Was können wir noch grundsätzlich über das Universum lernen?

Published on September 21, 2016

Was können wir noch grundsätzlich über das Universum lernen?

Ursprünglicher Autor: Lawrence M. Krauss
  • Übersetzung
Ich bin Kosmologe und höre nach meinen Vorlesungen am häufigsten folgende Fragen: Was ist außerhalb des Universums? Was ist die Ausdehnung unseres Universums? Wird es sich für immer ausdehnen? Das sind natürliche Fragen. Aber es gibt eine tiefere Frage. Tatsächlich möchten wir Folgendes wissen: Gibt es Grenzen für unser Wissen? Gibt es Grenzen der Wissenschaft?

Die Antwort wissen wir natürlich nicht im Voraus. Wir werden nicht wissen, ob die Grenzen des Wissens existieren, wenn wir nicht versuchen, sie zu überwinden. Bisher werden ihre Anzeichen nicht beobachtet. Es gibt Hindernisse, aber alle sind vorübergehend. Einige sagen zu mir: „Wir werden nie erfahren, wie das Universum begann. Wir werden nie erfahren, was vor dem Urknall passiert ist. “ Diese Aussagen zeigen bemerkenswerte Arroganz gegenüber der Tatsache, dass wir im Voraus eine Liste von allem wissen können, was wir nicht wissen können. Dies ist nicht nur unvernünftig, sondern wird auch nicht von der gesamten Wissenschaftsgeschichte bestätigt, die noch nicht auf solche Einschränkungen gestoßen ist. In der Kosmologie hat unser Wissen zugenommen, wie es sich vor 50 Jahren niemand hätte vorstellen können.


Wir können keine Unendlichkeit sehen, unser Sichtfeld ist auf 45,3 Milliarden Lichtjahre begrenzt. Dies hindert uns jedoch nicht daran, die Naturgesetze zu verstehen.

Und man kann nicht sagen, dass die Natur dem Beobachtbaren und der Art, wie wir etwas beobachten können, keine Beschränkungen auferlegt. Das Prinzip der Heisenbergschen Unschärfe schränkt beispielsweise unser Wissen über Teilchenbewegungen ein, und die Lichtgeschwindigkeit begrenzt die Reichweite unseres Sichtfelds oder die Länge eines Weges, der in einer bestimmten Zeit zurückgelegt werden kann. Diese Einschränkungen beziehen sich jedoch nur auf das, was wir nicht sehen können, und nicht auf das, was wir nicht erkennen können. Das Prinzip der Ungewissheit verhinderte nicht das Verständnis der Quantenmechanik, des Verhaltens von Atomen oder virtuellen Teilchen, die zwar nicht sichtbar sind, aber immer noch existieren.

Die Beobachtung der Expansion des Universums impliziert, dass es einen Anfang gab, denn wenn Sie zurück extrapolieren, wird sich irgendwann in der Vergangenheit alles im beobachtbaren Universum auf einen Punkt konzentrieren. In diesem Moment, bekannt als der Urknall, hören die uns bekannten physikalischen Gesetze auf zu wirken, da GR, das die Schwerkraft beschreibt, nicht in die Quantenmechanik integriert werden kann, die die Physik auf mikroskopischer Skala beschreibt. Die meisten Wissenschaftler halten dies jedoch nicht für ein grundlegendes Hindernis für das Wissen, da GR wahrscheinlich Teil einer konsistenten Quantentheorie werden wird. Die Stringtheorie ist einer der laufenden Versuche in diese Richtung.

Mit einer solchen Theorie können wir möglicherweise die Frage beantworten, was vor dem Urknall war. Die einfachste Antwort ist die am wenigsten befriedigende. SRT und GR verbinden Zeit und Raum zu einer Essenz: Raum-Zeit. Wenn während des Urknalls Raum geschaffen wurde, dann vielleicht auch Zeit. In diesem Fall gab es kein "Vorher". Die Frage stellt sich als falsch heraus. Dies ist natürlich nicht die einzig mögliche Antwort, und wir müssen auf die Quantentheorie der Schwerkraft und ihre experimentelle Bestätigung warten, bevor wir Vertrauen in unsere Antwort haben.

