Theoretische Physiker und Kosmologen müssen nach Antworten auf die grundlegendsten Fragen suchen: "Warum sind wir hier?", "Wann ist das Universum erschienen?" und "Wie ist das passiert?" Trotz der offensichtlichen Wichtigkeit, Antworten auf diese Fragen zu finden, gibt es eine Frage, die sie alle mit ihrem Interesse überschattet: "Was ist vor dem Urknall passiert?"
Seien wir ehrlich: Wir können diese Frage nicht beantworten. Niemand kann. Aber niemand verbietet es, über dieses Thema zu spekulieren und einige interessante Annahmen zu berücksichtigen? Sean Carroll vom California Institute of Technology stimmt dem beispielsweise zu. Im vergangenen Monat nahm Carroll an einem halbjährlichen Treffen der American Astronomical Society teil, bei dem er mehrere "vorexplosive" Szenarien vorschlug, deren "Endakkord" die Entstehung unseres Universums sein könnte. Auch dies ist nur Spekulation, keine Theorie. Bitte berücksichtigen Sie dies.
"Zu dieser Zeit waren sozusagen die Gesetze der Physik, die wir kennen, noch nicht in Kraft, weil sie" damals "noch nicht existierten", sagt Carroll.
„Wenn Physiker sagen, dass sie keine Ahnung haben, was damals passiert ist, sagen sie es in aller Ernsthaftigkeit. Dieses Segment der Geschichte befindet sich in absolut undurchdringlicher Dunkelheit “, stimmt Peter Voight, theoretischer Physiker an der Columbia University, zu.
Eine der seltsamsten Eigenschaften unseres Universums ist, dass es ein sehr geringes Maß an Entropie aufweist. Dieser Begriff hat viele Interpretationen, aber in diesem Fall sprechen wir über den Grad der Störung. Und im Fall des Universums gibt es mehr Ordnung als Unordnung. Stellen Sie sich eine mit Sand gefüllte Bombe vor. Die Bombe explodiert und die darin enthaltenen Milliarden von Milliarden Sandkörnern streuen in verschiedene Richtungen - tatsächlich liegt vor Ihnen ein Modell des Urknalls.
„Nur anstelle der erwarteten chaotischen Streuung verwandeln sich diese Sandkörner, die die Materie unseres Universums darstellen, sofort in viele vorgefertigte„ Sandburgen “, die unklar gebildet wurden, wie und ohne fremde Hilfe“, sagt Stephen Countryman, ein Doktorand an der Columbia University.
Das Ergebnis des Urknalls könnte (und sollte vielleicht) die Entstehung eines hohen Maßes an Massenentropie in Form von ungleichmäßig verteilter Materie sein. Stattdessen sehen wir jedoch Sternensysteme, Galaxien und ganze Galaxienhaufen miteinander verbunden. Wir sehen Ordnung.
Darüber hinaus ist es wichtig zu verstehen, dass die Entropie oder Störung nur mit der Zeit zunehmen kann - dieselbe Sandburg zerfällt früher oder später und ohne fremde Hilfe wieder in viele Sandkörner. Darüber hinaus steht, wie Carroll betont, unsere Beobachtung der Zeit in direktem Zusammenhang mit dem Grad der Entropie seit Beginn des Universums. Gleichzeitig kann die Entropie selbst als eine Art zeitabhängige physikalische Eigenschaft mit nur einer Bewegungsrichtung betrachtet werden - in die Zukunft.
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Entropie kann also nach den Gesetzen der Physik nur zunehmen, aber ihr aktuelles Niveau im Universum ist sehr niedrig. Laut Carroll kann dies nur eines bedeuten: Das frühe Universum hatte ein noch niedrigeres Niveau, das heißt, das Universum hätte noch besser organisiert und geordnet sein müssen. Und dies wiederum könnte die Idee aufkommen lassen, was tatsächlich vor dem Urknall selbst mit unserem Universum passiert ist.
„Es gibt viele Menschen, die glauben, dass das frühe Universum ein sehr einfaches, uninteressantes und ausdrucksloses System war. Sobald Sie jedoch die Entropie mit dieser Frage verbinden, ändert sich die Perspektive sofort und Sie erkennen, dass in diesem Fall einige Dinge erklärt werden müssen “, fährt Carroll fort.
Selbst wenn wir die Entropie beiseite lassen, werden wir andere ebenso wichtige Aspekte haben, die irgendwie an unser aktuelles Universum angepasst werden müssen, in dem wir leben. Darüber hinaus scheinen in einigen Fällen niedrige Entropieniveaus weniger signifikant zu sein als in anderen. Daher werden wir versuchen, die drei beliebtesten Annahmen darüber zu berücksichtigen, was vor dem Urknall mit dem Universum geschehen sein könnte.
