Der Titel dieses Artikels klingt möglicherweise nicht nach einem cleveren Witz. Nach dem allgemein anerkannten kosmologischen Konzept, der Urknalltheorie, entstand unser Universum aus einem extremen Zustand eines physikalischen Vakuums, das durch eine Quantenfluktuation erzeugt wurde. In diesem Zustand existierten weder Zeit noch Raum (oder sie waren in Raum-Zeit-Schaum verwickelt), und alle grundlegenden physikalischen Wechselwirkungen wurden miteinander verschmolzen. Später trennten sie sich und erwarben eine unabhängige Existenz - zuerst Gravitation, dann starke Wechselwirkung und erst dann - schwach und elektromagnetisch.
Kommen wir zurück zu wissenschaftlich fundierten Themen
Der Urknalltheorie vertraut die absolute Mehrheit der Wissenschaftler, die die frühe Geschichte unseres Universums studieren. Es erklärt wirklich viel und widerspricht in keiner Weise den experimentellen Daten. Vor kurzem hat es jedoch einen Konkurrenten angesichts einer neuen, zyklischen Theorie, deren Grundlagen von zwei hochklassigen Physikern entwickelt wurden - dem Direktor des Instituts für Theoretische Wissenschaft an der Princeton University Paul Steinhardt und dem Preisträger der Maxwell-Medaille sowie dem renommierten internationalen TED-Preis Neil Turok, dem Direktor des Canadian Institute for Advanced Study in Physik (Perimeter Institute for Theoretical Physics). Mit Hilfe von Professor Steinhardt versuchte die Populäre Mechanik, über die zyklische Theorie und die Gründe für ihr Auftreten zu sprechen.
Der Moment vor den Ereignissen, in dem „zuerst die Schwerkraft, dann die starke Wechselwirkung und erst dann - schwach und elektromagnetisch“auftritt. Es ist üblich, t = 0 als Nullzeit zu bezeichnen, aber dies ist eine reine Konvention, eine Hommage an den mathematischen Formalismus. Nach der Standardtheorie begann der kontinuierliche Zeitfluss erst, nachdem die Schwerkraft unabhängig geworden war. Dieses Moment wird normalerweise dem Wert t = 10-43 s (genauer 5,4x10-44 s) zugeschrieben, der als Planck-Zeit bezeichnet wird. Moderne physikalische Theorien sind einfach nicht in der Lage, mit kürzeren Zeiträumen sinnvoll zu arbeiten (es wird angenommen, dass dies eine Quantentheorie der Schwerkraft erfordert, die noch nicht erstellt wurde). Im Kontext der traditionellen Kosmologie macht es keinen Sinn, darüber zu sprechen, was vor dem ersten Moment geschehen ist.weil Zeit in unserem Verständnis damals einfach nicht existierte.
Das Konzept der Inflation ist ein wesentlicher Bestandteil der kosmologischen Standardtheorie (siehe Seitenleiste). Nach dem Ende der Inflation kam die Schwerkraft zur Geltung und das Universum expandierte weiter, jedoch mit abnehmender Geschwindigkeit. Diese Entwicklung dauerte 9 Milliarden Jahre. Danach trat ein weiteres Antigravitationsfeld unbekannter Natur in Aktion, das als Dunkle Energie bezeichnet wird. Es brachte das Universum wieder in einen Modus exponentieller Expansion, der anscheinend in zukünftigen Zeiten fortgesetzt werden sollte. Es ist anzumerken, dass diese Schlussfolgerungen auf astrophysikalischen Entdeckungen beruhen, die am Ende des letzten Jahrhunderts, fast 20 Jahre nach dem Auftreten der inflationären Kosmologie, gemacht wurden.
Die inflationäre Interpretation des Urknalls wurde erstmals vor etwa 30 Jahren vorgeschlagen und seitdem mehrfach verfeinert. Diese Theorie ermöglichte es, einige grundlegende Probleme zu lösen, mit denen die frühere Kosmologie nicht fertig wurde. Zum Beispiel erklärte sie, warum wir in einem Universum mit flacher euklidischer Geometrie leben - nach den klassischen Friedmann-Gleichungen sollte dies genau mit exponentieller Expansion geschehen. Die Inflationstheorie hat erklärt, warum kosmische Materie eine Granularität in einem Maßstab von nicht mehr als Hunderten von Millionen Lichtjahren aufweist und gleichmäßig über große Entfernungen verteilt ist. Sie gab auch eine Interpretation des Scheiterns jeglicher Versuche, magnetische Monopole zu erkennen, sehr massive Partikel mit einem einzigen Magnetpol, von denen angenommen wird, dass sie es sindwurden vor Beginn der Inflation im Überfluss geboren (die Inflation dehnte den Weltraum aus, so dass die anfänglich hohe Dichte der Monopole auf fast Null reduziert wurde und unsere Instrumente sie daher nicht erkennen können).
