Vakuumschwankungen können zur Bildung virtueller Protouniversen führen, die unter bestimmten Bedingungen von einem virtuellen in einen realen Zustand übergehen können.
Physiker haben seit vielen Jahren versucht, eine Quantentheorie der Schwerkraft aufzubauen - bisher leider ohne Erfolg. Fast alle sind sich einig, dass eine solche Theorie Einsteins relativistische Gravitationstheorie mit der Quantenmechanik kombinieren sollte, und dies ist eine sehr, sehr schwierige Aufgabe.
Die Quantenmechanik mit all ihren Paradoxien beschreibt dennoch die Eigenschaften von Objekten, die im nicht gekrümmten Newtonschen Raum existieren. Die zukünftige Gravitationstheorie sollte die probabilistischen quantenmechanischen Gesetze auf die Eigenschaften des Raums selbst (genauer Raum-Zeit) ausweiten, die gemäß den Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie deformiert wurden. Wie man das mit strengen mathematischen Berechnungen macht, weiß noch niemand wirklich.
Kalte Geburt
Die Wege zu einer solchen Gewerkschaft können jedoch auf qualitativer Ebene durchdacht werden, und hier ergeben sich sehr interessante Perspektiven. Einer von ihnen wurde vom berühmten Kosmologen, Professor an der Universität von Arizona, Lawrence Krauss, in seinem kürzlich veröffentlichten Buch "Ein Universum aus dem Nichts" ("Universum aus dem Nichts") in Betracht gezogen. Seine Hypothese sieht fantastisch aus, widerspricht aber in keiner Weise den etablierten Gesetzen der Physik.
Es wird angenommen, dass unser Universum aus einem sehr heißen Anfangszustand mit einer Temperatur in der Größenordnung von 1032 Kelvin entstanden ist. Man kann sich jedoch die kalte Geburt von Universen aus einem reinen Vakuum vorstellen - genauer gesagt aus ihren Quantenfluktuationen. Es ist bekannt, dass solche Schwankungen sehr viele virtuelle Teilchen erzeugen, die buchstäblich aus dem Nichts hervorgingen und anschließend spurlos verschwanden. Vakuumschwankungen können nach Krauss prinzipiell zu ebenso kurzlebigen Protouniversen führen, die unter bestimmten Bedingungen von einem virtuellen in einen realen Zustand übergehen.
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Universum ohne Energie
Was wird dafür benötigt? Die erste und wichtigste Bedingung ist, dass der Embryo des zukünftigen Universums keine Gesamtenergie haben muss. In diesem Fall ist es nicht nur nicht zum fast sofortigen Verschwinden verurteilt, sondern kann im Gegenteil für eine beliebig lange Zeit existieren. Dies liegt daran, dass nach der Quantenmechanik das Produkt der Unsicherheit in der Energie eines Objekts durch die Unsicherheit in seiner Lebensdauer nicht kleiner sein sollte als der Endwert - die Plancksche Konstante.
Die Trennung grundlegender Wechselwirkungen in unserem frühen Universum lag in der Natur eines Phasenübergangs. Bei sehr hohen Temperaturen wurden grundlegende Wechselwirkungen kombiniert, aber beim Abkühlen unter die kritische Temperatur trat keine Trennung auf (dies kann mit einer Unterkühlung von Wasser verglichen werden). In diesem Moment überstieg die mit der Vereinigung verbundene Energie des Skalarfeldes die Temperatur des Universums, was das Feld mit Unterdruck versah und eine kosmologische Inflation verursachte. Das Universum begann sich sehr schnell auszudehnen und im Moment des Symmetriebrechens (bei einer Temperatur von etwa 1028 K) nahmen seine Dimensionen um das 1050-fache zu. In diesem Moment verschwand auch das mit der Vereinigung der Wechselwirkungen verbundene Skalarfeld, und seine Energie wurde in eine weitere Expansion des Universums umgewandelt.
Sobald die Energie eines Objekts streng gleich Null ist, ist es ohne Unsicherheiten bekannt, und daher kann die Zeit seines Lebens unendlich lang sein. Aufgrund dieses Effekts werden zwei geladene Körper, die sich in sehr großen Entfernungen befinden, angezogen oder voneinander abgestoßen. Sie interagieren durch den Austausch virtueller Photonen, die sich aufgrund ihrer Nullmasse über jede Entfernung ausbreiten. Im Gegensatz dazu existieren Eichvektorbosonen, die aufgrund ihrer großen Masse schwache Wechselwirkungen tragen, nur etwa 10 bis 25 Sekunden lang, wodurch diese Wechselwirkungen einen sehr kleinen Radius haben.
Was für ein Universum, wenn auch embryonal, ohne Energie? Wie Professor Krauss der Populären Mechanik erklärte, ist daran nichts Mystisches: „Die Energie eines solchen Universums besteht aus der positiven Energie von Teilchen und Strahlung (und möglicherweise auch skalaren Vakuumfeldern) und der negativen potentiellen Energie der Schwerkraft. Ihre Summe kann gleich Null sein - die Mathematik erlaubt dies. Es ist jedoch sehr wichtig, dass eine solche Energiebilanz nur in geschlossenen Welten möglich ist, deren Raum eine positive Krümmung aufweist. Flache und noch offenere Universen besitzen eine solche Eigenschaft nicht. “
Der Phasenübergang trat in der Entwicklung des Universums dreimal auf: bei einer Temperatur von 10 bis 28 Grad K (die große Vereinigung der Wechselwirkungen zerfiel), 10 bis 15 Grad K (Zerfall der elektroschwachen Wechselwirkung) und 10 bis 12 Grad K (Quarks begannen sich zu Hadronen zu vereinigen).
Wunder der Inflation
Was passiert, wenn die Quantenfluktuationen des Vakuums zu einem virtuellen Universum ohne Energie führen, das aufgrund der Quantenchancen einige Zeit für Leben und Evolution erhalten hat? Es hängt von seiner Zusammensetzung ab. Wenn der Raum des Universums mit Materie und Strahlung gefüllt ist, wird er sich zuerst ausdehnen, seine maximale Größe erreichen und beim Gravitationskollaps zusammenbrechen, nachdem er nur für einen winzigen Bruchteil einer Sekunde existiert hat. Es ist eine andere Sache, wenn es im Raum Skalarfelder gibt, die den Prozess der inflationären Expansion auslösen können. Es gibt Szenarien, in denen diese Expansion nicht nur den Gravitationskollaps des "Blasen" -Universums verhindert, sondern es auch in eine fast flache und grenzenlose Welt verwandelt. So wächst auch die Zeit ihres Lebens unermesslich - fast bis ins Unendliche. Auf diese Weise,Ein winziges virtuelles Universum wird ziemlich real - riesig und langlebig. Selbst wenn sein Alter endlich ist, kann es das aktuelle Alter unseres Universums durchaus überschreiten. Daher können dort Sterne und Sternhaufen, Planeten und sogar, was zum Teufel nicht scherzt, intelligentes Leben auftauchen. Ein vollwertiges Universum, das buchstäblich aus dem Nichts entstanden ist - das sind die Wunder, zu denen die Inflation fähig ist!
Alexey Levin
