Die Urknalltheorie ist der Beginn des Universums. Supermacht. Die Suche nach einer einheitlichen Naturtheorie

Jeder hat von der Urknalltheorie gehört, die (zumindest vorerst) die Geburt unseres Universums erklärt. Allerdings wird es in Wissenschaftskreisen immer welche geben, die Ideen hinterfragen wollen – daraus erwachsen übrigens oft große Entdeckungen.

Dikke erkannte jedoch, dass es, wenn dieses Modell real wäre, nicht zwei Arten von Sternen geben würde – Population I und Population II, junge und alte Sterne. Und das waren sie. Das bedeutet, dass sich das uns umgebende Universum dennoch aus einem heißen und dichten Zustand entwickelt hat. Auch wenn es nicht der einzige Urknall der Geschichte war.

Erstaunlich, oder? Plötzlich gab es mehrere dieser Explosionen? Dutzende, Hunderte? Die Wissenschaft muss es noch herausfinden. Dicke schlug seinem Kollegen Peebles vor, die für die beschriebenen Prozesse notwendige Temperatur und die wahrscheinliche Temperatur der Reststrahlung in unserer Zeit zu berechnen. Die groben Berechnungen von Peebles ergaben, dass das Universum heute von Mikrowellenstrahlung mit einer Temperatur von weniger als 10 K erfüllt sein sollte, und Roll und Wilkinson bereiteten sich bereits darauf vor, nach dieser Strahlung zu suchen, als die Glocke läutete ...

Übersetzungsschwierigkeiten

Hier lohnt es sich jedoch, sich in eine andere Ecke der Welt zu begeben - in die UdSSR. Am nächsten kam die Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds in der UdSSR (und beendete die Arbeit auch nicht!). Nachdem die sowjetischen Wissenschaftler im Laufe mehrerer Monate eine enorme Menge an Arbeit geleistet hatten, deren Bericht 1964 veröffentlicht wurde, fügten sie anscheinend alle Teile des Puzzles zusammen, nur eines fehlte. Yakov Borisovich Zeldovich, einer der Giganten der sowjetischen Wissenschaft, führte ähnliche Berechnungen durch wie das Team von Gamow (einem in den USA lebenden sowjetischen Physiker) und kam ebenfalls zu dem Schluss, dass das Universum mit einer Hitze begonnen haben muss Urknall, der eine Hintergrundstrahlung mit einer Temperatur von einigen Kelvin hinterließ.

Jakow Borissowitsch Zeldowitsch, -

Er wusste sogar von Ed Ohms Artikel im Bell System Technical Journal, der die Temperatur des CMB grob berechnete, aber die Schlussfolgerungen des Autors falsch interpretierte. Warum erkannten die sowjetischen Forscher nicht, dass Ohm diese Strahlung bereits entdeckt hatte? Aufgrund eines Übersetzungsfehlers. Ohms Papier behauptete, er habe die Temperatur des Himmels mit etwa 3 K gemessen. Dies bedeutete, dass er alle möglichen Quellen von Funkstörungen abgezogen hatte und dass 3 K die Temperatur des verbleibenden Hintergrunds war.

Gleich (3 K) war jedoch zufällig die Temperatur der Strahlung der Atmosphäre, eine Korrektur, die auch Ohm vornahm. Die sowjetischen Spezialisten entschieden fälschlicherweise, dass es diese 3 K waren, die Ohm nach all den vorherigen Anpassungen übrig hatte, subtrahierten sie auch und blieben mit nichts zurück.

Heute wären solche Verständnisfehler im Prozess der elektronischen Korrespondenz leicht zu beseitigen, aber in den frühen 1960er Jahren die Kommunikation zwischen Wissenschaftlern Sowjetunion und den Vereinigten Staaten war sehr schwierig. Das war der Grund für einen so beschämenden Fehler.

Der Nobelpreis, der entwischt ist

Gehen wir zurück zu dem Tag, als das Telefon in Dickes Labor klingelte. Es stellt sich heraus, dass die Astronomen Arno Penzias und Robert Wilson zur gleichen Zeit berichteten, dass es ihnen versehentlich gelang, ein schwaches Funkrauschen von allem zu empfangen. Sie wussten damals nicht, dass ein anderes Team von Wissenschaftlern unabhängig auf die Idee der Existenz solcher Strahlung kam und sogar begann, einen Detektor zu bauen, um danach zu suchen. Es war das Team von Dicke und Peebles.

Noch überraschender ist die Tatsache, dass die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung oder, wie sie auch genannt wird, die Reliktstrahlung mehr als zehn Jahre früher im Rahmen des Modells der Entstehung des Universums als Folge des Urknalls beschrieben wurde von Georgy Gamow und seinen Kollegen. Keine Gruppe von Wissenschaftlern wusste davon.

Penzias und Wilson hörten zufällig von der Arbeit der Wissenschaftler unter der Leitung von Dicke und beschlossen, sie anzurufen, um darüber zu sprechen. Dicke hörte Penzias aufmerksam zu und machte einige Bemerkungen. Nach dem Auflegen wandte er sich an seine Kollegen und sagte: „Leute, wir sind gesprungen.“

Fast 15 Jahre später, nachdem zahlreiche Messungen bei verschiedenen Wellenlängen von vielen Gruppen von Astronomen bestätigt hatten, dass die von ihnen entdeckte Strahlung tatsächlich das Reliktecho des Urknalls war, das eine Temperatur von 2,712 K hat, teilten sich Penzias und Wilson den Nobelpreis für ihre Erfindung. Obwohl sie zunächst nicht einmal einen Artikel über ihre Entdeckung schreiben wollten, weil sie sie für unhaltbar hielten und nicht in das Modell des stationären Universums passten, an dem sie festhielten!

Es heißt, Penzias und Wilson würden es für ausreichend halten, nach Dicke, Peebles, Roll und Wilkinson als fünfter und sechster Name auf der Liste genannt zu werden. In diesem Fall wäre der Nobelpreis offenbar an Dicke gegangen. Aber alles ist so gekommen, wie es gekommen ist.

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Mysterien des Urknalls

Unser Universum begann vor 13,7 Milliarden Jahren mit dem Urknall, und Wissenschaftler versuchen seit Generationen, dieses Phänomen zu verstehen.

Ende der 20er Jahre des 20. Jahrhunderts entdeckte Edwin Hubble, dass alle Galaxien, die wir sehen, auseinanderfliegen – wie Splitter einer Granate nach einer Explosion, gleichzeitig stellte der belgische Astronom und Theologe Georges Lemaitre seine Hypothese auf (1931 sie erschienen auf den Seiten von "Nature" ). Er glaubt, dass die Geschichte des Universums mit der Explosion des "Primäratoms" begann und dies Zeit, Raum und Materie hervorbrachte (früher, in den frühen 1920er Jahren, kam auch der sowjetische Wissenschaftler Alexander Fridman, der Einsteins Gleichungen analysierte, zu die Schlussfolgerung, dass "das Universum von einem Punkt aus erschaffen wurde" und es "zig Milliarden unserer gewöhnlichen Jahre" gedauert hat).

Zunächst wiesen Astronomen die Argumentation des belgischen Theologen entschieden zurück. Denn die Theorie des Urknalls wurde perfekt mit dem christlichen Glauben an Gott den Schöpfer kombiniert. Zwei Jahrhunderte lang verhinderten Wissenschaftler das Eindringen jeglicher religiöser Spekulationen über den „Anfang aller Anfänge“ in die Wissenschaft. Und jetzt kehrt Gott, der unter dem gemessenen Schwanken der Räder der Newtonschen Mechanik aus der Natur vertrieben wurde, unerwartet zurück. Er kommt in den Flammen des Urknalls, und es ist schwer, sich ein triumphaleres Bild seines Erscheinens vorzustellen.

Das Problem lag jedoch nicht nur in der Theologie – der Urknall gehorchte nicht den Gesetzen der exakten Wissenschaften. Der wichtigste Moment in der Geschichte des Universums lag jenseits der Erkenntnis. An diesem singulären (speziellen) Punkt, der sich auf der Achse der Raumzeit befindet, hörte die allgemeine Relativitätstheorie auf zu funktionieren, weil Druck, Temperatur, Energiedichte und Krümmung des Raums ins Unendliche stürzten, dh sie verloren alles physikalische Bedeutung. An dieser Stelle all diese Sekunden, Meter und astronomische Einheiten. Dieser Punkt ist eine Lücke, die nicht auf den Stelzen der Logik oder Mathematik überbrückt werden kann, ein Loch quer durch Zeit und Raum.

Erst in den späten 1960er Jahren zeigten Roger Penrose und Stephen Hawking überzeugend, dass die Urknall-Singularität innerhalb von Einsteins Theorie unvermeidlich war. Dies konnte jedoch die Arbeit der Theoretiker nicht erleichtern. Wie lässt sich der Urknall beschreiben? Was war zum Beispiel die Ursache für dieses Ereignis? Denn wenn vorher überhaupt keine Zeit war, dann konnte es anscheinend keinen Grund geben, der dazu geführt hat.

Wie wir jetzt verstehen, ist es notwendig, um eine vollständige Theorie des Urknalls zu erstellen, die Lehren von Einstein, die Raum und Zeit beschreiben, mit der Quantentheorie zu verknüpfen, die sich mit Elementarteilchen und ihrer Wechselwirkung befasst. Wahrscheinlich wird mehr als ein Jahrzehnt vergehen, bis dies möglich sein wird und eine einzige "Formel des Universums" abgeleitet werden kann.

Und woher könnte zum Beispiel die enorme Energiemenge kommen, die diese Explosion von unglaublicher Kraft erzeugte? Vielleicht hat es unser Universum von seinem Vorgänger geerbt, der zu einem einzigen Punkt zusammengeschrumpft ist? Aber woher hat sie es dann? Oder wurde die Energie in das Urvakuum gegossen, aus dem unser Universum als „Schaumblase“ herausgeglitten ist? Oder übertragen die Universen der älteren Generation Energie an die Universen der jüngeren Generation durch – diese einzigartigen Punkte – in deren Tiefen vielleicht neue Welten geboren werden, die wir nie sehen werden? Wie dem auch sei, das Universum erscheint in solchen Modellen als „offenes System“, was nicht ganz dem „klassischen“ Bild des Urknalls entspricht: „Da war nichts, und plötzlich war das Universum geboren.“

Das Universum befand sich zum Zeitpunkt seiner Entstehung in einem extrem dichten und heißen Zustand.

Und vielleicht ist unser Universum, wie einige der Forscher glauben, im Allgemeinen ... energielos, genauer gesagt, seine Gesamtenergie ist Null? Die negative Energie der Schwerkraft wird von der positiven Strahlungsenergie der Materie überlagert. Plus mal minus gleich Null. Diese berüchtigte „0“ scheint der Schlüssel zum Verständnis der Natur des Urknalls zu sein. Daraus - aus "Null", aus "Nichts" - wurde alles sofort geboren. Zufällig. Spontan. Einfach so. Eine vernachlässigbar kleine Abweichung von 0 löste eine universelle Lawine von Ereignissen aus. Sie können auch einen solchen Vergleich anstellen: Eine Steinkugel, die auf einer dünnen, turmartigen Spitze eines Chomolungma balanciert, plötzlich schwankte und herunterrollte, was zu einer "Lawine von Ereignissen" führte.

1973 - Der Physiker Edward Tryon aus Amerika versuchte, den Entstehungsprozess unseres Universums mit Hilfe der Heisenbergschen Unschärferelation, einer der Grundlagen der Quantentheorie, zu beschreiben. Je genauer wir beispielsweise Energie messen, desto unsicherer wird nach diesem Prinzip die Zeit. Wenn also die Energie genau gleich Null ist, dann kann die Zeit beliebig groß werden. So groß, dass früher oder später im Quantenvakuum, aus dem das Universum entstehen soll, eine Fluktuation entstehen wird. Dies wird zu einem schnellen Wachstum des Kosmos führen, scheinbar aus dem Nichts. „Es ist nur so, dass die Universen manchmal geboren werden, das ist alles“, erklärte Trion so unprätentiös die Hintergründe des Urknalls. Es war eine große zufällige Explosion. Nur und alles.

Könnte sich der Urknall wiederholen?

Seltsamerweise ja. Wir leben in einem Universum, das noch Früchte tragen und neue Welten gebären kann. Es wurden mehrere Modelle erstellt, die den "Urknall" der Zukunft beschreiben.

Warum zum Beispiel sollten in demselben Vakuum, aus dem unser Universum entstand, keine neuen Fluktuationen auftreten? Vielleicht sind in diesen 13,7 Milliarden Jahren unzählige Welten neben unserem Universum erschienen, die sich in keiner Weise berühren. Sie haben unterschiedliche Naturgesetze, es gibt unterschiedliche physikalische Konstanten. Auf den meisten dieser Welten hätte niemals Leben entstehen können. Viele von ihnen sterben sofort, erleben einen Zusammenbruch. Aber in manchen Universen - rein zufällig! - die Bedingungen, unter denen Leben entstehen kann.

Aber es geht nicht nur um das Vakuum, das vor dem Beginn „aller Zeiten und Völker“ existiert. Auch in dem Vakuum, das in unser Universum gegossen wird – genauer gesagt, in der dunklen Energie, die es erfüllt – können zukunftsweltenbehaftete Schwankungen auftreten. Diese Art von „Renewal Universe“-Modell wurde von einem amerikanischen Kosmologen entwickelt, der aus der Sowjetunion stammt, Alexander Vilenkin. Diese neuen "Big Bangs" bedrohen uns mit nichts. Sie werden die Struktur des Universums nicht zerstören, sie werden es nicht niederbrennen, sondern nur einen neuen Raum jenseits der Grenzen schaffen, die unserer Beobachtung und unserem Verständnis zugänglich sind. Vielleicht ereignen sich solche "Explosionen", die die Geburt neuer Welten markieren, in den Tiefen zahlreicher schwarzer Löcher, die den Kosmos punktieren, glaubt der amerikanische Astrophysiker Lee Smolin.

Ein weiterer gebürtiger UdSSR, der im Westen lebt, der Kosmologe Andrei Linde, glaubt, dass wir selbst in der Lage sind, einen neuen Urknall zu verursachen, nachdem wir irgendwann im Weltraum eine enorme Energiemenge gesammelt haben, die eine bestimmte kritische Grenze überschreitet. Nach seinen Berechnungen könnten Raumfahrtingenieure der Zukunft ein unsichtbares Prise Materie – nur wenige hundertstel Milligramm – so stark verdichten, dass die Energie dieses Bündels 1015 Gigaelektronenvolt betragen wird. Es entsteht ein winziges Schwarzes Loch, das sich exponentiell auszudehnen beginnt. So entsteht ein „Tochteruniversum“ mit eigener Raumzeit, das sich schnell von unserem Universum trennt.

... Es gibt viel Fantastisches in der Natur des Urknalls. Aber die Gültigkeit dieser Theorie beweist eine Reihe von Naturphänomenen. Dazu gehören die von uns beobachtete Ausdehnung des Universums, das Muster der Verteilung chemischer Elemente sowie die kosmische Hintergrundstrahlung, die als „Urknall-Relikt“ bezeichnet wird.

Die Welt existiert nicht ewig. Es wurde in den Flammen des Urknalls geboren. Aber war dies ein einzigartiges Phänomen in der Geschichte des Kosmos? Oder ein wiederkehrendes Ereignis, wie die Geburt von Sternen und Planeten? Was, wenn der Urknall nur eine Phase des Übergangs von einem Zustand der Ewigkeit in einen anderen ist?

Viele Physiker sagen, dass am Anfang etwas war und nicht nichts. Vielleicht ist unser Universum – wie andere auch – aus einem elementaren Quantenvakuum entstanden. Aber egal, wie „minimal einfach“ ein solcher Zustand ist – und weniger als ein Quantenvakuum, das lassen die Gesetze der Physik nicht zu – er kann immer noch nicht „Nichts“ genannt werden.

Vielleicht ist das Universum, das wir sehen, nur ein weiterer Aggregatzustand der Ewigkeit? Und die bizarre Anordnung von Galaxien und Galaxienhaufen – so etwas wie ein Kristallgitter, das in der n-dimensionalen Welt, die vor der Geburt unseres Universums existierte, eine völlig andere Struktur hatte und die möglicherweise von der „Formel von allem“ vorhergesagt wird Einstein suchte? Und wird es in den kommenden Jahrzehnten gefunden werden? Wissenschaftler blicken intensiv durch die Mauer des Unbekannten, die unser Universum schützte, und versuchen zu verstehen, was einen Moment zuvor passiert ist, nach unseren üblichen Vorstellungen war da absolut nichts. Welche Formen des ewigen Kosmos sind vorstellbar, die Zeit und Raum mit jenen Qualitäten ausstatten, die in unserem Universum undenkbar sind?

Zu den vielversprechendsten Theorien, in denen Physiker versuchen, die gesamte Ewigkeit zusammenzudrücken, kann die Theorie der Quantengeometrie, der Quantenspindynamik oder der Quantengravitation genannt werden. Die größten Beiträge zu ihrer Entwicklung leisteten Abey Ashtekar, Ted Jacobson, Jerzy Lewandowski, Carlo Rovelli, Lee Smolin und Thomas Tiemann. All dies sind die komplexesten physikalischen Konstruktionen, ganze Paläste, die aus Formeln und Hypothesen gebaut wurden, nur um den Abgrund zu verbergen, der in ihrer Tiefe und Dunkelheit lauert, die Einzigartigkeit von Zeit und Raum.

