Die Häufung von Galaxien im Universum auf den größten beobachtbaren Skalen, wobei jedes Pixel eine Galaxie darstellt. Bildnachweis: Zusammenarbeit von Michael Blanton und SDSS.

5 wissenschaftliche Mythen, die Sie wahrscheinlich über das Universum glauben

Wie ein wenig Wissen zu großen Missverständnissen führen kann… und wie man es behebt.

„Weil Philosophie aus Ehrfurcht entsteht, ist ein Philosoph auf seine Weise verpflichtet, ein Liebhaber von Mythen und poetischen Fabeln zu sein. Dichter und Philosophen sind gleichermaßen groß vor Staunen. “ -Thomas von Aquin

Das Universum ist ein riesiger, mysteriöser Ort, der alles umfasst, was wir jemals gekannt, beobachtet haben oder mit dem wir jemals in Kontakt kommen könnten. Seit Jahrtausenden stieß ein Blick in den Himmel - unser Fenster in den Kosmos jenseits unserer Welt - auf Staunen, Ehrfurcht und Faszination für das Unbekannte. Dank all der wissenschaftlichen Fortschritte, die Zivilisationen auf der ganzen Welt gemacht haben, wissen wir jetzt, dass die Lichtpunkte am Himmel Sterne sind, die in Galaxien zusammengefasst sind, die sich auf den größten Skalen in einem Universum zusammenballen, das mit unserem Urknall begann vor einer endlichen Zeitspanne: 13,8 Milliarden Jahre. Zu wissen, dass wir nicht alles wissen. In der Tat öffnet das Wissen um etwas Physik die Tür für einige wirklich große Missverständnisse, von denen einige sogar professionelle Wissenschaftler betreffen. Sie beinhalten…

Die beobachtbaren (gelb) und erreichbaren (magentafarbenen) Teile des Universums, die sie dank der Ausdehnung des Raums und der Energiekomponenten des Universums sind. Bildnachweis: E. Siegel, basierend auf Arbeiten der Wikimedia Commons-Benutzer Azcolvin 429 und Frédéric MICHEL.

1.) Wenn das Universum 13,8 Milliarden Jahre alt ist, sollten wir keine Objekte sehen können, die 46 Milliarden Lichtjahre entfernt sind.

Denn nichts kann sich schneller bewegen als die Lichtgeschwindigkeit! Das Licht der Sonne ist 8 Minuten und 20 Sekunden alt, da das Licht 8 Minuten und 20 Sekunden benötigt, um die Entfernung von der Sonne zur Erde zu überwinden. Dort sind jedoch zwei wichtige Punkte zu erkennen: Zum einen bewegen sich Sonne und Erde während der Lichtreise nicht voneinander weg oder aufeinander zu, zum anderen dehnt sich der Raum zwischen Sonne und Erde nicht aus. Auf den größten kosmischen Skalen hat das Universum beide Faktoren im Spiel.

Stellen Sie sich eine Galaxie vor, die 10 Milliarden Lichtjahre von unserem heutigen Standort vor 10 Milliarden Jahren entfernt war. Stellen Sie sich vor, es strahlte Licht aus. Wenn sich das Gefüge des Universums nicht ausdehnen würde, würde es 10 Milliarden Jahre dauern, um uns zu erreichen. Aber wenn sich die Galaxie von uns wegbewegt, begrenzt durch die Lichtgeschwindigkeit, könnte es bis zu 20 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sein, wenn das Licht dort ankommt. Und wenn sich das Universum ausdehnen würde, könnte es noch weiter gehen! Wenn unser Universum hauptsächlich aus Strahlung besteht, könnten wir in einem 13,8 Milliarden Jahre alten Universum bis zu 27,6 Milliarden Lichtjahre entfernt sehen. Wenn es hauptsächlich aus Materie bestehen würde, würde diese Zahl auf 41,4 Milliarden Lichtjahre steigen. Und mit der Mischung aus Materie, dunkler Materie und dunkler Energie, die wir haben, bringt die Expansion diese Zahl auf 46 Milliarden Lichtjahre entfernt. So können wir Objekte sehen, die in unserem Universum so weit entfernt sind.

Licht und Wellen im Raum; Wenn das Licht durch einen nicht flachen Raum geht, ändert sich, wie ein Beobachter an einem anderen Ort den Zeitablauf für das Licht wahrnimmt. Bildnachweis: Europäisches Gravitationsobservatorium, Lionel BRET / EUROLIOS.

2.) Niemand weiß, wie die Schwerkraft wirklich funktioniert.