Eine andere Frage ist, ob wir wissen können, was außerhalb unseres Universums im Sinne des Raumes liegt. Was sind die Grenzen unseres Universums? Wir können versuchen, die Antwort zu erraten. Wenn unsere Raumzeit spontan erschienen ist - was, wie ich in meinem letzten Buch „Ein Universum aus dem Nichts“ dargelegt habe, ziemlich wahrscheinlich ist - dann ist ihre Gesamtenergie Null. Die Energie der Materie wird durch die Energie der Gravitationsfelder kompensiert. Mit anderen Worten, etwas kann aus dem Nichts entstehen.wenn etwas gleich nichts ist. Im Moment wird angenommen, dass das Universum, dessen Gesamtenergie Null sein kann, geschlossen ist. Ein solches Universum ist endlich, aber grenzenlos. So wie Sie sich auf der Oberfläche einer Kugel für immer fortbewegen können, ohne Grenzen zu überschreiten, können Sie sich auch im Universum bewegen. Wenn Sie weit genug in eine Richtung schauen, können Sie unsere Köpfe sehen.

In der Praxis ist dies unmöglich, da das beobachtbare Universum nur einen Bruchteil eines viel größeren Volumens ausmacht. Dies ist auf das Phänomen der Inflation zurückzuführen. Die meisten spontan auftretenden Universen von mikroskopischer Größe kollabieren in mikroskopischer Zeit, und Milliarden von Jahren werden nicht existieren. Aber in einem leeren Raum wird Energie vorhanden sein, und dies wird das Universum dazu zwingen, sich zumindest für eine Weile exponentiell auszudehnen. Es wird angenommen, dass die Inflationsperiode in den ersten Augenblicken der Expansion des Urknalls stattfand und den Zusammenbruch des Universums verhinderte. In diesem Prozess ist das Universum so stark angewachsen, dass es praktisch jetzt flach und endlos aussieht - so wie ein Maisfeld in Kansas endlos erscheint, obwohl es sich auf einer riesigen Kugel namens Erde befindet. Deshalb sehen wir nicht unsere Köpfe, die in den Weltraum schauen, obwohl unser Universum im größten Maßstab geschlossen sein kann. Im Prinzip könnten wir, nachdem wir lange genug gewartet haben, alles zusammen sehen, wenn nur die Inflation in unserem beobachtbaren Universum nicht wieder zunimmt und nicht in andere Regionen des Kosmos gelangt, die für unsere Augen unzugänglich sind.

Angesichts der Möglichkeit, dass Regionen, die für uns (oder für immer) unsichtbar sind, eine Inflation erfahren, wird dieses Szenario derzeit als das wahrscheinlichste bezeichnet. Wenn wir den Ausdruck „unser Universum“ auf den Raumbereich beziehen, mit dem wir eine Verbindung haben oder zu dem wir jemals eine Verbindung haben werden, dann schafft die Inflation außerhalb dieses Bereichs weiterhin andere Universen. In unserer Region könnte die Inflation kurz sein, aber der verbleibende Raum dehnt sich für immer exponentiell aus, und in diesem Prozess spalten sich isolierte Bereiche wie unserer manchmal von der Expansion ab, da sich isolierte Eisflächen auf der Oberfläche eines schnellen Wasserstroms bilden, wenn die Temperatur unter den Gefrierpunkt fällt. Jedes solche Universum wird einen Anfang haben, der durch das Ende der Inflation in diesem Raumbereich angezeigt wird.


Kollidierende Galaxien. Solche Phänomene werden niemals aufhören, und Beobachter einer fernen Zukunft werden möglicherweise nie erfahren, wie dynamisch unser Universum zuvor war.

Abhängig von dem Prozess, der die Universen dazu zwingt, sich vom Hintergrundraum zu lösen, können sich die physikalischen Gesetze darin unterscheiden. Wir beschlossen, diese Sammlung möglicher Universen "Multiversum" zu nennen. Die Idee eines Multiversums hat Wurzeln in der wissenschaftlichen Gemeinschaft geschlagen, nicht nur weil es von der Inflation inspiriert ist, sondern auch weil die Möglichkeit der Existenz vieler verschiedener Universen, von denen jedes seine eigenen physikalischen Gesetze hat, die verschiedenen auf den ersten Blick unerklärlichen fundamentalen Parameter unseres Universums erklären kann. Diese Parameter sind einfach Werte, die während der Geburt des Universums zufällig erscheinen.

