Good Mood

Wenn wir uns heute das Universum ansehen, wissen wir mit außerordentlicher wissenschaftlicher Sicherheit, dass es nicht einfach so geschaffen wurde, wie es ist, sondern entwickelte sich über Milliarden von Jahren kosmischer Geschichte zu seiner gegenwärtigen Konfiguration. Wir können das, was wir heute sehen, sowohl in der Nähe als auch in großer Entfernung nutzen, um zu extrapolieren, wie das Universum vor langer Zeit war, und um zu verstehen, wie es so kam, wie es jetzt ist.,

Wenn wir über unsere kosmischen Ursprünge nachdenken, dann ist es nur menschlich, die grundlegendste aller möglichen Fragen zu stellen: Woher kam das alles? Es ist mehr als ein halbes Jahrhundert her, seit die ersten robusten und einzigartigen Vorhersagen des Urknalls bestätigt wurden, was zu unserem modernen Bild eines Universums führte, das vor 13, 8 Milliarden Jahren aus einem heißen, dichten Zustand begann. Aber auf unserer Suche nach dem Anfang wissen wir bereits, dass die Zeit nicht mit dem Urknall hätte beginnen können. Tatsächlich hatte es vielleicht überhaupt keinen Anfang.,

Wann immer wir über etwas nachdenken, wenden wir unsere sehr menschliche Logik darauf an., Wenn wir wissen wollen, woher der Urknall kam, beschreiben wir ihn bestmöglich und theoretisieren dann darüber, was ihn verursacht haben könnte, und richten ihn ein. Wir suchen nach Beweisen, die uns helfen, die Anfänge des Urknalls zu verstehen. Schließlich kommt hier alles her: von dem Prozess, der ihm den Anfang gemacht hat.

Dies setzt jedoch etwas voraus, das an unserem Universum möglicherweise nicht stimmt: dass es tatsächlich einen Anfang hatte. Wissenschaftlich wussten wir lange Zeit nicht, ob dies wahr war oder nicht. Hatte das Universum einen Anfang oder eine Zeit, vor der nichts existierte?, Oder existierte das Universum für eine Ewigkeit, wie eine unendliche Linie, die sich in beide Richtungen erstreckte? Oder ist unser Universum möglicherweise zyklisch wie der Umfang eines Kreises, wo es sich auf unbestimmte Zeit wiederholt?

Eine zeitlang gab es mehrere konkurrierende Ideen, die alle mit den Beobachtungen übereinstimmten, die wir hatten.

1. Ein expandierendes Universum könnte von einem singulären Punkt — einem Ereignis in der Raumzeit-stammen, bei dem Raum und Zeit aus einer Singularität hervorgegangen sind.
2. Das Universum könnte sich heute ausdehnen, weil es sich in der Vergangenheit zusammengezogen hat und sich in Zukunft wieder zusammenzieht und eine oszillierende Lösung darstellt.,
3. Schließlich hätte das expandierende Universum ein ewiger Zustand sein können, in dem sich der Raum jetzt ausdehnt und immer gewesen wäre und immer sein würde, in dem ständig neue Materie geschaffen wird, um die Dichte konstant zu halten.

Diese drei Beispiele stellen die drei Hauptoptionen dar: Das Universum hatte einen einzigartigen Anfang, das Universum ist zyklischer Natur oder das Universum hat immer existiert. In den 1960er Jahren wurde jedoch überall am Himmel eine geringe Mikrowellenstrahlung gefunden, die die Geschichte für immer veränderte.,

Diese Strahlung war nicht nur überall gleich groß, sondern auch in alle Richtungen gleich., Bei nur wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt stimmte es mit dem Universum überein, das aus einem früheren, heißen, dichten Zustand hervorging und sich ausdehnte.

Da verbesserte Technologie und neuartige Techniken zu besseren Daten führten, erfuhren wir, dass das Spektrum dieser Strahlung eine besondere Form hatte: die eines nahezu perfekten Schwarzkörpers. Ein schwarzer Körper ist das, was Sie erhalten, wenn Sie einen perfekten Absorber für Strahlung haben, der auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird. Wenn sich das Universum ausdehnt und abkühlt, ohne seine Entropie zu verändern (d.h., adiabatisch), etwas, das mit einem Schwarzkörperspektrum beginnt, bleibt ein Schwarzkörper, selbst wenn es abkühlt. Diese Strahlung stimmte nicht nur damit überein, dass sie das übrig gebliebene Glühen des Urknalls war, aber war im Widerspruch zu Alternativen wie müdem Licht oder reflektiertem Sternenlicht.

Laut Urknall war das Universum in der Vergangenheit heißer, dichter, gleichmäßiger und kleiner., Es hat nur die Eigenschaften, die wir heute sehen, weil es sich so lange ausdehnt, abkühlt und den Einfluss der Gravitation erfährt. Da sich die Wellenlänge der Strahlung ausdehnt, wenn sich das Universum ausdehnt, sollte ein kleineres Universum Strahlung mit kürzeren Wellenlängen haben, was bedeutet, dass es höhere Energien und höhere Temperaturen hatte.

