Die seltsamsten und ungewöhnlichsten Theorien über die Struktur des Universums

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Neben klassischen kosmologischen Modellen ermöglicht die Allgemeine Relativitätstheorie die Erschaffung sehr, sehr, sehr exotischer imaginärer Welten.

Es gibt mehrere klassische kosmologische Modelle, die mit der Allgemeinen Relativitätstheorie konstruiert wurden, ergänzt durch die Homogenität und Isotropie des Raums (siehe "PM" Nr. 6'2012). Einsteins geschlossenes Universum hat eine konstante positive Raumkrümmung, die durch die Einführung des sogenannten kosmologischen Parameters in die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, der als Antigravitationsfeld wirkt, statisch wird.

In de Sitters Beschleunigungsuniversum mit ungekrümmtem Raum gibt es keine gewöhnliche Materie, aber es ist auch mit einem Antigravitationsfeld gefüllt. Es gibt auch die geschlossenen und offenen Universen von Alexander Friedman; die Grenzwelt von Einstein - de Sitter, die die Expansionsrate im Laufe der Zeit allmählich auf Null reduziert, und schließlich das Lemaitre-Universum, der Vorläufer der Urknall-Kosmologie, das aus einem superkompakten Anfangszustand wächst. Sie alle, insbesondere das Lemaitre-Modell, wurden zu den Vorläufern des modernen Standardmodells unseres Universums.

Der Raum des Universums hat in verschiedenen Modellen unterschiedliche Krümmungen, die negativ (hyperbolischer Raum), null (flacher euklidischer Raum, entspricht unserem Universum) oder positiv (elliptischer Raum) sein können. Die ersten beiden Modelle sind offene Universen, die sich endlos ausdehnen, das letzte ist geschlossen, das früher oder später zusammenbrechen wird. Die Abbildung zeigt von oben nach unten zweidimensionale Analoga eines solchen Raums.

Es gibt jedoch auch andere Universen, die ebenfalls durch einen sehr kreativen, wie man heute sagen wird, Gebrauch der Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie erzeugt. Sie entsprechen weit weniger (oder gar nicht) den Ergebnissen astronomischer und astrophysikalischer Beobachtungen, sind aber oft sehr schön und manchmal elegant paradox. Es stimmt, Mathematiker und Astronomen haben sie in einer solchen Menge erfunden, dass wir uns auf einige der interessantesten Beispiele imaginärer Welten beschränken müssen.

Von der Schnur zum Pfannkuchen

Nach dem Erscheinen (1917) der grundlegenden Arbeiten von Einstein und de Sitter begannen viele Wissenschaftler, die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu verwenden, um kosmologische Modelle zu erstellen. Einer der ersten war der New Yorker Mathematiker Edward Kasner, der seine Lösung 1921 veröffentlichte.

Sein Universum ist sehr ungewöhnlich. Ihm fehlt nicht nur die gravitierende Materie, sondern auch ein Antigravitationsfeld (mit anderen Worten, es gibt keinen Einsteins kosmologischen Parameter). Es scheint, dass in dieser idealerweise leeren Welt überhaupt nichts passieren kann. Kasner gab jedoch zu, dass sich sein hypothetisches Universum ungleichmäßig in verschiedene Richtungen entwickelt hat. Es dehnt sich entlang zweier Koordinatenachsen aus, zieht sich jedoch entlang der dritten Achse zusammen.

Daher ist dieser Raum offensichtlich anisotrop und ähnelt in seinen geometrischen Umrissen einem Ellipsoid. Da sich ein solches Ellipsoid in zwei Richtungen ausdehnt und sich in der dritten zusammenzieht, verwandelt es sich allmählich in einen flachen Pfannkuchen. Gleichzeitig verliert das Kasner-Universum überhaupt nicht an Gewicht, sein Volumen nimmt mit dem Alter zu. Im Anfangsmoment ist dieses Alter gleich Null – und damit auch das Volumen Null. Die Kasner-Universen werden jedoch nicht aus einer Punktsingularität geboren, wie die Welt von Lemaitre, sondern aus etwas wie einer unendlich dünnen Speiche - ihr Anfangsradius ist auf einer Achse gleich unendlich und auf den anderen beiden gleich Null.

