Die Menschen waren schon immer von zwei Haupttheorien über den Ursprung des Universums fasziniert. "In einem von ihnen entsteht das Universum in einem einzigen Moment der Schöpfung (wie in der jüdisch-christlichen und brasilianischen Kosmogonie)", schrieben die Kosmologen Mario Novello und Santiago Perez-Bergliff 2008. In einem anderen - "Das Universum ist ewig und besteht aus einer endlosen Reihe von Zyklen (wie in der Kosmogonie der Babylonier und Ägypter)." Die Aufteilung in die moderne Kosmologie "spiegelt irgendwie kosmogonische Mythen wider", schrieben Kosmologen.
Es scheint, dass es in den letzten Jahrzehnten nicht viele Konfrontationen gegeben hat. Die Urknalltheorie, ein Standardthema in Lehrbüchern und Fernsehsendungen, wird von modernen Kosmologen stark unterstützt. Das Bild eines ewigen Universums war vor etwa hundert Jahren vorzuziehen, verlor jedoch die Unterstützung, als Astronomen sahen, dass sich der Kosmos ausdehnte und dass er vor 14 Milliarden Jahren klein und einfach war. In der populärsten modernen Version dieser Theorie begann der Urknall mit der sogenannten "kosmischen Inflation" - einem Ausbruch exponentieller Expansion, bei dem ein infinitesimales Stück Raumzeit in einen riesigen, flachen, makroskopischen Raum anschwoll, der sich seitdem weiter ausdehnte.
Heute reproduzieren Inflationsmodelle unter Verwendung eines Ausgangsbestandteils (des Inflaton-Feldes) viele der bekannten Details des Kosmos. Aber als Ursprungsgeschichte verliert die Inflationstheorie in vielerlei Hinsicht: Es ist nicht klar, was ihr vorausging und was vorher war. Viele Theoretiker glauben, dass das Inflationsfeld natürlich in eine vollständigere, wenn auch noch unbekannte Theorie des Ursprungs der Zeit passen sollte.
In den letzten Jahren haben immer mehr Kosmologen begonnen, die Alternative vorsichtig zu überarbeiten. Sie sagen, der Urknall hätte … der Urprall sein können. Einige Kosmologen bevorzugen es, ein Bild zu sehen, in dem sich das Universum wie eine Lunge zyklisch ausdehnt und zusammenzieht und abprallt, wenn es sich auf eine bestimmte Größe zusammenzieht. andere schlagen vor, dass der Kosmos nur einmal abprallte - und dass er zusammenbrach, bevor er sich unendlich lange erholte und sich danach auf unbestimmte Zeit ausdehnte. In jedem Modell fließt die Zeit ohne Ende in die Vergangenheit und Zukunft.
Die moderne Wissenschaft hofft, diese alte Debatte zu lösen. In den kommenden Jahren sollten Teleskope überzeugende Beweise für die kosmische Inflation finden. Während des ersten grassierenden Wachstums - falls es eines gab - sollten sich die Quantenwellen im Gewebe der Raumzeit ausgedehnt und als kleine Wirbel in der Polarisation des alten Lichts eingeprägt haben - dem kosmischen Mikrowellenhintergrund. Experimente mit modernen und zukünftigen Teleskopen suchen nach diesen Wirbeln. Wenn sie in den nächsten Jahrzehnten nicht gefunden werden, bedeutet dies auch nicht, dass die Inflationstheorie falsch ist (schließlich sind diese Wirbel möglicherweise zu schwach), sondern stärkt die Position der Rückprallkosmologie, nach der diese Wirbel nicht existieren sollten.
