).

Schon bald nach dem Erscheinen des inflationären Modells erkannten mehrere Theoretiker, dass seine innere Logik der Idee der dauerhaften Mehrfachgeburt immer neuer Universen nicht widersprach. Tatsächlich können Quantenfluktuationen, wie sie unsere Welt der Existenz verdanken, in beliebiger Menge auftreten, wenn die Bedingungen stimmen. Es ist nicht ausgeschlossen, dass unser Universum die in der Vorgängerwelt gebildete Schwankungszone verlassen hat. Ebenso ist davon auszugehen, dass sich irgendwann und irgendwo in unserem eigenen Universum eine Fluktuation ausbildet, die ein junges Universum ganz anderer Art, das auch zur kosmologischen „Fortpflanzung“fähig ist, „ausblasen“wird. Es gibt Muster, in denen solche Kinderuniversen ständig auftauchen, sich von ihren Eltern abzweigen und ihren eigenen Platz finden. Außerdem ist es überhaupt nicht notwendig, dass in solchen Welten die gleichen physikalischen Gesetze aufgestellt werden. All diese Welten sind in einem einzigen Raum-Zeit-Kontinuum "verschachtelt", aber sie sind so weit voneinander entfernt, dass sie ihre Anwesenheit in keiner Weise spüren. Im Allgemeinen lässt der Inflationsbegriff zu – und erzwingt – zu glauben, dass es im gigantischen Megakosmos viele isolierte Universen mit unterschiedlichen Arrangements gibt.

Alternative

Theoretische Physiker lieben es, Alternativen zu den allgemein anerkannten Theorien zu entwickeln. Auch das inflationäre Modell des Urknalls hat Konkurrenten. Sie erhielten keine breite Unterstützung, aber sie taten es und hatten ihre eigenen Anhänger. Die Theorie von Steinhardt und Turok ist nicht die erste und schon gar nicht die letzte. Bis heute wurde es jedoch detaillierter entwickelt als die anderen und erklärt die beobachteten Eigenschaften unserer Welt besser. Es gibt mehrere Versionen, von denen einige auf der Quantenstringtheorie und mehrdimensionalen Räumen basieren, während andere auf der traditionellen Quantenfeldtheorie beruhen. Der erste Ansatz gibt anschaulichere Bilder kosmologischer Prozesse, daher werden wir darauf eingehen.

Die fortschrittlichste Version der Stringtheorie ist als M-Theorie bekannt. Sie behauptet, dass die physische Welt 11 Dimensionen hat – zehn räumliche und eine zeitliche. Darin schweben Räume geringerer Dimensionen, die sogenannten Branes. Unser Universum ist nur eine solche Brane mit drei räumlichen Dimensionen. Es ist mit verschiedenen Quantenteilchen (Elektronen, Quarks, Photonen usw.) gefüllt, die eigentlich offene schwingende Saiten mit nur einer räumlichen Dimension - der Länge - sind. Die Enden jeder Saite sind fest in einer dreidimensionalen Brane befestigt und die Saite kann die Brane nicht verlassen. Es gibt aber auch geschlossene Stränge, die außerhalb der Branen wandern können – das sind Gravitonen, Quanten des Gravitationsfeldes.

Wie erklärt die zyklische Theorie die Vergangenheit und Zukunft des Universums? Beginnen wir mit der aktuellen Ära. An erster Stelle steht nun die dunkle Energie, die unser Universum exponentiell ausdehnt und sich periodisch verdoppelt. Dadurch nimmt die Dichte von Materie und Strahlung stetig ab, die Gravitationskrümmung des Raumes schwächt sich ab und seine Geometrie wird immer flacher. In den nächsten Billionen Jahren wird sich die Größe des Universums etwa hundertmal verdoppeln und es wird eine fast leere Welt ohne materielle Strukturen. Neben uns befindet sich eine weitere dreidimensionale Brane, die in der vierten Dimension durch einen unbedeutenden Abstand von uns getrennt ist und ebenfalls einer ähnlichen exponentiellen Ausdehnung und Abflachung unterliegt. Dabei bleibt der Abstand zwischen den Branes praktisch unverändert.