Vor Milliarden von Jahren war es einmal so heiß, dass sich selbst neutrale Atome nicht bilden konnten, ohne auseinander gesprengt zu werden., Schon früher war die heutige Mikrowellenstrahlung so energisch, dass sie den Energiegehalt des Universums über die Materie dominierte. Zu noch früheren Zeiten wurden Atomkerne sofort auseinander gesprengt, und zu noch früheren Zeiten konnten wir nicht einmal stabile Protonen und Neutronen erzeugen.

Wenn wir den ganzen Weg zurück auf beliebig heiße Temperaturen, kleine Entfernungen und hohe Dichten extrapolieren, würden Sie vermuten, dass dies wirklich dem Anfang entspricht., Wenn Sie bereit wären, die Uhr so weit wie möglich rückwärts zu laufen, würde der gesamte Raum, aus dem heute unser sichtbares Universum besteht, auf einen einzigen Punkt komprimiert.

Nun, es ist wahr, dass, wenn Sie zu diesen extremen Bedingungen gehen und die gesamte Materie und Energie, die im heutigen Universum vorhanden ist, in ein winziges Raumvolumen komprimieren würden, die Gesetze der Physik zusammenbrechen würden. Sie könnten versuchen, verschiedene Eigenschaften zu berechnen, aber Sie würden nur Unsinn für Antworten bekommen. Dies beschreiben wir als Singularität: eine Reihe von Bedingungen, unter denen Zeit und Raum keine Bedeutung haben., Wenn Sie rechnen, scheint auf den ersten Blick eine Singularität unvermeidlich zu sein, unabhängig davon, was den Energieinhalt des Universums dominiert.

Singularitäten sind dort, wo das Gravitationsgesetz, das das Universum regiert-Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie-Unsinn für Vorhersagen liefert. Relativität, denken Sie daran, ist die Theorie, die Raum und Zeit beschreibt. Aber bei Singularitäten hören sowohl räumliche als auch zeitliche Dimensionen auf zu existieren. Fragen wie „Was kam vor diesem Ereignis, wo die Zeit begann“ zu stellen, ist so unsinnig wie „Wo bin ich“ zu fragen, wenn der Raum nicht mehr existiert.,

In der Tat ist dies das Argument, das viele, einschließlich Paul Davies, machen, wenn sie behaupten, dass es keine Diskussion darüber geben kann, was vor dem Urknall passiert ist. Dies ist natürlich eine Tautologie, wenn Sie behaupten, dass der Urknall dort begann, wo die Zeit begann. Aber so interessant dieses Argument auch ist, wir wissen, dass der Urknall nicht mehr dort begann, wo die Zeit begann. Seit wir moderne, detaillierte Messungen des Kosmos durchgeführt haben, haben wir gelernt, dass diese Extrapolation auf eine Singularität falsch sein muss.,

Insbesondere die Muster und Größen der Schwankungen, die wir in der modernen Strahlung entdeckt haben, die von diesem frühen, heißen, dichten Zustand übrig geblieben ist, lehren uns eine Reihe wichtiger Eigenschaften über unser Universum. Sie lehren uns, wie viel Materie sowohl in dunkler Materie als auch in normaler Materie vorhanden war: Protonen, Neutronen und Elektronen., Sie geben uns ein Maß für die räumliche Krümmung des Universums sowie das Vorhandensein dunkler Energie und die Auswirkungen von Neutrinos.

Aber sie sagen uns auch etwas Lebenswichtiges, das oft übersehen wird: Sie sagen uns, ob es in seinen frühesten Stadien eine maximale Temperatur für das Universum gab. Nach den Daten von WMAP und Planck erreichte das Universum nie eine Temperatur größer als etwa 1029 K. Diese Zahl ist enorm, aber es ist über 1.000 mal kleiner, dass die Temperaturen, die wir brauchen würden, um eine Singularität gleichzusetzen.,

Die besonderen Eigenschaften des Universums, die ihm von den frühesten Stadien an aufgedruckt sind, bieten ein Fenster in die physikalischen Prozesse, die damals stattfanden. Sie sagen uns nicht nur, dass wir den Urknall nicht bis zu einer Singularität extrapolieren können, sondern sie erzählen uns auch von dem Zustand, der vor dem heißen Urknall existierte (und eingerichtet wurde): eine Periode kosmischer Inflation.,

Während der Inflation war dem Weltraum selbst eine enorme Menge an Energie inhärent, die dazu führte, dass sich das Universum sowohl schnell als auch unerbittlich ausdehnte: exponentiell. Diese Periode der Inflation trat vor dem heißen Urknall auf, stellte die Anfangsbedingungen auf, mit denen unser Universum begann, und hinterließ eine Reihe einzigartiger Abdrücke, die wir suchten und entdeckten, nachdem die Theorie sie bereits vorhergesagt hatte. Auf jeden Fall ist die Inflation ein enormer Erfolg.,