Das Big Rebound-Modell
Einer der Hypothesen zufolge ist das niedrige Entropie-Niveau unseres Universums auf die Tatsache zurückzuführen, dass sein Erscheinen selbst das Ergebnis des Zerfalls eines "vorherigen" Universums war. Diese Hypothese besagt, dass sich unser Universum als Ergebnis einer schnellen Kompression ("Bounce") gebildet haben könnte, die durch komplexe Effekte der Quantengravitation (Singularität) ausgelöst wurde, die wiederum den Urknall auslösten. Dies kann wiederum darauf hinweisen, dass wir sowohl zu jedem Zeitpunkt in der unendlichen Abfolge aufkommender Universen als auch umgekehrt in der „ersten Iteration“des Universums mit gleichem Erfolg leben können.
Dieses hypothetische Modell der Entstehung des Universums wird manchmal als "Big Bounce" -Modell bezeichnet. Die erste Erwähnung dieses Begriffs stammt aus den 60er Jahren, aber dieses Modell wurde erst in den 80er - frühen 90er Jahren zu einer mehr oder weniger formulierten Hypothese.
Unter den weniger bedeutenden kontroversen Punkten weist das Big Bounce-Modell auch deutliche Mängel auf. Zum Beispiel widerspricht die Idee des Zusammenbruchs in eine Singularität Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie - den Regeln, nach denen die Schwerkraft arbeitet. Physiker glauben, dass der Singularitätseffekt in Schwarzen Löchern existieren kann, aber die uns bekannten physikalischen Gesetze können uns keinen Mechanismus liefern, um zu erklären, warum „ein anderes Universum“, das die Singularität erreicht hat, den Urknall hervorrufen sollte.
"Es gibt nichts in der allgemeinen Relativitätstheorie, was auf einen" Sprung "des neuen Universums als Ergebnis einer Singularität hinweist", sagt Sean Carroll.
Dies ist jedoch nicht der einzige große kontroverse Punkt. Tatsache ist, dass das Big Bounce-Modell das Vorhandensein eines geradlinigen Zeitverlaufs mit abnehmender Entropie impliziert. Wie oben erwähnt, nimmt die Entropie jedoch nur mit der Zeit zu. Mit anderen Worten, nach den Gesetzen der Physik, die wir kennen, ist das Erscheinen eines springenden Universums unmöglich.
Die Weiterentwicklung des Modells führte zur Entstehung einer Hypothese, dass die Zeit im Universum zyklisch sein kann. Gleichzeitig kann das Modell jedoch immer noch nicht erklären, wie die derzeitige Expansion des Universums durch seine Kontraktion ersetzt wird. Dies bedeutet jedoch nicht unbedingt, dass das Big Bounce-Muster völlig falsch ist. Es ist möglich, dass unsere aktuellen Theorien darüber einfach unvollkommen und nicht vollständig durchdacht sind. Schließlich wurden die Gesetze der Physik, die wir jetzt haben, von der Grenze abgeleitet, nach der wir das Universum beobachten können.
Das Modell des schlafenden Universums
"Vielleicht war das Universum vor dem Urknall ein sehr kompakter, sich langsam entwickelnder statischer Raum", theoretisieren Physiker wie Kurt Hinterbichler, Austin Joyce und Justin Khoury.
Dieses "vorexplosive" Universum musste einen metastabilen Zustand haben, dh stabil sein, bis ein noch stabilerer Zustand auftrat. Stellen Sie sich analog eine Klippe vor, an deren Rand sich ein Felsbrocken in einem Schwingungszustand befindet. Jeder Kontakt mit dem Felsbrocken führt dazu, dass er in den Abgrund fällt oder - was unserem Fall näher kommt - der Urknall auftritt. Nach einigen Theorien könnte das "vorexplosive" Universum in einer anderen Form existieren, beispielsweise in Form eines abgeflachten und sehr dichten Raums. Infolgedessen ging diese metastabile Periode zu Ende: Sie dehnte sich dramatisch aus und nahm die Form und den Zustand dessen an, was wir jetzt sehen.
"Das Modell des schlafenden Universums hat jedoch auch seine Probleme", sagt Carroll.
"Es wird auch davon ausgegangen, dass unser Universum ein geringes Maß an Entropie aufweist, und es wird nicht erklärt, warum dies so ist."
Hinterbichler, theoretischer Physiker an der Case Western Reserve University, sieht die Entstehung einer niedrigen Entropie jedoch nicht als Problem an.
„Wir suchen nur nach einer Erklärung für die Dynamik vor dem Urknall, die erklärt, warum wir sehen, was wir jetzt sehen. Bisher ist dies nur noch das einzige, was uns noch bleibt “, sagt Hinterbichler.
Carroll glaubt jedoch, dass es eine andere Theorie eines "vorexplosiven" Universums gibt, die das niedrige Entropieniveau in unserem Universum erklären kann.
