Das Universum | Multiversum | Paralleluniversum | Raum Zeit | Urknalltheorie

Es gibt eine große Reihe von wissenschaftlichen Beweisen, die das Bild des expandierenden Universums und des Urknalls stützen. Die gesamte Massenenergie des Universums wurde in einem Ereignis von weniger als 10-30 Sekunden Dauer freigesetzt. Das energischste Ereignis in der Geschichte unseres Universums. NASA / GSFC

Es sind erst 13,8 Milliarden Jahre seit dem Urknall vergangen, und die Höchstgeschwindigkeit, mit der sich Informationen ausbreiten können - die Lichtgeschwindigkeit - ist endlich. Auch wenn das gesamte Universum selbst wirklich unendlich sein mag, ist das beobachtbare Universum begrenzt. Nach den Leitideen der theoretischen Physik kann unser Universum jedoch nur eine winzige Region eines viel größeren Multiversums sein, in der viele Universen, vielleicht sogar eine unendliche Zahl, enthalten sind. Ein Teil davon ist tatsächliche Wissenschaft, aber ein anderer Teil ist nichts anderes als spekulatives Wunschdenken. Hier erfahren Sie, welche welche ist. Aber zuerst ein kleiner Hintergrund.

Das heutige Universum enthält einige Fakten, die zumindest mit erstklassigen wissenschaftlichen Einrichtungen relativ einfach zu beobachten sind. Wir wissen, dass sich das Universum ausdehnt: Wir können Eigenschaften von Galaxien messen, die uns sowohl ihre Entfernung als auch ihre scheinbare Geschwindigkeit erklären, mit der sie sich von uns entfernen. Je weiter sie entfernt sind, desto schneller scheinen sie zurückzugehen. Im Kontext der Allgemeinen Relativitätstheorie bedeutet dies, dass sich das Universum ausdehnt.

Und wenn sich das Universum heute ausdehnt, bedeutet dies, dass es früher kleiner und dichter war. Extrapolieren Sie weit genug zurück, und Sie werden feststellen, dass die Dinge auch gleichmäßiger (weil die Schwerkraft Zeit braucht, um sie zusammenzuklumpen) und heißer (weil kleinere Wellenlängen für Licht höhere Energien / Temperaturen bedeuten) sind. Dies führt uns zurück zum Urknall.

Eine Illustration unserer kosmischen Geschichte vom Urknall bis zur Gegenwart im Kontext des expandierenden Universums. Die erste Friedmann-Gleichung beschreibt alle diese Epochen, von der Inflation über den Urknall bis hin zur Gegenwart und weit in die Zukunft, auch heute noch genau. NASA / WMAP SCIENCE TEAM

Aber der Urknall war nicht der Anfang des Universums! Wir können nur rechtzeitig auf eine bestimmte Epoche hochrechnen, bevor die Vorhersagen des Urknalls zusammenbrechen. Es gibt eine Reihe von Dingen, die wir im Universum beobachten, die der Urknall nicht erklären kann, aber eine neue Theorie, die den Urknall auslöst - die kosmische Inflation - kann.

Die während der Inflation auftretenden Quantenfluktuationen dehnen sich über das Universum aus, und wenn die Inflation endet, werden sie zu Dichtefluktuationen. Dies führt im Laufe der Zeit zu einer großräumigen Struktur im heutigen Universum sowie zu den im CMB.E beobachteten Temperaturschwankungen. SIEGEL, MIT BILDERN VON ESA / PLANCK UND DER INTERAGENZAUFGABE DOE / NASA / NSF FÜR CMB-FORSCHUNG

In den 1980er Jahren wurde eine Vielzahl von theoretischen Konsequenzen der Inflation erarbeitet, darunter:

  • wie die Keime für eine großflächige Struktur aussehen sollten,
  • dass Temperatur- und Dichteschwankungen auf Skalen existieren sollten, die größer sind als der kosmische Horizont,
  • dass alle Regionen des Weltraums, auch mit Schwankungen, konstante Entropie haben sollten,
  • und dass es eine maximale Temperatur geben sollte, die durch den heißen Urknall erreicht wird.