Das Zeitalter der Singularität

Die Umwege neuer Theorien zwingen uns, über auf den ersten Blick offensichtliche Wahrheiten hinwegzugehen. In der Quantengeometrie zerfallen also Raum und Zeit, die zuvor unendlich geteilt waren, plötzlich in getrennte Inseln - Portionen, Quanten, unter denen es nichts gibt. In diese „Steinblöcke“ können alle singulären Punkte eingebettet werden. Die Raumzeit selbst verwandelt sich in eine Verflechtung eindimensionaler Strukturen – ein „Netzwerk von Spins“, das heißt, sie wird zu einer diskreten Struktur, einer Art Kette, die aus einzelnen Gliedern gewebt ist.

Das Volumen der kleinstmöglichen Raumschleife beträgt nur 10-99 Kubikzentimeter. Dieser Wert ist so klein, dass sich in einem Kubikzentimeter viel mehr Raumquanten befinden als in denselben Kubikzentimetern des Universums, das wir beobachten (sein Volumen beträgt 1085 Zentimeter in einem Würfel). Innerhalb der Quanten des Raumes gibt es nichts, weder Energie noch Materie - genauso wie innerhalb eines mathematischen Punktes per Definition weder ein Dreieck noch ein Ikosaeder zu finden sind. Aber wenn wir die Hypothese der „submikroskopischen Struktur des Universums“ anwenden, um den Urknall zu beschreiben, erhalten wir erstaunliche Ergebnisse, wie Abey Ashtekar und Martin Bojowald von der University of Pennsylvania gezeigt haben.

Wenn wir die Differentialgleichungen in der Standardtheorie der Kosmologie, die von einem kontinuierlichen Raumfluss ausgehen, durch andere Differentialgleichungen ersetzen, die aus der Theorie der Quantengeometrie folgen, dann verschwindet die mysteriöse Singularität. Die Physik endet nicht dort, wo der Urknall beginnt – dies ist die erste ermutigende Schlussfolgerung von Kosmologen, die sich weigerten, die Eigenschaften des Universums zu akzeptieren, die wir als die ultimative Wahrheit ansehen.

In der Theorie der Quantengravitation wird angenommen, dass unser Universum (wie alle anderen auch) als Ergebnis einer zufälligen Schwankung des Quantenvakuums entstanden ist – einer globalen makroskopischen Umgebung, in der es keine Zeit gab. Jedes Mal, wenn im Quantenvakuum eine Fluktuation einer bestimmten Größe auftritt, wird ein neues Universum geboren. Es „knospt“ aus der homogenen Umgebung, in der es entstanden ist, und beginnt sein eigenes Leben. Jetzt hat es seine eigene Geschichte, seinen eigenen Raum, seine eigene Zeit, seinen eigenen Zeitpfeil.

In der modernen Physik wurden eine Reihe von Theorien aufgestellt, die zeigen, wie eine so riesige Welt wie die unsere aus einer ewig existierenden Umgebung entstehen kann, in der es keine Makrozeit gibt, in der jedoch an bestimmten Stellen ihre eigene Mikrozeit fließt.

Beispielsweise vermuten die Physiker Gabriele Veneziano und Maurizio Gasperini aus Italien im Rahmen der Stringtheorie, dass das sogenannte „String-Vakuum“ ursprünglich existierte. Zufällige Quantenfluktuationen darin führten dazu, dass die Energiedichte einen kritischen Wert erreichte, was einen lokalen Kollaps verursachte. Was mit der Geburt unseres Universums aus einem Vakuum endete.

Im Rahmen der Theorie der Quantengeometrie zeigten Abey Ashtekar und Martin Bojowald, dass Raum und Zeit aus primitiveren Grundstrukturen, nämlich „Netzwerken von Spins“, entstehen können.

Eckhard Rebhan von der Universität Düsseldorf und unabhängig davon George Ellis und Roy Maartens von der University of Cape Town entwickeln die von Albert Einstein und dem britischen Astronomen Arthur Eddington konzipierte Idee eines „statischen Universums“. In ihrem Bestreben, auf die Auswirkungen der Quantengravitation zu verzichten, haben Rebhan und seine Kollegen einen kugelförmigen Raum entwickelt, der sich inmitten einer ewigen Leere (oder, wenn Sie es vorziehen, einer leeren Ewigkeit) befindet, in der es keine Zeit gibt. Aufgrund einer gewissen Instabilität entwickelt sich hier ein inflationärer Prozess, der zu einem heißen Urknall führt.

Die aufgeführten Modelle sind natürlich spekulativ, entsprechen aber grundsätzlich dem modernen Entwicklungsstand der Physik und den Ergebnissen astronomischer Beobachtungen der letzten Jahrzehnte. Eines ist jedenfalls klar. Der Urknall war eher ein gewöhnliches Naturereignis als ein einmaliges Ereignis.

Werden solche Theorien helfen zu verstehen, was vor dem Urknall gewesen sein könnte? Wenn das Universum geboren wurde, was hat es geboren? Wo taucht der "genetische Abdruck" seines Elternteils in modernen Theorien der Kosmologie auf? 2005 - Abey Ashtekar zum Beispiel veröffentlichte die Ergebnisse seiner neuen Berechnungen (Tomasz Pawlowski und Paramprit Singh halfen dabei). Aus ihnen ging hervor, dass, wenn die anfänglichen Prämissen richtig waren, vor dem Urknall die gleiche Raumzeit existierte wie nach diesem Ereignis. Die Physik unseres Universums spiegelte sich wie in einem Spiegel in der Physik der anderen Welt wider. In diesen Berechnungen durchschneidet der Urknall wie ein Spiegel die Ewigkeit und stellt das Unvereinbare nebeneinander – die Natur und ihr Spiegelbild. Und was ist hier die Authentizität, was ist der Geist?

Das einzige, was "von der anderen Seite des Spiegelglases" zu sehen ist, ist, dass sich das Universum damals nicht ausdehnte, sondern zusammenzog. Der Urknall wurde zum Punkt seines Zusammenbruchs. In diesem Moment hielten Raum und Zeit für einen Moment inne, um erneut zu reflektieren – weiterzumachen – wie ein Phönix aufzusteigen, der bereits in der Welt, die wir kennen, diesem Universum, das wir mit unseren Formeln, Chiffren und Zahlen ausmessen. Das Universum hat sich buchstäblich umgekrempelt, wie ein Handschuh oder ein Hemd, und hat sich seitdem stetig erweitert. Der Urknall war laut Ashtekar nicht „die Erschaffung des gesamten Universums aus dem Nichts“, sondern nur ein Übergang von einer dynamischen Form der Ewigkeit zu einer anderen. Vielleicht durchläuft das Universum eine endlose Reihe von „Urknallen“, und diese zig Milliarden (oder wie viele) Jahre, die seine einzelnen Phasen trennen, sind nur Perioden der „kosmischen Sinuskurve“, nach deren Gesetzen das Universum lebt?

Die Urknall-Theorie gilt heute als so sicher wie das kopernikanische System. Bis in die zweite Hälfte der 1960er Jahre genoss es jedoch keine allgemeine Anerkennung, und das nicht nur, weil viele Wissenschaftler von der Schwelle die Idee der Expansion des Universums bestritten. Es ist nur so, dass dieses Modell einen ernsthaften Konkurrenten hatte.

In 11 Jahren kann die Kosmologie als Wissenschaft ihr hundertjähriges Bestehen feiern. 1917 erkannte Albert Einstein, dass die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie es ermöglichen, physikalisch vernünftige Modelle des Universums zu berechnen. Die klassische Mechanik und die Gravitationstheorie bieten keine solche Möglichkeit: Newton versuchte, ein allgemeines Bild des Universums zu erstellen, aber in allen Fällen brach es unweigerlich unter dem Einfluss der Gravitation zusammen.

Einstein glaubte fest nicht an den Anfang und das Ende des Universums und kam daher auf ein ewig existierendes statisches Universum. Dazu musste er in seine Gleichungen eine spezielle Komponente einführen, die „Antigravitation“ erzeugte und damit formell die Stabilität der Weltordnung sicherstellte. Einstein hielt diesen Zusatz (den sogenannten kosmologischen Begriff) für unelegant, hässlich, aber dennoch notwendig (der Autor der Allgemeinen Relativitätstheorie glaubte seinem ästhetischen Instinkt nicht umsonst – später wurde bewiesen, dass das statische Modell instabil und daher physikalisch bedeutungslos ist).

Einsteins Modell hatte schnell Konkurrenten – das Modell der Welt ohne Materie von Willem de Sitter (1917), geschlossene und offene nichtstationäre Modelle von Alexander Friedman (1922 und 1924). Aber diese schönen Konstruktionen blieben vorerst rein mathematische Übungen. Über das Universum als Ganzes zu sprechen, ist nicht spekulativ, Sie müssen zumindest wissen, dass es Welten gibt, die sich außerhalb des Sternhaufens befinden, in dem sich das Sonnensystem befindet, und wir sind dabei. Und Unterstützung in astronomischen Beobachtungen konnte die Kosmologie erst suchen, nachdem Edwin Hubble 1926 sein Werk „Extragalactic Nebulae“ veröffentlichte, in dem erstmals Galaxien als eigenständige Sternensysteme beschrieben wurden, die nicht Teil der Milchstraße sind.

Die Erschaffung des Universums dauerte keine sechs Tage - der Großteil der Arbeit wurde viel früher abgeschlossen. Hier ist seine ungefähre Chronologie.

0. Urknall.

Planck-Ära: 10-43 p. Planck-Moment. Es gibt eine Trennung der Gravitationswechselwirkung. Die Größe des Universums beträgt in diesem Moment 10-35 m (die sogenannte Planck-Länge). 10-37 p. inflationäre Expansion des Universums.

Die Ära der großen Vereinigung: 10-35 p. Trennung von starken und elektroschwachen Wechselwirkungen. 10-12 s. Trennung der schwachen Wechselwirkung und endgültige Trennung der Wechselwirkungen.

Hadronenzeit: 10-6 s. Vernichtung von Proton-Antiproton-Paaren. Quarks und Antiquarks existieren nicht mehr als freie Teilchen.

Lepton-Ära: 1 s. Es entstehen Wasserstoffkerne. Die Kernfusion von Helium beginnt.

Ära der Nukleosynthese: 3 Minuten. Das Universum besteht zu 75 % aus Wasserstoff und zu 25 % aus Helium sowie Spuren von schweren Elementen.

Bestrahlungszeitraum: 1 Woche. Zu diesem Zeitpunkt wird die Strahlung thermalisiert.

Das Zeitalter der Materie: 10.000 Jahre. Materie beginnt das Universum zu beherrschen. 380.000 Jahre. Wasserstoffkerne und Elektronen rekombinieren, das Universum wird transparent für Strahlung.

Sternenzeitalter: 1 Milliarde Jahre. Entstehung der ersten Galaxien. 1 Milliarde Jahre. Entstehung der ersten Sterne. 9 Milliarden Jahre. Die Entstehung des Sonnensystems. 13,5 Milliarden Jahre. Dieser Moment

Zurückweichende Galaxien

Diese Chance wurde schnell erkannt. Der Belgier Georges Henri Lemaitre, der am Massachusetts Institute of Technology Astrophysik studierte, hörte Gerüchte, dass Hubble einer revolutionären Entdeckung nahe gekommen sei – ein Beweis für den Rückgang der Galaxien. 1927, nach der Rückkehr in sein Heimatland, veröffentlichte Lemaitre (und verfeinerte und entwickelte es in den folgenden Jahren) ein Modell des Universums, das als Ergebnis einer Explosion superdichter Materie entstand, die sich gemäß den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ausdehnt. Er bewies mathematisch, dass ihre Radialgeschwindigkeit proportional zu ihrer Entfernung vom Sonnensystem sein sollte. Ein Jahr später kam der Princeton-Mathematiker Howard Robertson unabhängig zu derselben Schlussfolgerung.

Und 1929 erhielt Hubble experimentell die gleiche Abhängigkeit, indem er Daten über die Entfernung von 24 Galaxien und die Rotverschiebung des von ihnen kommenden Lichts verarbeitete. Fünf Jahre später lieferten Hubble und sein Hilfsbeobachter Milton Humason neue Beweise für diese Schlussfolgerung, indem sie sehr schwache Galaxien an der äußersten Peripherie des beobachtbaren Weltraums überwachten. Die Vorhersagen von Lemaitre und Robertson waren völlig gerechtfertigt, und die Kosmologie des nichtstationären Universums, so scheint es, hat einen entscheidenden Sieg errungen.

Unbekanntes Modell

Trotzdem hatten es die Astronomen nicht eilig, Jubel auszurufen. Das Modell von Lemaitre ermöglichte es, die Existenzdauer des Universums abzuschätzen - dazu musste lediglich der Zahlenwert der in der Hubble-Gleichung enthaltenen Konstante ermittelt werden. Versuche, diese Konstante zu bestimmen, führten zu dem Schluss, dass unsere Welt erst vor etwa zwei Milliarden Jahren entstand. Geologen argumentierten jedoch, dass die Erde viel älter ist, und Astronomen hatten keinen Zweifel daran, dass der Weltraum voller Sterne ist fortgeschrittenes Alter. Astrophysiker hatten auch ihre eigenen Gründe für Misstrauen: Die prozentuale Zusammensetzung der Verteilung chemischer Elemente im Universum nach dem Lemaitre-Modell (diese Arbeit wurde erstmals 1942 von Chandrasekhar durchgeführt) widersprach eindeutig der Realität.

Die Skepsis der Spezialisten wurde auch mit philosophischen Gründen erklärt. Die astronomische Gemeinschaft hat sich gerade an die Vorstellung gewöhnt, dass sich vor ihr eine endlose Welt voller Galaxien aufgetan hat. Es schien natürlich, dass es sich in seinen Grundlagen nicht ändert und für immer existiert. Und nun wurden Wissenschaftler gebeten zuzugeben, dass der Kosmos nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich endlich ist (außerdem deutete diese Idee auf eine göttliche Schöpfung hin). Daher blieb Lemaitres Theorie lange Zeit arbeitslos. Ein noch schlimmeres Schicksal ereilte jedoch das 1934 von Richard Tolman vorgeschlagene Modell eines ewig oszillierenden Universums. Es wurde überhaupt nicht ernsthaft anerkannt und Ende der 1960er Jahre als mathematisch falsch abgelehnt.

Die Aktien der Ballonwelt stiegen nicht sehr, nachdem George Gamow und sein Doktorand Ralph Alfer Anfang 1948 eine neue, realistischere Version des Modells gebaut hatten. Lemaitres Universum entstand aus der Explosion eines hypothetischen „Primäratoms“, das die Vorstellungen der Physiker über die Natur der Mikrowelt deutlich überschritt.

Gamow-Theorie lange Zeit nannte es ganz akademisch - "Dynamic Evolving Model". Und der Ausdruck "Urknall" wurde seltsamerweise nicht vom Autor dieser Theorie und nicht einmal von ihrem Befürworter in Umlauf gebracht. 1949 schlug der BBC-Wissenschaftsproduzent Peter Laslett Fred Hoyle vor, eine Reihe von fünf Vorträgen vorzubereiten. Hoyle glänzte vor dem Mikrofon und gewann auf Anhieb viele Fans unter den Radiohörern. In seiner letzten Rede sprach er über Kosmologie, sprach über sein Modell und beschloss schließlich, mit Konkurrenten abzurechnen. Ihre Theorie, so Hoyle, „basiert auf der Annahme, dass das Universum im Prozess einer einzigen entstanden ist starke Explosion und deshalb gibt es nur eine endliche Zeit … Diese Vorstellung vom Urknall erscheint mir völlig unbefriedigend.“ So tauchte dieser Ausdruck erstmals auf genau auf die abwertende Bedeutung von y, die Hoyle ihm gegeben hat. Ein Jahr später wurden seine Vorlesungen veröffentlicht, und der neue Begriff ging um die Welt

George Gamow und Ralph Alfer schlugen vor, dass das Universum kurz nach der Geburt aus wohlbekannten Teilchen bestand – Elektronen, Photonen, Protonen und Neutronen. In ihrem Modell wurde diese Mischung erhitzt hohe Temperaturen und dicht gepackt in einem winzigen (im Vergleich zum jetzigen) Volumen. Gamow und Alfer zeigten, dass in dieser superheißen Suppe Kernfusion stattfindet, wodurch das Hauptisotop des Heliums, Helium-4, entsteht. Sie haben sogar berechnet, dass Materie nach wenigen Minuten in einen Gleichgewichtszustand übergeht, in dem auf jeden Heliumkern etwa ein Dutzend Wasserstoffkerne kommen.

Dieses Verhältnis stimmte vollständig mit astronomischen Daten über die Verteilung der leichten Elemente im Universum überein. Diese Schlussfolgerungen wurden bald von Enrico Fermi und Anthony Turkevich bestätigt. Sie fanden auch heraus, dass Fusionsprozesse einige der leichten Isotope Helium-3 und die schweren Isotope von Wasserstoff, Deuterium und Tritium produzieren müssen. Ihre Schätzungen der Konzentration dieser drei Isotope im Weltraum stimmten auch mit den Beobachtungen der Astronomen überein.

Problemtheorie

Aber praktische Astronomen zweifelten weiter. Zunächst blieb das Problem des Alters des Universums, das Gamows Theorie nicht lösen konnte. Nur durch den Nachweis, dass Galaxien viel langsamer auseinanderfliegen, als gemeinhin angenommen wird, konnte die Existenzdauer der Welt verlängert werden (am Ende geschah dies zu einem großen Teil mit Hilfe von Beobachtungen am Palomar-Observatorium , aber schon in den 1960er Jahren).

