Das Universum hatte einen Anfang. Aber wo hat es angefangen? Was bist du am Anfang geworden? Wir wissen, dass alles mit einer ziemlich schnellen Expansion begann und mit einer großen Anzahl von Galaxien endete, die aus kleinen Teilchen bestehen. Aber was war davor? Was waren die Gesetze der Physik, als alles begann? Die berühmten Physiker James Hartl und Stephen Hawking haben vor einigen Jahrzehnten mehrere Antworten auf diese Fragen gegeben. Eine neue Arbeit einer anderen Gruppe von Physikern analysierte Hawkings und Hartles populäre Interpretation der Urknallgeometrie und stieß auf einige Probleme. Diese Ergebnisse werfen ein Licht auf das Problem des Beginns des Universums. Ein neues Hindernis, das alle Theorien der Zukunft überwinden müssen.
„Wir haben versucht, eine strengere Berechnung durchzuführen, und haben eine andere Lösung gefunden“, sagt Job Feldbrügge, ein Doktorand am Perimeter Institute. "Die Theorie, die wir verwenden, wirft ein neues Licht auf die bestehende Theorie und zeigt, dass sie möglicherweise nicht wie erwartet funktioniert."
Wissenschaftler versuchen normalerweise, den Beginn des Universums zu verstehen, indem sie Einsteins Gravitationsgesetze, die als allgemeine Relativitätstheorie bezeichnet werden, betrachten und sie rückwärts spielen. Schließlich wollen sie an den Punkt gelangen, an dem das Universum sehr klein war. Die interessantesten Fragen stellen sich jedoch, wie das junge Universum aussah: War es klein genug, um den Gesetzen der Quantenmechanik zu gehorchen, die die kleinsten Teilchen, Atome und Photonen regelt?
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, ein Universum wie das unsere zu gründen. Vielleicht, dachte Hawking und Hartle, war dieses kondensierte Universum nur ein Punkt im Raum mit einem speziellen Quantenzustand, der sogenannten Wellenfunktion, die alles in der Sprache der Quantenmechanik beschreibt. Dann kam die Zeit. Philosophie und Religion müssen viel über dieses Thema sprechen, aber Mathematiker brauchen nur Stift und Papier. Dieses Punktuniversum entwickelte sich auf der Grundlage der Mathematik der allgemeinen Relativitätstheorie mit den ursprünglichen Eigenschaften der Quantenmechanik, die in seine Struktur eingebaut sind. Daher sollten diese winzigen zufälligen Schwankungen der Energie im Weltraum im Zuge der raschen Expansion - Inflation - zu großen Dichteunterschieden führen, die wir im modernen Universum mit Galaxien und Hohlräumen beobachten. Die Theorie von Hawking und Hartle war eine von mehreren Möglichkeiten, den Beginn eines Universums ohne Singularität, einen Punkt mit einem Volumen von Null und eine unendliche Masse zu markieren, die wenig Sinn machten. Andere Ideen, wie die von Alexander Vilenkin vorgeschlagenen, implizierten diese anfängliche Singularität nicht.
Ein neuer Artikel, der kürzlich auf dem arXiv-Preprint-Server veröffentlicht wurde, führt ein Problem ein. In der Mathematik von Hawking, Hartles und Vilenkin berechnete das neue Team nicht die winzigen Quantenfluktuationen, die zur Schaffung des heutigen Universums erforderlich sind. Stattdessen sind diese Schwankungen gigantisch und schaffen ein Universum, das sich von unserem völlig unterscheidet.
„Die Berechnungen, die wir durchgeführt haben, führen nach dem Urknall zu starken Gravitationswellen“, sagt Feldbrugge - enorme Schwankungen in der Form der Raumzeit selbst. „Es konnte nicht zu einem Universum führen, wie es heute ist. Die Berechnungen widersprechen dem, was wir sehen."
