Das Universum | Multiversum | Paralleluniversum | Raumzeit | Urknalltheorie

Es gibt eine große Anzahl wissenschaftlicher Beweise, die das Bild des expandierenden Universums und des Urknalls stützen. Die gesamte Massenenergie des Universums wurde in einem Ereignis freigesetzt, das weniger als 10 ^ -30 Sekunden dauerte; Das energischste Ereignis in der Geschichte unseres Universums. NASA / GSFC

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

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

Und wenn sich das Universum heute ausdehnt, bedeutet dies, dass es in der Vergangenheit kleiner und dichter war. Wenn Sie weit genug zurück extrapolieren, werden Sie feststellen, dass die Dinge auch gleichmäßiger (weil die Schwerkraft Zeit braucht, um die Dinge zusammenklumpen zu lassen) 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 all diese Epochen, von der Inflation über den Urknall bis 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 zurückrechnen, 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 aufstellt - die kosmische Inflation - kann.

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

In den 1980er Jahren wurde eine Vielzahl theoretischer Konsequenzen der Inflation herausgearbeitet, darunter:

  • wie die Samen für eine großflächige Struktur aussehen sollten,
  • dass Temperatur- und Dichteschwankungen auf Skalen existieren sollten, die größer als der kosmische Horizont sind,
  • dass alle Regionen des Weltraums, auch bei Schwankungen, eine 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 Genauigkeit beobachtend bestätigt. Die kosmische Inflation ist ein Gewinner.

Durch die Inflation wächst der Raum exponentiell, was sehr schnell dazu führen kann, dass bereits vorhandene gekrümmte oder nicht glatte Räume flach erscheinen. Wenn das Universum gekrümmt ist, hat es einen Krümmungsradius, der mindestens hundertmal größer ist als das, was wir beobachten können. SIEGEL (L); NED WRIGHT'S KOSMOLOGIE-TUTORIAL (R)

Die Inflation sagt uns, dass das Universum vor dem Urknall nicht mit Partikeln, Antiteilchen und Strahlung gefüllt war. Stattdessen war es mit Energie gefüllt, die dem Raum selbst innewohnt, und diese Energie bewirkte, dass sich der Raum schnell, unerbittlich und exponentiell ausdehnte. Irgendwann endet die Inflation und die gesamte (oder fast die gesamte) Energie wird in Materie und Energie umgewandelt, wodurch der heiße Urknall entsteht. Das Ende der Inflation und das, was als Wiedererwärmung unseres Universums bekannt ist, markiert den Beginn des heißen Urknalls. Der Urknall passiert immer noch, aber es ist nicht der Anfang.

Die Inflation sagt die Existenz eines riesigen Volumens nicht beobachtbarer Universen voraus, das über den Teil hinausgeht, den wir beobachten können. 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 quantenhaft sein muss. Sogar die Inflation mit all den Unbekannten muss ein Quantenfeld sein.

Die Quantennatur der Inflation bedeutet, dass sie in einigen „Taschen“ des Universums endet und in anderen fortbesteht. Es muss den metaphorischen Hügel hinunter und ins Tal rollen, aber wenn es ein Quantenfeld ist, bedeutet die Ausbreitung, dass es in einigen Regionen endet, während es in anderen weitergeht. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS

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

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

Sie kommen zu einem überraschenden Ergebnis.

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

Die Inflation endet nicht überall gleichzeitig, sondern an ausgewählten, nicht verbundenen Orten zu einem bestimmten Zeitpunkt, während sich der Raum zwischen diesen Orten weiter aufbläst. Es sollte mehrere riesige Regionen des Weltraums geben, in denen die Inflation endet und ein heißer Urknall beginnt, aber sie können sich niemals begegnen, da sie durch Regionen mit aufgeblasenem Raum getrennt sind. Wo immer die Inflation beginnt, ist es so gut wie garantiert, dass sie zumindest stellenweise für eine Ewigkeit anhält.

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 ein nicht beobachtbares Universum. Aber es gibt unzählige Regionen, die alle voneinander getrennt sind und genau dieselbe Geschichte haben.

