Eine der Hauptfragen, die nicht aus dem menschlichen Bewusstsein kommen, war und ist die Frage: "Wie ist das Universum erschienen?" Natürlich gibt es keine eindeutige Antwort auf diese Frage, und es ist unwahrscheinlich, dass sie in naher Zukunft erhalten wird, aber die Wissenschaft arbeitet in diese Richtung und bildet ein bestimmtes theoretisches Modell für den Ursprung unseres Universums. Zunächst sollten die grundlegenden Eigenschaften des Universums betrachtet werden, die im Rahmen des kosmologischen Modells beschrieben werden sollten.
*** Das Modell sollte die beobachteten Abstände zwischen Objekten sowie die Geschwindigkeit und Richtung ihrer Bewegung berücksichtigen. Solche Berechnungen basieren auf dem Hubble-Gesetz: cz = H0D, wobei z die Rotverschiebung eines Objekts ist, D die Entfernung zu diesem Objekt ist und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
*** Das Alter des Universums im Modell muss das Alter der ältesten Objekte der Welt überschreiten.
*** Das Modell sollte die anfängliche Häufigkeit von Elementen berücksichtigen.
*** Das Modell sollte die beobachtete großräumige Struktur des Universums berücksichtigen.
*** Das Modell sollte den beobachteten Hintergrund berücksichtigen.
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Eine kurze Geschichte des Universums. Singularität aus Sicht des Künstlers (Foto)
Betrachten Sie kurz die allgemein anerkannte Theorie des Ursprungs und der frühen Entwicklung des Universums, die von den meisten Wissenschaftlern unterstützt wird. Heute bedeutet die Urknalltheorie eine Kombination eines Modells eines heißen Universums mit einem Urknall. Und obwohl diese Konzepte aufgrund ihrer Vereinigung zunächst unabhängig voneinander existierten, war es möglich, die anfängliche chemische Zusammensetzung des Universums sowie das Vorhandensein von Reliktstrahlung zu erklären.
Nach dieser Theorie entstand das Universum vor etwa 13,77 Milliarden Jahren aus einem dichten erhitzten Objekt - einem singulären Zustand, der im Rahmen der modernen Physik schwer zu beschreiben ist. Das Problem mit der kosmologischen Singularität besteht unter anderem darin, dass bei der Beschreibung die meisten physikalischen Größen wie Dichte und Temperatur gegen unendlich tendieren. Gleichzeitig ist bekannt, dass bei einer unendlichen Dichte die Entropie (ein Maß für das Chaos) gegen Null tendieren sollte, was nicht mit einer unendlichen Temperatur zusammenfällt.
Evolution des Universums
*** Die ersten 10 in -43 Sekunden nach dem Urknall werden als Stufe des Quantenchaos bezeichnet. Die Natur des Universums in diesem Stadium der Existenz ist im Rahmen der uns bekannten Physik unbeschreiblich. Es gibt eine Auflösung einer kontinuierlichen einzelnen Raumzeit in Quanten.
*** Planck-Moment - der Moment des Endes des Quantenchaos, der in -43 Sekunden auf 10 fällt. Zu diesem Zeitpunkt waren die Parameter des Universums gleich den Planck-Werten wie der Planck-Temperatur (ca. 1032 K). Zur Zeit der Planck-Ära wurden alle vier grundlegenden Wechselwirkungen (schwach, stark, elektromagnetisch und gravitativ) zu einer Art von Wechselwirkung zusammengefasst. Es ist nicht möglich, den Planck-Moment als einen bestimmten langen Zeitraum zu betrachten, da die moderne Physik nicht mit Parametern arbeitet, die kleiner als die Planck-Parameter sind.