Warum googeln wir

Edward Kasner war ein brillanter Popularisierer der Wissenschaft – sein Buch Mathematics and the Imagination, das zusammen mit James Newman verfasst wurde, wird heute neu veröffentlicht und gelesen. In einem der Kapitel erscheint die Zahl 10¹⁰⁰… Kazners neunjähriger Neffe hat sich einen Namen für diese Zahl einfallen lassen - googol (Googol) und sogar eine unglaublich riesige Zahl 10^Googol- den Begriff Googolplex (Googolplex) getauft. Als die Stanford-Studenten Larry Page und Sergey Brin nach einem Namen für ihre Suchmaschine suchten, empfahl ihr Kumpel Sean Anderson das allumfassende Googolplex.

Page mochte jedoch das bescheidenere Googol, und Anderson machte sich sofort daran, zu prüfen, ob es als Internetdomäne verwendet werden könnte. In Eile machte er einen Tippfehler und schickte eine Anfrage nicht an Googol.com, sondern an Google.com. Dieser Name erwies sich als frei und Brin gefiel er so gut, dass er und Page ihn sofort am 15. September 1997 registrierten. Wenn es anders gekommen wäre, hätten wir Google nicht!

Was ist das Geheimnis der Evolution dieser leeren Welt? Da sich sein Raum in verschiedene Richtungen auf unterschiedliche Weise "verschiebt", entstehen Gezeitengravitationskräfte, die seine Dynamik bestimmen. Es scheint, dass man sie loswerden kann, indem man die Expansionsraten entlang aller drei Achsen angleicht und damit die Anisotropie eliminiert, aber die Mathematik lässt solche Freiheiten nicht zu.

Es stimmt, man kann zwei der drei Geschwindigkeiten gleich Null setzen (mit anderen Worten, die Dimensionen des Universums entlang zweier Koordinatenachsen festlegen). In diesem Fall wächst Kasners Welt nur in eine Richtung, und zwar streng proportional zur Zeit (das ist leicht zu verstehen, denn so muss ihr Volumen zunehmen), aber das ist alles, was wir erreichen können.

Das Kasner-Universum kann nur unter der Bedingung völliger Leere allein bleiben. Wenn Sie ihm ein wenig hinzufügen, wird es allmählich beginnen, sich wie das isotrope Universum von Einstein-de Sitter zu entwickeln. Auf die gleiche Weise tritt ein Einstein-Parameter, der von Null verschieden ist, zu seinen Gleichungen (mit oder ohne Materie) asymptotisch in das Regime der exponentiellen isotropen Expansion ein und wird zum Universum von de Sitter. Allerdings verändern solche "Ergänzungen" wirklich nur die Entwicklung des bereits existierenden Universums.

Im Moment ihrer Geburt spielen sie praktisch keine Rolle und das Universum entwickelt sich nach dem gleichen Szenario.

Obwohl die Kasner-Welt dynamisch anisotrop ist, ist ihre Krümmung zu jedem Zeitpunkt entlang aller Koordinatenachsen gleich. Die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie lassen jedoch die Existenz von Universen zu, die sich nicht nur mit anisotropen Geschwindigkeiten entwickeln, sondern auch eine anisotrope Krümmung aufweisen.

Solche Modelle wurden Anfang der 1950er Jahre von dem amerikanischen Mathematiker Abraham Taub gebaut. Seine Räume können sich in einigen Richtungen wie offene Universen und in anderen wie geschlossene Universen verhalten. Darüber hinaus können sie im Laufe der Zeit das Vorzeichen von Plus auf Minus und von Minus auf Plus ändern. Ihr Raum pulsiert nicht nur, sondern dreht sich buchstäblich um. Physikalisch können diese Prozesse mit Gravitationswellen in Verbindung gebracht werden, die den Raum so stark verformen, dass sie lokal seine Geometrie von kugelförmig zu sattelförmig und umgekehrt ändern. Alles in allem seltsame Welten, wenn auch mathematisch möglich.

Im Gegensatz zu unserem Universum, das sich isotrop (d. h. mit gleicher Geschwindigkeit unabhängig von der gewählten Richtung) ausdehnt, dehnt sich Kasners Universum gleichzeitig (entlang zweier Achsen) und kontrahiert (entlang der dritten) aus.

Schwankungen der Welten

Bald nach der Veröffentlichung von Kazners Werk erschienen Artikel von Alexander Fridman, der erste 1922, der zweite 1924. Diese Papiere präsentierten überraschend elegante Lösungen für die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, die einen äußerst konstruktiven Einfluss auf die Entwicklung der Kosmologie hatten.