Aber dies verändert unsere Vorstellungen davon, wie das Universum begann, stark. Zuvor habe ich Ihnen eine Grafik vorgestellt, wie sich die Größe (oder Skala) des Universums mit der Zeit entwickelt hat. Die Grafik zeigte die Unterschiede zwischen der Ausdehnung des Universums, wenn es zu frühen Zeiten von Materie (in Rot), Strahlung (in Blau) oder Raum selbst (z. B. während der Inflation, in Gelb) dominiert würde. Ich war jedoch nicht ganz ehrlich mit Ihnen bei der Anzeige dieses Diagramms.,

Sie sehen, ich habe etwas im früheren Diagramm weggelassen, weil ich es zu einem positiven, endlichen Zeitpunkt abgeschnitten habe. Mit anderen Worten, ich habe den Graphen angehalten, bevor wir eine Größe von Null erreicht haben. Wenn ich weiterhin rückwärts extrapolieren würde, erreichen die Materie-und Strahlungskurven tatsächlich zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Singularität: t = 0. Dort wäre die ursprüngliche Idee des Urknalls entstanden. Aber in einem inflationären Universum, Sie nur asymptote auf eine Größe von Null; Sie erreichen es nie. Nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt von t=0 und zu keinem frühen Zeitpunkt, egal wie weit Sie zurückgehen.,

Wie viele große Entdeckungen in der Wissenschaft führt dies zu einer Reihe reizvoller neuer Fragen, darunter:

1. War der Inflationszustand konstant? Wir wissen nicht, ob das Universum überall mit der gleichen Geschwindigkeit aufgeblasen wurde oder ob es sich über lange Zeiträume aufgeblasen hat. Wenn sich das Universum auf eine Weise aufblähte, die sich von einem Moment zum nächsten sehr schnell änderte und von Ort zu Ort variierte, könnte es immer noch die Eigenschaften haben, die wir heute beobachten.
2. Hielt der Inflationszustand ewig an und ging in der Zeit rückwärts?, Inflation hat sicherlich das Potenzial, ein ewiger Staat zu sein; Wir glauben an die Regionen, in denen sie nicht in einem heißen Urknall endet, sondern ewig in die Zukunft geht. Aber könnte es auch ewig in der Vergangenheit gewesen sein? Ohne es zu verbieten, müssen wir die Möglichkeit in Betracht ziehen.
3. Ist Inflation mit dunkler Energie verbunden, die auch eine Form exponentieller Expansion darstellt? Obwohl sie sich in Umfang und Größe unterscheiden, geben die kosmische Inflation im Frühstadium und die dunkle Energie im Spätstadium beide die gleiche mathematische Form für die Expansion des Universums., Sind diese beiden Phasen miteinander verbunden, und wird unsere zukünftige Expansion an Stärke zunehmen und unser Universum verjüngen, wie eine Art kosmischer Zyklus?

Beobachtend kennen wir keine Antwort auf eine dieser Fragen. Das Universum enthält, soweit wir es beobachten können, nur Informationen aus den letzten 10-33 Sekunden der Inflation. Alles, was vorher aufgetreten ist — einschließlich allem, was uns sagen würde, wie-oder-ob die Inflation begann und wie lange sie dauerte—, wird durch die Art der Inflation selbst ausgelöscht, soweit dies für uns beobachtbar ist.

Theoretisch geht es uns nicht viel besser., Der Borde-Guth-Vilenkin-Satz sagt uns, dass alle Punkte im Universum, wenn Sie weit genug zurück extrapolieren, miteinander verschmelzen und dass Inflation keine vollständige Raumzeit beschreiben kann. Aber das bedeutet nicht unbedingt, dass ein aufblasender Zustand nicht ewig andauern könnte; Es könnte genauso leicht bedeuten, dass unsere gegenwärtigen Regeln der Physik nicht in der Lage sind, diese frühesten Stadien genau zu beschreiben.

Obwohl wir unsere kosmische Geschichte bis in die frühesten Stadien des heißen Urknalls zurückverfolgen können, reicht das nicht aus, um die Frage zu beantworten, wie (oder ob) die Zeit begann., Wenn wir noch früher in die Endstadien der kosmischen Inflation gehen, können wir lernen, wie der Urknall aufgebaut und begonnen wurde, aber wir haben keine beobachtbaren Informationen darüber, was zuvor aufgetreten ist. Der Letzte Bruchteil einer Sekunde der inflation ist, wo unser wissen endet.

Tausende von Jahren nachdem wir die drei wichtigsten Möglichkeiten für den Beginn der Zeit dargelegt haben-wie immer existiert, wie vor einer endlichen Dauer in der Vergangenheit begonnen oder als zyklische Einheit — sind wir einer endgültigen Antwort nicht näher., Ob die Zeit endlich, unendlich oder zyklisch ist, ist keine Frage, die wir in unserem beobachtbaren Universum genügend Informationen haben, um sie zu beantworten. Wenn wir nicht einen neuen Weg finden, Informationen über diese tiefe, existenzielle Frage zu gewinnen, kann die Antwort für immer über die Grenzen dessen hinausgehen, was erkennbar ist.