In den 1990er, 2000er und 2010er Jahren wurden diese vier Vorhersagen mit großer Präzision beobachtend bestätigt. Die kosmische Inflation ist ein Gewinner.

Durch das Aufblasen vergrößert sich der Raum exponentiell, was sehr schnell dazu führen kann, dass ein bereits vorhandener gekrümmter oder nicht glatter Raum flach erscheint. Wenn das Universum gekrümmt ist, hat es einen Krümmungsradius, der mindestens hundertmal größer ist als das, was wir beobachten können. SIEGEL (L); KOSMOLOGIE-TUTORIAL VON NED WRIGHT (R)

Die Inflation zeigt uns, dass das Universum vor dem Urknall nicht mit Partikeln, Antiteilchen und Strahlung gefüllt war. Stattdessen war es mit Energie gefüllt, die dem Raum an sich innewohnt, und diese Energie ließ den Raum schnell, unerbittlich und exponentiell expandieren. Irgendwann hört die Inflation auf und die gesamte (oder fast die gesamte) Energie wird in Materie und Energie umgewandelt, wodurch der heiße Urknall ausgelöst wird. Das Ende der Inflation und das sogenannte Aufheizen unseres Universums markieren den Beginn des heißen Urknalls. Der Urknall passiert immer noch, aber er ist noch nicht der Anfang.

Die Inflation sagt die Existenz eines riesigen Volumens an nicht beobachtbarem Universum voraus, das über den beobachtbaren Teil hinausgeht. Aber es gibt uns noch mehr als das. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS

Wenn dies die ganze Geschichte wäre, hätten wir nur ein extrem großes Universum. Es hätte überall die gleichen Eigenschaften, überall die gleichen Gesetze und die Teile, die sich jenseits unseres sichtbaren Horizonts befanden, wären ähnlich wie dort, wo wir uns befinden, aber es würde nicht zu Recht als Multiversum bezeichnet.

Bis Sie sich daran erinnern, dass alles, was physisch existiert, von Natur aus ein Quant sein muss. Sogar die Inflation mit all den Unbekannten, die sie umgeben, muss ein Quantenfeld sein.

Die Quantennatur der Inflation bedeutet, dass sie in einigen „Taschen“ des Universums endet und sich in anderen fortsetzt. Es muss den metaphorischen Hügel hinunter ins Tal rollen. Wenn es sich jedoch um ein Quantenfeld handelt, bedeutet die Ausbreitung, dass es in einigen Regionen endet und in anderen fortgesetzt wird. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS

Wenn Sie dann Inflation benötigen, um die Eigenschaften zu haben, die alle Quantenfelder haben:

  • dass seine Eigenschaften mit Unsicherheiten behaftet sind,
  • dass das Feld durch eine Wellenfunktion beschrieben wird,
  • und die Werte dieses Feldes können sich im Laufe der Zeit ausbreiten,

Sie kommen zu einem überraschenden Ergebnis.

Überall dort, wo Inflation auftritt (blaue Würfel), entstehen mit jedem Zeitsprung exponentiell mehr Raumregionen. Selbst wenn es viele Würfel gibt, in denen die Inflation aufhört (rotes X), gibt es weit mehr Regionen, in denen die Inflation auch in Zukunft anhalten wird. Die Tatsache, dass dies niemals ein Ende findet, macht die Inflation „ewig“, sobald sie beginnt. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS

Die Inflation endet nicht überall auf einmal, sondern an ausgewählten, nicht verbundenen Orten zu einem bestimmten Zeitpunkt, während sich der Raum zwischen diesen Orten weiter aufbläst. Es sollte mehrere riesige Regionen im Weltraum geben, in denen die Inflation aufhört und ein heißer Urknall einsetzt, aber sie können sich nie begegnen, da sie durch Regionen getrennt sind, in denen sich der Weltraum aufbläst. Überall dort, wo die Inflation einsetzt, wird sie zumindest stellenweise garantiert für eine Ewigkeit anhalten.