Die Kräfte, die unser Universum beeinflussen - die Gravitation, die von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bestimmt wird, und die elektromagnetischen, schwachen und starken Kräfte, die von der Quantenfeldtheorie beschrieben werden - sind leicht zu beobachten und zu messen. Die ihnen zugrunde liegenden Theorien sind getrennt, wobei die Allgemeine Relativitätstheorie die Beziehung zwischen Materie und Energie zur Krümmung von Raum und Zeit beschreibt und die Quantenfeldtheorie die Wechselwirkungen zwischen Teilchen beschreibt, die in dieser Raumzeit auftreten. Sie könnten befürchten, dass die Schwerkraft von Natur aus eine Quantenkraft in der Natur sein muss und dass es Gravitonen geben sollte, die diese Wechselwirkung vermitteln. Sie könnten sich auch Sorgen machen, dass wir nicht berechnen können, wie die Gravitationskraft oder das Gravitationsfeld in Quantensituationen funktionieren soll, beispielsweise für ein Elektron, das durch einen Doppelspalt läuft und sich selbst stört.

Der Zweck der Wissenschaft besteht jedoch darin, Beobachtungen zu erklären, und die Allgemeine Relativitätstheorie tut dies für absolut alle. Nicht nur ausreichend, sondern perfekt bis an die Grenzen dessen, was wir beobachten können. Jede Theorie hat eine Grenze für ihren Gültigkeitsbereich; Die allgemeine Relativitätstheorie wird irgendwann zusammenbrechen, wie bei den Singularitäten innerhalb der Schwarzen Löcher. Aber auch Quantenfeldtheorien haben diese Grenzen: auf der Planck-Skala oder Entfernungen von etwa 10 ^ -33 Metern oder so. Gravitonen sollten existieren, aber sie ähneln Photonen: Reale können als Gravitationswellen erfasst werden (genauso wie echte Photonen als Lichtwellen erfasst werden können), während Virtualone nicht erfasst werden können und nur ein Berechnungswerkzeug sind. Einsteins Beschreibung ist vollkommen gültig. Obwohl wir hoffen, dass es eines Tages von einer Quantenbeschreibung der Schwerkraft abgelöst wird, ist unser Bild der von Materie und Energie beeinflussten gekrümmten Raumzeit, in der die gekrümmte Raumzeit die Wege von Objekten bestimmt, im wichtigsten Sinne von grundlegender Bedeutung: Es beschreibt jede Beobachtung, die wir können, perfekt vorstellen zu machen.

Die Zeitleiste der Geschichte unseres beobachtbaren Universums. Bildnachweis: NASA / WMAP Science Team.

3.) Der Urknall war die Geburt von Raum und Zeit.

Das Universum hat sich seit Milliarden von Jahren erweitert und abgekühlt. In der Vergangenheit war alles heißer und dichter, und wenn wir willkürlich weit zurückrechnen, kommen wir zu einem Punkt unendlicher Dichte. Theoretisch wurde dies bereits in den 1920er Jahren von Kosmologen wie Alexandr Friedmann und Georges Lemaître realisiert, wobei letzterer diesen Zustand das „Uratom“ nannte, aus dem alles hervorging. Als in den 1960er Jahren das von diesem Bild vorhergesagte übrig gebliebene Strahlungsglühen festgestellt wurde, das durch die Expansion des Universums in den Mikrowellenbereich des Spektrums verschoben wurde, wurde der Urknall bestätigt. Wenn Sie willkürlich weit zurück extrapolieren, gelangen Sie zu einer Singularität: Woher Raum und Zeit, wie wir sie kennen, entstanden sind.

Nur ist das Bild nicht richtig. Wenn die Temperatur des Universums (und damit seine Energien) jemals frühzeitig über einen bestimmten Punkt steigen würde, wären die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund größer als das, was wir beobachten. Die Tatsache, dass es sich nur um wenige Teile von 100.000 handelt - erstmals Anfang der neunziger Jahre von COBE gemessen -, zeigt, dass es vor dem heißen Urknall einen Zustand gegeben haben muss, in dem unser heißes, dichtes, mit Materie und Strahlung gefülltes Universum entstanden ist von. Es gab eine Vorhersage darüber, wie dieser Zustand in den 1980er Jahren aussehen würde: die kosmische Inflation, die den Urknall auslöste. Die Details der Schwankungen des CMB wurden vorhergesagt und stimmten genau mit denen überein, die wir von COBE, WMAP (2000er) und Planck (2010er) beobachtet hatten. Die Inflation kam vor dem heißen Urknall. Was vor der Inflation kam und ehrlich gesagt, was vor den letzten 10 bis 32 Sekunden der Inflation oder so kam, ist immer noch ein Rätsel.

Zwei mögliche Verschränkungsmuster im De-Sitter-Raum, die verschränkte Bits von Quanteninformationen darstellen, die das Entstehen von Raum, Zeit und Schwerkraft ermöglichen können. Bildnachweis: Erik Verlinde, über https://arxiv.org/pdf/1611.02269v2.pdf.

4.) Raum, Zeit und Schwerkraft können nur Illusionen sein.