Das Multiversum-Modell
Die Entstehung neuer Universen aus dem "Elternuniversum"
Das hypothetische Multiversum-Modell vermeidet die entropievermindernde Zurückhaltung des Big Bounce-Modells und liefert eine Erklärung für sein niedriges Niveau heute, sagt Carroll. Es stammt aus der Idee der "Inflation" - einem allgemein akzeptierten, aber unvollständigen Modell des Universums. Der Begriff "Inflation" und die erste Erklärung für dieses Modell wurde 1981 vom Physiker Alan Guth vorgeschlagen, der derzeit am Massachusetts Institute of Technology arbeitet. Nach diesem Modell hat sich der Raum nach dem Urknall dramatisch erweitert. So dramatisch, dass die Geschwindigkeit dieser Expansion höher war als die Lichtgeschwindigkeit. Nach der Quantenmechanik treten im Raum ständig zufällige, subtile Schwankungen der Energie auf. Irgendwann in der Inflationsperiode erreichten die Spitzen dieser Schwankungen ihr Maximum und verursachten das Auftreten von Galaxien. Hohlräume und großräumige Strukturen mit niedriger Entropie, die wir heute im Universum beobachten.
Das Inflationsmodell selbst wurde auf der Grundlage von Beobachtungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung entwickelt - der ältesten Art von Strahlung, die nur wenige hunderttausend Jahre nach dem Urknall auftrat. Wissenschaftler glauben, dass das Inflationsmodell seine Existenz perfekt vorhersagt.
Eine Hypothese ist, dass das Multiversum das Ergebnis der Inflation sein könnte. Die Annahme besagt, dass es ein sehr, sehr großes Universum gibt, das von Zeit zu Zeit zu kompakteren Universen führt. Darüber hinaus ist keine Form der Kommunikation zwischen diesen Universen möglich. Markus Wu von PBS Nova erklärt:
„In den frühen 80er Jahren kamen die Physiker zu dem Schluss, dass Inflation die Natur der Unendlichkeit haben kann. Sie stoppten nur in einigen Regionen des Weltraums und schufen eine Art geschlossener„ Taschen “. Zwischen diesen "Taschen" setzt sich die Inflation jedoch fort und fließt schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Von einander isolierte "Taschen" werden schließlich zu Universen."
Carroll ist von diesem Modell am meisten beeindruckt, obwohl sein eigenes vorgeschlagenes Modell sich etwas von dem oben beschriebenen unterscheidet:
"Dies ist nur eine Version der Multiversum-Theorie, aber der Hauptunterschied besteht darin, dass das 'Elternuniversum' ein hohes Maß an Entropie aufweisen kann und Universen mit einem niedrigen Maß an Entropie hervorbringt", sagt Carroll.
Nach diesem Modell gab es vor dem Urknall eine Art großen expandierenden Raum, aus dem unser und eine unendliche Anzahl anderer Universen geboren wurden. Andere Universen sind außerhalb unserer Fähigkeit, sie zu erkennen, und könnten sich sowohl vor als auch nach unserem Universum gebildet haben.
Es sei darauf hingewiesen, dass dies derzeit eines der beliebtesten Modelle ist. Trotzdem nehmen Wissenschaftler das natürlich anders wahr. Einige unterstützen diese Idee, andere sind im Gegenteil völlig anderer Meinung. Wenn wir jedoch Peter Voight von der Columbia University als Beispiel nehmen, kann die Theorie des Multiversums, obwohl sie aus populärwissenschaftlicher Sicht sehr attraktiv aussieht, Physiker faul machen und sie dazu bringen, nicht mehr nach Antworten auf die grundlegendsten Fragen zu suchen, zum Beispiel, warum sind physikalische Konstanten in unserem Universum? genau so wie sie sind - alle Variabilität abschreiben.
"Theoretiker spekulieren über die Möglichkeit einer unendlichen Anzahl von Universen, und schließlich können wir klare Modelle entwickeln, die erklären können, warum sich Werte (wie die grundlegenden Eigenschaften der beobachteten Teilchen) in jedem einzelnen Universum voneinander unterscheiden können", sagt Voight …
Voight befürchtet, dass eines Tages die Hauptfrage für die Wissenschaft in diesem Bereich die Argumentation zum Thema sein wird: „Wie glücklich wir sind, in diesem zufälligen Universum zu sein, in dem alles auf diese Weise geschieht und nicht anders, trotz der unendlichen Vielfalt an Möglichkeiten. Lassen Sie uns dieses Unterfangen mit Theorien aufgeben.
Was kann zusammengefasst werden? Viele Physiker werden dafür bezahlt, dass sie streiten und Bücher schreiben, in denen sie zu beschreiben versuchen, wie der Urknall und das Modell eines "vorexplosiven" Universums erklären können, was wir heute sehen, obwohl sie selbst nicht wissen und es wirklich nicht wissen können. Wieso ist es so. Tatsache ist, dass wir, obwohl es sowohl in mathematischen Modellen als auch in Erklärungen ernsthafte Vereinfachungen gibt, der richtigen Antwort nicht nahe gekommen sind, und wir haben immer noch viele Überlegungen zu diesem Thema, bis wir zum gewünschten Ergebnis kommen.
„Es ist wichtig, nicht nur Theorien und Hypothesen aufzustellen. Es ist viel wichtiger, den Menschen klar zu machen, dass wir selbst noch nicht verstehen, wovon wir sprechen. All dies ist nur auf der Ebene der Annahmen möglich, aber ich hoffe, dass wir früher oder später die richtige Antwort finden können, die für jeden geeignet ist “, sagt Carroll.
NIKOLAY KHIZHNYAK
