Sie können sich also eine Reihe unabhängiger Universen vorstellen, die nicht durch Ursache-Wirkungs-Beziehungen im sich ständig erweiternden kosmischen Ozean verbunden sind. Die Idee eines Multiversums stammt aus dem Studium der Theorie der kosmischen Inflation in einem Quantenuniversum, aber es ist schwer zu beweisen.
Trotz all unseres Wissens über den Urknall bleibt eines der größten wissenschaftlichen Rätsel die Frage nach dem Erscheinen des Universums mit genau den Eigenschaften, die wir darin beobachten. Wir verstehen, wie sich unser modernes Universum aus einem heißeren, dichteren und homogeneren Zustand entwickelt hat. Wir verstehen, wie dieser Zustand aus einer früheren Periode der kosmischen Inflation entstanden ist. Wenn wir jedoch weit genug in die Vergangenheit zurückkehren, verlieren wir irgendwann die Fähigkeit, die damals vorhandenen Eigenschaften zu messen oder Spuren früherer Prozesse zu finden. Wir haben nur noch Gleichungen und Annahmen. Und eine der Vorhersagen, die auf der Grundlage einer theoretischen Untersuchung dieser sehr frühen Zeiten erschienen, ist, dass unser Universum nur eines von vielen Universen ist, aus denen ein einziges besteht das Multiversum . Aber woher kommen Masse und Energie für das Multiversum? Dies ist, was der Leser fragt:
Ich verstehe nicht, wie ich die Masse des Multiversums erklären soll. Wenn es sich ständig in neue Universen aufspaltet, wie funktioniert dann das Gesetz der Energieeinsparung? Liegt es daran, dass die Schwerkraft negative Energie ist? Liegt es daran, dass Expansion neue Energie erzeugt? Ich bin mir sicher, dass mir etwas Elementares fehlt, aber ... Wo kann ich genug Masse für so viele Universen bekommen?
Dies ist eine sehr tiefe Frage, und die beste Antwort darauf wird voller Überraschungen sein.
Universen vieler möglicher Typen könnten im Multiversum erscheinen. Einige von ihnen eignen sich für ein Leben wie das unsere, andere möglicherweise nicht. Im Kontext eines expandierenden Universums ist die Existenz eines Multiversums unvermeidlich, aber es ist schwierig, es in Bezug auf Energie zu verstehen.
Die meisten Menschen stellen sich, wenn sie an das Multiversum denken, eine riesige - möglicherweise unendliche - Anzahl von Universen vor, die vor einiger Zeit aufgetaucht sind. Unser Universum dort ist nur eines von vielen. Darüber hinaus können wir selbst nur einen kleinen Teil unseres Universums beobachten. Der beobachtbare Teil des Universums erstreckt sich 46 Milliarden Lichtjahre von unserem Standort in alle Richtungen.
An der Grenze dessen, was wir sehen, bemerken wir nichts Ungewöhnliches. Aber es existiert aufgrund der begrenzten Lichtgeschwindigkeit und der Zeit, die seit dem Urknall in unserem Universum vergangen ist. Daher können wir nicht genau sagen, wie weit sich unser Universum über das hinaus erstreckt, was wir sehen. Es kann noch weiter über riesige unermessliche Entfernungen gehen, es kann sogar in alle Richtungen unendlich sein. Aber es mag sich als begrenzt herausstellen, nur diese Grenze wird jenseits der Grenzen unseres kosmischen Horizonts liegen. Unabhängig davon, wie lange wir warten, wird der für unsere Forschung verfügbare Platz immer begrenzt sein.
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Glücklicherweise können wir uns durch das Studium dessen, was wir sehen können, vorstellen, was jenseits der Grenzen dessen liegt, was verfügbar ist. Obwohl sich das Universum ausdehnt und alle Signale, die es passieren, durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sind, stehen uns einige interessante "Meilensteine" zur Verfügung, die darauf hinweisen, was in einer bestimmten Entfernung von uns liegt. Wir existieren in der Gegenwart, 13,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall. Wir leben in einem Universum, das sich mit einer messbaren Geschwindigkeit in der Größenordnung von 70 km / s / Mpc ausdehnt. Das heißt, jede Megaparsec (ungefähr 3,26 Millionen Lichtjahre), die uns von einem anderen Objekt trennt, erhöht durchschnittlich seine Geschwindigkeit relativ zu uns um ungefähr 70 km / s.
