Unser Universum entstand vor 13,7 Milliarden Jahren und wurde vom Urknall erzeugt. Seit mehreren Generationen versuchen Wissenschaftler, dieses Phänomen zu verstehen.
Ende der 20er Jahre des 20. Jahrhunderts entdeckte Edwin Hubble, dass alle Galaxien nach einer Explosion zerstreute Granatenfragmente sind. Gleichzeitig stellte der belgische Astronom und Theologe Georges Lemaitre seine Hypothese auf (1931 wurde sie auf den Seiten von "Nature" veröffentlicht)). Er glaubt, dass die Geschichte des Universums mit der Explosion des "Primäratoms" begann, und dies führte zu Zeit, Raum und Materie (früher, in den frühen 1920er Jahren, kam der sowjetische Wissenschaftler Alexander Fridman, der Einsteins Gleichungen analysierte, ebenfalls zu dem Schluss, dass "Das Universum wurde von einem Punkt aus erschaffen" und es dauerte "zig Milliarden unserer üblichen Jahre").
Zunächst lehnten Astronomen die Argumentation des belgischen Theologen vehement ab. Weil die Urknalltheorie perfekt mit dem christlichen Glauben an Gott den Schöpfer kombiniert wurde. Seit zwei Jahrhunderten unterdrücken Wissenschaftler das Eindringen religiöser Spekulationen über den "Beginn aller Anfänge" in die Wissenschaft. Und jetzt kehrt Gott, der unter dem gemessenen Schwanken der Räder der Newtonschen Mechanik aus der Natur vertrieben wurde, unerwartet zurück. Er kommt in die Flammen des Urknalls, und es ist schwierig, sich ein triumphaleres Bild seines Aussehens vorzustellen.
Das Problem lag jedoch nicht nur in der Theologie - der Urknall gehorchte nicht den Gesetzen der exakten Wissenschaften. Der wichtigste Moment in der Geschichte des Universums war unverständlich. An diesem singulären (speziellen) Punkt, der sich auf der Achse der Raumzeit befindet, hörte die allgemeine Relativitätstheorie auf zu funktionieren, weil Druck, Temperatur, Energiedichte und Krümmung des Raumes ins Unendliche stürzten, das heißt, sie verloren jede physikalische Bedeutung. Zu diesem Zeitpunkt verschwanden all diese Sekunden, Meter und astronomischen Einheiten und verwandelten sich nicht in Null, nicht in negative Werte, sondern in ihre völlige Abwesenheit, in absolute Bedeutungslosigkeit. Dieser Punkt ist eine Lücke, die auf den Stelzen der Logik oder Mathematik nicht überwunden werden kann, ein Loch durch Zeit und Raum.
Erst Ende der 1960er Jahre zeigten Roger Penrose und Stephen Hawking überzeugend, dass im Rahmen von Einsteins Theorie die Urknall-Singularität unvermeidlich ist. Dies konnte jedoch die Arbeit der Theoretiker nicht erleichtern. Wie beschreibt man den Urknall? Was war zum Beispiel die Ursache für dieses Ereignis? Wenn vor ihm überhaupt keine Zeit war, dann schien es keinen Grund zu geben, der ihn zur Welt brachte.
Wie wir jetzt verstehen, ist es notwendig, Einsteins Lehre, die Raum und Zeit beschreibt, mit der Quantentheorie zu verbinden, die sich mit Elementarteilchen und ihren Wechselwirkungen befasst, um eine vollständige Theorie des Urknalls zu erstellen. Wahrscheinlich kann es mehr als ein Jahrzehnt dauern, bis dies möglich ist und eine einzige "Formel des Universums" abgeleitet wird.
Und wo könnte zum Beispiel die enorme Energiemenge erscheinen, die zu dieser Explosion unglaublicher Kraft geführt hat? Vielleicht wurde es von unserem Universum von seinem Vorgänger geerbt, der zu einem singulären Punkt zusammenbrach? Doch woher hat sie es dann? Oder wurde die Energie in das Urvakuum gegossen, aus dem unser Universum wie eine "Schaumblase" herausrutschte? Oder übertragen die Universen der älteren Generation Energie durch Schwarze Löcher - diese singulären Punkte - auf die Universen der jüngeren Generation - in deren Tiefen vielleicht neue Welten geboren werden, die wir niemals sehen werden? Wie dem auch sei, das Universum in solchen Modellen erscheint als "offenes System", das dem "klassischen" Bild des Urknalls nicht vollständig entspricht: "Es gab nichts, und plötzlich wurde das Universum geboren."
Das Universum befand sich zum Zeitpunkt der Bildung in einem extrem dichten und heißen Zustand.