Zweitens geriet Gamows Theorie in Bezug auf die Nukleosynthese ins Stocken. Nachdem sie den Ursprung von Helium, Deuterium und Tritium erklärt hatte, konnte sie nicht zu schwereren Kernen übergehen. Der Helium-4-Kern besteht aus zwei Protonen und zwei Neutronen. Alles wäre gut, wenn es ein Proton anlagern und sich in einen Lithiumkern verwandeln könnte. Kerne von drei Protonen und zwei Neutronen oder zwei Protonen und drei Neutronen (Lithium-5 und Helium-5) sind jedoch extrem instabil und zerfallen sofort. Daher gibt es in der Natur nur stabiles Lithium-6 (drei Protonen und drei Neutronen). Für seine Bildung durch direkte Fusion ist es notwendig, dass sowohl ein Proton als auch ein Neutron gleichzeitig mit dem Heliumkern verschmelzen, und die Wahrscheinlichkeit dieses Ereignisses ist äußerst gering. Unter Bedingungen hoher Materiedichte in den ersten Minuten der Existenz des Universums treten solche Reaktionen zwar gelegentlich noch auf, was die sehr geringe Konzentration der ältesten Lithiumatome erklärt.

Die Natur hat Gamow eine weitere unangenehme Überraschung bereitet. Der Weg zu schweren Elementen könnte auch über die Verschmelzung zweier Heliumkerne führen, aber auch diese Kombination ist nicht gangbar. Es gab keine Möglichkeit, den Ursprung von Elementen zu erklären, die schwerer als Lithium sind, und in den späten 1940er Jahren schien dieses Hindernis unüberwindbar (heute wissen wir, dass sie nur in stabilen und explodierenden Sternen und in kosmischer Strahlung geboren werden, aber Gamow wusste das nicht).

Das Modell der "heißen" Geburt des Universums hatte jedoch eine weitere Karte in Reserve, die schließlich zu einer Trumpfkarte wurde. 1948 kamen Alfer und ein weiterer Gamow-Assistent, Robert Herman, zu dem Schluss, dass der Kosmos von Mikrowellenstrahlung durchdrungen war, die 300.000 Jahre nach der ersten Katastrophe entstand. Radioastronomen zeigten jedoch kein Interesse an dieser Vorhersage, und sie blieb auf dem Papier.

Das Auftauchen eines Konkurrenten

Gamow und Alfer erfanden ihr „heißes“ Modell in der US-Hauptstadt, wo Gamow ab 1934 an der George Washington University lehrte. Viele produktive Ideen kamen ihnen, als sie in der Little Vienna Bar an der Pennsylvania Avenue in der Nähe des Weißen Hauses mäßig tranken. Und wenn dieser Weg zur Konstruktion einer kosmologischen Theorie manchen exotisch erscheint, was ist mit der Horrorfilm-beeinflussten Alternative?

Fred Hoyle: Die Expansion des Universums geht ewig weiter! Materie wird spontan in der Leere mit einer solchen Geschwindigkeit geboren, dass die durchschnittliche Dichte des Universums konstant bleibt

Im guten alten England, an der University of Cambridge, ließen sich nach dem Krieg drei bemerkenswerte Wissenschaftler nieder - Fred Hoyle, Herman Bondi und Thomas Gold. Davor arbeiteten sie im Radarlabor der britischen Marine, wo sie Freunde wurden. Hoyle, ein Engländer aus Yorkshire, war zum Zeitpunkt der Kapitulation Deutschlands noch keine 30 Jahre alt, und seine Freunde, gebürtige Wiener, wurden 25 Jahre alt Universum und Kosmologie. Alle drei mochten Lemaitres Modell nicht, aber Hubbles Gesetz wurde ernst genommen und lehnten daher das Konzept eines statischen Universums ab. Nach dem Krieg trafen sie sich bei Bondy und diskutierten dieselben Probleme. Die Einsicht kam, nachdem sie den Horrorfilm „Dead in the Night“ gesehen hatte. Seine Hauptfigur, Walter Craig, geriet in eine geschlossene Ereignisschleife, die ihn am Ende des Bildes wieder in dieselbe Situation zurückversetzte, in der alles begann. Ein Film mit einer solchen Handlung kann endlos weitergehen (wie ein Gedicht über einen Priester und seinen Hund). Damals erkannte Gold, dass sich das Universum als Analogon dieser Verschwörung herausstellen könnte – gleichzeitig verändernd und unverändert!

Freunde fanden die Idee verrückt, aber dann entschieden sie, dass etwas dran war. Gemeinsam verwandelten sie die Hypothesen in eine kohärente Theorie. Bondy und Gold hielten ihre allgemeine Präsentation und Hoyle in einer separaten Veröffentlichung "Ein neues Modell des expandierenden Universums" - mathematische Berechnungen. Er legte die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde, ergänzte sie aber um ein hypothetisches „Schöpfungsfeld“ (Schöpfungsfeld, C-Feld), das einen Unterdruck aufweist. So etwas tauchte 30 Jahre später in inflationären kosmologischen Theorien auf, was Hoyle mit nicht geringem Vergnügen betonte.

Steady-State-Kosmologie

Das neue Modell ging als Steady State Cosmology in die Wissenschaftsgeschichte ein. Sie proklamierte die völlige Gleichheit nicht nur aller Raumpunkte (Einstein hatte dies), sondern auch aller Zeitmomente: Das Universum dehnt sich aus, hat aber keinen Anfang, da es sich immer ähnlich bleibt. Gold nannte diese Aussage das perfekte kosmologische Prinzip. Die Raumgeometrie bleibt bei diesem Modell wie bei Newton flach. Die Galaxien zerstreuen sich, aber im Weltraum erscheint "aus dem Nichts" (genauer gesagt aus dem Feld der Schöpfung) neue Materie, und zwar mit einer solchen Intensität, dass die durchschnittliche Dichte der Materie unverändert bleibt. In Übereinstimmung mit dem damals bekannten Wert der Hubble-Konstante berechnete Hoyle, dass in jedem Kubikmeter des Weltraums 300.000 Jahre lang nur ein Teilchen geboren wird. Sofort stellte sich die Frage, warum die Instrumente diese Prozesse nicht registrieren – sie sind für menschliche Verhältnisse zu langsam. Die neue Kosmologie hatte keine Schwierigkeiten im Zusammenhang mit dem Alter des Universums, dieses Problem existierte für sie einfach nicht.

Um sein Modell zu bestätigen, schlug Hoyle vor, Daten über die räumliche Verteilung junger Galaxien zu verwenden. Wenn das C-Feld überall gleichmäßig Materie erzeugt, dann sollte die durchschnittliche Dichte solcher Galaxien ungefähr gleich sein. Im Gegenteil, das Modell der katastrophalen Geburt des Universums sagt voraus, dass diese Dichte am äußersten Rand des beobachtbaren Raums maximal ist – von dort kommt das Licht noch nicht alternder Sternhaufen zu uns. Das Hoyle-Kriterium war durchaus sinnvoll, konnte aber damals mangels ausreichend leistungsfähiger Teleskope nicht getestet werden.

Triumph und Niederlage

Seit mehr als 15 Jahren haben rivalisierende Theorien fast auf Augenhöhe gekämpft. Zwar entdeckte der englische Radioastronom und spätere Nobelpreisträger Martin Ryle 1955, dass die Dichte schwacher Radioquellen an der kosmischen Peripherie größer ist als in der Nähe unserer Galaxie. Er erklärte, dass diese Ergebnisse nicht mit der Steady-State-Kosmologie vereinbar seien. Nach einigen Jahren kamen seine Kollegen jedoch zu dem Schluss, dass Ryle die Dichteunterschiede übertrieben hatte, sodass die Frage offen blieb.

Aber in seinem zwanzigsten Lebensjahr begann Hoyles Kosmologie schnell zu verblassen. Zu diesem Zeitpunkt hatten Astronomen bewiesen, dass die Hubble-Konstante um eine Größenordnung kleiner war als frühere Schätzungen, was es ermöglichte, das geschätzte Alter des Universums auf 10-20 Milliarden Jahre anzuheben ( moderne Schätzung- 13,7 Milliarden Jahre ± 200 Millionen). Und 1965 entdeckten Arno Penzias und Robert Wilson die von Alpher und Hermann vorhergesagte Strahlung und gewannen damit sofort viele Anhänger der Urknall-Theorie.

Seit vierzig Jahren gilt diese Theorie als Standard und allgemein anerkanntes kosmologisches Modell. Sie hat auch Konkurrenten unterschiedlichen Alters, aber niemand nimmt Hoyles Theorie mehr ernst. Nicht einmal die Entdeckung (1999) der Beschleunigung der Expansion von Galaxien half ihr, über deren Möglichkeit sowohl Hoyle als auch Bondy und Gold schrieben. Ihre Zeit ist unwiderruflich vorbei.

Nachrichtenankündigungen

« Für mich ist das Leben zu kurz, um sich über Dinge Gedanken zu machen, die außerhalb meiner Kontrolle liegen und vielleicht sogar unmöglich sind. Hier fragen sie: "Was ist, wenn die Erde von einem Schwarzen Loch verschluckt wird oder die Raumzeit verzerrt wird - ist das ein Grund zur Aufregung?" Meine Antwort ist nein, denn wir werden es erst erfahren, wenn es unseren ... unseren Platz in der Raumzeit erreicht. Wir bekommen Kicks, wenn die Natur entscheidet, dass es Zeit ist: Ob es die Schallgeschwindigkeit, die Lichtgeschwindigkeit oder die Geschwindigkeit elektrischer Impulse ist, wir werden immer Opfer einer Zeitverzögerung zwischen den Informationen um uns herum und unserer Fähigkeit, sie zu empfangen.»

Neil deGrasse Tyson

Zeit ist eine erstaunliche Sache. Es gibt uns Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Aufgrund der Zeit hat alles, was uns umgibt, ein Alter. Das Alter der Erde beträgt beispielsweise etwa 4,5 Milliarden Jahre. Vor ungefähr der gleichen Anzahl von Jahren leuchtete auch der uns am nächsten stehende Stern, die Sonne, auf. Wenn Ihnen diese Zahl verblüffend erscheint, vergessen Sie nicht, dass lange vor der Entstehung unseres heimischen Sonnensystems die Galaxie, in der wir leben, die Milchstraße erschien. Nach neuesten Schätzungen von Wissenschaftlern beträgt das Alter der Milchstraße 13,6 Milliarden Jahre. Aber wir wissen mit Sicherheit, dass Galaxien auch eine Vergangenheit haben und der Weltraum einfach riesig ist, also müssen wir noch weiter schauen. Und diese Reflexion führt uns unweigerlich zu dem Moment, in dem alles begann – dem Urknall.

Einstein und das Universum

Die Wahrnehmung der Umwelt durch den Menschen war schon immer mehrdeutig. Jemand glaubt immer noch nicht an die Existenz eines riesigen Universums um uns herum, jemand hält die Erde für flach. Vor dem wissenschaftlichen Durchbruch im 20. Jahrhundert gab es nur wenige Versionen der Entstehung der Welt. Anhänger religiöser Ansichten, die an göttliches Eingreifen und die Schaffung eines höheren Geistes glaubten, wurden manchmal verbrannt. Es gab eine andere Seite, die glaubte, dass die Welt um uns herum ebenso wie das Universum unendlich ist.

Für viele Menschen änderte sich alles, als Albert Einstein 1917 einen Vortrag hielt, in dem er das Werk seines Lebens – die Allgemeine Relativitätstheorie – der breiten Öffentlichkeit vorstellte. Das Genie des 20. Jahrhunderts verband mit Hilfe der von ihm abgeleiteten Gleichungen die Raumzeit mit der Materie des Raums. Als Ergebnis stellte sich heraus, dass das Universum endlich ist, seine Größe unverändert hat und die Form eines regelmäßigen Zylinders hat.

Zu Beginn eines technischen Durchbruchs konnte niemand Einsteins Worte widerlegen, denn seine Theorie war selbst für die größten Köpfe des frühen 20. Jahrhunderts zu kompliziert. Da es keine anderen Optionen gab, wurde das Modell eines zylindrischen stationären Universums von der wissenschaftlichen Gemeinschaft als allgemein akzeptiertes Modell unserer Welt akzeptiert. Sie konnte jedoch nur wenige Jahre leben. Danach konnten sich die Physiker erholen wissenschaftliche Abhandlungen Einstein und begann, sie auseinander zu nehmen, parallel dazu begannen Anpassungen an der Relativitätstheorie und den spezifischen Berechnungen des deutschen Wissenschaftlers.

1922 veröffentlichte der russische Mathematiker Alexander Fridman plötzlich einen Artikel in der Zeitschrift Izvestiya Fiziki, in dem er feststellt, dass Einstein falsch lag und unser Universum nicht stationär ist. Friedman erklärt, dass die Aussagen des deutschen Wissenschaftlers über die Invarianz des Krümmungsradius des Raums Täuschungen sind, tatsächlich ändert sich der Radius in Bezug auf die Zeit. Dementsprechend muss sich das Universum ausdehnen.

Außerdem hat Friedman hier seine Annahmen darüber gemacht, wie genau sich das Universum ausdehnen kann. Insgesamt gab es drei Modelle: ein pulsierendes Universum (die Annahme, dass sich das Universum mit einer bestimmten zeitlichen Periodizität ausdehnt und zusammenzieht); das expandierende Universum aus der Masse und das dritte Modell - die Expansion aus dem Punkt. Da es damals außer dem göttlichen Eingreifen keine anderen Modelle gab, nahmen die Physiker schnell alle drei Friedman-Modelle zur Kenntnis und begannen, sie in ihre eigene Richtung weiterzuentwickeln.

Die Arbeit des russischen Mathematikers traf Einstein leicht, und im selben Jahr veröffentlichte er einen Artikel, in dem er seine Kommentare zur Arbeit von Friedman äußerte. Darin versucht ein deutscher Physiker die Richtigkeit seiner Berechnungen zu beweisen. Es stellte sich als wenig überzeugend heraus, und als der Schmerz durch den Schlag gegen das Selbstwertgefühl ein wenig nachließ, veröffentlichte Einstein eine weitere Notiz in der Zeitschrift Izvestiya Fiziki, in der er sagte:

« In einer früheren Anmerkung habe ich die obige Arbeit kritisiert. Meine Kritik beruhte jedoch, wie ich aus dem mir von Herrn Krutkov übermittelten Brief Fridmans entnehmen konnte, auf einem Rechenfehler. Ich denke, Friedmans Ergebnisse sind richtig und werfen ein neues Licht.».

Wissenschaftler mussten zugeben, dass alle drei Friedman-Modelle der Erscheinung und Existenz unseres Universums absolut logisch sind und das Recht auf Leben haben. Alle drei werden durch verständliche mathematische Berechnungen erklärt und lassen keine Fragen offen. Abgesehen von einer Sache: Warum würde das Universum anfangen, sich auszudehnen?

Die Theorie, die die Welt veränderte

Die Aussagen von Einstein und Friedman veranlassten die wissenschaftliche Gemeinschaft, den Ursprung des Universums ernsthaft in Frage zu stellen. Dank an Allgemeine Theorie Relativitätstheorie gab es eine Chance, Licht in unsere Vergangenheit zu bringen, und die Physiker versäumten es nicht, diese zu nutzen. Einer der Wissenschaftler, der versuchte, ein Modell unserer Welt zu präsentieren, war der Astrophysiker Georges Lemaitre aus Belgien. Es ist bemerkenswert, dass Lemaitre ein katholischer Priester war, sich aber gleichzeitig mit Mathematik und Physik beschäftigte, was für unsere Zeit echter Unsinn ist.

Georges Lemaitre interessierte sich für Einsteins Gleichungen und mit ihrer Hilfe konnte er berechnen, dass unser Universum als Ergebnis des Zerfalls einer Art Superteilchen entstand, das vor Beginn der Kernspaltung außer Raum und Zeit war, was tatsächlich sein kann als Explosion angesehen. Gleichzeitig stellen Physiker fest, dass Lemaitre der erste war, der Licht auf die Geburt des Universums geworfen hat.

Die Theorie des explodierten Superatoms passte nicht nur zu Wissenschaftlern, sondern auch zu Geistlichen, die mit modernen wissenschaftlichen Entdeckungen sehr unzufrieden waren, für die sie sich neue Interpretationen der Bibel einfallen lassen mussten. Der Urknall geriet nicht in nennenswerten Konflikt mit der Religion, vielleicht wurde dies durch die Erziehung von Lemaitre selbst beeinflusst, der sein Leben nicht nur der Wissenschaft, sondern auch dem Dienst Gottes widmete.

Am 22. November 1951 gab Papst Pius XII eine Erklärung ab, dass die Urknalltheorie nicht im Widerspruch zur Bibel und zum katholischen Dogma über den Ursprung der Welt stehe. Auch orthodoxe Geistliche äußerten sich positiv zu dieser Theorie. Diese Theorie wurde auch von Anhängern anderer Religionen relativ neutral akzeptiert, einige von ihnen sagten sogar, dass es in ihren Schriften Hinweise auf den Urknall gab.

Allerdings, obwohl die Theorie Urknall derzeit das allgemein akzeptierte kosmologische Modell ist, hat es viele Wissenschaftler in eine Sackgasse geführt. Einerseits passt die Explosion eines Superteilchens perfekt in die Logik der modernen Physik, andererseits konnten als Folge einer solchen Explosion hauptsächlich nur Schwermetalle, insbesondere Eisen, gebildet werden. Aber wie sich herausstellte, besteht das Universum hauptsächlich aus ultraleichten Gasen - Wasserstoff und Helium. Irgendetwas passte nicht, also arbeiteten die Physiker weiter an der Theorie der Entstehung der Welt.