Wo die Inflation für uns endet, bekommen wir einen heißen Urknall. Der Teil des Universums, den wir beobachten, ist nur ein Teil dieser Region, in der die Inflation endete, und darüber hinaus gibt es ein unbeobachtbareres Universum. Aber es gibt unzählige Regionen, die alle voneinander getrennt sind und genau dieselbe Geschichte haben.

Ein Beispiel für die Idee des Multiversums ist die Darstellung mehrerer unabhängiger Universen, die in einem sich immer weiter ausbreitenden kosmischen Ozean kausal voneinander getrennt sind. In einer Region, in der der Urknall beginnt und die Inflation endet, sinkt die Expansionsrate, während die Inflation zwischen zwei solchen Regionen anhält und diese für immer voneinander trennt. OZYTIVE / PUBLIC DOMAIN

Das ist die Idee des Multiversums. Wie Sie sehen, basiert es auf zwei unabhängigen, gut etablierten und allgemein anerkannten Aspekten der theoretischen Physik: der Quantennatur von allem und den Eigenschaften der kosmischen Inflation. Es gibt keinen bekannten Weg, dies zu messen, so wie es keinen Weg gibt, den nicht beobachtbaren Teil unseres Universums zu messen. Die beiden ihr zugrunde liegenden Theorien Inflation und Quantenphysik haben sich jedoch als gültig erwiesen. Wenn sie Recht haben, ist das Multiversum eine unausweichliche Folge davon, und wir leben darin.

Die Idee des Multiversums besagt, dass es eine willkürlich große Anzahl von Universen wie unsere gibt, aber das bedeutet nicht unbedingt, dass es eine andere Version von uns gibt, und es bedeutet sicherlich nicht, dass es eine Chance gibt, auf eine andere Version von dir zu stoßen … Oder irgendetwas aus einem anderen Universum. LEE DAVY / FLICKR

Na und? Das ist nicht viel, oder? Es gibt viele theoretische Konsequenzen, die unvermeidlich sind, über die wir jedoch nicht sicher Bescheid wissen können, da wir sie nicht testen können. Das Multiversum ist eines von vielen. Es ist keine besonders nützliche Erkenntnis, nur eine interessante Vorhersage, die aus diesen Theorien hervorgeht.

Warum schreiben so viele theoretische Physiker Artikel über das Multiversum? Über Paralleluniversen und ihre Verbindung zu unseren eigenen durch dieses Multiversum? Warum behaupten sie, dass das Multiversum mit der String-Landschaft, der kosmologischen Konstante und sogar mit der Tatsache verbunden ist, dass unser Universum auf das Leben abgestimmt ist?

Denn obwohl es offensichtlich eine schlechte Idee ist, haben sie keine besseren.

Die Streichlandschaft mag eine faszinierende Idee sein, die voller theoretischer Möglichkeiten steckt, aber nichts vorhersagt, was wir in unserem Universum beobachten können. Diese Idee der Schönheit, die durch die Lösung „unnatürlicher“ Probleme motiviert ist, reicht nicht aus, um das von der Wissenschaft geforderte Niveau zu erreichen. UNIVERSITY OF CAMBRIDGE

Im Kontext der Stringtheorie gibt es eine Vielzahl von Parametern, die im Prinzip nahezu jeden Wert annehmen können. Die Theorie macht keine Vorhersagen für sie, also müssen wir sie von Hand eingeben: die Erwartungswerte der Saitenvakua. Wenn Sie von unglaublich großen Zahlen wie dem berühmten 10500 gehört haben, der in der Stringtheorie vorkommt, beziehen sich die möglichen Werte des String-Vakuums auf das, worauf sie sich beziehen. Wir wissen nicht, was sie sind oder warum sie die Werte haben, die sie haben. Niemand weiß, wie man sie berechnet.