*** Stadium der Inflation. Die nächste Stufe in der Geschichte des Universums war die Inflationsstufe. Im ersten Moment der Inflation trennte sich die Gravitationswechselwirkung vom einheitlichen supersymmetrischen Feld (das zuvor die Felder grundlegender Wechselwirkungen umfasste). Während dieser Zeit hat die Materie einen Unterdruck, der einen exponentiellen Anstieg der kinetischen Energie des Universums verursacht. Einfach ausgedrückt, während dieser Zeit begann das Universum sehr schnell zu schwellen und gegen Ende wird die Energie physikalischer Felder in die Energie gewöhnlicher Teilchen umgewandelt. Am Ende dieser Phase steigt die Temperatur des Stoffes und der Strahlung signifikant an. Mit dem Ende der Inflationsphase fällt eine starke Interaktion auf. Auch in diesem Moment entsteht die Baryonenasymmetrie des Universums.
[Die Baryonenasymmetrie des Universums ist das beobachtete Phänomen der Vorherrschaft der Materie gegenüber der Antimaterie im Universum]
*** Stadium der Strahlungsdominanz. Die nächste Stufe in der Entwicklung des Universums, die mehrere Stufen umfasst. In diesem Stadium beginnt die Temperatur des Universums zu sinken, es bilden sich Quarks, dann Hadronen und Leptonen. Im Zeitalter der Nukleosynthese kommt es zur Bildung anfänglicher chemischer Elemente, Helium wird synthetisiert. Strahlung dominiert jedoch immer noch die Materie.
*** Die Ära der Dominanz der Substanz. Nach 10.000 Jahren übersteigt die Energie der Materie allmählich die Energie der Strahlung, und ihre Trennung erfolgt. Die Substanz beginnt die Strahlung zu dominieren, ein Relikthintergrund erscheint. Auch die Trennung von Materie durch Strahlung erhöhte die anfänglichen Inhomogenitäten bei der Verteilung von Materie signifikant, wodurch sich Galaxien und Supergalaxien zu bilden begannen. Die Gesetze des Universums sind zu der Form gekommen, in der wir sie heute beobachten.
Das obige Bild besteht aus mehreren grundlegenden Theorien und gibt einen allgemeinen Überblick über die Entstehung des Universums in den frühen Stadien seiner Existenz.
Woher kam das Universum?
Wenn das Universum aus einer kosmologischen Singularität entstanden ist, woher kam dann die Singularität? Eine genaue Antwort auf diese Frage ist noch nicht möglich. Betrachten Sie einige der kosmologischen Modelle, die die "Geburt des Universums" beeinflussen.
Zyklische Modelle. Kleiemodellierung (Foto)
Diese Modelle basieren auf der Behauptung, dass das Universum immer existiert hat und sich im Laufe der Zeit nur sein Zustand ändert, von Expansion zu Kontraktion - und umgekehrt.
*** Steinhardt-Turok-Modell. Dieses Modell basiert auf der Stringtheorie (M-Theorie), da es ein solches Objekt als "Brane" verwendet.
[Kleie (von der Membran) in der Stringtheorie (M-Theorie) ist ein hypothetisches grundlegendes mehrdimensionales physikalisches Objekt mit einer Dimension, die kleiner ist als die Dimension des Raums, in dem es sich befindet]
Nach diesem Modell befindet sich das sichtbare Universum in einer Tri-Brane, die regelmäßig alle paar Billionen Jahre mit einer anderen Tri-Brane kollidiert, was eine Art Urknall verursacht. Außerdem beginnt sich unsere Tri-Brane von der anderen zu entfernen und sich auszudehnen. Irgendwann hat der Anteil der Dunklen Energie Vorrang und die Expansionsrate der Tribrane nimmt zu. Die kolossale Expansion streut Materie und Strahlung so sehr, dass die Welt fast homogen und leer wird. Am Ende kommt es zu einer wiederholten Kollision von Tri-Branes, wodurch unsere in die Anfangsphase ihres Zyklus zurückkehrt und wieder unser "Universum" hervorbringt.