Eine Darstellung mehrerer unabhängiger Universen, die in einem sich ständig erweiternden kosmischen Ozean kausal voneinander getrennt sind, ist eine Darstellung der Multiversum-Idee. In einer Region, in der der Urknall beginnt und die Inflation endet, wird die Expansionsrate sinken, während die Inflation zwischen zwei solchen Regionen anhält und sie für immer voneinander trennt. OZYTIVE / ÖFFENTLICHE DOMÄNE

Das ist die Idee des Multiversums. Wie Sie sehen können, basiert es auf zwei unabhängigen, gut etablierten und allgemein akzeptierten Aspekten der theoretischen Physik: der Quantennatur von allem und den Eigenschaften der kosmischen Inflation. Es gibt keine bekannte Methode, um es zu messen, genauso wie es keine Möglichkeit gibt, den nicht beobachtbaren Teil unseres Universums zu messen. Die beiden 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 Multiversum-Idee 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 alternative Version von sich selbst 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, von denen wir jedoch nicht sicher wissen können, weil wir sie nicht testen können. Das Multiversum ist eines in einer langen Reihe von diesen. Es ist keine besonders nützliche Erkenntnis, nur eine interessante Vorhersage, die aus diesen Theorien herausfällt.

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 Fadenlandschaft, 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 String-Landschaft mag eine faszinierende Idee sein, die voller theoretischer Potenziale ist, aber nichts vorhersagt, was wir in unserem Universum beobachten können. Diese Vorstellung von Schönheit, die durch die Lösung „unnatürlicher“ Probleme motiviert ist, reicht allein 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 fast jeden Wert annehmen können. Die Theorie macht keine Vorhersagen für sie, deshalb müssen wir sie von Hand eingeben: die Erwartungswerte der Zeichenfolge vacua. Wenn Sie von unglaublich großen Zahlen wie dem berühmten 10500 gehört haben, der in der Stringtheorie vorkommt, beziehen sich die möglichen Werte des String Vacua darauf. Wir wissen nicht, was sie sind oder warum sie die Werte haben, die sie tun. Niemand weiß, wie man sie berechnet.

Eine Darstellung der verschiedenen parallelen „Welten“, die in anderen Taschen des Multiversums existieren könnten. PUBLIC DOMAIN

Stattdessen sagen einige Leute: "Es ist das Multiversum!" Die Denkrichtung lautet wie folgt:

  • Wir wissen nicht, warum die Grundkonstanten 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 Gesetze der Physik mit unseren Grundkonstanten geben könnte, aber er 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 es angesichts der uns bekannten Inflation und Quantenphysik keinen Grund gibt anzunehmen, 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 Cover dieses Bild stammt, ist ein solches Buch, das sich mit diesen Themen befasst. GERAINT LEWIS UND 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 regiert wird, ist dies etwas, mit dem Sie so ziemlich fertig werden müssen. Aber - ähnlich wie in der Stringtheorie - hat es einige große Probleme: Es sagt nichts voraus, was wir entweder beobachtet haben und ohne es nicht erklären können, und es sagt nichts Bestimmtes voraus, wonach wir suchen können.

Visualisierung einer quantenfeldtheoretischen Berechnung, die virtuelle Teilchen im Quantenvakuum zeigt. Selbst 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 gewinnen können. Nur aus der gesamten verfügbaren Datenreihe können wir hoffen, jemals gültige wissenschaftliche Schlussfolgerungen über die Natur unseres Universums zu ziehen. Einige dieser Schlussfolgerungen werden Auswirkungen haben, die wir möglicherweise nicht messen können: Daraus ergibt sich die Existenz des Multiversums. Aber wenn Menschen dann behaupten, sie könnten Schlussfolgerungen über fundamentale Konstanten, die Gesetze der Physik oder die Werte von String Vacua ziehen, machen sie keine Wissenschaft mehr; sie spekulieren. Wunschdenken ist kein Ersatz für Daten, Experimente oder Observablen. Bis wir diese haben, sollten Sie sich bewusst sein, dass das Multiversum eine Folge der besten Wissenschaft ist, die wir heute zur Verfügung haben, aber es gibt keine wissenschaftlichen Vorhersagen, die wir auf die Probe stellen können.

Ich hoffe, dies könnte dem Thema Astrophysik eine gewisse Bedeutung verleihen.

Jyotiraditya