Werbevideo:
Bald nach dem Erscheinen des Inflationsmodells erkannten mehrere Theoretiker, dass seine interne Logik nicht der Idee einer dauerhaften Mehrlingsgeburt von immer mehr neuen Universen widersprach. In der Tat können Quantenfluktuationen, wie wir sie unserer Welt verdanken, in jeder Menge auftreten, vorausgesetzt, die Bedingungen sind richtig. Es ist möglich, dass unser Universum die in der Vorgängerwelt gebildete Fluktuationszone verlassen hat. Ebenso kann davon ausgegangen werden, dass sich irgendwann und irgendwo in unserem eigenen Universum eine Fluktuation bildet, die ein junges Universum ganz anderer Art "ausbläst", das auch zur kosmologischen "Fortpflanzung" fähig ist. Es gibt Muster, in denen solche Kinderuniversen kontinuierlich entstehen, sich von ihren Eltern abzweigen und ihren eigenen Platz finden. Darüber hinaus ist es überhaupt nicht notwendig, dass in solchen Welten dieselben physikalischen Gesetze aufgestellt werden. Alle diese Welten sind in einem einzigen Raum-Zeit-Kontinuum "verschachtelt", aber sie sind so weit voneinander entfernt, dass sie die Präsenz des anderen in keiner Weise spüren. Im Allgemeinen erlaubt das Konzept der Inflation - darüber hinaus zwingt! - zu glauben, dass es im gigantischen Megakosmos viele isolierte Universen mit unterschiedlichen Anordnungen gibt.
Theoretische Physiker lieben es, Alternativen zu den allgemein anerkannten Theorien zu finden. Das Inflationsmodell des Urknalls hat auch Konkurrenten. Sie erhielten keine breite Unterstützung, aber sie haben und haben ihre eigenen Anhänger. Die Theorie von Steinhardt und Turok unter ihnen ist nicht die erste und schon gar nicht die letzte. Heute wurde es jedoch detaillierter entwickelt als die anderen und erklärt die beobachteten Eigenschaften unserer Welt besser. Es gibt mehrere Versionen, von denen einige auf der Quantenstringtheorie und mehrdimensionalen Räumen basieren, während andere auf der traditionellen Quantenfeldtheorie beruhen. Der erste Ansatz liefert lebendigere Bilder von kosmologischen Prozessen, daher werden wir uns damit befassen.
Die fortschrittlichste Version der Stringtheorie ist als M-Theorie bekannt. Sie behauptet, dass die physische Welt 11 Dimensionen hat - zehn räumliche und eine zeitliche. Darin schweben Räume niedrigerer Dimensionen, die sogenannten Branes. Unser Universum ist nur eine dieser Branes mit drei räumlichen Dimensionen. Es ist mit verschiedenen Quantenteilchen (Elektronen, Quarks, Photonen usw.) gefüllt, die tatsächlich offene Schwingketten mit nur einer räumlichen Dimension sind - Länge. Die Enden jeder Saite sind fest in einer dreidimensionalen Brane fixiert, und die Saite kann die Brane nicht verlassen. Es gibt aber auch geschlossene Strings, die außerhalb der Brane wandern können - dies sind Gravitonen, Quanten des Gravitationsfeldes.
Wie erklärt die zyklische Theorie die Vergangenheit und Zukunft des Universums? Beginnen wir mit der aktuellen Ära. Der erste Platz gehört jetzt zur dunklen Energie, die dazu führt, dass sich unser Universum exponentiell ausdehnt und sich periodisch verdoppelt. Infolgedessen nimmt die Dichte von Materie und Strahlung ständig ab, die Gravitationskrümmung des Raums wird schwächer und seine Geometrie wird immer flacher. In den nächsten Billionen Jahren wird sich die Größe des Universums etwa hundertmal verdoppeln und sich in eine fast leere Welt verwandeln, die völlig frei von materiellen Strukturen ist. Neben uns befindet sich eine weitere dreidimensionale Brane, die in der vierten Dimension durch einen winzigen Abstand von uns getrennt ist und ebenfalls eine ähnliche exponentielle Ausdehnung und Abflachung erfährt. Während dieser ganzen Zeit ändert sich der Abstand zwischen den Branes praktisch nicht.