Den Begriff „Urknall“ gab es zunächst nicht. Lemaitre und andere Physiker boten nur den langweiligen Namen "Dynamisches Evolutionsmodell" an, was die Studenten zum Gähnen brachte. Erst 1949 sagte der britische Astronom und Kosmologe Freud Hoyle bei einem seiner Vorträge:

„Diese Theorie basiert auf der Annahme, dass das Universum im Prozess einer einzigen gewaltigen Explosion entstanden ist und daher nur für eine endliche Zeit existiert … Diese Vorstellung vom Urknall erscheint mir völlig unbefriedigend“.

Seitdem ist dieser Begriff in wissenschaftlichen Kreisen und in der Vorstellung der Öffentlichkeit von der Struktur des Universums weit verbreitet.

Woher kamen Wasserstoff und Helium?

Das Vorhandensein von Lichtelementen hat Physiker verblüfft, und viele Urknalltheoretiker machten sich auf die Suche nach ihrer Quelle. Viele Jahre lang konnten sie keinen großen Erfolg erzielen, bis 1948 der brillante Wissenschaftler Georgy Gamov aus Leningrad diese Quelle endlich identifizieren konnte. Gamow war einer von Friedmans Schülern, daher nahm er gerne die Entwicklung der Theorie seines Lehrers auf.

Gamow versuchte, sich das Leben des Universums in der entgegengesetzten Richtung vorzustellen, und drehte die Zeit bis zu dem Moment zurück, in dem es gerade begonnen hatte, sich auszudehnen. Zu diesem Zeitpunkt hatte die Menschheit bekanntlich bereits die Prinzipien der thermonuklearen Fusion entdeckt, so dass die Friedmann-Lemaitre-Theorie das Recht auf Leben erhielt. Als das Universum sehr klein war, war es nach den Gesetzen der Physik sehr heiß.

Laut Gamow war der Raum des neuen Universums nur eine Sekunde nach dem Urknall mit Elementarteilchen gefüllt, die miteinander zu interagieren begannen. Als Folge davon begann die Kernfusion mit Helium, die der Mathematiker Ralph Asher Alfer aus Odessa für Gamow berechnen konnte. Alfers Berechnungen zufolge war das Universum bereits fünf Minuten nach dem Urknall so stark mit Helium gefüllt, dass sich selbst entschiedene Gegner der Urknalltheorie mit diesem Modell als dem Hauptmodell der Kosmologie abfinden müssen. Mit seiner Forschung eröffnete Gamow nicht nur neue Wege zur Erforschung des Universums, sondern belebte auch Lemaitres Theorie wieder.

Trotz der Stereotypen über Wissenschaftler kann ihnen die Romantik nicht abgesprochen werden. Gamow veröffentlichte seine Forschungen zur Theorie des Superhot Universe zur Zeit des Urknalls 1948 in seinem Werk The Origin of the Chemical Elements. Als weitere Assistenten nannte er nicht nur Ralph Asher Alfer, sondern auch Hans Bethe, einen amerikanischen Astrophysiker und späteren Nobelpreisträger. Auf dem Cover des Buches stellte sich heraus: Alfer, Bethe, Gamow. Erinnert es dich an nichts?

Doch trotz der Tatsache, dass Lemaitres Werke ein zweites Leben erhielten, konnten die Physiker die spannendste Frage immer noch nicht beantworten: Was geschah vor dem Urknall?

Versuche, Einsteins stationäres Universum wiederzubeleben

Nicht alle Wissenschaftler stimmten der Friedmann-Lemaitre-Theorie zu, aber trotzdem mussten sie das allgemein akzeptierte kosmologische Modell an Universitäten lehren. Beispielsweise glaubte der Astronom Fred Hoyle, der selbst den Begriff „Urknall“ prägte, tatsächlich, dass es keine Explosion gab, und widmete sein Leben dem Versuch, dies zu beweisen.
Hoyle ist zu einem jener Wissenschaftler geworden, die in unserer Zeit eine alternative Sicht auf die moderne Welt bieten. Die meisten Physiker stehen den Aussagen solcher Leute eher kühl gegenüber, aber das stört sie überhaupt nicht.

Um Gamow und seine Rechtfertigung der Urknalltheorie zu beschämen, beschloss Hoyle, zusammen mit Gleichgesinnten, ein eigenes Modell der Entstehung des Universums zu entwickeln. Als Grundlage nahmen sie Einsteins Annahmen, dass das Universum stationär ist, und nahmen einige Anpassungen vor, die alternative Gründe für die Expansion des Universums bieten.

Wenn Anhänger der Lemaitre-Friedmann-Theorie glaubten, dass das Universum aus einem einzigen superdichten Punkt mit einem unendlich kleinen Radius entstand, dann schlug Hoyle vor, dass Materie ständig aus Punkten gebildet wird, die sich zwischen Galaxien befinden, die sich voneinander entfernen. Im ersten Fall wurde das gesamte Universum mit seiner unendlichen Anzahl von Sternen und Galaxien aus einem Teilchen gebildet. In einem anderen Fall ergibt ein Punkt so viel Materie, wie ausreicht, um nur eine Galaxie zu erzeugen.

Die Widersprüchlichkeit von Hoyles Theorie besteht darin, dass er nie erklären konnte, woher genau die Substanz kommt, die weiterhin Galaxien mit Hunderten von Milliarden Sternen hervorbringt. Tatsächlich schlug Fred Hoyle vor, dass jeder glauben sollte, dass die Struktur des Universums aus dem Nichts auftaucht. Trotz der Tatsache, dass viele Physiker versuchten, eine Lösung für Hoyles Theorie zu finden, gelang dies niemandem, und nach ein paar Jahrzehnten verlor dieser Vorschlag seine Relevanz.

Fragen ohne Antworten

Tatsächlich gibt uns auch die Urknalltheorie auf viele Fragen keine Antworten. Zum Beispiel im Kopf gewöhnlicher Mensch Die Tatsache, dass alle Materie um uns herum einst zu einem einzigen Punkt der Singularität komprimiert war, der viel kleiner als ein Atom ist, kann nicht festgehalten werden. Und wie kam es, dass sich dieses Superteilchen so stark erhitzte, dass die Explosionsreaktion einsetzte?

Bis Mitte des 20. Jahrhunderts wurde die Theorie des expandierenden Universums nie experimentell bestätigt und fand daher keine breite Anwendung Bildungsinstitutionen. Alles änderte sich 1964, als zwei amerikanische Astrophysiker - Arno Penzias und Robert Wilson - sich entschieden, die Radiosignale des Sternenhimmels nicht zu untersuchen.

Scannen der Strahlung von Himmelskörpern, nämlich Cassiopeia A (einer der mächtige Quellen Radioemission am Sternenhimmel) bemerkten Wissenschaftler eine Art Fremdgeräusch, das uns ständig daran hinderte, genaue Strahlungsdaten aufzuzeichnen. Wohin auch immer sie ihre Antenne richteten, egal zu welcher Tageszeit sie ihre Forschungen begannen, immer verfolgte sie dieses charakteristische und konstante Rauschen. Bis zu einem gewissen Grad wütend, beschlossen Penzias und Wilson, die Quelle dieses Geräusches zu untersuchen, und machten unerwartet eine Entdeckung, die die Welt veränderte. Sie entdeckten die Reliktstrahlung, die ein Echo desselben Urknalls ist.

Unser Universum kühlt viel langsamer ab als eine Tasse heißen Tee, und der CMB zeigt an, dass die Materie um uns herum einst sehr heiß war und jetzt abkühlt, während sich das Universum ausdehnt. Somit wurden alle Theorien bezüglich des kalten Universums ausgelassen und schließlich die Urknall-Theorie angenommen.

In seinen Schriften schlug Georgy Gamow vor, dass es möglich wäre, Photonen im Weltraum nachzuweisen, die seit dem Urknall existieren, nur dass fortgeschrittenere technische Ausrüstung benötigt wird. Reliktstrahlung bestätigte alle seine Annahmen über die Existenz des Universums. Außerdem konnte mit ihrer Hilfe festgestellt werden, dass das Alter unseres Universums etwa 14 Milliarden Jahre beträgt.

Wie immer ergeben sich beim praktischen Beweis jeder Theorie sofort viele alternative Meinungen. Einige Physiker spotteten über die Entdeckung des CMB als Beweis für den Urknall. Obwohl Penzias und Wilson für ihre historische Entdeckung den Nobelpreis erhielten, widersprachen viele ihrer Forschung.

Die Hauptargumente für die Widersprüchlichkeit der Expansion des Universums waren Diskrepanzen und logische Fehler. Die Explosion hat beispielsweise alle Galaxien im All gleichmäßig beschleunigt, aber anstatt sich von uns zu entfernen, nähert sich die Andromeda-Galaxie langsam aber sicher der Milchstraße. Wissenschaftler gehen davon aus, dass diese beiden Galaxien in nur etwa 4 Milliarden Jahren miteinander kollidieren werden. Leider ist die Menschheit noch zu jung, um diese und andere Fragen zu beantworten.

Theorie des Gleichgewichts

In unserer Zeit bieten Physiker verschiedene Modelle für die Existenz des Universums an. Viele von ihnen halten nicht einmal einfacher Kritik stand, während andere das Recht auf Leben erhalten.

Ende des 20. Jahrhunderts schlug der amerikanische Astrophysiker Edward Tryon zusammen mit seinem Kollegen aus Australien, Warren Kerry, das Prinzip vor neues Modell Universum, und zwar unabhängig voneinander. Wissenschaftler basierten ihre Forschung auf der Annahme, dass alles im Universum im Gleichgewicht ist. Masse zerstört Energie und umgekehrt. Dieses Prinzip wurde als das Prinzip des Null-Universums bekannt. Innerhalb dieses Universums entsteht neue Materie an einzelnen Punkten zwischen Galaxien, wo Anziehung und Abstoßung von Materie ausgeglichen sind.

Die Theorie des Null-Universums wurde nicht in Stücke gerissen, weil Wissenschaftler nach einiger Zeit die Existenz dunkler Materie entdecken konnten – eine mysteriöse Substanz, die fast 27 % unseres Universums ausmacht. Weitere 68,3 % des Universums bestehen aus mysteriöser und mysteriöser dunkler Energie.

Es ist den Gravitationseffekten der Dunklen Energie zu verdanken, dass die Beschleunigung der Expansion des Universums zugeschrieben wird. Übrigens wurde das Vorhandensein dunkler Energie im Weltraum von Einstein selbst vorhergesagt, der sah, dass etwas in seinen Gleichungen nicht konvergierte, das Universum konnte nicht stationär gemacht werden. Deshalb führte er eine kosmologische Konstante in die Gleichungen ein – den Lambda-Term, für den er sich später immer wieder selbst verantwortlich machte und hasste.

So kam es, dass der theoretisch leere Raum im Universum dennoch mit einem bestimmten Spezialfeld gefüllt ist, das das Einstein-Modell antreibt. Bei nüchternem Verstand und nach damaliger Logik war die Existenz eines solchen Feldes einfach unmöglich, aber tatsächlich wusste der deutsche Physiker einfach nicht, wie man dunkle Energie beschreibt.

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Vielleicht werden wir nie erfahren, wie und woraus unser Universum entstanden ist. Noch schwieriger wird es, festzustellen, was vor seiner Existenz war. Menschen neigen dazu, sich vor dem zu fürchten, was sie nicht erklären können, daher ist es möglich, dass die Menschheit bis zum Ende der Zeit auch an göttlichen Einfluss auf die Erschaffung der Welt um uns herum glaubt.

12. Was hat den Urknall verursacht?

Das Paradox der Emergenz

Keine der Vorlesungen über Kosmologie, die ich je gelesen habe, war vollständig ohne die Frage, was den Urknall verursacht hat? Bis vor ein paar Jahren kannte ich die wahre Antwort nicht; Heute, glaube ich, ist er berühmt.

Im Wesentlichen enthält diese Frage zwei Fragen in verschleierter Form. Zunächst möchten wir wissen, warum die Entwicklung des Universums mit einer Explosion begann und was diese Explosion überhaupt verursacht hat. Aber hinter dem rein physikalischen Problem liegt ein anderes, tieferes Problem philosophischer Natur. Wenn der Urknall den Beginn der physischen Existenz des Universums markiert, einschließlich der Entstehung von Raum und Zeit, in welchem ​​Sinne können wir das dann sagen? was verursachte diese Explosion?

Aus physikalischer Sicht erscheint die plötzliche Entstehung des Universums durch eine gigantische Explosion gewissermaßen paradox. Von den vier Wechselwirkungen, die die Welt regieren, manifestiert sich nur die Schwerkraft auf kosmischer Ebene, und wie unsere Erfahrung zeigt, hat die Schwerkraft den Charakter der Anziehung. Für die Explosion, die die Geburt des Universums markierte, war jedoch offenbar eine abstoßende Kraft von unglaublicher Größe erforderlich, die den Kosmos in Stücke reißen und seine bis heute andauernde Expansion verursachen könnte.

Das erscheint seltsam, denn wenn das Universum von Gravitationskräften beherrscht wird, dann sollte es sich nicht ausdehnen, sondern zusammenziehen. Tatsächlich bewirken Anziehungskräfte durch die Gravitation, dass physische Objekte eher schrumpfen als explodieren. Beispielsweise verliert ein sehr dichter Stern seine Fähigkeit, sein eigenes Gewicht zu tragen, und kollabiert, um einen Neutronenstern oder ein Schwarzes Loch zu bilden. Der Kompressionsgrad der Materie im sehr frühen Universum war viel höher als der des dichtesten Sterns; daher stellt sich oft die frage, warum der urkosmos nicht von anfang an in ein schwarzes loch kollabiert ist.

Die übliche Antwort darauf ist, dass die primäre Explosion einfach als angenommen werden sollte ausgangsbedingung. Diese Antwort ist eindeutig unbefriedigend und verwirrend. Natürlich nahm die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion unter dem Einfluss der Schwerkraft von Anfang an kontinuierlich ab, aber im Moment der Geburt expandierte das Universum unendlich schnell. Die Explosion wurde nicht durch irgendeine Kraft verursacht - nur die Entwicklung des Universums begann mit der Expansion. Wäre die Explosion weniger stark, würde die Schwerkraft sehr bald die Expansion der Materie verhindern. Infolgedessen würde die Expansion durch eine Kontraktion ersetzt, die einen katastrophalen Charakter annehmen und das Universum in etwas Ähnliches wie ein Schwarzes Loch verwandeln würde. Aber in Wirklichkeit stellte sich heraus, dass die Explosion „groß genug“ war, um es dem Universum zu ermöglichen, sich nach Überwindung seiner eigenen Schwerkraft durch die Kraft der Primärexplosion entweder für immer weiter auszudehnen oder zumindest zu existieren viele Milliarden Jahre, bevor sie komprimiert werden und in Vergessenheit geraten.

Das Problem mit diesem traditionellen Bild ist, dass es den Urknall in keiner Weise erklärt. Die fundamentale Eigenschaft des Universums wird wiederum einfach als Anfangsbedingung behandelt, akzeptiert ad hoc(für diesen Fall); Im Wesentlichen besagt es nur, dass der Urknall stattgefunden hat. Es bleibt noch unklar, warum die Wucht der Explosion genau diese war und nicht eine andere. Warum war die Explosion nicht noch stärker, sodass sich das Universum jetzt viel schneller ausdehnt? Man könnte sich auch fragen, warum sich das Universum derzeit nicht viel langsamer ausdehnt oder gar nicht zusammenzieht. Wenn die Explosion nicht genügend Kraft hätte, würde das Universum natürlich bald zusammenbrechen und es gäbe niemanden, der solche Fragen stellen könnte. Es ist jedoch unwahrscheinlich, dass eine solche Argumentation als Erklärung herangezogen werden kann.

Bei näherer Analyse stellt sich heraus, dass das Paradox des Ursprungs des Universums tatsächlich noch komplexer ist als oben beschrieben. Sorgfältige Messungen zeigen, dass die Expansionsrate des Universums sehr nahe an dem kritischen Wert liegt, bei dem das Universum in der Lage ist, seine eigene Schwerkraft zu überwinden und sich unendlich auszudehnen. Wenn diese Geschwindigkeit etwas geringer wäre – und der Kollaps des Universums eintreten würde, und wenn sie etwas mehr wäre – hätte sich die kosmische Materie längst vollständig aufgelöst. Es ist interessant herauszufinden, wie genau die Expansionsrate des Universums in dieses sehr enge zulässige Intervall zwischen zwei möglichen Katastrophen fällt. Wenn zu dem Zeitpunkt, der 1 s entspricht, wenn das Expansionsmuster bereits klar definiert ist, die Expansionsgeschwindigkeit um mehr als 10^-18 von ihrem tatsächlichen Wert abweichen würde, würde dies ausreichen, um das empfindliche Gleichgewicht vollständig zu stören. Somit entspricht die Kraft der Explosion des Universums mit fast unglaublicher Genauigkeit seiner gravitativen Wechselwirkung. Der Urknall war also nicht nur eine ferne Explosion – es war eine Explosion einer ganz bestimmten Kraft. BEIM traditionelle Ausführung Die Theorie des Urknalls muss nicht nur die Tatsache der Explosion selbst akzeptieren, sondern auch, dass die Explosion auf äußerst skurrile Weise passiert ist. Mit anderen Worten, die Anfangsbedingungen erweisen sich als äußerst spezifisch.