Wir können viel über diese kosmischen Einschränkungen sagen, wenn wir alles über den energetischen Inhalt des Universums wissen. Nämlich - 68% Dunkle Energie, 27% Dunkle Materie, 4,9% gewöhnliche Materie, 0,1% Neutrinos und 0,01% Photonen (dh Licht).
- Wir werden niemals in der Lage sein, Galaxien in mehr als 18 Milliarden Lichtjahren Entfernung zu erreichen - selbst wenn wir heute mit Lichtgeschwindigkeit zu ihnen fliegen.
- Das Licht des Urknalls wird ein Objekt erreichen, das sich heute 46 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt befindet - so wie wir dieses Licht von dem Punkt aus sehen, wie es vor 13,8 Milliarden Jahren war.
- Ein Objekt, das sich heute in einer Entfernung von 61 Milliarden Lichtjahren von uns befindet, ist für uns nicht sichtbar, aber wenn das Licht von ihm uns erreicht, wird es das am weitesten entfernte Objekt sein, das wir beobachten.
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Dies sind nur die Grenzen des Universums, das wir beobachten. Wir wissen nicht, wie weit sich der Rest des nicht beobachtbaren Teils nach demselben Urknall erstreckt. Aber natürlich können wir ihm Beschränkungen auferlegen. Wenn das Universum irgendwie für sich geschlossen ist - in Form einer Schleife oder sich auf andere Weise wiederholt - dann ist das Ausmaß dieser Wiederholung größer als der Teil, den wir heute sehen. Wenn es nicht geschlossen ist, legt die Beschränkung der Krümmung des Raums (und sie sollte weniger als ~ 0,002% der Energiedichte des Universums betragen) nahe, dass sich das Universum in einer Entfernung erstrecken sollte, die mindestens 400-mal größer ist als der Teil, den wir sehen in alle Richtungen. Das heißt, sein Volumen muss mindestens 64 Millionen Mal größer sein als das Volumen des Universums, das wir beobachten. Und im Prinzip kann das Universum im Allgemeinen unendlich sein.
Aber egal wie groß unser Universum ist, das bedeutet nicht, dass es so allein ist. Auch wenn es unendlich ist, kann es andere geben - denken Sie daran, dass Unendlichkeiten unterschiedliche Kräfte haben .
Die Hauptsache in diesem Fall ist zu verstehen, woher die physikalische Idee des Multiversums stammt. Es erscheint, wenn Sie die Idee der kosmischen Inflation ernst nehmen. Und dies wiederum ist die bisher beste Theorie und der beste Mechanismus, um zu erklären, was vor dem Urknall geschah, wie alles dazu führte und es hervorbrachte.
Quantenfluktuationen, die während der Inflation auftreten, erstrecken sich über das gesamte Universum und werden am Ende der Inflation zu Fluktuationen in der Materiedichte. Dies führt im Laufe der Zeit zum Auftreten großräumiger Strukturen sowie zu Temperaturschwankungen, die in beobachtet werden . .
Beim Versuch, die Prozesse, die zu Beginn des Urknalls stattfanden, auf der Grundlage der heutigen Beobachtungen in die Vergangenheit zu extrapolieren, stoßen wir auf mehrere mysteriöse Phänomene. Wir sehen, dass in jeder Richtung im Universum im Durchschnitt die gleiche Materiedichte und Temperatur erhalten bleiben. Gleichzeitig hatten die voneinander entfernten Teile des Universums keine Zeit, Informationen für die gesamte bekannte Geschichte auszutauschen. Wir sehen, dass die Gesamtenergiedichte und die ursprüngliche Expansionsrate zu Beginn des heißen Urknalls bis auf 25 signifikante Stellen nach dem Dezimalpunkt gleich gewesen sein sollten - und dies erklärt der Urknall nicht. Wir sehen keine energiereichen Spuren des frühen Universums, deren Existenz zu erwarten wäre, wenn in den frühen Stadien seiner Entwicklung unendlich hohe Temperaturen und Dichten beobachtet würden.