Und dann beginnen diese parallelen Branes zu konvergieren. Sie werden durch ein Kraftfeld aufeinander zugedrückt, dessen Energie vom Abstand zwischen den Branen abhängt.Nun ist die Energiedichte eines solchen Feldes positiv, so dass sich der Raum beider Branen exponentiell ausdehnt - daher ist es dieses Feld, das den Effekt liefert, der durch das Vorhandensein von dunkler Energie erklärt wird! Dieser Parameter nimmt jedoch allmählich ab und wird in einer Billion Jahren auf Null sinken. Beide Branen werden sich sowieso weiter ausdehnen, aber nicht exponentiell, sondern sehr langsam. Folglich wird in unserer Welt die Dichte von Teilchen und Strahlung fast Null bleiben und die Geometrie wird flach bleiben.

Neuer Zyklus

Aber das Ende der alten Geschichte ist nur ein Auftakt zum nächsten Zyklus. Die Branen bewegen sich aufeinander zu und kollidieren schließlich. In diesem Stadium sinkt die Energiedichte des Zwischenzweigfeldes unter Null und es beginnt sich wie die Schwerkraft zu verhalten (ich erinnere Sie daran, dass die potentielle Energie der Schwerkraft negativ ist!). Wenn die Branen sehr nahe sind, beginnt das Zwischenbranfeld an jedem Punkt unserer Welt Quantenfluktuationen zu verstärken und sie in makroskopische Verformungen der räumlichen Geometrie umzuwandeln (zum Beispiel in einer Millionstelsekunde vor der Kollision die berechnete Größe von solche Verformungen erreichen mehrere Meter). In diesen Zonen wird nach der Kollision der Löwenanteil der beim Aufprall freigesetzten kinetischen Energie freigesetzt. Infolgedessen tritt dort das heißeste Plasma mit einer Temperatur von etwa 1023 Grad auf. Es sind diese Regionen, die zu lokalen Gravitationsknoten werden und sich in die Embryonen zukünftiger Galaxien verwandeln.

Eine solche Kollision ersetzt den Urknall der inflationären Kosmologie. Es ist sehr wichtig, dass die gesamte neu gebildete Materie mit positiver Energie aufgrund der akkumulierten negativen Energie des Zwischenzweigfeldes erscheint, daher wird der Energieerhaltungssatz nicht verletzt.

Die Inflationstheorie ermöglicht die Bildung mehrerer Tochteruniversen, die ständig aus bestehenden hervorgehen.

Und wie verhält sich ein solches Feld in diesem entscheidenden Moment? Vor der Kollision erreicht die Dichte ihrer Energie ein Minimum (und negativ), beginnt dann zuzunehmen und wird bei der Kollision Null. Die Branen stoßen sich dann gegenseitig ab und beginnen sich zu zerstreuen. Die Dichte der Zwischenzweigenergie durchläuft eine umgekehrte Entwicklung - sie wird wieder negativ, null, positiv. Die mit Materie und Strahlung angereicherte Brane dehnt sich unter der Bremswirkung der eigenen Gravitation zunächst mit abnehmender Geschwindigkeit aus und geht dann wieder in exponentielle Expansion über. Der neue Zyklus endet wie der vorherige - und so weiter bis ins Unendliche. Die Zyklen vor unseren fanden in der Vergangenheit statt - in diesem Modell ist die Zeit kontinuierlich, also existiert die Vergangenheit über die 13,7 Milliarden Jahre hinaus, die seit der letzten Anreicherung unserer Bran mit Materie und Strahlung vergangen sind! Ob sie überhaupt einen Anfang hatten, die Theorie schweigt.

Die Zyklentheorie erklärt die Eigenschaften unserer Welt auf neue Weise. Es hat eine flache Geometrie, da es sich am Ende jedes Zyklus übermäßig dehnt und sich nur geringfügig verformt, bevor ein neuer Zyklus beginnt. Quantenfluktuationen, die zu den Vorläufern von Galaxien werden, entstehen chaotisch, aber im Durchschnitt gleichmäßig - daher ist der Weltraum mit Materieklumpen gefüllt, aber in sehr großen Entfernungen ziemlich homogen. Wir können magnetische Monopole nicht erkennen, nur weil die maximale Temperatur des neugeborenen Plasmas 1023 K nicht überschritten hat und viel höhere Energien für das Auftreten solcher Teilchen erforderlich sind - in der Größenordnung von 1027 K.