Vielleicht sind sie nicht grundlegend; Vielleicht sind sie in gewissem Sinne nicht wirklich „echt“. In jüngster Zeit wurde viel über eine Idee geredet: Einige dieser Eigenschaften könnten aus etwas Grundlegenderem hervorgehen. Schallwellen entstehen durch molekulare Wechselwirkungen; Atome entstehen aus Quarks, Gluonen und Elektronen und den starken und elektromagnetischen Wechselwirkungen; Planetensysteme entstehen aus der Gravitation in der Allgemeinen Relativitätstheorie. Aber in der Idee der entropischen Schwerkraft - sowie in einigen anderen Szenarien (wie Qbits) - könnte die Gravitation oder sogar Raum und Zeit selbst auf ähnliche Weise aus anderen Entitäten hervorgehen.

Grund dafür ist jedoch die Tatsache, dass die Gleichungen, die die Gravitation regeln, und die Gleichungen, die die Thermodynamik bestimmen, enge Beziehungen aufweisen. Normalerweise gehen wir davon aus, dass Schwerkraft und Partikel fundamentale Einheiten sind und dass die Thermodynamik im Entstehen begriffen ist: Sie beschreiben die aggregierten Eigenschaften einer großen Anzahl grundlegenderer Dinge. Tatsächlich ergeben sich die Gesetze der Thermodynamik aus einem anderen, grundlegenderen Bereich; Statistische Mechanik. Die Schwerkraft kann noch aus etwas Grundlegenderem hervorgehen: Saiten, Schleifen, haarigen Schwarzen Löchern, Planck-Partikeln oder einem anderen theoretischen Konstrukt. Der Schlüssel ist jedoch, dass die Vorhersagen dieser „grundlegenderen“ Idee von den Vorhersagen der Allgemeinen Relativitätstheorie abweichen müssen und dass dies in keiner überprüften Weise dargelegt wurde. Vor allem aber ist die Schwerkraft keine Illusion, auch wenn sie nicht grundlegend ist. es existiert genauso sicher wie jedes aufstrebende Eigentum. Und was Raum und Zeit betrifft? Sie sind vielleicht auch nicht grundlegend, aber es gibt keine gute Idee, was sie daraus machen könnten, was mit irgendetwas Testbarem in Verbindung steht. In jedem Fall existieren Raum, Zeit und Schwerkraft, und es ist einfach falsch, sie als „Illusion“ zu bezeichnen.

Schwankungen der Raumzeit selbst auf der Quantenskala werden während des Aufblasens über das Universum ausgedehnt, was zu Unvollkommenheiten sowohl in der Dichte als auch in den Gravitationswellen führt. Bildnachweis: E. Siegel, mit Bildern von ESA / Planck und der DoE / NASA / NSF Interagency Task Force für CMB-Forschung.

5.) Es ist sowieso alles nur eine Theorie.

Der Urknall: nur eine Theorie. Schwerkraft: nur eine Theorie. Sogar das gesamte Gebiet der Zusammenstellung dieser Ideen wird als theoretische Physik bezeichnet. Es ist nicht so, dass dies Fakten, Wahrheiten oder sogar Gesetze sind. Sie sind nur Theorien.

Aber das verfehlt völlig den Sinn einer wissenschaftlichen Theorie. Fakten sind die grundlegendsten Elemente der Wissenschaft. Sie machen eine Beobachtung und das ist eine Tatsache. Sie machen eine Messung und das ist eine Tatsache. Ein einzelner experimenteller Datenpunkt ist eine Tatsache, und so sammeln wir so viele wie möglich und entwickeln Setups, um noch mehr zu sammeln. Wenn Sie feststellen, dass Dinge korreliert sind, dass Beziehungen zwischen verschiedenen Messgrößen / Observablen einer bestimmten Form oder Gleichung entsprechen, ist dies ein Gesetz. Nur wenn Sie einen übergreifenden Rahmen zusammenstellen können, der nicht nur die Fakten erklärt und die Gesetze umfasst, sondern auch neue Vorhersagen über Dinge macht, die Sie beobachten können, dass Sie eine wissenschaftliche Theorie haben. Wenn Sie dann ausgehen, Ihre Theorien validieren und verifizieren und sie an die absoluten Grenzen bringen, haben Sie eine Theorie, die so gut ist wie der Urknall oder die Allgemeine Relativitätstheorie.

Und es ist wahr: Selbst eine so robuste und akzeptierte Theorie wie diese Beispiele wird niemals die endgültige Antwort sein. Es gibt immer mehr zu lernen, mehr Grenzen zu überschreiten und mehr Fragen aufzudecken und zu untersuchen. Aber die am besten akzeptierten Theorien des Tages sind so nah an der Wahrheit, wie es die Wissenschaft jemals bekommen kann, auch wenn wir immer danach streben, näher zu kommen. Es ist besser, die Realität mit all den damit verbundenen Nuancen so gut wie möglich zu verstehen, als an einem tröstlichen Mythos festzuhalten.

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