Mehrere Wissenschaftlergruppen haben gleichzeitig bemerkenswerte Fortschritte erzielt. Im vergangenen Jahr haben Physiker zwei neue Optionen für einen möglichen Rebound identifiziert. Eines der Modelle, das in einem Artikel beschrieben wurde, der im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics erschien, wurde von Anna Idjas von der Columbia University nach ihrer früheren Arbeit mit dem Kosmologen Paul Steinhardt vorgestellt. Überraschenderweise wurde von Peter Graham, David Kaplan und Surjit Rahendran, einem bekannten Trio von Wissenschaftlern, die sich mehr auf die Teilchenphysik konzentrierten und keine Beziehung zur Bounce-Kosmologie hatten, eine weitere neue Rebound-Lösung vorgeschlagen, die zur Veröffentlichung in Physical Review D angenommen wurde.
Im Allgemeinen erhielt diese Frage im Jahr 2001 eine neue Bedeutung, als Steinhardt und drei andere Kosmologen feststellten, dass die Zeit der langsamen Komprimierung in der Geschichte des Universums ihre außergewöhnliche Glätte und Flachheit erklären könnte, die wir heute auch nach einem Aufschwung beobachten - ohne die Inflation einschalten zu müssen.
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Die makellose Einfachheit des Universums, die Tatsache, dass keine Region des Himmels mehr Materie enthält als jede andere und dass der Raum so flach ist, wie Teleskope sehen können, sind alle erstaunlich und unerklärlich. Damit der Raum so homogen ist wie er ist, glauben Experten, dass der Raum bei einem Durchmesser von einem Zentimeter überall innerhalb eines Teils pro 100.000 die gleiche Dichte haben musste. Da er jedoch aus kleinen Dimensionen wuchs, mussten Materie und Energie sofort wachsen Raum-Zeit verklumpen und verzerren. Warum können unsere Teleskope kein durch die Schwerkraft zerstörtes Universum sehen?
"Die Inflation entstand aus der Idee heraus, dass die Glätte und Flachheit des Universums verrückt ist", sagt der Kosmologe Neil Turok, Direktor des Instituts für Theoretische Physik des Perimeters in Waterloo, Ontario, und Co-Autor eines 2001 erschienenen Papiers über kosmische Kontraktion von Steinhardt, Justin Howry und Bert Ovroot. … Unter dem Inflationsszenario entstand eine zentimetergroße Region im Zuge der inflationären Expansion einer noch kleineren Region - ein kleiner Fleck, der nicht größer als ein Billionstel Billionstel Zentimeter ist. Dieser Fleck, der sich in einem flachen und glatten aufblasbaren Feld ausdehnt, sollte nicht durch starke Schwankungen von Raum und Zeit gegangen sein und sich in ein großes und glattes Universum wie das unsere ausgedehnt haben. Raman Sundrum, ein theoretischer Physiker an der University of Maryland, sagte, er mochte "eingebaute Widerstandsfähigkeit" in der Inflation. Wenn während der Phase des explosiven Wachstums eine Energieakkumulation auftrat, die die Raumzeit an einem bestimmten Ort verzerrte, hätte sich diese Konzentration schnell ausdehnen müssen.
Woher genau dieser unglaublich kleine Fleck kam und warum er so glatt und flach war, weiß niemand. Theoretiker haben viele mögliche Optionen gefunden, um das Inflatonfeld in die Stringtheorie einzubeziehen, aus der eine Quantentheorie der Schwerkraft abgeleitet werden kann. Bisher gibt es jedoch weder für noch gegen diese Ideen Tatsachen.
Die kosmische Inflation hat ebenfalls eine kontroverse Konsequenz. Die in den 1980er Jahren von Alan Guth, Andrey Linde, Alexei Starobinsky und Steinhardt vorgestellte Theorie führt fast automatisch zu der Hypothese, dass unser Universum eine zufällige Blase in einem endlosen Meer von Multiversen ist. Sobald die Inflation beginnt, zeigen Berechnungen, dass sie für immer andauern und nur an Stellen aufhören wird, in "Taschen", in denen Universen wie unsere dann gedeihen werden. Die Möglichkeit eines sich ständig erweiternden Multiversums im Inflationsprozess lässt darauf schließen, dass unsere spezielle Blase für immer unverständlich bleibt, da im Multiversum unendlich oft alles Mögliche passiert ist. Diese Schlussfolgerung lässt die Experten natürlich würgen. Es ist schwer vorstellbar, dass unser Universum nur eines von vielen sein kann. Steinhardt selbst nannte diese Idee "Müll".