Wenn es andere Universen gibt, sind sie durch große Entfernungen von uns getrennt, werden mit enormen Geschwindigkeiten entfernt und können daher nicht direkt gefunden werden. Bedeutet das, dass das Multiversum nur Metaphysik ist? Ist die Bestätigung der Existenz des Multiversums die fundamentale Grenze unseres Wissens? Nicht unbedingt. Obwohl wir vielleicht kein anderes Universum sehen, können wir die Theorie, die zu seinem Erscheinen geführt hat, testen - zum Beispiel durch Beobachtung der Gravitationswellen, die durch die Inflation erzeugt werden. Auf diese Weise können wir die Art der Inflation überprüfen, die zur Entstehung unseres Universums geführt hat. Diese Wellen ähneln jenen, die kürzlich vom LIGO-Detektor erfasst wurden, haben jedoch eine andere Quelle. Sie gehen nicht von Kataklysmen wie Kollisionen von Schwarzen Löchern in fernen Galaxien aus, sondern von den frühesten Momenten des Urknalls in der geschätzten Inflationsperiode. Wenn sie direkt erfasst werden können - was in verschiedenen Experimenten möglich ist, bei denen nach Spuren dieser Wellen in der vom Urknall zurückbleibenden Reliktstrahlung gesucht wird -, können wir die Physik der Inflation untersuchen und feststellen, ob eine unendliche Inflation eine Folge dieser Physik ist. Nicht direkt können wir also die Existenz anderer Universen verifizieren, auch ohne sie direkt zu beobachten.

Im Allgemeinen haben wir festgestellt, dass selbst die tiefsten metaphysischen Fragen, einschließlich der Existenz anderer Universen - die zuvor nicht empirisch angegangen werden sollten - tatsächlich überprüfbar sein können, wenn Sie sich ihnen mit Bedacht nähern. Die Grenzen dessen, was wir durch die Kombination von Logik und experimentellen Beobachtungen lernen können, sind noch unbekannt.

Das Universum ohne Grenzen zieht uns an und ermutigt uns, unsere Suche fortzusetzen. Aber können wir sicher sein, dass wir niemals an Grenzen des Wissens stoßen werden? Nicht wirklich.



Die Inflation schränkt das Wissen grundlegend ein - insbesondere das Wissen über die Vergangenheit. Es setzt das Universum zurück und zerstört alle Informationen über die dynamischen Prozesse, die ihm vorausgingen. Die schnelle Ausdehnung des Raums während des Aufblasens verdünnt den Inhalt einer Region erheblich. So könnten beispielsweise Spuren magnetischer Monopole gelöscht werden, Partikel, die nach der Theorie im frühen Universum in großer Zahl hätten auftreten müssen. Es war einer der ersten Vorteile der Inflation - die Versöhnung der Theorie, die die Fülle dieser Teilchen nahe legt, mit der Tatsache, dass sie heute nicht vorhanden sind. Durch die Beseitigung von Inkonsistenzen werden jedoch Teile unserer Vergangenheit durch die Inflation gelöscht.

Was noch schlimmer ist, diese Löschung kann immer noch gehen. Wir leben offensichtlich in einer anderen Phase der Inflation. Messungen der Flucht entfernter Galaxien zeigen, dass die Expansion unseres Universums sich beschleunigt und nicht verlangsamt, was beobachtet werden würde, wenn die Gravitationsenergie in Materie oder Strahlung dominiert und nicht im leeren Raum. Bisher verstehen wir den Ursprung dieser Energie nicht. Jede der möglichen Erklärungen schränkt den Fortschritt des Wissens und sogar unsere Existenz ein.

Die Energie des leeren Raums kann plötzlich verschwinden, wenn das Universum plötzlich einen Phasenübergang erfährt, eine kosmische Version der Kondensation von Dampf zu flüssigem Wasser. In diesem Fall kann sich die Natur der fundamentalen Kräfte ändern, und alle für uns sichtbaren Strukturen, beginnend mit Atomen, können instabil werden oder verschwinden. Und wir werden zusammen mit allem anderen verschwinden.

Aber auch mit fortgesetzter Expansion ist unsere Zukunft eher trostlos. Für 2 Billionen Jahre - nach Maßstäben der Menschen ist es eine lange Zeit, aber nicht nach Maßstäben des Weltraums - wird der Rest des Universums aus unseren Augen verschwinden. Jeder Beobachter, der in dieser fernen Zukunft auf Planeten um Sterne erscheint, entscheidet, dass er in einer einzigen Galaxie lebt, die von endlosen leeren Räumen umgeben ist, ohne Anzeichen von Beschleunigung und sogar Beweise für den Urknall. So wie wir Monopole verloren haben, werden sie die vertraute Geschichte nicht sehen (natürlich haben sie Zugang zu solchen beobachtbaren Phänomenen, die wir noch nicht sehen, so dass es sich vorerst nicht lohnt, darüber nachzudenken).

In jedem Fall lohnt es sich, unsere kleine Zeit unter der Sonne zu genießen und zu lernen, was wir können, solange wir können. Lernen Sie härter, Absolventen!