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Oder vielleicht ist unser Universum nach Ansicht einiger Forscher im Allgemeinen … energielos, oder vielmehr ist seine Gesamtenergie Null? Die positive Energie der von Materie emittierten Strahlung überlagert die negative Energie der Schwerkraft. Plus und Minus ergeben Null. Diese berüchtigte „0“scheint der Schlüssel zum Verständnis der Natur des Urknalls zu sein. Von ihm - von "Null", von "Nichts" - wurde sofort alles geboren. Zufällig. Spontan. Einfach so. Eine vernachlässigbare Abweichung von 0 führte zu einer universellen Lawine von Ereignissen. Man kann auch einen solchen Vergleich anstellen: Eine Steinkugel, die auf einem Chomolungma balanciert, der so dünn wie ein Turm ist, schwang plötzlich und rollte herunter und verursachte eine "Lawine von Ereignissen".
1973 - Der Physiker Edward Trion aus Amerika versuchte, den Geburtsprozess unseres Universums anhand des Heisenbergschen Unsicherheitsprinzips zu beschreiben, einer der Grundlagen der Quantentheorie. Nach diesem Prinzip wird die Zeit umso unsicherer, je genauer wir beispielsweise Energie messen. Wenn also die Energie streng Null ist, kann die Zeit beliebig lang sein. So groß, dass früher oder später eine Schwankung im Quantenvakuum auftritt, aus dem das Universum geboren werden soll. Dies wird zu einem raschen Wachstum des Weltraums führen, scheinbar aus dem Nichts. "Es ist nur so, dass Universen manchmal geboren werden, das ist alles", erklärte Trion einfach den Hintergrund des Urknalls. Es war eine große zufällige Explosion. Das ist alles.
Könnte der Urknall wieder passieren?
Seltsamerweise ja. Wir leben in einem Universum, das noch Früchte tragen und neue Welten hervorbringen kann. Es wurden mehrere Modelle erstellt, die den "Big Bangs" der Zukunft beschreiben.
Warum treten zum Beispiel in demselben Vakuum, das unser Universum hervorgebracht hat, keine neuen Schwankungen auf? Vielleicht erschien in diesen 13,7 Milliarden Jahren eine Vielzahl von Welten neben unserem Universum, die sich in keiner Weise berührten. Sie haben unterschiedliche Naturgesetze, es gibt unterschiedliche physikalische Konstanten. In den meisten dieser Welten könnte niemals Leben entstehen. Viele von ihnen sterben sofort und brechen zusammen. Aber in einigen Universen - rein zufällig! - Es gibt Bedingungen, unter denen das Leben entstehen kann.
Aber es geht nicht nur um das Vakuum, das vor dem Beginn "aller Zeiten und Völker" bleibt. Mit zukünftigen Welten behaftete Schwankungen können auch in dem Vakuum auftreten, das sich in unserem Universum ausbreitet - genauer gesagt in der dunklen Energie, die es füllt. Diese Art von Modell des "erneuerenden Universums" wurde vom in der Sowjetunion geborenen amerikanischen Kosmologen Alexander Vilenkin entwickelt. Diese neuen "Urknalle" bedrohen uns nicht. Sie werden die Struktur des Universums nicht zerstören, sie werden es nicht zu Asche verbrennen, sondern nur einen neuen Raum schaffen, der über die Grenzen unserer Beobachtung und unseres Verständnisses hinausgeht. Vielleicht glauben solche "Explosionen", die die Geburt neuer Welten markieren, in den Tiefen zahlreicher schwarzer Löcher, glaubt der amerikanische Astrophysiker Lee Smolin.
Ein anderer Eingeborener der UdSSR, der im Westen lebt, der Kosmologe Andrei Linde, glaubt, dass wir selbst in der Lage sind, einen neuen Urknall zu erschaffen, nachdem wir irgendwann im Weltraum eine riesige Energiemenge gesammelt haben, die eine bestimmte kritische Grenze überschreitet. Nach seinen Berechnungen könnten Raumfahrtingenieure der Zukunft eine unsichtbare Prise Materie - nur einige Hundertstel Milligramm - so weit verdichten, dass die Energie dieses Gerinnsels 1015 Gigavolt beträgt. Es bildet sich ein winziges Schwarzes Loch, das sich exponentiell ausdehnt. Dies wird ein „Tochteruniversum“mit einer eigenen Raumzeit schaffen, das sich schnell von unserem Universum trennt.
… Es gibt viele fantastische Dinge in der Natur des Urknalls. Die Gültigkeit dieser Theorie wird jedoch durch eine Reihe von Naturphänomenen bewiesen. Dazu gehören die beobachtete Ausdehnung des Universums, das Verteilungsmuster chemischer Elemente sowie die kosmische Hintergrundstrahlung, die als "Relikt des Urknalls" bezeichnet wird.
Vor dem Urknall?