Diese Haltung motivierte ihn und andere Forscher teilweise, Rebounds anzugehen. „Im Rebound-Modell gibt es keine Inflationsperiode“, sagt Turok. Stattdessen fügten sie eine Komprimierungsperiode vor dem Urknall hinzu, die unser homogenes Universum erklärt. "So wie das Gas in Ihrem Raum völlig homogen ist, weil Luftmoleküle kollidierten und sich vermischten, war das Universum groß und langsam komprimiert, was ihm Zeit gab, sich zu glätten."
Obwohl die ersten Modelle eines schrumpfenden Universums verwirrend und ungenau waren, waren viele Wissenschaftler von der Grundidee überzeugt: Dieses langsame Schrumpfen könnte viele Merkmale unseres expandierenden Universums erklären. „Und dann wurde der Rebound zum Engpass. Die Leute waren sich einig, dass es sehr interessant ist, in die Kontraktionsphase zu gehen, aber nicht, wenn man nicht in die Expansionsphase gehen kann."
Hüpfen ist nicht einfach. In den 1960er Jahren haben die britischen Physiker Roger Penrose und Stephen Hawking eine Reihe sogenannter "Singularitätssätze" bewiesen, die zeigen, dass die Komprimierung von Materie und Energie unter sehr allgemeinen Bedingungen unweigerlich zu einem unermesslich dichten Punkt führen würde - einer Singularität. Diese Theoreme können der Vorstellung kaum gerecht werden, wie ein schrumpfendes Universum, in dem Materie, Raumzeit und Energie nach innen rollen, dem Zusammenbruch zu einer Singularität entgeht - in der Albert Einsteins klassische Theorie der Schwerkraft und Raumzeit aufhört zu funktionieren und in der die Regeln der Quantengravitation zu funktionieren beginnen … Warum sollte ein schrumpfendes Universum dem Schicksal eines massiven Sterns entkommen, der stirbt, bis zu einem Punkt schrumpft und zu einem schwarzen Loch wird?
Beide vorgeschlagenen Rebound-Modelle nutzen Lücken in Singularitätssätzen - solche, die seit vielen Jahren als Sackgassen erscheinen. Rebound-Kosmologen haben seit langem erkannt, dass Sprünge möglich sein könnten, wenn das Universum negative Energiematerie (oder andere Quellen von Unterdruck) enthält, die der Schwerkraft entgegenwirkt und alles abstößt. Wissenschaftler haben seit Anfang der 2000er Jahre versucht, diese Lücke auszunutzen, haben jedoch immer festgestellt, dass das Hinzufügen von Bestandteilen mit negativer Energie ihr Modell des Universums instabil macht, da Quantenfluktuationen positiver und negativer Energie spontan in einem Vakuum des Raums mit null Energie auftreten können. Der russische Kosmologe Valery Rubakov und seine Kollegen haben 2016 sogar einen Satz bewiesen, der eine große Klasse von Rückprallmechanismen ausschloss.
Dann fand Idjas einen Rebound-Mechanismus, der diese Ausnahme ebenfalls umgehen kann. Der Hauptbestandteil ihres Modells ist eine einfache Einheit, ein "Skalarfeld", das theoretisch ins Spiel kommen könnte, wenn sich das Universum zusammenzieht und die Energie hoch konzentriert wird. Das Skalarfeld könnte sich im Gravitationsfeld so verstecken, dass ein negativer Druck auf das Universum ausgeübt wird, wodurch Kompression und Dehnung der Raumzeit verhindert werden. Idjas 'Arbeit ist „der beste Versuch, alle möglichen Instabilitäten zu nutzen und mit dieser speziellen Art von Materie ein wirklich stabiles Modell zu schaffen“, sagt Jean-Luc Leiners, ein theoretischer Kosmologe am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Deutschland, der auch an Sprungvariationen gearbeitet hat.