Wie ist das möglich? Daher entsteht die Idee der kosmischen Inflation: Vielleicht gab es eine Phase in der Geschichte des Universums, die dem Urknall vorausging. In dieser Phase war das Universum nicht wie heute mit Teilchen, Antiteilchen, Strahlung und anderen quantisierenden Energieformen gefüllt. Es war mit einer Art Energie gefüllt, die an dunkle Energie erinnert - eine Energie, die der Raumzeit selbst innewohnt. In diesem Zustand dehnt sich das Universum unerbittlich mit exponentieller Geschwindigkeit aus. Und erst wenn diese Expansion aufhört, verwandelt sich Energie in Partikel, Antiteilchen und Strahlung - der Urknall tritt auf.
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Dies ist eine der größten Ideen der heutigen Kosmologie und eine der erfolgreichsten, sowohl bei der Erklärung der beobachteten Phänomene als auch bei der Vorhersage neuer Phänomene, die wir später testen konnten. Das Universum hat in alle Richtungen die gleichen Eigenschaften, weil es aus einem Raum hervorgegangen ist, der einst zu einer einzigen Region gehörte und durch Inflation auf enorme Größen ausgedehnt wurde. Es besteht ein Gleichgewicht zwischen Energiedichte und räumlicher Krümmung, da diese Eigenschaften durch die Inflationsdynamik bestimmt wurden und sie zum Gleichgewicht zwingen. Und es gab keine hochenergetischen Relikte mehr, weil das Universum niemals willkürlich hohe Temperaturen erreichte - sie waren durch die Energieskala der Inflation begrenzt.
Wenn Inflation ein Quantenfeld war, muss es Quantenschwankungen unterliegen. Und es war unvermeidlich ein solches Feld, da im Universum (wahrscheinlich) alles grundsätzlich quantenhaft ist. Energiefluktuationen erzeugen Regionen mit erhöhter Dichte, aus denen Galaxien hergestellt werden, sowie Regionen mit niedrigerer Dichte, die sich in kosmische Hohlräume verwandeln . Inflation kann man sich als einen Ball vorstellen, der von der Spitze eines sehr flachen Hügels nach unten rollt. Aus Quantenfluktuationen folgt die Existenz von "Taschen" des inflationären Universums, in denen die Inflation früher endet als an anderen Orten. Und es muss auch Orte geben, an denen die Inflation heute nicht beendet ist.
Oben: Die Inflation endet, wenn der Ball nach unten rollt.
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Wenn die Inflation endet, gibt es einen heißen Urknall und eine neue Chance für ein Universum wie das unsere. Es spielt keine Rolle, wo oder wann es passiert, und es spielt keine Rolle, ob die Inflation in den umliegenden Regionen anhält. Wir wissen nicht viel über die vielen dieser Universen, auch nicht in der Theorie. Aber wenn die Inflationstheorie richtig ist und die Gesetze der Physik während der Inflation weiter funktionieren, ist die Existenz dieser Universen unvermeidlich. Hier kommt die Idee eines Multiversums her - aus rein physikalischer Sicht, ohne Bezug auf Philosophie, Interpretationen der Quantenmechanik oder auf das Universum wie vor der Inflation.
Hier entstand die Idee des Universums aus dem Nichts. Wenn mit "nichts" der leere Raum gemeint ist, der während der Inflation entstanden ist, dann entsteht nicht nur ein Universum wie das unsere, sondern auch eine große (und möglicherweise unendliche) Anzahl anderer unabhängiger Universen. Jeder von ihnen wird mit seinen eigenen Partikeln, Antiteilchen, Strahlung und anderen erlaubten Energieformen gefüllt.
Aber trotz all dieser wunderbaren Geschichte sind Sie vielleicht immer noch besorgt über die Frage - woher kommt die Energie für all das?
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Dies ist der Punkt, an dem die Prozesse beginnen, unserer Intuition zu widersprechen. Sie haben natürlich vom Gesetz der Energieerhaltung gehört - dass Energie nicht erzeugt oder zerstört werden kann und dass sie nur von einer Form zur anderen übergehen kann. Dies ist bei jedem Ereignis im Universum der Fall - sei es vor Interaktion, Transformation oder einem physikalischen Phänomen, das zu einem bestimmten Zeitpunkt an einem bestimmten Ort auftritt. Ein solches Ereignis kann eine Kollision zweier Teilchen sein, ein Lichteinfall auf einer Oberfläche, ein Treffen zweier Beobachter an einem Ort. Soweit wir wissen, wurde bei allen Ereignissen, die jemals im Universum stattgefunden haben, Energie gespart.