Die Welt existiert nicht für immer. Es entstand in den Flammen des Urknalls. War dies jedoch ein einzigartiges Phänomen in der Geschichte des Weltraums? Oder ein wiederkehrendes Ereignis wie die Geburt von Sternen und Planeten? Was ist, wenn der Urknall nur eine Phase des Übergangs von einem Zustand der Ewigkeit in einen anderen ist?
Viele Physiker sagen, dass es anfangs etwas und nicht nichts gab. Vielleicht wurde unser Universum - wie andere auch - aus einem elementaren Quantenvakuum geboren. Aber egal wie „minimal einfach“ein solcher Zustand ist - und die Gesetze der Physik erlauben es nicht, weniger als ein Quantenvakuum zu existieren - er kann nicht als „Nichts“bezeichnet werden.
Vielleicht ist das Universum, das wir sehen, nur ein weiterer aggregierter Zustand der Ewigkeit? Und die bizarre Anordnung von Galaxien und Galaxienhaufen - so etwas wie ein Kristallgitter, das in der n-dimensionalen Welt, die vor der Geburt unseres Universums existierte, eine völlig andere Struktur hatte und möglicherweise durch die "Formel für alles" vorhergesagt wurde, nach der Einstein suchte? Und wird es in den kommenden Jahrzehnten zu finden sein? Wissenschaftler blicken aufmerksam durch die Mauer des Unbekannten, die unser Universum geschützt hat, und versuchen zu verstehen, was einen Moment zuvor passiert ist. Nach unseren üblichen Vorstellungen gab es absolut nichts. Welche Formen des Ewigen Kosmos können man sich vorstellen, wenn man Zeit und Raum mit jenen Eigenschaften ausstattet, die in unserem Universum unvorstellbar sind?
Einige der vielversprechendsten Theorien, in die Physiker eine ganze Ewigkeit hineinzudrücken versuchen, sind vielleicht die Theorie der Quantengeometrie, der Quantenspindynamik oder der Quantengravitation. Die größten Beiträge zu ihrer Entwicklung leisteten Abei Ashtekar, Ted Jacobson, Jerzy Lewandowski, Carlo Rovelli, Lee Smolin und Thomas Thiemann. All dies sind die komplexesten physischen Konstruktionen, ganze Paläste, die aus Formeln und Hypothesen errichtet wurden, um den Durchbruch zu verbergen, der in ihrer Tiefe und Dunkelheit, der Singularität von Zeit und Raum verborgen ist.
Die Ära der Singularität
Die Umwege neuer Theorien zwingen uns, über die scheinbar offensichtlichen Wahrheiten zu treten. In der Quantengeometrie brechen Raum und Zeit, die zuvor unendlich fragmentiert waren, plötzlich in getrennte Inseln auf - Teile, Quanten, unter denen es nichts gibt. Alle singulären Punkte können in diese "Felsbrocken" eingebettet werden. Die Raumzeit selbst verwandelt sich in eine Verflechtung eindimensionaler Strukturen - ein "Netzwerk von Spins", dh sie wird zu einer diskreten Struktur, einer Art Kette, die aus getrennten Gliedern gewebt ist.
Das Volumen der kleinstmöglichen Raumschleife beträgt nur 10-99 Kubikzentimeter. Dieser Wert ist so klein, dass ein Kubikzentimeter viel mehr Raumquanten enthält als die gleichen Kubikzentimeter im Universum, die wir beobachten (sein Volumen beträgt 1085 Zentimeter in einem Würfel). Es gibt nichts in den Quanten des Raumes, keine Energie, egal - genau wie in einem mathematischen Punkt - per Definition gibt es kein Dreieck oder Ikosaeder. Wenn wir jedoch die Hypothese "submikroskopisches Gewebe des Universums" anwenden, um den Urknall zu beschreiben, erhalten wir erstaunliche Ergebnisse, wie Abei Ashtekar und Martin Bojovald von der University of Pennsylvania gezeigt haben.
Wenn wir die Differentialgleichungen in der Standardtheorie der Kosmologie, die einen kontinuierlichen Raumfluss annehmen, durch andere Differentialgleichungen ersetzen, die sich aus der Theorie der Quantengeometrie ergeben, verschwindet die mysteriöse Singularität. Die Physik endet nicht dort, wo der Urknall beginnt - dies ist die erste ermutigende Schlussfolgerung von Kosmologen, die sich weigerten, die Eigenschaften des Universums zu akzeptieren, die wir als die ultimative Wahrheit betrachten.