Eine Darstellung der verschiedenen parallelen

Stattdessen sagen einige Leute: "Es ist das Multiversum!"

  • Wir wissen nicht, warum die fundamentalen Konstanten die Werte haben, die sie haben.
  • Wir wissen nicht, warum die Gesetze der Physik so sind, wie sie sind.
  • Die Stringtheorie ist ein Rahmen, der uns unsere physikalischen Gesetze mit unseren fundamentalen Konstanten geben könnte, aber es könnte uns andere Gesetze und / oder andere Konstanten geben.
  • Wenn wir also ein riesiges Multiversum haben, in dem viele verschiedene Regionen unterschiedliche Gesetze und / oder Konstanten haben, könnte eine davon unsere sein.

Das große Problem ist, dass dies nicht nur enorm spekulativ ist, sondern angesichts der uns bekannten Inflations- und Quantenphysik keinen Grund zu der Annahme besteht, dass eine aufblasbare Raumzeit in verschiedenen Regionen unterschiedliche Gesetze oder Konstanten hat.

Nicht beeindruckt von dieser Argumentation? Weder ist praktisch jemand anderes.

Wie wahrscheinlich oder unwahrscheinlich war es, dass unser Universum eine Welt wie die Erde hervorbrachte? Und wie plausibel wären diese Chancen, wenn die fundamentalen Konstanten oder Gesetze, die unser Universum regieren, unterschiedlich wären? Ein glückliches Universum, aus dessen Umschlag dieses Bild stammt, ist ein solches Buch, das sich mit diesen Themen befasst. GERAINT LEWIS AND LUKE BARNES

Wie ich bereits erklärt habe, ist das Multiversum keine wissenschaftliche Theorie für sich. Es ist vielmehr eine theoretische Konsequenz der Gesetze der Physik, wie sie heute am besten verstanden werden. Es ist vielleicht sogar eine unvermeidliche Konsequenz dieser Gesetze: Wenn Sie ein inflationäres Universum haben, das von der Quantenphysik beherrscht wird, ist dies etwas, mit dem Sie sich so ziemlich abfinden müssen. Aber - genau wie die Stringtheorie - hat sie einige große Probleme: Sie sagt nichts voraus, was wir beobachtet haben, und kann es ohne sie nicht erklären, und sie sagt nichts Bestimmtes voraus, wonach wir suchen können.

Visualisierung einer quantenfeldtheoretischen Berechnung mit virtuellen Teilchen im Quantenvakuum. Auch im leeren Raum ist diese Vakuumenergie ungleich Null. Ob es in anderen Regionen des Multiversums den gleichen, konstanten Wert hat, können wir nicht wissen, aber es gibt keine Motivation dafür.DEREK LEINWEBER

In diesem physischen Universum ist es wichtig, alles zu beobachten, was wir können, und jedes bisschen Wissen zu messen, das wir sammeln können. Wir können nur hoffen, dass wir aus dem gesamten Datenbestand jemals gültige wissenschaftliche Schlussfolgerungen über die Natur unseres Universums ziehen können. Einige dieser Schlussfolgerungen werden Auswirkungen haben, die wir möglicherweise nicht messen können: Daraus ergibt sich die Existenz des Multiversums. Aber wenn die Leute dann behaupten, sie könnten Rückschlüsse auf fundamentale Konstanten, die Gesetze der Physik oder die Werte des String Vacua ziehen, machen sie keine Wissenschaft mehr. sie spekulieren. Wunschdenken ist kein Ersatz für Daten, Experimente oder Observablen. Beachten Sie, dass das Multiversum eine Konsequenz der besten heute verfügbaren Wissenschaft ist, aber keine wissenschaftlichen Vorhersagen trifft, die wir auf den Prüfstand stellen können.

Ich hoffe, das könnte dem Thema Astrophysik etwas Bedeutung verleihen.

Jyotiraditya