Friedmans Konzept basiert auf der Annahme, dass Materie im Weltraum im Durchschnitt möglichst symmetrisch, also vollkommen homogen und isotrop verteilt ist. Dies bedeutet, dass die Geometrie des Raumes in jedem Moment einer einzigen kosmischen Zeit in allen Punkten und in allen Richtungen gleich ist (streng genommen muss eine solche Zeit noch richtig bestimmt werden, aber in diesem Fall ist dieses Problem lösbar). Daraus folgt, dass die Expansionsrate (oder Kontraktion) des Universums zu einem bestimmten Zeitpunkt wieder unabhängig von der Richtung ist.

Friedmanns Universen sind daher ganz anders als Kasners Modell.

Im ersten Artikel baute Friedman ein Modell eines geschlossenen Universums mit einer konstanten positiven Raumkrümmung. Diese Welt entsteht aus einem anfänglichen Punktzustand mit unendlicher Materiedichte, dehnt sich bis zu einem bestimmten maximalen Radius (und damit maximalem Volumen) aus und kollabiert dann wieder in denselben singulären Punkt (in mathematischer Sprache eine Singularität).

Friedman hörte hier jedoch nicht auf. Seiner Meinung nach muss die gefundene kosmologische Lösung nicht durch das Intervall zwischen Anfangs- und Endsingularität begrenzt werden, sondern kann sowohl vorwärts als auch rückwärts zeitlich fortgeführt werden. Das Ergebnis ist ein endloser Haufen von auf der Zeitachse aufgereihten Universen, die an Singularitätspunkten aneinander grenzen.

In der Sprache der Physik bedeutet dies, dass Friedmanns geschlossenes Universum unendlich schwingen kann, nach jeder Kontraktion abstirbt und in der anschließenden Expansion zu neuem Leben wiedergeboren wird. Dies ist ein streng periodischer Vorgang, da alle Schwingungen gleich lange andauern. Daher ist jeder Zyklus der Existenz des Universums eine exakte Kopie aller anderen Zyklen.

Friedman kommentierte dieses Modell in seinem Buch „Die Welt als Raum und Zeit“so: „Außerdem gibt es Fälle, in denen sich der Krümmungsradius periodisch ändert: Das Universum zieht sich zu einem Punkt (in nichts) zusammen, dann wieder von einem Punkt bringt seinen Radius auf einen bestimmten Wert, verkleinert dann wiederum den Radius seiner Krümmung, wird zu einem Punkt usw. Unwillkürlich erinnert man sich an die Legende der hinduistischen Mythologie über die Lebensperioden; es ist auch möglich, von "der Erschaffung der Welt aus dem Nichts" zu sprechen, aber all dies sollte als kuriose Tatsachen angesehen werden, die durch unzureichendes astronomisches Versuchsmaterial nicht solide bestätigt werden können.

Der Graph des Potenzials des Mixmaster-Universums sieht so ungewöhnlich aus - die Potenzialgrube hat hohe Wände, zwischen denen sich drei "Täler" befinden. Unten sind die Äquipotentialkurven eines solchen „Universums in einem Mischer“.

Einige Jahre nach der Veröffentlichung von Friedmans Artikeln erlangten seine Modelle Ruhm und Anerkennung. Einstein interessierte sich ernsthaft für die Idee eines oszillierenden Universums, und er war nicht allein. 1932 wurde es von Richard Tolman, Professor für mathematische Physik und physikalische Chemie am Caltech, übernommen. Er war weder ein reiner Mathematiker wie Friedman noch ein Astronom und Astrophysiker wie de Sitter, Lemaitre und Eddington. Tolman war ein anerkannter Experte für statistische Physik und Thermodynamik, die er zunächst mit der Kosmologie kombinierte.

Die Ergebnisse waren sehr nicht trivial. Tolman kam zu dem Schluss, dass die Gesamtentropie des Kosmos von Zyklus zu Zyklus zunehmen sollte. Die Akkumulation von Entropie führt dazu, dass sich immer mehr Energie des Universums in elektromagnetischer Strahlung konzentriert, was von Zyklus zu Zyklus zunehmend seine Dynamik beeinflusst. Aus diesem Grund verlängert sich die Länge der Zyklen, jeder nächste wird länger als der vorherige.

Die Schwingungen bleiben bestehen, hören aber auf, periodisch zu sein. Darüber hinaus vergrößert sich in jedem neuen Zyklus der Radius von Tolmans Universum. Folglich hat es im Stadium der maximalen Ausdehnung die kleinste Krümmung, und seine Geometrie wird immer mehr und nähert sich immer länger der euklidischen.

Richard Tolman verpasste bei der Gestaltung seines Modells eine interessante Gelegenheit, auf die 1995 John Barrow und Mariusz Dombrowski aufmerksam machten. Sie zeigten, dass das Schwingungsregime von Tolmans Universum irreversibel zerstört wird, wenn ein antigravitativer kosmologischer Parameter eingeführt wird.