Zyklische Erstellung

Der Moment des Urknalls ist die Kollision der Branen. Es wird viel Energie freigesetzt, die Branen streuen, es kommt zu einer verlangsamten Expansion, Materie und Strahlung kühlen ab und Galaxien entstehen. Die Expansion wird aufgrund der positiven Energiedichte zwischen den Zweigen wieder beschleunigt und dann verlangsamt, die Geometrie wird flach.Branen ziehen sich gegenseitig an, vor der Kollision werden Quantenfluktuationen verstärkt und verwandeln sich in Verformungen der räumlichen Geometrie, die in Zukunft zu den Keimen von Galaxien werden. Es kommt zu einer Kollision und der Zyklus beginnt von vorne.

Eine Welt ohne Anfang und Ende

Die zyklische Theorie existiert in mehreren Versionen, ebenso wie die Inflationstheorie. Die Unterschiede zwischen ihnen sind jedoch laut Paul Steinhardt rein technisch und nur für Spezialisten interessant, das allgemeine Konzept bleibt unverändert: „Erstens gibt es in unserer Theorie keinen Moment des Weltbeginns, keine Singularität. Es gibt periodische Phasen intensiver Entstehung von Materie und Strahlung, von denen jede, wenn gewünscht, als Urknall bezeichnet werden kann. Aber keine dieser Phasen markiert die Entstehung eines neuen Universums, sondern nur einen Übergang von einem Zyklus zum anderen. Sowohl Raum als auch Zeit existieren sowohl vor als auch nach jeder dieser Kataklysmen. Daher ist es ganz natürlich zu fragen, wie der Stand der Dinge 10 Milliarden Jahre vor dem letzten Urknall war, von dem aus die Geschichte des Universums gezählt wird.

Der zweite Hauptunterschied ist die Natur und Rolle der dunklen Energie. Die inflationäre Kosmologie hat den Übergang von einer verlangsamten Expansion des Universums zu einer beschleunigten nicht vorhergesagt. Und als Astrophysiker dieses Phänomen durch die Beobachtung der Explosionen weit entfernter Supernovae entdeckten, wusste die Standardkosmologie nicht einmal, was sie dagegen tun sollte. Die Hypothese der Dunklen Energie wurde einfach aufgestellt, um die paradoxen Ergebnisse dieser Beobachtungen irgendwie mit der Theorie zu verbinden. Und unser Ansatz ist durch die innere Logik viel besser besiegelt, da wir von Anfang an über dunkle Energie verfügen und diese Energie für den Wechsel der kosmologischen Kreisläufe sorgt.“Allerdings weist die Zyklentheorie, wie Paul Steinhardt feststellt, auch Schwachstellen auf: „Wir konnten den Kollisions- und Rückprallprozess paralleler Branen, der zu Beginn eines jeden Zyklus stattfindet, noch nicht überzeugend beschreiben. Andere Aspekte der zyklischen Theorie sind viel besser entwickelt, und es sind noch viele Unklarheiten zu klären.

Übungscheck

Aber auch die schönsten theoretischen Modelle bedürfen der experimentellen Überprüfung. Kann die zyklische Kosmologie durch Beobachtung bestätigt oder widerlegt werden? „Sowohl inflationäre als auch zyklische Theorien sagen die Existenz reliktischer Gravitationswellen voraus“, erklärt Paul Steinhardt. - Im ersten Fall entstehen sie aus primären Quantenfluktuationen, die beim Aufblasen über den Raum geschmiert werden und periodische Schwingungen seiner Geometrie erzeugen - und das sind nach der Allgemeinen Relativitätstheorie Gravitationswellen. In unserem Szenario sind auch Quantenfluktuationen die Ursache für solche Wellen – dieselben, die durch Kollisionen von Branen verstärkt werden. Berechnungen haben gezeigt, dass jeder Mechanismus Wellen mit einem bestimmten Spektrum und einer bestimmten Polarisation erzeugt. Diese Wellen mussten Spuren in der kosmischen Mikrowellenstrahlung hinterlassen, die eine unschätzbare Informationsquelle über den frühen Kosmos ist. Bisher wurden keine solchen Spuren gefunden, aber höchstwahrscheinlich wird dies innerhalb des nächsten Jahrzehnts geschehen. Darüber hinaus denken Physiker bereits über die direkte Registrierung reliktischer Gravitationswellen mit Raumfahrzeugen nach, die in zwei bis drei Jahrzehnten erscheinen werden.