*** Die Theorie von Loris Baum und Paul Frampton sagt auch über die zyklische Natur des Universums aus. Nach ihrer Theorie wird sich letztere nach dem Urknall aufgrund der dunklen Energie ausdehnen, bis sie sich dem Moment des "Zerfalls" der Raumzeit selbst nähert - dem Urriss. Wie Sie wissen, nimmt in einem "geschlossenen System die Entropie nicht ab" (der zweite Hauptsatz der Thermodynamik). Aus dieser Aussage folgt, dass das Universum nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren kann, da während eines solchen Prozesses die Entropie abnehmen muss. Dieses Problem wird jedoch im Rahmen dieser Theorie gelöst. Nach der Theorie von Baum und Frampton zerfällt das Universum einen Moment vor dem Big Rip in viele "Flecken", von denen jeder einen relativ geringen Entropiewert hat. Diese "Fetzen" des ehemaligen Universums erleben eine Reihe von Phasenübergängen und lassen Materie entstehen und entwickeln sich ähnlich wie das ursprüngliche Universum. Diese neuen Welten interagieren nicht miteinander, da sie mit einer Geschwindigkeit streuen, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. So haben Wissenschaftler die kosmologische Singularität vermieden, mit der die Geburt des Universums nach den meisten kosmologischen Theorien beginnt. Das heißt, am Ende seines Zyklus zerfällt das Universum in viele andere nicht interagierende Welten, die zu neuen Universen werden.
*** Die konforme zyklische Kosmologie ist das zyklische Modell von Roger Penrose und Vahagn Gurzadyan. Nach diesem Modell kann das Universum in einen neuen Zyklus eintreten, ohne den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verletzen. Diese Theorie basiert auf der Annahme, dass Schwarze Löcher die absorbierten Informationen zerstören, was die Entropie des Universums irgendwie "rechtmäßig" senkt. Dann beginnt jeder solche Existenzzyklus des Universums mit einem Anschein des Urknalls und endet mit einer Singularität.
Andere Modelle des Ursprungs des Universums
Unter anderen Hypothesen, die das Erscheinungsbild des sichtbaren Universums erklären, sind die folgenden zwei am beliebtesten:
*** Chaotische Inflationstheorie - Andrey Lindes Theorie. Nach dieser Theorie gibt es ein bestimmtes Skalarfeld, das in seinem gesamten Volumen inhomogen ist. Das heißt, in verschiedenen Regionen des Universums hat das Skalarfeld unterschiedliche Bedeutungen. Dann passiert in Gebieten, in denen das Feld schwach ist, nichts, während Gebiete mit starken Feldern aufgrund ihrer Energie zu expandieren beginnen (Inflation) und so neue Universen bilden. Ein solches Szenario impliziert die Existenz vieler Welten, die nicht gleichzeitig entstanden sind und ihre eigenen Elementarteilchen und folglich die Naturgesetze haben.
*** Die Theorie von Lee Smolin - geht davon aus, dass der Urknall nicht der Beginn der Existenz des Universums ist, sondern nur ein Phasenübergang zwischen seinen beiden Zuständen. Da das Universum vor dem Urknall in Form einer kosmologischen Singularität existierte, die der Singularität eines Schwarzen Lochs nahe kommt, schlägt Smolin vor, dass das Universum aus einem Schwarzen Loch entstanden sein könnte.
Es gibt auch Muster, in denen Universen kontinuierlich auftauchen, aus ihren Eltern sprießen 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.
Trotz der Tatsache, dass zyklische und andere Modelle eine Reihe von Fragen beantworten, auf die die Urknalltheorie keine Antworten geben kann, einschließlich des Problems der kosmologischen Singularität. Zusammen mit der Inflationstheorie erklärt der Urknall jedoch den Ursprung des Universums vollständiger und konvergiert auch mit vielen Beobachtungen.
Heute untersuchen die Forscher weiterhin intensiv mögliche Szenarien für den Ursprung des Universums, um jedoch eine unwiderlegbare Antwort auf die Frage "Wie ist das Universum entstanden?" Zu geben. - ist in naher Zukunft unwahrscheinlich. Dafür gibt es zwei Gründe: Ein direkter Beweis kosmologischer Theorien ist praktisch unmöglich, nur indirekt; Selbst theoretisch gibt es keine Möglichkeit, vor dem Urknall genaue Informationen über die Welt zu erhalten. Aus diesen beiden Gründen können Wissenschaftler nur Hypothesen aufstellen und kosmologische Modelle erstellen, die die Natur des von uns beobachteten Universums am genauesten beschreiben.