In diesem Fall zieht sich Tolmans Universum auf einem der Zyklen nicht mehr zu einer Singularität zusammen, sondern dehnt sich mit zunehmender Beschleunigung aus und verwandelt sich in de Sitters Universum, was in einer ähnlichen Situation auch vom Kasner-Universum getan wird. Antigravitation überwindet wie Fleiß alles!

Entitätsmultiplikation

„Die natürliche Herausforderung der Kosmologie besteht darin, den Ursprung, die Geschichte und die Struktur unseres eigenen Universums so gut wie möglich zu verstehen“, erklärt der Mathematikprofessor John Barrow von der Cambridge University in Popular Mechanics. - Gleichzeitig ermöglicht die Allgemeine Relativitätstheorie, auch ohne Anleihen bei anderen Teilgebieten der Physik, eine nahezu unbegrenzte Zahl verschiedener kosmologischer Modelle zu berechnen.

Ihre Auswahl erfolgt natürlich auf Basis astronomischer und astrophysikalischer Daten, mit deren Hilfe es möglich ist, verschiedene Modelle nicht nur auf Realitätskonformität zu testen, sondern auch zu entscheiden, welche ihrer Komponenten am besten kombiniert werden können Beschreibung unserer Welt. So entstand das aktuelle Standardmodell des Universums. Schon aus diesem Grund hat sich die historisch gewachsene Vielfalt kosmologischer Modelle als sehr nützlich erwiesen.

Aber es ist nicht nur das. Viele der Modelle wurden erstellt, bevor die Astronomen die Fülle an Daten gesammelt hatten, über die sie heute verfügen. Der wahre Grad der Isotropie des Universums wurde beispielsweise erst in den letzten Jahrzehnten mithilfe von Weltraumgeräten ermittelt.

Es ist klar, dass Weltraumdesigner in der Vergangenheit viel weniger empirische Einschränkungen hatten. Darüber hinaus ist es möglich, dass auch nach heutigen Maßstäben exotische Modelle in Zukunft nützlich sein werden, um die noch nicht beobachtbaren Teile des Universums zu beschreiben. Und schließlich kann die Erfindung kosmologischer Modelle einfach den Wunsch fördern, unbekannte Lösungen für die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu finden, und dies ist auch ein starker Anreiz. Im Allgemeinen ist die Fülle solcher Modelle verständlich und berechtigt.

In gleicher Weise wird die neuere Vereinigung von Kosmologie und Elementarteilchenphysik begründet. Seine Vertreter betrachten die früheste Lebensphase des Universums als ein natürliches Laboratorium, das ideal geeignet ist, um die grundlegenden Symmetrien unserer Welt zu studieren, die die Gesetze fundamentaler Wechselwirkungen bestimmen. Diese Allianz hat bereits den Grundstein für einen ganzen Fan von grundlegend neuen und sehr tiefgehenden kosmologischen Modellen gelegt. Es besteht kein Zweifel, dass es in Zukunft ebenso fruchtbare Ergebnisse bringen wird.“

Universum im Mixer

1967 entdeckten die amerikanischen Astrophysiker David Wilkinson und Bruce Partridge, dass die drei Jahre zuvor entdeckte Relikt-Mikrowellenstrahlung aus jeder Richtung mit praktisch derselben Temperatur auf der Erde ankommt. Mit Hilfe eines hochempfindlichen Radiometers, erfunden von ihrem Landsmann Robert Dicke, zeigten sie, dass die Temperaturschwankungen von Reliktphotonen ein Zehntelprozent nicht überschreiten (nach modernen Daten sind es viel weniger).

Da diese Strahlung früher als 400.000 Jahre nach dem Urknall entstand, gaben die Ergebnisse von Wilkinson und Partridge Anlass zu der Annahme, dass unser Universum, auch wenn es zum Zeitpunkt seiner Geburt nicht annähernd ideal isotrop war, diese Eigenschaft ohne große Verzögerung erlangte.

Diese Hypothese stellte ein erhebliches Problem für die Kosmologie dar. In den ersten kosmologischen Modellen wurde die Isotropie des Raumes von Anfang an einfach als mathematische Annahme festgelegt. Mitte des letzten Jahrhunderts wurde jedoch bekannt, dass die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie es ermöglichen, eine Menge nichtisotroper Universen zu konstruieren. Im Kontext dieser Ergebnisse verlangte die nahezu ideale Isotropie des CMB eine Erklärung.