Und dann beginnen diese parallelen Brane zu konvergieren. Sie werden durch ein Kraftfeld aufeinander zu gedrückt, dessen Energie vom Abstand zwischen den Branen abhängt. Jetzt ist die Energiedichte eines solchen Feldes positiv, so dass sich der Raum beider Brane exponentiell ausdehnt - daher ist es dieses Feld, das den Effekt liefert, der durch das Vorhandensein dunkler Energie erklärt wird! Dieser Parameter nimmt jedoch allmählich ab und wird in einer Billion Jahren auf Null fallen. Beide Branchen werden ohnehin weiter expandieren, jedoch nicht exponentiell, sondern nur sehr langsam. Daher wird in unserer Welt die Dichte von Partikeln und Strahlung nahezu Null bleiben und die Geometrie wird flach bleiben.
Aber das Ende der alten Geschichte ist nur ein Auftakt zum nächsten Zyklus. Die Brane bewegen sich aufeinander zu und kollidieren schließlich. In diesem Stadium fällt die Energiedichte des Zwischenzweigfeldes unter Null und es beginnt sich wie die Schwerkraft zu verhalten (ich möchte Sie daran erinnern, dass die potentielle Energie der Schwerkraft negativ ist!). Wenn die Brane sehr nahe beieinander liegen, beginnt das Feld zwischen den Branen an jedem Punkt unserer Welt, Quantenfluktuationen zu verstärken und sie in makroskopische Deformationen der räumlichen Geometrie umzuwandeln (beispielsweise erreicht die berechnete Größe solcher Deformationen in einer Millionstel Sekunde vor der Kollision mehrere Meter). Nach der Kollision wird in diesen Zonen der Löwenanteil der während des Aufpralls freigesetzten kinetischen Energie freigesetzt. Infolgedessen tritt dort das meiste heiße Plasma mit einer Temperatur von etwa 1023 Grad auf. Es sind diese Regionen, die zu lokalen Gravitationsknoten werden und sich in Embryonen zukünftiger Galaxien verwandeln.
Eine solche Kollision ersetzt den Urknall der inflationären Kosmologie. Es ist sehr wichtig, dass die gesamte neu gebildete Materie mit positiver Energie aufgrund der akkumulierten negativen Energie des Zwischenzweigfeldes erscheint, daher wird das Gesetz der Energieerhaltung nicht verletzt.
Und wie verhält sich ein solches Feld in diesem entscheidenden Moment? Vor der Kollision erreicht die Dichte ihrer Energie ein Minimum (und ein Negativ), beginnt dann zuzunehmen und wird bei einer Kollision Null. Die Brane stoßen sich dann gegenseitig ab und beginnen sich zu zerstreuen. Die Dichte der verzweigten Energie erfährt eine umgekehrte Entwicklung - wieder wird sie negativ, null, positiv. Die mit Materie und Strahlung angereicherte Brane dehnt sich unter dem Bremseffekt ihrer eigenen Gravitation zunächst mit abnehmender Geschwindigkeit aus und geht dann wieder in exponentielle Ausdehnung über. Der neue Zyklus endet wie der vorherige - und so weiter bis ins Unendliche. Die Zyklen vor uns sind auch in der Vergangenheit aufgetreten - in diesem Modell ist die Zeit kontinuierlich, sodass die Vergangenheit über die 13,7 Milliarden Jahre hinaus existiert, die seit der letzten Anreicherung unserer Haut mit Materie und Strahlung vergangen sind!Ob sie überhaupt einen Anfang hatten, die Theorie schweigt.
Die zyklische Theorie erklärt die Eigenschaften unserer Welt auf neue Weise. Es hat eine flache Geometrie, da es sich am Ende jedes Zyklus übermäßig ausdehnt und sich vor Beginn eines neuen Zyklus nur geringfügig verformt. Quantenfluktuationen, die zu Vorläufern von Galaxien werden, entstehen chaotisch, aber im Durchschnitt gleichmäßig - daher ist der Weltraum mit Materieklumpen gefüllt, aber in sehr großen Entfernungen ist er ziemlich homogen. Wir können magnetische Monopole nicht einfach deshalb nachweisen, weil die maximale Temperatur des neugeborenen Plasmas 1023 K nicht überschritt und für das Auftreten solcher Partikel viel höhere Energien erforderlich sind - in der Größenordnung von 1027 K.