Eine radikale Alternative

In den 1980er Jahren hat Professor Steinhardt maßgeblich zur Entwicklung der Standardtheorie des Urknalls beigetragen. Dies hinderte ihn jedoch nicht daran, nach einer radikalen Alternative zu der Theorie zu suchen, in die so viel Arbeit investiert worden war. Wie Paul Steinhardt selbst gegenüber Popular Mechanics sagte, enthüllt die Inflationshypothese zwar viele kosmologische Mysterien, aber das bedeutet nicht, dass es keinen Sinn macht, nach anderen Erklärungen zu suchen: „Zuerst wollte ich nur versuchen, die grundlegenden Eigenschaften unserer Welt zu verstehen.“ohne auf Inflation zurückzugreifen.Später, als ich mich mit diesen Fragen beschäftigte, kam ich zu der Überzeugung, dass die Inflationstheorie keineswegs so perfekt ist, wie ihre Befürworter behaupten. Als gerade die inflationäre Kosmologie geschaffen wurde, hofften wir, dass sie den Übergang vom ursprünglichen chaotischen Zustand der Materie zum gegenwärtigen geordneten Universum erklären würde. Genau das tat sie – aber sie ging noch viel weiter. Die innere Logik der Theorie verlangte, zuzugeben, dass Inflation ständig unendlich viele Welten schafft. Dies wäre in Ordnung, wenn ihr physisches Gerät unser eigenes kopiert, aber das funktioniert einfach nicht. Beispielsweise konnte mit Hilfe der Inflationshypothese erklärt werden, warum wir in einer flachen euklidischen Welt leben, aber die meisten anderen Universen werden sicherlich nicht die gleiche Geometrie haben. Kurz gesagt, wir entwickelten eine Theorie, um unsere eigene Welt zu erklären, und sie geriet außer Kontrolle und brachte eine endlose Vielfalt exotischer Welten hervor. Dieser Zustand passte nicht mehr zu mir. Darüber hinaus ist die Standardtheorie nicht in der Lage, die Natur des früheren Zustands zu erklären, der der exponentiellen Expansion vorausging. In diesem Sinne ist sie ebenso unvollständig wie die vorinflationäre Kosmologie. Schließlich kann sie nichts über die Natur der dunklen Energie sagen, die seit 5 Milliarden Jahren die Expansion unseres Universums vorantreibt.

Ein weiterer Unterschied, so Professor Steinhardt, ist die Temperaturverteilung der Hintergrund-Mikrowellenstrahlung: „Diese Strahlung, die von verschiedenen Teilen des Himmels kommt, hat nicht ganz einheitliche Temperatur, sie hat mehr und weniger erwärmte Zonen. Bei der Messgenauigkeit moderner Geräte ist die Anzahl der heißen und kalten Zonen ungefähr gleich, was mit den Schlussfolgerungen beider Theorien übereinstimmt - sowohl inflationär als auch zyklisch. Diese Theorien sagen jedoch subtilere Unterschiede zwischen den Zonen voraus. Im Prinzip können sie vom im letzten Jahr gestarteten europäischen Weltraumobservatorium „Planck“und anderen neuesten Raumfahrzeugen nachgewiesen werden. Ich hoffe, dass die Ergebnisse dieser Experimente helfen werden, eine Wahl zwischen inflationären und zyklischen Theorien zu treffen. Es kann aber auch vorkommen, dass die Situation ungewiss bleibt und keine der Theorien eine eindeutige experimentelle Unterstützung erhält. Na, dann muss ich mir was neues einfallen lassen."

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