Die Expansionsrate des Universums ist nur eines von mehreren offensichtlichen kosmischen Geheimnissen. Der andere hängt mit dem Bild der Ausdehnung des Universums im Weltraum zusammen. Nach modernen Beobachtungen. Das Universum ist im Großen und Ganzen äußerst homogen, was die Verteilung von Materie und Energie betrifft. Die globale Struktur des Kosmos ist fast gleich, wenn man sie von der Erde und von einer entfernten Galaxie aus betrachtet. Galaxien sind im Weltraum mit der gleichen durchschnittlichen Dichte verstreut, und von jedem Punkt aus sieht das Universum in alle Richtungen gleich aus. Die primäre Wärmestrahlung, die das Universum erfüllt, fällt auf die Erde und hat in allen Richtungen die gleiche Temperatur mit einer Genauigkeit von mindestens 10-4. Diese Strahlung legt auf ihrem Weg zu uns Milliarden von Lichtjahren durch den Weltraum zurück und trägt den Abdruck jeder Abweichung von der Homogenität, der sie begegnet.

Die großräumige Homogenität des Universums bleibt bestehen, wenn sich das Universum ausdehnt. Daraus folgt, dass die Ausdehnung mit sehr hoher Genauigkeit gleichmäßig und isotrop erfolgt. Das bedeutet, dass die Expansionsrate des Universums nicht nur in alle Richtungen gleich, sondern auch in verschiedenen Bereichen konstant ist. Würde sich das Universum in einer Richtung schneller ausdehnen als in anderen, dann würde dies zu einer Abnahme der Temperatur der Hintergrundwärmestrahlung in dieser Richtung führen und das von der Erde aus sichtbare Bild der Bewegung von Galaxien verändern. Die Evolution des Universums begann also nicht einfach mit einer Explosion einer genau definierten Kraft – die Explosion war eindeutig „organisiert“, d.h. trat gleichzeitig auf, mit genau der gleichen Kraft an allen Punkten und in alle Richtungen.

Es ist äußerst unwahrscheinlich, dass eine solche gleichzeitige und koordinierte Eruption rein spontan auftreten könnte, und dieser Zweifel wird in der traditionellen Urknalltheorie durch die Tatsache verstärkt, dass verschiedene Regionen des Urkosmos kausal nicht miteinander verbunden sind. Tatsache ist, dass sich gemäß der Relativitätstheorie kein physikalischer Effekt schneller ausbreiten kann als Licht. Folglich können verschiedene Raumregionen erst nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne ursächlich miteinander verbunden werden. Beispielsweise kann Licht 1 s nach der Explosion eine Strecke von nicht mehr als einer Lichtsekunde zurücklegen, was 300.000 km entspricht. Die weit voneinander entfernten Regionen des Universums werden sich nach 1s noch nicht gegenseitig beeinflussen. Aber zu diesem Zeitpunkt nahm die von uns beobachtete Region des Universums bereits einen Raum von mindestens 10^14 km Durchmesser ein. Das Universum bestand also aus etwa 10^27 ursächlich nicht zusammenhängenden Regionen, die sich jedoch alle mit genau der gleichen Geschwindigkeit ausdehnten. Auch heute registrieren wir bei der Beobachtung der kosmischen Wärmestrahlung, die von gegenüberliegenden Seiten des Sternenhimmels kommt, genau die gleichen "Fingerabdrücke" von Regionen des Universums, die durch riesige Entfernungen getrennt sind: Diese Entfernungen sind mehr als 90-mal größer als die Entfernung Licht konnte von dem Moment an reisen, an dem die Wärmestrahlung emittiert wurde.

Wie ist eine so bemerkenswerte Kohärenz verschiedener Raumregionen zu erklären, die offensichtlich nie miteinander verbunden waren? Wie kam es zu diesem ähnlichen Verhalten? In der traditionellen Antwort findet sich wieder ein Hinweis auf spezielle Anfangsbedingungen. Die außergewöhnliche Homogenität der Eigenschaften der Primärexplosion wird einfach als Tatsache angesehen: So entstand das Universum.

Die großräumige Homogenität des Universums ist noch rätselhafter, wenn man bedenkt, dass das Universum im Kleinen keineswegs homogen ist. Die Existenz einzelner Galaxien und Galaxienhaufen weist auf eine Abweichung von der strengen Homogenität hin, und diese Abweichung ist außerdem überall gleich groß und groß. Da die Schwerkraft dazu neigt, jede anfängliche Ansammlung von Materie zu verstärken, war der für die Entstehung von Galaxien erforderliche Grad an Heterogenität zur Zeit des Urknalls viel geringer als heute. Allerdings sollte in der Anfangsphase des Urknalls noch eine leichte Inhomogenität vorhanden sein, sonst hätten sich nie Galaxien gebildet. Auch in der alten Urknalltheorie wurden diese Inhomogenitäten frühzeitig auf „Anfangsbedingungen“ zurückgeführt. Wir mussten also glauben, dass die Entwicklung des Universums nicht von einem völlig idealen, sondern von einem höchst ungewöhnlichen Zustand ausging.

All dies kann wie folgt zusammengefasst werden: Wenn die einzige Kraft im Universum die Anziehungskraft der Schwerkraft ist, dann sollte der Urknall als „von Gott herabgesandt“ interpretiert werden, d.h. ohne Ursache, bei gegebenen Anfangsbedingungen. Darüber hinaus zeichnet es sich durch eine erstaunliche Konsistenz aus; Um zu der bestehenden Struktur zu kommen, musste sich das Universum von Anfang an richtig entwickeln. Dies ist das Paradox des Ursprungs des Universums.

Suche nach Antigravitation

Das Paradox des Ursprungs des Universums wurde erst in den letzten Jahren gelöst; Die Hauptidee der Lösung lässt sich jedoch auf eine ferne Geschichte zurückführen, auf eine Zeit, als noch weder die Theorie der Expansion des Universums noch die Theorie des Urknalls existierten. Sogar Newton verstand, wie schwierig das Problem der Stabilität des Universums ist. Wie halten Sterne ohne Unterstützung ihre Position im Weltraum? Die universelle Natur der Gravitationsanziehung hätte dazu führen müssen, dass sich Sterne in nahe beieinander liegende Haufen zusammenziehen.

Um diese Absurdität zu vermeiden, griff Newton auf eine sehr seltsame Argumentation zurück. Wenn das Universum unter seiner eigenen Schwerkraft zusammenbrechen würde, würde jeder Stern in Richtung des Zentrums des Sternhaufens „fallen“. Nehmen wir jedoch an, dass das Universum unendlich ist und dass die Sterne im Durchschnitt gleichmäßig über den unendlichen Raum verteilt sind. In diesem Fall gäbe es überhaupt kein gemeinsames Zentrum, auf das alle Sterne hinfallen könnten – immerhin hinein unendliches Universum alle Bereiche sind identisch. Jeder Stern würde von der Anziehungskraft aller seiner Nachbarn beeinflusst, aber aufgrund der Mittelung dieser Einflüsse in verschiedene Richtungen würde es keine resultierende Kraft geben, die dazu neigt, diesen Stern in eine bestimmte Position relativ zum gesamten Satz von Sternen zu bewegen.

Als Einstein 200 Jahre nach Newton eine neue Gravitationstheorie aufstellte, beschäftigte ihn auch das Problem, wie es dem Universum gelingt, einen Kollaps zu vermeiden. Seine erste Arbeit zur Kosmologie wurde veröffentlicht, bevor Hubble die Expansion des Universums entdeckte; also ging Einstein wie Newton davon aus, dass das Universum statisch ist. Einstein versuchte jedoch, das Problem der Stabilität des Universums auf viel direktere Weise zu lösen. Er glaubte, dass es eine andere kosmische Kraft geben muss, die der Schwerkraft widerstehen kann, um den Zusammenbruch des Universums unter dem Einfluss seiner eigenen Schwerkraft zu verhindern. Diese Kraft muss eher eine abstoßende als eine anziehende Kraft sein, um die Gravitationskraft auszugleichen. In diesem Sinne könnte man eine solche Kraft „antigravitativ“ nennen, obwohl es richtiger ist, von der Kraft der kosmischen Abstoßung zu sprechen. Einstein hat diese Kraft in diesem Fall nicht einfach willkürlich erfunden. Er zeigte, dass in seine Gravitationsfeldgleichungen ein zusätzlicher Term eingeführt werden kann, der zum Auftreten einer Kraft mit den gewünschten Eigenschaften führt.

Trotz der Tatsache, dass die Idee einer abstoßenden Kraft, die der Schwerkraft entgegenwirkt, an sich recht einfach und natürlich ist, erweisen sich die Eigenschaften einer solchen Kraft in Wirklichkeit als ziemlich ungewöhnlich. Natürlich wurde auf der Erde keine solche Kraft beobachtet, und seit mehreren Jahrhunderten der Existenz der Planetenastronomie wurde kein Hinweis darauf gefunden. Wenn die Kraft der kosmischen Abstoßung vorhanden ist, sollte sie offensichtlich in kleinen Entfernungen keine merkliche Wirkung haben, aber ihre Stärke nimmt auf astronomischen Skalen erheblich zu. Ein solches Verhalten widerspricht allen bisherigen Erfahrungen beim Studium der Natur von Kräften: Sie sind normalerweise auf kurze Entfernungen intensiv und werden mit zunehmender Entfernung schwächer. Somit nehmen die elektromagnetischen und gravitativen Wechselwirkungen gemäß dem Abstandsgesetz kontinuierlich ab. Allerdings ist in Einsteins Theorie eine Kraft mit solchen eher ungewöhnliche Eigenschaften.

Man sollte sich die von Einstein eingeführte kosmische Abstoßungskraft nicht als fünfte Wechselwirkung in der Natur vorstellen. Es ist nur eine bizarre Manifestation der Schwerkraft selbst. Es ist leicht zu zeigen, dass die Wirkungen der kosmischen Abstoßung der gewöhnlichen Gravitation zugeschrieben werden können, wenn ein Medium mit ungewöhnlichen Eigenschaften als Quelle des Gravitationsfeldes gewählt wird. Ein gewöhnliches materielles Medium (z. B. ein Gas) übt Druck aus, während das hier diskutierte hypothetische Medium dies tun sollte Negativ Druck oder Spannung. Um sich klarer vorzustellen, wovon wir sprechen, stellen wir uns vor, wir hätten es geschafft, ein Gefäß mit einer solchen kosmischen Substanz zu füllen. Dann übt das hypothetische Weltraummedium im Gegensatz zu gewöhnlichem Gas keinen Druck auf die Wände des Gefäßes aus, sondern neigt dazu, sie in das Gefäß hineinzuziehen.

Daher können wir die kosmische Abstoßung als eine Art Zusatz zur Schwerkraft oder als ein Phänomen aufgrund der gewöhnlichen Schwerkraft betrachten, das einem unsichtbaren gasförmigen Medium innewohnt, das den gesamten Raum ausfüllt und Unterdruck hat. Es ist kein Widerspruch, dass einerseits der Unterdruck gewissermaßen die Gefäßwände ansaugt und andererseits dieses hypothetische Medium Galaxien abstößt und nicht anzieht. Denn die Abstoßung beruht auf der Schwerkraft des Mediums und keineswegs auf einer mechanischen Wirkung. In jedem Fall werden die mechanischen Kräfte nicht durch den Druck selbst, sondern durch die Druckdifferenz erzeugt, aber es wird angenommen, dass das hypothetische Medium den gesamten Raum ausfüllt. Es kann nicht begrenzt werden Gefäßwände, und ein Beobachter, der sich in dieser Umgebung befindet, würde es überhaupt nicht als greifbare Substanz wahrnehmen. Der Raum würde völlig leer aussehen und sich auch so anfühlen.

Trotz dieser erstaunlichen Eigenschaften des hypothetischen Mediums sagte Einstein einmal, er habe ein zufriedenstellendes Modell des Universums gebaut, in dem ein Gleichgewicht zwischen gravitativer Anziehung und der von ihm entdeckten kosmischen Abstoßung aufrechterhalten werde. Mit Hilfe einfacher Berechnungen schätzte Einstein die Größe der kosmischen Abstoßungskraft, die erforderlich ist, um die Schwerkraft im Universum auszugleichen. Er konnte bestätigen, dass die Abstoßung innerhalb des Sonnensystems (und sogar auf der Ebene der Galaxis) so gering sein muss, dass sie experimentell nicht nachgewiesen werden kann. Für eine Weile schien es, als sei das uralte Rätsel brillant gelöst worden.

Doch dann änderte sich die Situation zum Schlechteren. Zunächst stellte sich das Problem der Gleichgewichtsstabilität. Einsteins Grundidee basierte auf einem strikten Gleichgewicht zwischen anziehenden und abstoßenden Kräften. Aber wie in vielen anderen Fällen strenger Balance kamen auch hier subtile Details zum Vorschein. Wenn sich zum Beispiel Einsteins statisches Universum ein wenig ausdehnen würde, dann würde die gravitative Anziehungskraft (schwächer mit der Entfernung) etwas abnehmen, während die kosmische Abstoßungskraft (zunehmend mit der Entfernung) leicht zunehmen würde. Dies würde zu einem Ungleichgewicht zugunsten abstoßender Kräfte führen, die eine weitere unbegrenzte Ausdehnung des Universums unter dem Einfluss einer alles beherrschenden Abstoßung bewirken würden. Würde sich dagegen Einsteins statisches Universum leicht zusammenziehen, so würde die Gravitationskraft zunehmen und die kosmische Abstoßungskraft abnehmen, was zu einem Ungleichgewicht zugunsten der Anziehungskräfte und damit zu einer immer schnellere Kontraktion und schließlich zu dem Kollaps, den Einstein vermieden zu haben glaubte. Somit würde bei der geringsten Abweichung das strenge Gleichgewicht gestört und eine kosmische Katastrophe wäre unvermeidlich.

Später, im Jahr 1927, entdeckte Hubble die Rezession von Galaxien (d. h. die Expansion des Universums), wodurch das Problem des Gleichgewichts bedeutungslos wurde. Es wurde deutlich, dass das Universum nicht von Kompression und Kollaps bedroht ist, da es erweitert. Wäre Einstein nicht von der Suche nach der kosmischen Abstoßungskraft abgelenkt worden, wäre er sicherlich theoretisch zu diesem Schluss gekommen und hätte damit die Expansion des Universums gut zehn Jahre vorhergesagt, bevor die Astronomen sie entdeckten. Eine solche Vorhersage würde zweifellos als eine der herausragendsten in die Wissenschaftsgeschichte eingehen (eine solche Vorhersage wurde auf der Grundlage der Einstein-Gleichung in den Jahren 1922-1923 von Professor A. A. Fridman von der Universität Petrograd gemacht). Am Ende musste Einstein reumütig auf die kosmische Abstoßung verzichten, die er später als „den größten Fehler seines Lebens“ betrachtete. Die Geschichte endete jedoch nicht dort.

Einstein entwickelte die kosmische Abstoßung, um das nicht existierende Problem eines statischen Universums zu lösen. Aber wie immer lässt sich ein Geist aus der Flasche nicht zurücktreiben. Die Idee, dass die Dynamik des Universums, vielleicht aufgrund der Konfrontation zwischen Anziehungs- und Abstoßungskräften, weiterlebte. Und obwohl astronomische Beobachtungen keinen Beweis für die Existenz einer kosmischen Abstoßung lieferten, konnten sie ihre Abwesenheit nicht beweisen - sie könnte einfach zu schwach sein, um sich zu manifestieren.

Einsteins Gravitationsfeldgleichungen, obwohl sie das Vorhandensein einer abstoßenden Kraft zulassen, erlegen ihrer Größe keine Beschränkungen auf. Durch bittere Erfahrung gelehrt, hatte Einstein Recht, als er postulierte, dass die Größe dieser Kraft genau gleich Null ist, wodurch die Abstoßung vollständig eliminiert wird. Dies war jedoch keineswegs notwendig. Einige Wissenschaftler hielten es für notwendig, die Abstoßung in den Gleichungen beizubehalten, obwohl dies aus Sicht des ursprünglichen Problems nicht mehr erforderlich war. Diese Wissenschaftler glaubten, dass es in Ermangelung geeigneter Beweise keinen Grund zu der Annahme gab, dass die Abstoßungskraft null war.

Es war nicht schwierig, die Folgen der Erhaltung der Abstoßungskraft im Szenario eines expandierenden Universums nachzuvollziehen. In den frühen Stadien der Entwicklung, wenn sich das Universum noch in einem komprimierten Zustand befindet, kann die Abstoßung vernachlässigt werden. Während dieser Phase verlangsamte die Gravitationskraft die Expansionsrate, ähnlich wie die Schwerkraft der Erde eine vertikal nach oben abgefeuerte Rakete verlangsamt. Wenn wir ohne Erklärung akzeptieren, dass die Entwicklung des Universums mit einer schnellen Expansion begann, dann sollte die Schwerkraft die Expansionsrate ständig auf den derzeit beobachteten Wert reduzieren. Mit der Zeit, wenn sich Materie auflöst, schwächt sich die Gravitationswechselwirkung ab. Im Gegenteil, die kosmische Abstoßung nimmt zu, wenn sich die Galaxien weiter voneinander entfernen. Letztendlich wird die Abstoßung die Gravitationsanziehung überwinden und die Expansionsrate des Universums beginnt wieder zu steigen. Daraus können wir schließen, dass das Universum von kosmischer Abstoßung beherrscht wird und die Expansion ewig andauern wird.