Die zyklische Theorie existiert in mehreren Versionen, ebenso wie die Inflationstheorie. Laut Paul Steinhardt sind die Unterschiede zwischen ihnen jedoch rein technisch und nur für Fachleute interessant. Das allgemeine Konzept bleibt unverändert: „Erstens gibt es in unserer Theorie keinen Moment des Beginns der Welt, keine Singularität. Es gibt periodische Phasen intensiver Erzeugung von Materie und Strahlung, von denen jede, falls gewünscht, als Urknall bezeichnet werden kann. Aber jede dieser Phasen markiert nicht die Entstehung eines neuen Universums, sondern nur einen Übergang von einem Zyklus zum anderen. Sowohl Raum als auch Zeit existieren sowohl vor als auch nach einer dieser Kataklysmen. Daher ist es ganz natürlich zu fragen, wie es 10 Milliarden Jahre vor dem letzten Urknall war, von dem aus die Geschichte des Universums gezählt wird.
Der zweite wesentliche Unterschied ist die Art und Rolle der Dunklen Energie. Die inflationäre Kosmologie sagte den Übergang einer verlangsamten Expansion des Universums zu einer beschleunigten nicht voraus. Und als Astrophysiker dieses Phänomen entdeckten, indem sie die Explosionen entfernter Supernovae beobachteten, wusste die Standardkosmologie nicht einmal, was sie dagegen tun sollte. Die Hypothese der Dunklen Energie wurde einfach aufgestellt, um die paradoxen Ergebnisse dieser Beobachtungen irgendwie mit der Theorie zu verknüpfen. Und unser Ansatz ist viel besser durch interne Logik besiegelt, da wir anfänglich dunkle Energie haben und diese Energie den Wechsel der kosmologischen Zyklen sicherstellt. " Wie Paul Steinhardt bemerkt, weist die zyklische Theorie jedoch auch Schwachstellen auf: „Wir konnten den Kollisions- und Rückprallprozess paralleler Brane, der zu Beginn jedes Zyklus stattfindet, noch nicht überzeugend beschreiben. Andere Aspekte der zyklischen Theorie sind viel besser entwickelt, aber es gibt noch viele Unklarheiten, die geklärt werden müssen."
Aber auch die schönsten theoretischen Modelle müssen experimentell überprüft werden. Kann die zyklische Kosmologie durch Beobachtungen bestätigt oder widerlegt werden? "Sowohl inflationäre als auch zyklische Theorien sagen die Existenz von Reliktgravitationswellen voraus", erklärt Paul Steinhardt. - Im ersten Fall entstehen sie aus primären Quantenfluktuationen, die während des Aufblasens über den Raum verschmiert werden und periodische Schwingungen seiner Geometrie erzeugen - und diese sind nach der allgemeinen Relativitätstheorie Gravitationswellen. In unserem Szenario sind Quantenfluktuationen auch die Hauptursache für solche Wellen - dieselben, die durch Kollisionen von Branes verstärkt werden. Berechnungen haben gezeigt, dass jeder Mechanismus Wellen mit einem bestimmten Spektrum und einer bestimmten Polarisation erzeugt. Diese Wellen mussten Spuren in der kosmischen Mikrowellenstrahlung hinterlassen, die eine unschätzbare Informationsquelle über den frühen Weltraum darstellt. Bisher wurden solche Spuren nicht gefunden, aber höchstwahrscheinlich wird dies innerhalb des nächsten Jahrzehnts geschehen. Darüber hinaus denken Physiker bereits über die direkte Registrierung von Reliktgravitationswellen mithilfe von Raumfahrzeugen nach, die in zwei bis drei Jahrzehnten auftreten werden."