Graham, Kaplan und Rahendran präsentierten ihre nicht-singuläre Rebound-Idee im September 2017 in einem Preprint auf arxiv.org. Sie begannen ihre Arbeit mit der Frage, ob die vorherige Phase der Kontraktion in der Geschichte des Universums die Bedeutung der kosmologischen Konstante erklären könnte - eine auffallend kleine Zahl, die die Menge an dunkler Energie bestimmt, die in das Gefüge der Raumzeit eingenäht ist, die Energie, die die beschleunigte Expansion des Universums antreibt.
Das Trio arbeitete am schwierigsten Teil - dem Rebound - und nutzte eine zweite, weitgehend vergessene Lücke in den Singularitätssätzen. Sie ließen sich von dem seltsamen Modell des Universums inspirieren, das der Logiker Kurt Gödel 1949 vorschlug, als er und Einstein am Institute for Advanced Study in Princeton arbeiteten. Gödel verwendete die Gesetze der allgemeinen Relativitätstheorie, um eine Theorie eines rotierenden Universums zu erstellen, dessen Rotation es vor dem Zusammenbruch der Gravitation bewahrte, genauso wie die Erdumlaufbahn verhindert, dass es auf die Sonne fällt. Gödel betonte insbesondere die Tatsache, dass sein rotierendes Universum "geschlossene zeitliche Kurven" zuließ, dh Zeitschleifen. Bis zu seinem Tod glaubte er, dass sich das Universum genau so drehte, wie es sein Modell vorschlägt. Wissenschaftler wissen heute, dass dies nicht der Fall ist;Andernfalls wären einige Richtungen und Ordnungen im Raum anderen vorzuziehen. Aber Graham und Company haben über kleine, wirbelnde räumliche Dimensionen nachgedacht, die im Raum existieren könnten, wie die zusätzlichen sechs Dimensionen, die von der Stringtheorie postuliert werden. Könnte sich ein schrumpfendes Universum in diese Richtungen drehen?
Stellen Sie sich vor, es gibt nur eine dieser verdrehten zusätzlichen Dimensionen, einen winzigen Kreis an jedem Punkt im Raum. Wie Graham sagt: "An jedem Punkt im Raum gibt es eine zusätzliche Richtung, in die Sie sich bewegen können, die viertdimensionale Dimension, aber Sie können nur eine kurze Strecke gehen und dorthin zurückkehren, wo Sie begonnen haben." Wenn es mindestens drei kompakte zusätzliche Dimensionen gibt, können sich Materie und Energie in dem Universum zusammenziehen, und die Dimensionen selbst drehen sich mit Materie und Energie. Ein Spin in zusätzlichen Dimensionen kann plötzlich einen Rückprall auslösen. "All dieses Zeug, das zu einer Singularität hätte zusammenbrechen sollen, wird aufgrund der Rotation in zusätzlichen Dimensionen nicht dort ankommen", sagt Graham. „All diese Substanz musste irgendwann zusammenbrechen,aber stattdessen wird es wegfliegen."
Die Arbeit der Wissenschaftler hat die Aufmerksamkeit von Menschen außerhalb des üblichen Kreises der Rebound-Kosmologen auf sich gezogen. Sean Carroll, ein theoretischer Physiker am California Institute of Technology, steht ihr skeptisch gegenüber, nennt die Idee selbst aber "sehr klug". Er hält es für wichtig, Alternativen zur traditionellen Inflationsgeschichte zu entwickeln, um zu verstehen, mit wie viel besser die Inflationstheorie verglichen werden kann - insbesondere wenn Teleskope der nächsten Generation auf den Markt gebracht werden. Er glaubt auch, dass es sich lohnt, eine alternative Theorie zu testen, wenn sie sogar eine 5% ige Erfolgschance hat. Und diese Arbeit ist keine Ausnahme.
Ilya Khel