Astronomen haben gezeigt, dass sich dieses ungewöhnliche Verhalten des Universums, wenn sich die Expansion zunächst verlangsamt und dann wieder beschleunigt, in der beobachteten Bewegung von Galaxien widerspiegeln sollte. Aber die sorgfältigsten astronomischen Beobachtungen lieferten keine überzeugenden Beweise für ein solches Verhalten, obwohl von Zeit zu Zeit das Gegenteil behauptet wird.

Interessant ist, dass der niederländische Astronom Willem de Sitter bereits 1916 die Idee eines expandierenden Universums vorbrachte – viele Jahre bevor Hubble dieses Phänomen experimentell entdeckte. De Sitter argumentierte, dass, wenn gewöhnliche Materie aus dem Universum entfernt wird, die Anziehungskraft der Schwerkraft verschwindet und abstoßende Kräfte im Weltraum herrschen werden. Dies wird die Expansion des Universums bewirken – damals eine innovative Idee.

Da der Betrachter das seltsame unsichtbare gasförmige Medium mit Unterdruck nicht wahrnehmen kann, wird es ihm einfach so vorkommen, als würde sich der leere Raum ausdehnen. Die Ausdehnung konnte nachgewiesen werden, indem Testkörper an verschiedenen Stellen aufgehängt und deren Abstand zueinander beobachtet wurden. Die Idee einer Erweiterung des leeren Raums wurde damals als eine Art Kuriosum angesehen, obwohl sie sich, wie wir sehen werden, als prophetisch herausstellte.

Welche Schlussfolgerung lässt sich aus dieser Geschichte ziehen? Die Tatsache, dass Astronomen keine kosmische Abstoßung feststellen, kann noch nicht als logischer Beweis für deren Abwesenheit in der Natur dienen. Es ist durchaus möglich, dass es einfach zu schwach ist, um von modernen Instrumenten erkannt zu werden. Die Genauigkeit der Beobachtung ist immer begrenzt, und daher kann nur die Obergrenze dieser Kraft abgeschätzt werden. Dagegen könnte man einwenden, dass die Naturgesetze ohne kosmische Abstoßung aus ästhetischer Sicht einfacher aussehen würden. Solche Diskussionen zogen sich über viele Jahre hin, ohne zu konkreten Ergebnissen zu führen, bis plötzlich das Problem aus einem völlig neuen Blickwinkel betrachtet wurde, was ihm eine unerwartete Relevanz verlieh.

Inflation: Erklärung des Urknalls

In den vorangegangenen Abschnitten haben wir gesagt, dass, wenn es eine kosmische Abstoßungskraft gibt, diese sehr schwach sein muss, so schwach, dass sie keinen signifikanten Einfluss auf den Urknall hat. Diese Schlussfolgerung basiert jedoch auf der Annahme, dass sich die Größe der Abstoßung nicht mit der Zeit ändert. Zur Zeit Einsteins wurde diese Meinung von allen Wissenschaftlern geteilt, da die kosmische Abstoßung in die Theorie „menschengemacht“ eingeführt wurde. Es ist niemandem in den Sinn gekommen, dass kosmische Abstoßung dies könnte heißen andere physikalische Prozesse, die entstehen, wenn sich das Universum ausdehnt. Wenn eine solche Möglichkeit vorgesehen wäre, könnte die Kosmologie anders ausfallen. Insbesondere das Szenario der Evolution des Universums wird nicht ausgeschlossen, vorausgesetzt, dass unter den extremen Bedingungen der frühen Evolutionsstadien die kosmische Abstoßung für einen Moment die Schwerkraft überwog, wodurch das Universum explodierte, woraufhin seine Rolle praktisch reduziert wurde auf Null.

Das Gesamtbild geht aus neueren Arbeiten über das Verhalten von Materie und Kräften in sehr frühen Stadien der Entwicklung des Universums hervor. Es wurde klar, dass die riesige kosmische Abstoßung das unvermeidliche Ergebnis der Supermacht ist. Die „Antigravitation“, die Einstein durch die Tür gefahren hat, ist also durch das Fenster zurückgekehrt!

Der Schlüssel zum Verständnis der neuen Entdeckung der kosmischen Abstoßung liegt in der Natur des Quantenvakuums. Wir haben gesehen, wie eine solche Abstoßung auf ein ungewöhnliches unsichtbares Medium zurückzuführen sein kann, das vom leeren Raum nicht zu unterscheiden ist, aber mit negativem Druck. Heute glauben Physiker, dass dies die Eigenschaften des Quantenvakuums sind.

In Kapitel 7 wurde angemerkt, dass das Vakuum als eine Art „Enzym“ der Quantenaktivität betrachtet werden sollte, das von virtuellen Teilchen wimmelt und von komplexen Wechselwirkungen gesättigt ist. Es ist sehr wichtig zu verstehen, dass Vakuum im Rahmen der Quantenbeschreibung eine entscheidende Rolle spielt. Was wir Partikel nennen, sind nur seltene Störungen, wie „Blasen“ auf der Oberfläche eines ganzen Aktivitätsmeeres.

Ende der 1970er Jahre wurde offensichtlich, dass die Vereinigung der vier Wechselwirkungen eine vollständige Überarbeitung der Vorstellungen über die physikalische Natur des Vakuums erforderte. Die Theorie legt nahe, dass sich die Vakuumenergie keineswegs eindeutig manifestiert. Einfach ausgedrückt, das Vakuum kann angeregt werden und sich in einem von vielen Zuständen mit sehr unterschiedlichen Energien befinden, so wie ein Atom angeregt werden kann, indem es auf höhere Energieniveaus geht. Diese Vakuum-Eigenzustände würden – wenn wir sie beobachten könnten – genau gleich aussehen, obwohl sie völlig unterschiedliche Eigenschaften haben.

Zunächst einmal fließt die im Vakuum enthaltene Energie in riesigen Mengen von einem Zustand in den anderen. In Grand Unified Theories zum Beispiel ist der Unterschied zwischen der niedrigsten und der höchsten Vakuumenergie unvorstellbar groß. Um sich ein Bild von der gigantischen Größenordnung dieser Mengen zu machen, schätzen wir die von der Sonne freigesetzte Energie über den gesamten Zeitraum ihres Bestehens (ca. 5 Milliarden Jahre). Stellen Sie sich vor, dass all diese kolossale Energiemenge, die von der Sonne ausgestrahlt wird, in einem Raumgebiet eingeschlossen ist, das kleiner ist als das Sonnensystem. Die dabei erzielten Energiedichten liegen nahe an den Energiedichten, die dem Vakuumzustand in HWO entsprechen.

Neben erstaunlichen Energieunterschieden entsprechen ebenso gigantische Druckunterschiede unterschiedlichen Vakuumzuständen. Aber hier liegt der „Trick“: all dieser Druck – Negativ. Das Quantenvakuum verhält sich genau wie das zuvor erwähnte hypothetische kosmische Abstoßungsmedium, nur dass diesmal die Zahlenwerte des Drucks so groß sind, dass die Abstoßung 10^120 Mal größer ist als die Kraft, die Einstein benötigte, um das Gleichgewicht in einem statischen Universum aufrechtzuerhalten .

Der Weg zur Erklärung des Urknalls ist nun frei. Nehmen wir an, das Universum befände sich zu Beginn in einem angeregten Vakuumzustand, der als „falsches“ Vakuum bezeichnet wird. In diesem Zustand gab es im Universum eine kosmische Abstoßung von solchem ​​Ausmaß, dass sie die ungehemmte und schnelle Expansion des Universums verursacht hätte. Im Wesentlichen würde das Universum in dieser Phase dem im vorherigen Abschnitt diskutierten de Sitter-Modell entsprechen. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass sich das Universum in de Sitter auf astronomischen Zeitskalen ruhig ausdehnt, während die „de Sitter-Phase“ in der Evolution des Universums aus dem „falschen“ Quantenvakuum eigentlich alles andere als ruhig ist. Das vom Universum eingenommene Raumvolumen sollte sich in diesem Fall alle 10^-34 s (oder ein Zeitintervall in der gleichen Größenordnung) verdoppeln.

Eine solche Superexpansion des Universums hat eine Reihe Charakteristische Eigenschaften: Alle Abstände wachsen nach dem Exponentialgesetz (dem Begriff des Exponenten sind wir bereits in Kapitel 4 begegnet). Das bedeutet, dass sich alle Bereiche des Universums alle 10^-34 s verdoppeln und dieser Verdopplungsprozess dann exponentiell weitergeht. Diese Art der Erweiterung wurde erstmals 1980 in Betracht gezogen. Alan Guth vom MIT (Massachusetts Institute of Technology, USA), wurde von ihm „Inflation“ genannt. Durch eine extrem schnelle und immer schneller werdende Expansion würde sich sehr bald herausstellen, dass alle Teile des Universums wie bei einer Explosion auseinanderfliegen. Und das ist der Urknall!

Aber so oder so, aber die Phase der Inflation muss aufhören. Wie in allen angeregten Quantensystemen ist das „falsche“ Vakuum instabil und neigt zum Zerfall. Beim Zerfall verschwindet die Abstoßung. Dies wiederum führt zum Aufhören der Inflation und zum Übergang des Universums in die Kraft der üblichen Gravitationsanziehung. Natürlich würde sich das Universum in diesem Fall aufgrund des während der Inflationsphase erhaltenen Anfangsimpulses weiter ausdehnen, aber die Expansionsrate würde stetig abnehmen. Somit ist die einzige Spur, die bis heute von der kosmischen Abstoßung überlebt hat, eine allmähliche Verlangsamung der Expansion des Universums.

Gemäß dem „Inflationsszenario“ begann das Universum seine Existenz aus einem Zustand des Vakuums, ohne Materie und Strahlung. Aber selbst wenn sie von Anfang an dabei wären, würden sich ihre Spuren aufgrund des enormen Expansionstempos in der Inflationsphase schnell verlieren. In der extrem kurzen Zeitspanne, die dieser Phase entspricht, ist der Raumbereich, den das gesamte heute beobachtbare Universum einnimmt, von einem Milliardstel der Größe eines Protons auf mehrere Zentimeter angewachsen. Die Dichte eines ursprünglich vorhandenen Stoffes würde tatsächlich gleich Null werden.

Am Ende der Inflationsphase war das Universum also leer und kalt. Als die Inflation jedoch versiegte, wurde das Universum plötzlich extrem „heiß“. Dieser Hitzeausbruch, der den Kosmos zum Leuchten brachte, ist auf die enormen Energiereserven zurückzuführen, die im "falschen" Vakuum enthalten sind. Als der Vakuumzustand zusammenbrach, wurde seine Energie in Form von Strahlung freigesetzt, die das Universum sofort auf etwa 10^27 K erhitzte, was ausreicht, damit die Prozesse in der GUT stattfinden können. Von diesem Moment an hat sich das Universum gemäß der Standardtheorie des "heißen" Urknalls entwickelt. Dank thermischer Energie entstanden Materie und Antimaterie, dann begann das Universum abzukühlen und alle seine heute beobachteten Elemente begannen allmählich „auszufrieren“.

Das schwierige Problem ist also, was den Urknall verursacht hat? - mithilfe der Inflationstheorie lösen konnte; der leere Raum explodierte spontan unter der dem Quantenvakuum innewohnenden Abstoßung. Das Rätsel bleibt jedoch bestehen. Die kolossale Energie der Primärexplosion, die in die Bildung von Materie und Strahlung im Universum einging, musste irgendwo herkommen! Wir werden die Existenz des Universums nicht erklären können, bis wir die Quelle der Primärenergie gefunden haben.

Weltraum-Bootstrap

Englisch Bootstrap im wörtlichen Sinne bedeutet es "Schnürung", im übertragenen Sinne bedeutet es Selbstkonsistenz, das Fehlen einer Hierarchie im System der Elementarteilchen.

Das Universum wurde im Prozess eines gigantischen Energieausbruchs geboren. Wir finden immer noch Spuren davon - das ist Hintergrundwärmestrahlung und kosmische Materie (insbesondere Atome, aus denen Sterne und Planeten bestehen), die eine bestimmte Energie in Form von "Masse" speichern. Spuren dieser Energie manifestieren sich auch in der Rezession von Galaxien und in der heftigen Aktivität astronomischer Objekte. Die Primärenergie „begann den Frühling“ des entstehenden Universums und setzt es bis heute in Bewegung.

Woher kam diese Energie, die unserem Universum Leben einhauchte? Nach der Inflationstheorie ist dies die Energie des leeren Raums, also des Quantenvakuums. Kann uns eine solche Antwort jedoch vollkommen zufrieden stellen? Es ist natürlich zu fragen, wie das Vakuum Energie gewonnen hat.

Im Allgemeinen machen wir mit der Frage, woher Energie kommt, im Wesentlichen eine wichtige Annahme über die Natur dieser Energie. Eines der Grundgesetze der Physik ist Gesetz der Energieeinsparung, Wodurch verschiedene Formen Energien können sich ändern und ineinander übergehen, aber die Gesamtenergiemenge bleibt unverändert.

Es ist nicht schwierig, Beispiele zu geben, an denen die Wirkungsweise dieses Gesetzes überprüft werden kann. Angenommen, wir haben einen Motor und einen Kraftstoffvorrat, und der Motor wird verwendet, um einen elektrischen Generator anzutreiben, der wiederum die Heizung antreibt. Bei der Verbrennung von Kraftstoff wird die darin gespeicherte chemische Energie in mechanische, dann in elektrische und schließlich in Wärme umgewandelt. Oder nehmen Sie an, dass ein Motor verwendet wird, um eine Last auf die Spitze eines Turms zu heben, wonach die Last frei fällt; beim auftreffen auf den boden wird genau so viel wärmeenergie freigesetzt wie im beispiel mit einer heizung. Tatsache ist, dass, egal wie Energie übertragen wird oder wie sich ihre Form ändert, sie offensichtlich weder erzeugt noch zerstört werden kann. Ingenieure wenden dieses Gesetz in der täglichen Praxis an.

Wenn Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann, wie entsteht dann Primärenergie? Wird es nicht einfach im ersten Moment injiziert (eine Art neue Anfangsbedingung akzeptiert von ad hoc)? Wenn ja, warum enthält das Universum diese Menge an Energie und nicht eine andere Menge? Es gibt ungefähr 10^68 J (Joule) Energie im beobachtbaren Universum - warum nicht, sagen wir, 10^99 oder 10^10000 oder irgendeine andere Zahl?

Die Inflationstheorie bietet eine mögliche wissenschaftliche Erklärung für dieses Rätsel. Nach dieser Theorie. Das Universum hatte ursprünglich eine Energie, die eigentlich gleich Null war, und es gelang ihm, in den ersten 10^32 Sekunden die gesamte gigantische Energiemenge zum Leben zu erwecken. Der Schlüssel zum Verständnis dieses Wunders liegt in der bemerkenswerten Tatsache, dass der Energieerhaltungssatz im üblichen Sinne gilt unzutreffend zum expandierenden Universum.

Tatsächlich sind wir bereits auf eine ähnliche Tatsache gestoßen. Die kosmologische Expansion führt zu einer Abnahme der Temperatur des Universums: Dementsprechend wird die in der Primärphase so große Energie der Wärmestrahlung aufgebraucht und die Temperatur sinkt auf Werte nahe dem absoluten Nullpunkt. Wo ist all diese Wärmeenergie geblieben? In gewissem Sinne wurde es vom Universum zur Expansion verbraucht und lieferte Druck, um die Kraft des Urknalls zu ergänzen. Wenn sich eine gewöhnliche Flüssigkeit ausdehnt, arbeitet ihr nach außen gerichteter Druck mit der Energie der Flüssigkeit. Wenn sich ein gewöhnliches Gas ausdehnt, wird seine innere Energie für die Verrichtung von Arbeit aufgewendet. Ganz im Gegensatz dazu verhält sich die kosmische Abstoßung ähnlich wie ein Medium mit Negativ Druck. Wenn sich ein solches Medium ausdehnt, nimmt seine Energie nicht ab, sondern zu. Genau das geschah während der Zeit der Inflation, als die kosmische Abstoßung dazu führte, dass sich das Universum schnell ausdehnte. Während dieser Zeit nahm die Gesamtenergie des Vakuums weiter zu, bis sie am Ende der Inflationsperiode einen enormen Wert erreichte. Sobald die Zeit der Inflation vorbei war, wurde die gesamte gespeicherte Energie in einem riesigen Ausbruch freigesetzt, wodurch Hitze und Materie im vollen Ausmaß des Urknalls entstanden. Ab diesem Zeitpunkt setzte die übliche Expansion mit Überdruck ein, so dass die Energie wieder abzunehmen begann.

Die Entstehung der Primärenergie ist von einer Art Magie geprägt. Vakuum mit einem mysteriösen Unterdruck ist anscheinend mit absolut unglaublichen Möglichkeiten ausgestattet. Einerseits erzeugt es eine gigantische Abstoßungskraft, die für seine immer schneller werdende Expansion sorgt, andererseits erzwingt die Expansion selbst eine Erhöhung der Vakuumenergie. Das Vakuum speist sich im Wesentlichen mit Energie in riesigen Mengen. Es hat eine innere Instabilität, die eine kontinuierliche Expansion und unbegrenzte Energieproduktion gewährleistet. Und nur der Quantenzerfall eines falschen Vakuums setzt dieser „kosmischen Extravaganz“ eine Grenze.