Ein weiterer Unterschied ist laut Professor Steinhardt die Temperaturverteilung der Hintergrundmikrowellenstrahlung: „Diese Strahlung aus verschiedenen Teilen des Himmels ist nicht ganz gleichmäßig in der Temperatur, sie hat mehr und weniger beheizte Zonen. Bei der Messgenauigkeit moderner Geräte ist die Anzahl der heißen und kalten Zonen ungefähr gleich, was mit den Schlussfolgerungen beider Theorien übereinstimmt - inflationär und zyklisch. Diese Theorien sagen jedoch subtilere Unterschiede zwischen Zonen voraus. Im Prinzip werden sie in der Lage sein, das im letzten Jahr gestartete europäische Weltraumobservatorium 'Planck' und andere neueste Raumfahrzeuge zu identifizieren. Ich hoffe, dass die Ergebnisse dieser Experimente dazu beitragen werden, eine Wahl zwischen inflationären und zyklischen Theorien zu treffen. Es kann aber auch passierendass die Situation ungewiss bleibt und keine der Theorien eindeutige experimentelle Unterstützung erhält. Dann muss ich mir etwas Neues einfallen lassen."
Nach dem Inflationsmodell dehnte sich das Universum kurz nach seiner Geburt für sehr kurze Zeit exponentiell aus und verdoppelte seine linearen Dimensionen um ein Vielfaches. Wissenschaftler glauben, dass der Beginn dieses Prozesses zeitlich mit der Trennung der starken Wechselwirkung zusammenfiel und zu einer Zeitmarke von 10-36 s erfolgte. Diese Erweiterung (mit der leichten Hand des amerikanischen theoretischen Physikers Sidney Coleman, sie wurde kosmologische Inflation genannt) war extrem kurzlebig (bis zu 10-34 s), erhöhte jedoch die linearen Dimensionen des Universums um mindestens das 1030-1050-fache und möglicherweise um viel mehr. Nach den meisten spezifischen Szenarien wurde die Inflation durch ein Quanten-Skalarfeld gegen Gravitation ausgelöst, dessen Energiedichte allmählich abnahm und schließlich ein Minimum erreichte. Bevor dies geschah, begann das Feld schnell zu schwingen. Elementarteilchen erzeugen. Infolgedessen war das Universum am Ende der Inflationsphase mit einem superschnellen Plasma gefüllt, das aus freien Quarks, Gluonen, Leptonen und hochenergetischen Quanten elektromagnetischer Strahlung bestand.
Eine radikale Alternative
In den 1980er Jahren leistete Professor Steinhardt einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der Standard-Urknalltheorie. Dies hinderte ihn jedoch nicht daran, nach einer radikalen Alternative zu der Theorie zu suchen, in die so viel Arbeit investiert worden war. Wie Paul Steinhardt selbst gegenüber Popular Mechanics sagte, enthüllt die Inflationshypothese viele kosmologische Geheimnisse, aber dies bedeutet nicht, dass es keinen Sinn macht, nach anderen Erklärungen zu suchen: „Zuerst war ich nur daran interessiert, die grundlegenden Eigenschaften unserer Welt zu verstehen, ohne auf Inflation zurückzugreifen. Später, als ich mich eingehender mit diesem Thema befasste, war ich überzeugt, dass die Inflationstheorie überhaupt nicht so perfekt ist, wie ihre Befürworter behaupten. Als gerade die inflationäre Kosmologie geschaffen wurde, hofften wir, dass sie den Übergang vom anfänglichen chaotischen Zustand der Materie zum gegenwärtig geordneten Universum erklären würde. Sie hat es getan - aber sie ist viel weiter gegangen.
Die interne Logik der Theorie verlangte zuzugeben, dass die Inflation ständig eine unendliche Anzahl von Welten schafft. Dies wäre keine große Sache, wenn ihr physisches Gerät unser eigenes kopieren würde, aber das funktioniert einfach nicht. Mit Hilfe der Inflationshypothese konnte beispielsweise erklärt werden, warum wir in einer flachen euklidischen Welt leben, aber schließlich werden die meisten anderen Universen sicherlich nicht dieselbe Geometrie haben. Kurz gesagt, wir haben eine Theorie entwickelt, um unsere eigene Welt zu erklären. Sie ist außer Kontrolle geraten und hat eine endlose Vielfalt exotischer Welten hervorgebracht. Dieser Zustand hörte auf, mir zu passen. Darüber hinaus kann die Standardtheorie die Natur des früheren Zustands, der der exponentiellen Expansion vorausging, nicht erklären. In diesem Sinne ist es so unvollständig wie die vorinflationäre Kosmologie. Schließlich,Sie kann nichts über die Natur der dunklen Energie sagen, die die Expansion unseres Universums seit 5 Milliarden Jahren vorantreibt.