Diese Erklärung tauchte erst Anfang der 1980er Jahre auf und war völlig unerwartet. Es wurde auf einem grundlegend neuen theoretischen Konzept der superschnellen (wie man normalerweise sagen inflationären) Expansion des Universums in den ersten Momenten seiner Existenz aufgebaut hat (siehe "PM" Nr. 7'2012). In der zweiten Hälfte der 1960er Jahre war die Wissenschaft für solche revolutionären Ideen einfach nicht reif. Aber wie Sie wissen, schreiben sie in Ermangelung von gestempeltem Papier einfach.

Der prominente amerikanische Kosmologe Charles Misner versuchte gleich nach der Veröffentlichung des Artikels von Wilkinson und Partridge, die Isotropie der Mikrowellenstrahlung mit ganz traditionellen Mitteln zu erklären. Nach seiner Hypothese verschwanden die Inhomogenitäten des frühen Universums aufgrund der gegenseitigen "Reibung" seiner Teile, die durch den Austausch von Neutrino- und Lichtflüssen verursacht wurde (in seiner ersten Veröffentlichung nannte Mizner diesen vermeintlichen Effekt Neutrino-Viskosität).

Ihm zufolge kann eine solche Viskosität das anfängliche Chaos schnell glätten und das Universum nahezu perfekt homogen und isotrop machen.

Misners Forschungsprogramm sah schön aus, brachte aber keine praktischen Ergebnisse. Der Hauptgrund für sein Versagen wurde erneut durch Mikrowellenanalyse aufgedeckt. Alle Reibungsvorgänge erzeugen Wärme, dies ist eine elementare Folge der Gesetze der Thermodynamik. Wenn die primären Inhomogenitäten des Universums aufgrund von Neutrino oder einer anderen Viskosität geglättet würden, würde die CMB-Energiedichte deutlich vom beobachteten Wert abweichen.

Wie der amerikanische Astrophysiker Richard Matzner und sein bereits erwähnter englischer Kollege John Barrow Ende der 1970er Jahre zeigten, können viskose Prozesse nur kleinste kosmologische Inhomogenitäten beseitigen. Für die vollständige "Glättung" des Universums waren andere Mechanismen erforderlich, die im Rahmen der Inflationstheorie gefunden wurden.

Trotzdem erhielt Mizner viele interessante Ergebnisse. Insbesondere veröffentlichte er 1969 ein neues kosmologisches Modell, dessen Namen er … von einem Küchengerät, einem Haushaltsmixer von Sunbeam Products, entlehnte! Das Mixmaster-Universum schlägt ständig in stärksten Konvulsionen, die laut Mizner das Licht auf geschlossenen Bahnen zirkulieren lassen, seinen Inhalt vermischen und homogenisieren.

Eine spätere Analyse dieses Modells zeigte jedoch, dass Photonen in Mizners Welt zwar lange Reisen zurücklegen, ihr Mischeffekt jedoch sehr unbedeutend ist.

Trotzdem ist das Mixmaster-Universum sehr interessant. Wie Friedmans geschlossenes Universum entsteht es aus dem Nullvolumen, dehnt sich bis zu einem gewissen Maximum aus und zieht sich unter dem Einfluss seiner eigenen Gravitation wieder zusammen. Aber diese Entwicklung ist nicht glatt, wie die von Friedman, sondern absolut chaotisch und daher im Detail völlig unberechenbar.

In der Jugend schwingt dieses Universum intensiv, dehnt sich in zwei Richtungen aus und zieht sich in einer dritten zusammen - wie bei Kasner. Die Ausrichtungen der Dehnungen und Kontraktionen sind jedoch nicht konstant - sie wechseln zufällig die Plätze. Darüber hinaus ist die Frequenz der Schwingungen zeitabhängig und geht bei Annäherung an den Anfangszeitpunkt gegen unendlich. Ein solches Universum unterliegt chaotischen Deformationen, wie das Zittern von Gelee auf einer Untertasse. Diese Deformationen können wiederum als Manifestation von Gravitationswellen interpretiert werden, die sich in verschiedene Richtungen bewegen, viel heftiger als im Kasner-Modell.

Das Mixmaster-Universum ging in die Geschichte der Kosmologie als das komplexeste der imaginären Universen ein, das auf der Grundlage der "reinen" allgemeinen Relativitätstheorie geschaffen wurde. Seit den frühen 1980er Jahren begannen die interessantesten Konzepte dieser Art, die Ideen und mathematischen Apparate der Quantenfeldtheorie und der Elementarteilchentheorie und dann ohne große Verzögerung die Superstringtheorie zu verwenden.