Vakuum dient der Natur als magischer, bodenloser Energiekrug. Die Energiemenge, die bei einer inflationären Expansion freigesetzt werden könnte, ist im Prinzip unbegrenzt. Diese Aussage markiert eine Revolution im traditionellen Denken mit seinem jahrhundertealten „Nichts wird aus nichts geboren“ (dieses Sprichwort stammt mindestens aus der Zeit der Parmeniden, also aus dem 5. Jahrhundert v. Chr.). Die Idee der Möglichkeit der „Schöpfung“ aus dem Nichts lag bis vor kurzem vollständig in der Kompetenz der Religionen. Insbesondere Christen glauben seit langem, dass Gott die Welt aus dem Nichts erschaffen hat, aber die Idee der Möglichkeit der spontanen Entstehung aller Materie und Energie als Ergebnis rein physikalischer Prozesse wurde von Wissenschaftlern vor einem Dutzend Jahren als absolut inakzeptabel angesehen .

Wer sich innerlich nicht mit dem ganzen Konzept der Entstehung von „Etwas“ aus „Nichts“ anfreunden kann, hat die Möglichkeit, die Energieentstehung bei der Expansion des Universums anders zu sehen. Da die gewöhnliche Schwerkraft den Charakter der Anziehung hat, ist es notwendig, Arbeit zu leisten, um die zwischen diesen Teilen wirkende Schwerkraft zu überwinden, um Teile der Materie voneinander zu entfernen. Das bedeutet, dass die Gravitationsenergie des Körpersystems negativ ist; Wenn dem System neue Körper hinzugefügt werden, wird Energie freigesetzt, und als Ergebnis wird die Gravitationsenergie "noch negativer". Wenn wir diese Argumentation auf das Universum im Stadium der Inflation anwenden, dann ist es das Auftreten von Wärme und Materie, das sozusagen die negative Gravitationsenergie der gebildeten Massen "kompensiert". In diesem Fall ist die Gesamtenergie des gesamten Universums gleich Null und es entsteht überhaupt keine neue Energie! Eine solche Sicht auf den Prozess der „Erschaffung der Welt“ ist natürlich reizvoll, sollte aber dennoch nicht zu ernst genommen werden, da sich der Stellenwert des Energiebegriffs in Bezug auf die Schwerkraft generell als zweifelhaft erweist.

Alles, was hier über das Vakuum gesagt wird, erinnert sehr an die Lieblingsgeschichte der Physiker über einen Jungen, der sich, nachdem er in einen Sumpf gefallen war, an seinen eigenen Schnürsenkeln herausgezogen hat. Das sich selbst erschaffende Universum ähnelt diesem Jungen – es zieht sich ebenfalls an seinen eigenen „Schnürsenkel“ heraus (dieser Vorgang wird mit dem Begriff „Bootstrap“ bezeichnet). In der Tat erregt das Universum aufgrund seiner eigenen physikalischen Natur die gesamte Energie, die für die „Erschaffung“ und „Wiederbelebung“ der Materie notwendig ist, und initiiert auch die Explosion, die sie erzeugt. Dies ist der Weltraum-Bootstrap; seiner erstaunlichen Kraft verdanken wir unsere Existenz.

Fortschritte in der Inflationstheorie

Nachdem Guth die grundlegende Idee vorgebracht hatte, dass das Universum eine frühe Periode extrem schneller Expansion durchgemacht hatte, wurde klar, dass ein solches Szenario viele Merkmale der Urknall-Kosmologie wunderbar erklären könnte, die zuvor als selbstverständlich angesehen wurden.

In einem der vorhergehenden Abschnitte sind wir sehr auf Paradoxien gestoßen hochgradig Organisation und Kohärenz der Primärexplosion. Eines der großen Beispiele dafür ist die Kraft der Explosion, die sich als genau „angepasst“ an die Größe der kosmischen Gravitation herausstellte, wodurch die Expansionsrate des Universums in unserer Zeit sehr nahe an der liegt Grenzwert zwischen Kompression (Kollaps) und schneller Expansion. Der entscheidende Test des Inflationsszenarios ist eben, ob es einen Urknall von solch genau definierter Stärke vorsieht. Es stellt sich heraus, dass aufgrund der exponentiellen Expansion in der Inflationsphase (die ihre stärkste ist charakteristische Eigenschaft) sorgt die Wucht der Explosion automatisch streng dafür, dass die eigene Gravitation des Universums überwunden werden kann. Inflation kann genau zu der in der Realität beobachteten Expansionsrate führen.

Ein weiteres „großes Rätsel“ hat mit der Homogenität des Universums im großen Maßstab zu tun. Es wird auch sofort auf der Grundlage der Inflationstheorie gelöst. Etwaige anfängliche Inhomogenitäten im Aufbau des Universums müssen unbedingt durch eine grandiose Vergrößerung ausgelöscht werden, so wie die Falten eines entleerten Ballons beim Aufblasen geglättet werden. Und als Ergebnis einer Vergrößerung der räumlichen Regionen um etwa das 10^50-fache wird jede anfängliche Störung unbedeutend.

Es wäre jedoch falsch, darüber zu sprechen Komplett Homogenität. Um die Entstehung moderner Galaxien und Galaxienhaufen zu ermöglichen, muss die Struktur des frühen Universums eine gewisse „Klumpigkeit“ gehabt haben. Anfangs hofften Astronomen, dass sich die Existenz von Galaxien durch die Ansammlung von Materie unter dem Einfluss der Gravitation nach dem Urknall erklären ließe. Eine Gaswolke muss sich unter ihrer eigenen Schwerkraft zusammenziehen und dann in kleinere Fragmente zerfallen, und diese wiederum in noch kleinere und so weiter. Es ist möglich, dass die infolge des Urknalls entstandene Gasverteilung völlig homogen war, aber durch rein zufällige Prozesse hier und da Verdickungen und Verdünnungen durch rein zufällige Prozesse entstanden sind. Die Schwerkraft verstärkte diese Schwankungen weiter, was zum Wachstum von Kondensationsbereichen und zur Aufnahme zusätzlicher Materie durch sie führte. Dann zogen sich diese Regionen zusammen und lösten sich sukzessive auf, und die kleinsten Klumpen wurden zu Sternen. Am Ende entstand eine Hierarchie von Strukturen: Sterne zu Gruppen vereint, diese zu Galaxien und weiter zu Galaxienhaufen.

Wenn es im Gas von Anfang an keine Inhomogenitäten gegeben hätte, hätte ein solcher Mechanismus für die Entstehung von Galaxien leider in einer Zeit funktioniert, die viel länger ist als das Alter des Universums. Tatsache ist, dass die Prozesse der Kondensation und Fragmentierung mit der Expansion des Universums konkurrierten, die von Gasstreuung begleitet wurde. In der ursprünglichen Version der Urknalltheorie wurde angenommen, dass die „Keime“ von Galaxien ursprünglich in der Struktur des Universums an seinem Ursprung existierten. Außerdem mussten diese anfänglichen Inhomogenitäten ganz bestimmte Dimensionen haben: nicht zu klein, sonst hätten sie sich nie gebildet, aber nicht zu groß, sonst würden die Regionen mit hoher Dichte einfach zusammenbrechen und zu riesigen Schwarzen Löchern werden. Gleichzeitig ist es völlig unverständlich, warum Galaxien genau solche Größen haben oder warum so viele Galaxien im Haufen enthalten sind.

Das Inflationsszenario liefert eine konsistentere Erklärung für die galaktische Struktur. Die Grundidee ist ganz einfach. Die Inflation ist darauf zurückzuführen, dass der Quantenzustand des Universums ein instabiler Zustand eines falschen Vakuums ist. Schließlich bricht dieser Vakuumzustand zusammen und seine überschüssige Energie wird in Wärme und Materie umgewandelt. In diesem Moment verschwindet die kosmische Abstoßung – und die Inflation hört auf. Der Zerfall eines falschen Vakuums erfolgt jedoch nicht im gesamten Raum streng gleichzeitig. Wie bei jedem Quantenprozess schwanken die Zerfallsraten des falschen Vakuums. In einigen Regionen des Universums erfolgt der Zerfall etwas schneller als in anderen. In diesen Gebieten wird die Inflation früher enden. Dadurch bleiben die Inhomogenitäten auch im Endzustand erhalten. Es ist möglich, dass diese Inhomogenitäten als "Keime" (Zentren) der Gravitationskontraktion dienen und letztendlich zur Entstehung von Galaxien und ihren Haufen führten. Eine mathematische Modellierung des Mechanismus der Schwankungen wurde jedoch mit sehr begrenztem Erfolg durchgeführt. In der Regel fällt der Effekt zu groß und die berechneten Inhomogenitäten zu stark aus. Es wurden zwar zu grobe Modelle verwendet und vielleicht wäre ein subtilerer Ansatz erfolgreicher gewesen. Obwohl die Theorie bei weitem nicht vollständig ist, beschreibt sie zumindest die Natur des Mechanismus, der ohne besondere Anfangsbedingungen zur Entstehung von Galaxien führen könnte.

In Guths Version des Inflationsszenarios verwandelt sich das falsche Vakuum zunächst in einen "wahren" oder niedrigst-energetischen Vakuumzustand, den wir mit leerem Raum identifizieren. Die Natur dieser Änderung ist einem Phasenübergang ziemlich ähnlich (z. B. von einem Gas zu einer Flüssigkeit). In diesem Fall würden sich in einem falschen Vakuum zufällig Blasen eines echten Vakuums bilden, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnen und alle großen Bereiche des Weltraums erfassen würden. Damit das falsche Vakuum lange genug bestehen bleibt, damit die Inflation ihre „wundersame“ Arbeit leisten kann, müssen diese beiden Zustände durch eine Energiebarriere getrennt werden, durch die das „Quantentunneln“ des Systems erfolgen muss, ähnlich wie es bei Elektronen geschieht (siehe Kap.) . Dieses Modell hat jedoch einen schwerwiegenden Nachteil: Die gesamte Energie, die aus dem falschen Vakuum freigesetzt wird, konzentriert sich in den Blasenwänden und es gibt keinen Mechanismus für ihre Umverteilung in der gesamten Blase. Wenn die Blasen kollidierten und verschmolzen, würde sich die Energie schließlich in den zufällig gemischten Schichten ansammeln. Infolgedessen würde das Universum sehr starke Inhomogenitäten enthalten, und die gesamte Arbeit der Inflation zur Schaffung einer großräumigen Uniformität würde zusammenbrechen.

Mit einer weiteren Verbesserung des Inflationsszenarios wurden diese Schwierigkeiten überwunden. Der neuen Theorie fehlt das Tunneln zwischen zwei Vakuumzuständen; Stattdessen werden die Parameter so gewählt, dass der Zerfall des falschen Vakuums sehr langsam ist und das Universum somit genügend Zeit bekommt, sich aufzublähen. Wenn der Zerfall abgeschlossen ist, wird die falsche Vakuumenergie im gesamten Volumen der „Blase“ freigesetzt, die sich schnell auf 10^27 K erhitzt. Es wird angenommen, dass das gesamte beobachtbare Universum in einer solchen Blase enthalten ist. So kann das Universum in ultragroßen Maßstäben sehr unregelmäßig sein, aber die für unsere Beobachtung zugängliche Region (und sogar viel größere Teile des Universums) liegt innerhalb einer vollständig homogenen Zone.

Es ist merkwürdig, dass Guth seine Inflationstheorie ursprünglich entwickelt hat, um ein völlig anderes kosmologisches Problem zu lösen – das Fehlen magnetischer Monopole in der Natur. Wie in Kapitel 9 gezeigt, sagt die Standardtheorie des Urknalls voraus, dass in der Primärphase der Evolution des Universums Monopole im Übermaß entstehen sollten. Sie können von ihren ein- und zweidimensionalen Gegenstücken begleitet werden – seltsamen Objekten, die den Charakter von „Schnur“ und „Blatt“ haben. Das Problem bestand darin, das Universum von diesen "unerwünschten" Objekten zu befreien. Die Inflation löst automatisch das Problem der Monopole und andere ähnliche Probleme, da die gigantische Expansion des Weltraums ihre Dichte effektiv auf Null reduziert.

Obwohl das Inflationsszenario nur teilweise entwickelt wurde und nur plausibel ist, hat es die Formulierung einer Reihe von Ideen ermöglicht, die versprechen, das Gesicht der Kosmologie unwiderruflich zu verändern. Jetzt können wir nicht nur die Ursache des Urknalls erklären, sondern auch beginnen zu verstehen, warum er so „groß“ war und einen solchen Charakter angenommen hat. Wir können jetzt damit beginnen, die Frage zu lösen, wie die großräumige Homogenität des Universums entstanden ist, und damit auch die beobachteten Inhomogenitäten im kleineren Maßstab (z. B. Galaxien). Die ursprüngliche Explosion, die das geschaffen hat, was wir das Universum nennen, ist kein Mysterium mehr jenseits der Physik.

Universum, das sich selbst erschafft

Und doch, trotz des enormen Erfolgs der Inflationstheorie bei der Erklärung des Ursprungs des Universums, bleibt das Rätsel bestehen. Wie kam es, dass das Universum ursprünglich in einem Zustand des falschen Vakuums gelandet ist? Was geschah vor der Inflation?

Konsequent, durchaus zufriedenstellend wissenschaftliche Beschreibung der Entstehung des Universums soll erklären, wie der Raum selbst (genauer gesagt die Raumzeit) entstanden ist, der dann eine Inflation erfahren hat. Einige Wissenschaftler sind bereit zuzugeben, dass Raum immer existiert, andere glauben, dass dieses Thema im Allgemeinen außerhalb des Rahmens des wissenschaftlichen Ansatzes liegt. Und nur wenige behaupten mehr und sind davon überzeugt, dass es durchaus legitim ist, die Frage aufzuwerfen, wie der Raum im Allgemeinen (und ein falsches Vakuum im Besonderen) dadurch buchstäblich aus dem „Nichts“ entstehen könnte physikalische Prozesse, grundsätzlich studierfähig.

Wie bereits erwähnt, haben wir erst kürzlich den hartnäckigen Glauben in Frage gestellt, dass „nichts von nichts kommt“. Der kosmische Bootstrap kommt dem theologischen Konzept der Erschaffung der Welt aus dem Nichts nahe (aus dem Nichts). Zweifellos ist in der Welt um uns herum die Existenz einiger Objekte normalerweise auf die Anwesenheit anderer Objekte zurückzuführen. Die Erde entstand also aus dem protosolaren Nebel, der wiederum aus galaktischen Gasen usw. Wenn wir zufällig ein Objekt sehen würden, das plötzlich "aus dem Nichts" auftaucht, würden wir es anscheinend als Wunder wahrnehmen; zum Beispiel würde es uns überraschen, wenn wir plötzlich viele Münzen, Messer oder Süßigkeiten in einem verschlossenen leeren Tresor finden würden. Im Alltag sind wir es gewohnt, uns bewusst zu sein, dass alles von irgendwo oder von etwas kommt.

Allerdings ist nicht alles so offensichtlich, wenn es um weniger spezifische Dinge geht. Woraus entsteht zum Beispiel ein Gemälde? Dazu braucht es natürlich einen Pinsel, Farben und eine Leinwand, aber das sind nur Werkzeuge. Die Art und Weise, wie ein Bild gemalt wird – die Wahl von Form, Farbe, Textur, Komposition – wird nicht mit Pinsel und Farbe geboren. Dies ist das Ergebnis der kreativen Vorstellungskraft des Künstlers.

Woher kommen Gedanken und Ideen? Gedanken sind zweifellos real und erfordern anscheinend immer die Beteiligung des Gehirns. Aber das Gehirn sorgt nur für die Verwirklichung von Gedanken und ist nicht deren Ursache. Das Gehirn selbst erzeugt Gedanken nicht mehr als zum Beispiel ein Computer - Berechnungen. Gedanken können durch andere Gedanken verursacht werden, aber dies offenbart nicht die Natur des Gedankens selbst. Einige Gedanken können geboren werden, Empfindungen; Gedanken führen zu Erinnerungen. Die meisten Künstler sehen ihre Arbeit jedoch als Ergebnis von unerwartet Inspiration. Wenn das stimmt, dann ist die Entstehung eines Gemäldes – oder zumindest die Geburt seiner Idee – nur ein Beispiel für die Geburt von etwas aus dem Nichts.

Können wir dennoch davon ausgehen, dass physische Objekte und sogar das Universum als Ganzes aus dem Nichts entstehen? Diese kühne Hypothese wird zum Beispiel in wissenschaftlichen Einrichtungen an der Ostküste der Vereinigten Staaten ernsthaft diskutiert, wo nicht wenige theoretische Physiker und Kosmologen einen mathematischen Apparat entwickeln, der helfen würde, die Möglichkeit herauszufinden, etwas aus dem Nichts zu erschaffen. Zu diesem Elitekreis gehören Alan Guth vom MIT, Sydney Coleman von der Harvard University, Alex Vilenkin von der Tufts University, Ed Tyon und Heinz Pagels aus New York. Sie alle glauben, dass auf die eine oder andere Weise „nichts instabil ist“ und dass das physikalische Universum spontan „aus dem Nichts erblüht“ ist und nur von den Gesetzen der Physik beherrscht wird. „Solche Ideen sind rein spekulativ“, gibt Guth zu, „aber auf einer gewissen Ebene mögen sie richtig sein … Es wird manchmal gesagt, dass es kein kostenloses Mittagessen gibt, aber das Universum ist anscheinend genau so ein „freies Mittagessen“.