In der Theorie der Quantengravitation wird angenommen, dass unser Universum (wie alle anderen) als Ergebnis einer zufälligen Schwankung des Quantenvakuums geboren wurde - einer globalen makroskopischen Umgebung, in der es keine Zeit gab. Jedes Mal, wenn eine Schwankung einer bestimmten Größe in einem Quantenvakuum auftritt, wird ein neues Universum geboren. Es „verzweigt“sich von der homogenen Umgebung, in der es entstanden ist, und beginnt sein eigenes Leben. Jetzt hat sie ihre eigene Geschichte, ihren eigenen Raum, ihre eigene Zeit, ihren eigenen Zeitpfeil.
In der modernen Physik wurde eine Reihe von Theorien aufgestellt, die zeigen, wie aus einer ewig existierenden Umgebung, in der es keine Makrozeit gibt, aber an einigen Punkten, an denen die Mikrozeit fließt, eine so große Welt wie unsere entstehen kann.
Beispielsweise schlagen die Physiker Gabriele Veneziano und Maurizio Gasperini aus Italien im Rahmen der Stringtheorie vor, dass das sogenannte "String-Vakuum" ursprünglich existierte. Zufällige Quantenfluktuationen führten dazu, dass die Energiedichte einen kritischen Wert erreichte und dies einen lokalen Zusammenbruch verursachte. Was mit der Geburt unseres Universums aus einem Vakuum endete.
Abei Ashtekar und Martin Bojovald haben im Rahmen der Theorie der Quantengeometrie gezeigt, dass Raum und Zeit aus primitiveren Grundstrukturen entstehen können, nämlich "Spin-Netzwerken".
Eckhard Rebhan von der Universität Düsseldorf und - unabhängig von ihm - George Ellis und Roy Maartens von der Universität Kapstadt entwickeln die Idee eines "statischen Universums", über das Albert Einstein und der britische Astronom Arthur Eddington nachdachten. In ihrem Bestreben, auf die Auswirkungen der Quantengravitation zu verzichten, haben Rebhan und seine Kollegen einen sphärischen Raum inmitten einer ewigen Leere (oder, wenn Sie es vorziehen, einer leeren Ewigkeit) erfunden, in der es keine Zeit gibt. Aufgrund einer gewissen Instabilität entwickelt sich hier ein Inflationsprozess, der zu einem heißen Urknall führt.
Natürlich sind die aufgeführten Modelle spekulativ, aber sie entsprechen im Wesentlichen dem modernen Entwicklungsstand der Physik und den Ergebnissen astronomischer Beobachtungen der letzten Jahrzehnte. In jedem Fall ist eines klar. Der Urknall war eher ein gewöhnliches, natürliches Ereignis und kein Unikat.
Wird uns diese Art von Theorie helfen zu verstehen, was vor dem Urknall hätte passieren können? Wenn das Universum geboren wurde, was brachte es hervor? Wo erscheint der „genetische Abdruck“seines Elternteils in modernen Theorien der Kosmologie? 2005 - Abei Ashtekar zum Beispiel veröffentlichte die Ergebnisse seiner neuen Berechnungen (Tomasz Pavlovsky und Paramprit Singh halfen dabei). Aus ihnen ging hervor, dass, wenn die ursprünglichen Prämissen korrekt waren, vor dem Urknall dieselbe Raumzeit existierte wie nach diesem Ereignis. Die Physik unseres Universums spiegelte sich wie in einem Spiegel in der Physik der anderen Welt wider. Bei diesen Berechnungen schnitt der Urknall wie ein Spiegelbildschirm durch die Ewigkeit und stellte sich neben die Unverträglichkeit - die Natur und ihre Reflexion. Und was ist Authentizität hier, was ist ein Geist?
Das einzige, was "von der anderen Seite des Spiegelglases" zu sehen ist, ist, dass sich das Universum zu dieser Zeit nicht ausdehnte, sondern sich zusammenzog. Der Urknall wurde zum Punkt seines Zusammenbruchs. In diesem Moment blieben Raum und Zeit für einen Moment stehen, um wieder reflektiert zu werden - um fortzufahren - um sich wie ein Phönix in der Welt zu erheben, die wir kennen, dieses Universum, das wir mit unseren Formeln, Codes und Zahlen messen. Das Universum hat sich buchstäblich wie ein Handschuh oder ein Hemd von innen nach außen gedreht und ist seitdem stetig gewachsen. Der Urknall war laut Ashtekar nicht "die Erschaffung des gesamten Universums aus dem Nichts", sondern nur ein Übergang von einer dynamischen Form der Ewigkeit zur anderen. Vielleicht durchläuft das Universum eine endlose Reihe von "Urknallen", und diese zig Milliarden (oder was auch immer) Jahre, die seine getrennten Phasen trennen, sind nur Perioden der "kosmischen Sinuskurve".nach den Gesetzen, nach denen das Universum lebt?
Empfohlen für die Anzeige: "Wer hat das Universum erschaffen? Der Urknall - eine wichtige wissenschaftliche Erklärung: Alle Argumente"
A. Volkov