Aber im gesamten Universum als Ganzes und in der gesamten Raumzeit wird Energie nicht immer konserviert oder sogar genau bestimmt. Energie kann in statischer Raumzeit klar definiert werden - ohne sich von einem Moment zum anderen zu ändern. Ein Beispiel für einen solchen Raum ist die Nähe eines Schwarzen Lochs. Seine Eigenschaften ändern sich erst, wenn das Schwarze Loch seine Masse ändert. Ein expandierendes oder kontrahierendes Universum ändert sich jedoch im Laufe der Zeit. Mit dem Wachstum des Raums ändert sich die Energie verschiedener Komponenten auf unterschiedliche Weise und gibt der quantitativen Bestimmung nach.
Wenn die Dichte von Materie und Energie in einem expandierenden Universum aufgrund einer Zunahme seines Volumens abnimmt, ist dunkle Energie eine Energieform, die dem Raum selbst innewohnt. Im expandierenden Universum wird neuer Raum geschaffen, während die Dichte der dunklen Energie konstant bleibt.
Sowohl normale als auch dunkle Materie bestehen aus Partikeln - sie haben eine bestimmte Masse, sie nehmen ein bestimmtes Volumen ein. Mit der Expansion des Universums ändert sich die Anzahl der Teilchen nicht, aber das Volumen nimmt zu, aber die Gesamtenergie bleibt konstant.
Strahlung verhält sich anders. Die Energie von Lichtwellen wird durch ihre Länge bestimmt. Je kürzer die Länge, desto höher die Energie und umgekehrt. Mit der Expansion des Universums ändert sich die Anzahl der Strahlungsquanten nicht, aber die Wellenlängen werden gestreckt, wodurch jedes Quanten seine Energie verliert. Mit der Zeit und der Zunahme des Volumens nimmt die Gesamtenergie ab.
Dunkle Energie verhält sich auch auf ihre eigene Weise. Dies ist die Energie, die dem Raumgefüge innewohnt. Sein heutiger Wert ist extrem gering, aber während der Inflation war er riesig. Mit der Raumausdehnung ändert sich die Energiedichte nicht, aber das Volumen nimmt zu. Die Gesamtenergie des Universums nimmt mit der Zeit zu, da sie als Energiedichte mal Volumen betrachtet wird.
Wir sind es gewohnt, in verschiedenen Objekten Überdruck zu haben. Dunkle Energie ist in diesem Fall nicht intuitiv, da ihr Druck negativ ist, aber gleichzeitig das Raumgefüge expandiert.
Viele Menschen mögen das nicht, aber tatsächlich wird im Universum, dessen Raum sich mit der Zeit ausdehnt oder zusammenzieht, Energie nicht konserviert und nicht einmal genau bestimmt. Sie können es fortbestehen lassen, indem Sie eine globale Definition von Energie postulieren, in der Sie einen Teil des Universums isolieren und verlangen, dass Energie innerhalb seiner Grenzen erhalten bleibt. Dies kann nur durch die Einführung einer anderen Definition erreicht werden - der Arbeit, die Sie über die Grenze hinweg geleistet haben, als sich das Universum ausdehnt. Strahlung leistet positive Arbeit, indem sie Energie verliert. Dunkle Energie (Energie der Inflation) wirkt negativ und erhöht die Gesamtenergie.
Bei aller Attraktivität kann dieser Ansatz nicht als zuverlässig bezeichnet werden. Wir können es durch eine willkürliche Entscheidung wählen, nur um unsere Vorstellungen über die Notwendigkeit, Energie zu sparen, zu befriedigen. Tatsächlich funktioniert das Naturschutzgesetz jedoch nur an einem bestimmten Ort im Weltraum und nicht für das gesamte expandierende Universum. Sie haben vielleicht diesen Ausdruck gehört: Es gibt kein kostenloses Mittagessen. Es mag auf der Erde nicht passieren, aber dies gilt nicht für das expandierende Universum. Wenn die Vorstellungen von Inflation und Multiversum richtig sind, dann ist das ganze Universum vielleicht ein riesiges kostenloses Mittagessen. In unseren schwierigen Zeiten kann man zumindest dafür dankbar sein.