Eine der größten Fragen über unser Universum ist, woher alles kam. Als wir entdeckten, dass die riesigen Spiralen am Himmel Galaxien waren, die sich nicht wesentlich von unserer eigenen Milchstraße unterscheiden, begannen wir zunächst zu verstehen, wie groß das ist, was wir wahrnehmen. Diese fernen „Inseln des Universums“befinden sich nicht in der Milchstraße: Sie sind Sammlungen von Milliarden oder Billionen von Sternen, die durch Millionen oder Milliarden Lichtjahre im Weltraum getrennt sind.
Als wir entdeckten, dass je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller verlässt sie unsere Perspektive. Vor uns öffnete sich ein merkwürdiges Ding, das mit der allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmt: Vielleicht bewegen sich keine Galaxien von unserem Standort weg, sondern das Gefüge des Weltraums selbst dehnt sich aus. Wenn ja, dann muss sich das Universum nicht nur ausdehnen, sondern auch abkühlen, und die Wellenlänge des Lichts muss sich im Laufe der Zeit zu immer niedrigeren Energien ausdehnen. Darüber hinaus können wir dies nicht nur vorwärts, sondern auch rückwärts extrapolieren: zu einer Zeit, als das Universum kleiner war.
Wenn wir in diese Richtung schauen, sehen wir, dass das Universum dichter, heißer, schneller expandiert und kompakter war. In seiner frühesten Jugend war das Universum so energisch, dass neutrale Atome auseinandergerissen wurden und sogar vorher nicht einmal einzelne Atomkerne bilden konnten.
Ein solches Bild - der Urknall - wurde durch die Entdeckung der Reliktstrahlung, des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, Messungen seines Spektrums und der Schwankungen sowie durch die Entdeckung der seitdem verbliebenen Primärelemente bestätigt. Aber so verlockend es auch sein mag, den ganzen Weg zurück in einen extrem heißen und dichten Zustand, in eine Singularität zu gehen, es ist in unserem Universum einfach unmöglich.
Sie sehen, es gibt einige ernsthafte Probleme, die auftreten, wenn Sie versuchen, den ganzen Weg zurück zu gehen:
- Das Universum würde sich nicht auf unbestimmte Zeit ausdehnen, nicht sofort zusammenbrechen, keine Sterne oder Galaxien bilden lassen, wenn die anfängliche Expansionsrate und die Energiedichte nicht perfekt ausbalanciert wären.
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- Das Universum hätte unterschiedliche Temperaturen in unterschiedliche Richtungen - was wir nicht beobachten -, wenn etwas nicht zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung führen würde.
- Das Universum würde mit energiereichen Relikten gefüllt sein, die aufgrund willkürlicher Extrapolation in die Vergangenheit nie gefunden wurden.
Und wieder, wenn wir das Universum beobachten, sehen wir Sterne und Galaxien; sie hat in alle Richtungen die gleiche Temperatur; Es sind keine energiereichen Relikte sichtbar.
Die Lösung für diese Probleme war die Theorie der kosmischen Inflation, die die Idee einer Singularität durch eine Periode exponentieller Raumausdehnung ersetzte und solche Anfangsbedingungen vorschrieb, dass es keinen Urknall geben konnte. Darüber hinaus hat die Inflation sechs Vorhersagen darüber getroffen, was wir in unserem Universum beobachten sollten:
- Perfekt flaches Universum.
- Ein Universum mit Schwankungen in einem Ausmaß, das größer als Licht ist, könnte überwunden werden.
- Ein Universum mit einer maximalen Temperatur, die nicht willkürlich hoch ist.
- das Universum, dessen Schwankungen adiabatisch oder überall gleich entropisch waren.
- Das Universum, dessen Schwankungsspektrum etwas geringer war als die skaleninvariante Natur (n_s <1).
- Schließlich das Universum mit einem bestimmten Spektrum von Gravitationswellenschwankungen.
Der erste wurde bestätigt, der sechste wird noch gesucht.
Die nächste logische Frage nach unserer Herkunft wird natürlich sein, woher die Inflation kam. War dieser Zustand im Verhältnis zur Vergangenheit ewig (das heißt, er hatte keinen Ursprung und existierte immer) bis zum Ende und der Erschaffung des Urknalls? Hatte dieser Zustand einen Anfang, als er zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit aus dem nichtinflationären Zustand der Raumzeit hervorging? Oder war es in einem zyklischen Zustand, als die Zeit in einer Schleife eingeschlossen war?
Das Schwierige daran ist, dass wir in unserem Universum nichts beobachten können, was uns erlaubt, eine dieser drei Optionen zu wählen. In allen außer den am weitesten hergeholten Inflationsmodellen (und mit Ausnahme derjenigen, die wir ausgeschlossen haben) wurde unser Universum nur von den letzten 10 (-33) Sekunden Inflation oder so beeinflusst. Die exponentielle Natur der Inflation löscht alle Informationen, die zuvor geboren wurden, und trennt sie von allem, was wir beobachten können, und bläst sie aus unserem beobachtbaren Universum heraus.
Was uns aber in Form des beobachtbaren Universums bleibt, ist enorm: 46 Milliarden Lichtjahre im Radius, 1012 Galaxien, 1024 Sterne, 1080 Atome und etwa 1090 Photonen. Obwohl diese Zahlen astronomisch sind, sind sie endlich und geben uns keine Informationen darüber, was im Universum vor diesem winzigen letzten Bruchteil einer Sekunde Inflation passiert ist. Wir können theoretische Berechnungen durchführen, um weitere Annahmen zu verdrängen, aber alle hängen vom gewählten Modell ab. Mit Ausnahme einiger spezifischer Modelle, die beobachtbare Spuren in unserem Universum hinterlassen würden (die meisten nicht), können wir nicht wissen, wie - oder sogar ob - das Universum seinen Anfang genommen hat.
Die Gesamtmenge an Informationen, die uns im Universum zur Verfügung stehen, ist begrenzt, und damit die Menge an Wissen, die wir darüber erhalten können. Es gibt jedoch noch viel zu lernen, es gibt noch viel, was die Wissenschaft nicht weiß. Aber einige Dinge werden wir höchstwahrscheinlich nie erfahren. Das Universum mag unendlich sein, aber unser Wissen darüber wird es niemals sein.