In all diesen Hypothesen Schlüsselrolle spielt Quantenverhalten. Wie wir in Kapitel 2 gesagt haben, ist das Hauptmerkmal des Quantenverhaltens der Verlust einer streng kausalen Beziehung. In der klassischen Physik folgte die Darstellung der Mechanik der strikten Beachtung der Kausalität. Alle Einzelheiten der Bewegung jedes Teilchens waren durch die Bewegungsgesetze streng vorgegeben. Es wurde angenommen, dass die Bewegung kontinuierlich und streng durch die einwirkenden Kräfte bestimmt ist. Die Bewegungsgesetze verkörperten buchstäblich die Beziehung zwischen Ursache und Wirkung. Das Universum wurde als ein gigantisches Uhrwerk gesehen, dessen Verhalten streng von dem bestimmt wird, was gerade passiert. Es war der Glaube an eine so umfassende und absolut rigorose Kausalität, der Pierre Laplace dazu veranlasste zu argumentieren, dass ein übermächtiger Taschenrechner im Prinzip in der Lage ist, auf der Grundlage der Gesetze der Mechanik sowohl die Geschichte als auch das Schicksal der Universum. Nach dieser Ansicht ist das Universum dazu verdammt, für immer seinem vorgeschriebenen Weg zu folgen.

Die Quantenphysik hat das methodische, aber fruchtlose Laplace-Schema zerstört. Physiker sind zu der Überzeugung gelangt, dass Materie und ihre Bewegung auf atomarer Ebene unsicher und unvorhersehbar sind. Partikel können sich „verrückt“ verhalten, als würden sie sich streng vorgeschriebenen Bewegungen widersetzen, plötzlich ohne ersichtlichen Grund an den unerwartetsten Orten auftauchen und manchmal „ohne Vorwarnung“ erscheinen und verschwinden.

Die Quantenwelt ist nicht ganz frei von Kausalität, sie manifestiert sich jedoch eher unentschlossen und mehrdeutig. Befindet sich beispielsweise ein Atom infolge einer Kollision mit einem anderen Atom in einem angeregten Zustand, kehrt es normalerweise schnell in den Zustand mit der niedrigsten Energie zurück und sendet dabei ein Photon aus. Das Auftreten eines Photons ist natürlich eine Folge davon, dass das Atom zuvor in einen angeregten Zustand übergegangen ist. Wir können mit Sicherheit sagen, dass es die Anregung war, die zum Auftreten des Photons führte, und in diesem Sinne bleibt der Zusammenhang von Ursache und Wirkung erhalten. Der wahre Zeitpunkt des Auftretens eines Photons ist jedoch nicht vorhersehbar: Ein Atom kann es jederzeit emittieren. Physiker können den wahrscheinlichen oder durchschnittlichen Zeitpunkt des Auftretens eines Photons berechnen, aber es ist unmöglich, in jedem Fall den Zeitpunkt vorherzusagen, zu dem dieses Ereignis eintritt. Um eine solche Situation zu charakterisieren, ist es offenbar am besten zu sagen, dass die Anregung eines Atoms nicht so sehr zum Erscheinen eines Photons führt, sondern es zu ihm "schiebt".

Die Quanten-Mikrowelt ist also nicht in ein dichtes Netz kausaler Zusammenhänge verstrickt, „hört“ aber dennoch auf zahlreiche unaufdringliche Befehle und Suggestionen. Im alten Newtonschen Schema wandte sich die Kraft sozusagen dem Objekt zu mit einem unwiderruflichen Befehl: „Bewege dich!“. In der Quantenphysik basiert die Beziehung zwischen Kraft und Objekt eher auf einer Einladung als auf einem Befehl.

Warum finden wir die Idee der plötzlichen Geburt eines Objekts „aus dem Nichts“ überhaupt so inakzeptabel? Was lässt uns dann an Wunder und übernatürliche Phänomene denken? Vielleicht liegt der springende Punkt nur in der Ungewöhnlichkeit solcher Ereignisse: Im Alltag begegnen wir niemals dem unvernünftigen Aussehen von Objekten. Wenn zum Beispiel ein Zauberer ein Kaninchen aus dem Hut zieht, wissen wir, dass wir uns täuschen lassen.

Nehmen wir an, wir leben wirklich in einer Welt, in der scheinbar ab und zu scheinbar "aus dem Nichts" Objekte ohne Grund und noch dazu auf völlig unvorhersehbare Weise auftauchen. Wenn wir uns erst einmal an solche Phänomene gewöhnt haben, würden wir aufhören, von ihnen überrascht zu werden. Eine spontane Geburt würde als eine der Launen der Natur wahrgenommen werden. Vielleicht müssten wir in einer solchen Welt unsere Leichtgläubigkeit nicht länger anstrengen, um uns das plötzliche Auftauchen des gesamten physikalischen Universums aus dem Nichts vorzustellen.

Diese imaginäre Welt unterscheidet sich im Wesentlichen nicht so sehr von der realen. Wenn wir das Verhalten von Atomen direkt durch unsere Sinne wahrnehmen könnten (und nicht durch die Vermittlung spezieller Instrumente), müssten wir oft das Erscheinen und Verschwinden von Objekten ohne klar definierten Grund beobachten.

Das Phänomen, das der „Geburt aus dem Nichts“ am nächsten kommt, tritt in einem ausreichend starken elektrischen Feld auf. Ab einem kritischen Wert der Feldstärke beginnen Elektronen und Positronen völlig zufällig „aus dem Nichts“ aufzutauchen. Berechnungen zeigen, dass nahe der Oberfläche des Urankerns die elektrische Feldstärke ausreichend nahe an der Grenze liegt, ab der dieser Effekt auftritt. Wenn es Atomkerne gäbe, die 200 Protonen enthalten (im Urankern befinden sich 92 davon), dann würde es eine spontane Geburt von Elektronen und Positronen geben. Leider scheint ein Kern mit so vielen Protonen extrem instabil zu werden, aber das ist nicht ganz sicher.

Als eine besondere Art von Radioaktivität kann die spontane Entstehung von Elektronen und Positronen in einem starken elektrischen Feld angesehen werden, wenn der Zerfall leeren Raum, Vakuum erfährt. Über den Übergang von einem Vakuumzustand in einen anderen als Folge des Zerfalls haben wir bereits gesprochen. In diesem Fall zerfällt das Vakuum und geht in einen Zustand über, in dem Partikel vorhanden sind.

Obwohl der Verfall des Weltraums verursacht wurde elektrisches Feld, schwer nachvollziehbar ist, könnte ein ähnlicher Vorgang unter dem Einfluss der Schwerkraft durchaus in der Natur ablaufen. In der Nähe der Oberfläche von Schwarzen Löchern ist die Schwerkraft so stark, dass das Vakuum von ständig geborenen Teilchen nur so wimmelt. Dies ist die berühmte Strahlung des Schwarzen Lochs, die von Stephen Hawking entdeckt wurde. Letztlich ist es die Schwerkraft, die für die Entstehung dieser Strahlung verantwortlich ist, aber man kann nicht sagen, dass dies "im alten Newtonschen Sinne" geschieht: Man kann nicht sagen, dass irgendein bestimmtes Teilchen zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort erscheinen soll infolge der Einwirkung von Gravitationskräften. Da die Schwerkraft nur eine Krümmung der Raumzeit ist, kann man jedenfalls sagen, dass die Raumzeit die Geburt der Materie verursacht.

Das spontane Auftauchen von Materie aus dem leeren Raum wird oft als die Geburt „aus dem Nichts“ bezeichnet, was der Geburt im Geiste nahe kommt. aus dem Nichts in der christlichen Lehre. Für einen Physiker ist der leere Raum jedoch überhaupt kein „Nichts“, sondern ein sehr wesentlicher Teil des physikalischen Universums. Wenn wir dennoch die Frage beantworten wollen, wie das Universum entstanden ist, dann reicht es nicht aus anzunehmen, dass es von Anfang an einen leeren Raum gegeben hat. Es ist notwendig zu erklären, woher dieser Raum stammt. an Geburt gedacht Raum selbst Es mag seltsam erscheinen, aber in gewisser Weise passiert es die ganze Zeit um uns herum. Die Expansion des Universums ist nichts anderes als das kontinuierliche "Anschwellen" des Weltraums. Jeden Tag vergrößert sich die für unsere Teleskope zugängliche Region des Universums um 10 ^ 18 Kubiklichtjahre. Woher kommt dieser Raum? Die Gummi-Analogie ist hier nützlich. Zieht man das elastische Gummiband heraus, wird es "größer". Der Raum ähnelt der Superelastizität, da er sich, soweit wir wissen, unbegrenzt dehnen kann, ohne zu reißen.

Die Dehnung und Krümmung des Raumes ähnelt der Verformung eines elastischen Körpers, indem die „Bewegung“ des Raumes nach den Gesetzen der Mechanik genauso abläuft wie die Bewegung gewöhnlicher Materie. In diesem Fall sind dies die Gesetze der Schwerkraft. Die Quantentheorie ist gleichermaßen auf Materie sowie auf Raum und Zeit anwendbar. In früheren Kapiteln haben wir gesagt, dass die Quantengravitation als notwendiger Schritt auf der Suche nach der Supermacht angesehen wird. In diesem Zusammenhang ergibt sich eine merkwürdige Möglichkeit; Wenn nach der Quantentheorie Materieteilchen „aus dem Nichts“ entstehen können, wird sie dann nicht in Bezug auf die Schwerkraft die Entstehung „aus dem Nichts“ und den Raum beschreiben? Wenn dies geschieht, ist dann nicht die Geburt des Universums vor 18 Milliarden Jahren ein Beispiel für einen solchen Prozess?

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Die Hauptidee der Quantenkosmologie ist die Anwendung der Quantentheorie auf das Universum als Ganzes: auf Raumzeit und Materie; Theoretiker nehmen diese Idee besonders ernst. Auf den ersten Blick gibt es hier einen Widerspruch: Die Quantenphysik beschäftigt sich mit den kleinsten Systemen, die Kosmologie mit den größten. Allerdings war das Universum einst auch auf eine sehr kleine Größe beschränkt, und daher waren Quanteneffekte damals extrem wichtig. Die Ergebnisse der Berechnungen deuten darauf hin, dass Quantengesetze in der GUT-Ära (10^-32 s) berücksichtigt werden sollten und in der Planck-Ära (10^-43 s) wahrscheinlich eine entscheidende Rolle spielen sollten. Nach Ansicht einiger Theoretiker (z. B. Vilenkin) gab es zwischen diesen beiden Epochen einen Zeitpunkt, an dem das Universum entstand. Laut Sydney Coleman haben wir einen Quantensprung vom Nichts zur Zeit gemacht. Anscheinend ist die Raumzeit ein Relikt dieser Ära. Der Quantensprung, von dem Coleman spricht, kann als eine Art „Tunnelprozess“ angesehen werden. Wir stellten fest, dass in der ursprünglichen Version der Inflationstheorie der falsche Vakuumzustand durch die Energiebarriere zum wahren Vakuumzustand tunneln musste. Bei der spontanen Entstehung des Quantenuniversums „aus dem Nichts“ stößt unsere Intuition jedoch an die Grenze ihrer Möglichkeiten. Ein Ende des Tunnels stellt das physikalische Universum in Raum und Zeit dar, das durch Quantentunneln „aus dem Nichts“ dorthin gelangt. Daher ist das andere Ende des Tunnels genau dieses Nichts! Vielleicht wäre es besser zu sagen, dass der Tunnel nur ein Ende hat und das andere einfach "nicht existiert".

Die Hauptschwierigkeit dieser Versuche, den Ursprung des Universums zu erklären, liegt in der Beschreibung des Prozesses seiner Geburt aus einem Zustand falschen Vakuums. Wenn sich die neu entstandene Raumzeit in einem wahren Vakuumzustand befände, könnte es niemals zu einer Inflation kommen. Der Urknall würde auf einen schwachen Ausbruch reduziert, und die Raumzeit würde einen Moment später wieder aufhören zu existieren - sie würde durch genau die Quantenprozesse zerstört, durch die sie ursprünglich entstanden ist. Wenn sich das Universum nicht in einem Zustand des falschen Vakuums befunden hätte, wäre es niemals in den kosmischen Bootstrap verwickelt worden und hätte seine illusorische Existenz nicht verwirklicht. Vielleicht wird der falsche Vakuumzustand aufgrund seiner extremen Bedingungen bevorzugt. Wenn zum Beispiel das Universum bei einer ausreichend hohen Anfangstemperatur begann und dann abkühlte, dann könnte es sogar in einem falschen Vakuum „auflaufen“, aber bisher sind viele technische Fragen dieser Art ungelöst.

Aber was auch immer die Realität dieser grundlegenden Probleme ist, das Universum muss auf die eine oder andere Weise entstehen, und die Quantenphysik ist der einzige Zweig der Wissenschaft, in dem es sinnvoll ist, von einem Ereignis zu sprechen, das ohne ersichtlichen Grund auftritt. Wenn wir von Raumzeit sprechen, dann ist es ohnehin sinnlos, von Kausalität im üblichen Sinne zu sprechen. Üblicherweise ist der Begriff der Kausalität eng mit dem Begriff der Zeit verbunden, und daher müssen alle Überlegungen zu den Prozessen der Entstehung von Zeit oder ihres „Austritts aus der Nichtexistenz“ auf einer breiteren Vorstellung von Kausalität basieren.

Wenn der Raum wirklich zehndimensional ist, dann betrachtet die Theorie alle zehn Dimensionen in den frühesten Stadien als ziemlich gleich. Es ist reizvoll, das Phänomen der Inflation mit der spontanen Verdichtung (Faltung) von sieben von zehn Dimensionen in Verbindung zu bringen. Nach diesem Szenario ist die „treibende Kraft“ der Inflation ein Nebenprodukt von Wechselwirkungen, die sich durch zusätzliche räumliche Dimensionen manifestieren. Außerdem könnte sich der zehndimensionale Raum natürlich so entwickeln, dass während der Inflation drei Raumdimensionen stark auf Kosten der anderen sieben wachsen, die im Gegenteil schrumpfen und unsichtbar werden? So wird die Quantenmikroblase des zehndimensionalen Raums komprimiert, und dadurch werden drei Dimensionen aufgeblasen, die das Universum bilden: Die verbleibenden sieben Dimensionen bleiben in der Gefangenschaft des Mikrokosmos, von wo aus sie nur indirekt erscheinen - in Form von Interaktionen. Diese Theorie scheint sehr attraktiv.

Trotz der Tatsache, dass Theoretiker noch viel zu tun haben, um die Natur des sehr frühen Universums zu untersuchen, ist es bereits möglich, einen allgemeinen Überblick über die Ereignisse zu geben, die dazu führten, dass das Universum heute beobachtbar wurde. Ganz am Anfang entstand das Universum spontan „aus dem Nichts“. Dank der Fähigkeit der Quantenenergie, als eine Art Enzym zu fungieren, könnten sich die Blasen des leeren Raums immer schneller aufblähen und dank des Bootstrap enorme Energiereserven schaffen. Dieses mit selbst erzeugter Energie gefüllte falsche Vakuum erwies sich als instabil und begann zu zerfallen, wobei Energie in Form von Wärme freigesetzt wurde, so dass jede Blase mit feuerspeiender Materie (Feuerball) gefüllt war. Das Aufblasen (Inflation) der Blasen hörte auf, aber der Urknall begann. Auf der "Uhr" des Universums waren es in diesem Moment 10^-32 s.

Aus einem solchen Feuerball sind alle Materie und alle physischen Objekte entstanden. Als das Weltraummaterial abkühlte, erfuhr es aufeinanderfolgende Phasenübergänge. Mit jedem der Übergänge wurden immer mehr unterschiedliche Strukturen aus dem ursprünglich formlosen Material „herausgefroren“. Nach und nach lösten sich die Interaktionen voneinander. Schritt für Schritt erhielten die Objekte, die wir heute als subatomare Teilchen bezeichnen, ihre heutigen Eigenschaften. Als die Zusammensetzung der „kosmischen Suppe“ immer komplizierter wurde, wuchsen die aus der Zeit der Inflation übriggebliebenen großflächigen Unregelmäßigkeiten zu Galaxien heran. Im Prozess der weiteren Strukturbildung und Vereinzelung verschiedene Sorten Materie nahm das Universum immer vertrautere Formen an; Das heiße Plasma kondensierte zu Atomen und bildete Sterne, Planeten und schließlich Leben. So „verwirklichte“ sich das Universum.

Substanz, Energie, Raum, Zeit, Wechselwirkungen, Felder, Ordnung und Struktur - alles diese aus der „preisliste des schöpfers“ entliehenen begriffe dienen als integrale merkmale des universums. Die neue Physik eröffnet die verlockende Möglichkeit einer wissenschaftlichen Erklärung des Ursprungs all dieser Dinge. Wir müssen sie nicht mehr von Anfang an eigens „manuell“ eingeben. Wir können sehen, wie alle grundlegenden Eigenschaften der physischen Welt erscheinen können automatisch als Folge der physikalischen Gesetze, ohne von der Existenz ganz bestimmter Anfangsbedingungen ausgehen zu müssen. Die neue Kosmologie behauptet, dass der Anfangszustand des Kosmos keine Rolle spielt, da alle Informationen darüber während der Inflation gelöscht wurden. Das Universum, das wir beobachten, trägt nur die Abdrücke jener physikalischen Prozesse, die seit Beginn der Inflation stattgefunden haben.

Seit Tausenden von Jahren glaubt die Menschheit, dass "nichts aus nichts geboren wird". Heute können wir sagen, dass alles aus dem Nichts kam. Sie müssen für das Universum nicht "bezahlen" - es ist absolut ein "kostenloses Mittagessen".