Hartl ist nicht besonders besorgt über die Ergebnisse des Feldbrugge-Teams. "In der Kosmologie haben wir immer noch zu wenig Daten im Vergleich zu dem, was es hätte sein können", sagt er. "Also tun wir unser Bestes, um die Theorie zu unterstützen, die am besten zu unseren Beobachtungen passt." Er sieht die neue Arbeit als einen weiteren Versuch, das Spiel umzudrehen, indem er mehr Informationen und einen anderen mathematischen Weg bietet, dem Wissenschaftler folgen können. "Forscher haben das Recht zu entscheiden, ob sie diese oder eine andere Idee verfolgen wollen."
Sein Team hat kürzlich einen weiteren Artikel veröffentlicht, in dem er seine eigene Mathematik überarbeitet und demonstriert, warum seine Theorie immer noch funktioniert.
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Die Mathematik von Feldbrugge und seinem Team scheint jedoch zu zeigen, dass ein reibungsloses Erscheinungsbild eines Universums ohne Singularität "keine Option" ist. Ihre Mathematik bestreitet direkt Hartle und Hawking.
Die Verknüpfung von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie zur Erklärung des Beginns des Universums ist weder neu noch nahezu gelöst. Tatsächlich ist dies eines der Hauptprobleme, die theoretische Physiker zu lösen versuchen, da es wichtig ist, den Ursprung des Universums zu verstehen, wenn beide Gesetze auf derselben Skala angewendet werden, und die Bedeutung für Schwarze Löcher, in denen die Schwerkraft so stark ist wie das Licht kann sie nicht verlassen.
Vor allem aber glaubt Feldbrugge nicht, dass ein Universum, das mit den Gesetzen der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie begann, kleine Schwankungen erzeugen könnte, die zu einem Universum wie dem unseren führen würden - er glaubt, dass es etwas anderes geben muss. "Es ist unklar, welche Lösung die letzte Option sein wird", sagt er.
Die Meinungen der Physiker zu diesem Thema sind sehr unterschiedlich. Paul Steinhardt, Professor für Physik an der Princeton University, sagt, dass es bereits alternative Möglichkeiten gibt, um Probleme in einem neuen Job sowie andere Beschwerden über das Hawking-Hartle-Modell zu vermeiden. Dieses sogenannte unendliche Modell erfordert einige mathematische Problemumgehungen, um ein Universum wie das unsere zu erstellen.
„Was ist die Alternative? Ein Sprung ohne Singularität “, sagt er und bezieht sich auf ein Modell, das er mit der in Princeton ansässigen Kosmologin Anna Idjas entwickelt. Nach diesem Modell kollabiert das Universum und entfaltet sich dann in unser eigenes Universum, lange bevor man anfangen kann, über die Auswirkungen der Quantenmechanik nachzudenken.
Sabine Hossenfelder, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Frankfurter Institut für fortgeschrittene Studien, ist sich der neuen Ergebnisse nicht sicher. „Das einzige, was ich daraus schließen kann, ist, dass wir nicht wussten, wie das Universum begann, bevor diese Arbeit geschrieben wurde. Und wir wussten es nicht, nachdem diese Arbeit veröffentlicht wurde. Theoretiker nehmen die Mathematik ernst und haben diese Berechnungen mit Zeit und Raum durchgeführt, lange bevor Teleskope sie bestätigen würden. Der einzige Weg, um sicher zu wissen, was los ist, ist das Experimentieren.
Heutzutage können die meisten dieser Theorien durch Beobachtungen des ältesten Lichts, das auf uns herabgekommen ist, des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, bestätigt oder widerlegt werden. Wissenschaftler hoffen, dass die Erkenntnisse aus ihren Theorien dazu beitragen werden, wichtige Signaturen aus diesen Daten zu isolieren.
Ist es möglich, die Arbeit von Feldbrugge und seinem Team zu überprüfen? Sie fangen gerade erst an. Die Überprüfung wird natürlich lange dauern. Wissenschaftler müssen letztendlich ein Universum schaffen, das unserem ähnelt. Die Details dieses Prozesses sind jedoch noch nicht festgelegt.
ILYA KHEL
