Fragen Sie Ethan Nr. 10: Warum das Universum überall gleich ist
Eine der tragischsten menschlichen Eigenschaften ist die Tendenz, Leben zu retten. Wir alle träumen von einem magischen Rosengarten jenseits des Horizonts, anstatt die Rosen zu genießen, die vor unserem Fenster blühen.
Dale Carnegie.Der Leser fragt:Ich habe die kosmische Inflation und das Horizontproblem nicht wirklich verstanden. Ich denke, Sie haben bereits darüber gesprochen, aber ich würde gerne mehr Details hören.
Kommen wir zurück zum Anfang.
Das ist dein Universum. Es erstreckt sich so weit, wie die leistungsstärksten Teleskope in alle Richtungen blicken können. Sie sehen Zehntausende von Galaxien, die über Entfernungen von Zehntausenden von Milliarden Lichtjahren in alle Richtungen verstreut sind, wohin wir auch schauen. Im großen Maßstab ist alles ungefähr gleich - Dichten, Temperaturen, Arten von Sternen und Galaxien, Metallizität von Sternen (die relative Konzentration von Elementen ist schwerer als Helium) usw. Alles, was wir sehen, ist, je weiter wir schauen, desto mehr junge Dinge sehen wir und desto schneller entfernen sie sich von uns.
All dies hängt mit der Expansion und Evolution des Universums zusammen. Unsere drei Hauptbeweise im Kontext der Allgemeinen Relativitätstheorie: DieHubble-Expansion des Universums - die Rotverschiebung hängt mit der Entfernung zur Galaxie, derExistenz und den Eigenschaften der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (KMFI) zusammen - ein nahezu perfekt homogenes Strahlungsmeer eines schwarzen Körpers in alle Richtungen mit einer Temperatur leicht über dem absoluten NullpunktDie Fülle an leichten Elementen - Wasserstoff, Deuterium, Helium (Helium 3 und 4) und Lithium im jungen Universum vor der Bildung von Sternen - zeigt, dass sich das Universum aus einem heißeren und dichteren Zustand heraus entwickelt und erweitert hat und dass es sich bereits ungefähr in seinem gegenwärtigen Zustand befindet 13,8 Milliarden Jahre. Lang, aber nicht unendlich. Dieses Paradigma ist als Urknall bekannt.
Es gibt jedoch ein Problem. 13,8 Milliarden Jahre lang dehnte sich das Universum gemäß den Gesetzen der allgemeinen Relativitätstheorie aus, d. H. Die Geschwindigkeit der Expansion des Raums wurde durch eine Reihe von Anfangsbedingungen und den Energiegehalt des Universums (gewöhnliche Materie, dunkle Materie, Strahlung, Neutrinos, dunkle Energie, räumliche Krümmung usw.) bestimmt. Damit ist alles gut - das Problem ist, dass das Universum homogen ist und in alle Richtungen ungefähr die gleichen Eigenschaften hat, wohin wir auch schauen.
Die Dichten und Eigenschaften von Galaxienhaufen auf der einen Seite des Universums sind identisch mit denen auf der anderen Seite - unabhängig davon, wie Sie das Universum in Teile teilen. Das sollte komisch sein, nicht wahr?In der Tat konnten Informationen seit dem Urknall nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen werden. Wir können ein 46 Milliarden Lichtjahre langes Stück des Universums sehen, weil das Licht in den letzten 13,8 Milliarden Jahren diese Strecke im expandierenden Universum zurückgelegt hat. Wenn wir also in eine Richtung auf 23 Milliarden Lichtjahre und dann in die andere Richtung schauen, können wir erwarten, dass diese beiden Abschnitte nicht miteinander verbunden werden.Immer noch nicht klar? Ich werde eine Analogie geben.
Stellen Sie sich vor, Sie kochen Wasser in einer Pfanne. Sie erwärmen es von unten und Wasser kocht an allen Stellen gleichzeitig. Es gibt keinen Temperaturunterschied zwischen dem oberen und unteren Teil des Wassers. Warum so?Sie erhitzen die Pfanne von unten, aber das Wasser erwärmt sich überall. Dies liegt daran, dass sich seine Moleküle bewegen, miteinander kollidieren und ihre Energie teilen. Wasser von unten tauscht Energie und Informationen mit Wasser von oben aus, und die für diesen Austausch erforderliche Zeit ist viel kürzer als die zum Kochen erforderliche Zeit.Dies ist jedoch nicht immer der Fall.
Auf diesem Foto fließt Lava von einem aktiven Vulkan in den Ozean. Wenn eine über 1000 ° C erhitzte Lava mit Wasser in Kontakt kommt, kocht sie sofort. Aber der Ozean ist groß und die Geschwindigkeit der Wärmeausbreitung ist begrenzt. Nicht weit von diesem Ort entfernt ändert sich die Wassertemperatur aufgrund von Lava praktisch nicht. Aus praktischer Sicht sind diese Regionen miteinander geteilt, sie tauschen keine Informationen oder Eigenschaften aus.Es wäre seltsam, wenn voneinander getrennte Regionen, die nicht miteinander in Kontakt kommen und keine Informationen austauschen, dieselbe Temperatur haben. Aber im Universum passiert genau das.
Kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (KMFI) wurde emittiert, als das Universum erst 380.000 Jahre alt war, und zu diesem Zeitpunkt konnte Licht nicht mehr als eine Million Lichtjahre in jede Richtung wandern. Wenn Sie den Mikrowellenhimmel mit Kreisen mit einem Radius von einer Million Lichtjahren füllen würden, würden Sie mehr als zehn Milliarden unabhängige Regionen benötigen, um alles zu füllen, was wir sehen. In diesen Regionen, die nicht miteinander in Beziehung stehen, sind Temperatur, Spektrum und Dichte jedoch mit einer Genauigkeit von 99,99% gleich.
Dieses Problem wird als Horizontproblem bezeichnet, wenn Regionen, die aus irgendeinem Grund nicht miteinander in Kontakt stehen, identische Eigenschaften haben.Es kann wie folgt gelöst werden: Vielleicht hatten diese Regionen keine Zeit, Informationen miteinander auszutauschen, aber was wäre, wenn sie nach dem Urknall bereits dieselben Eigenschaften hätten?
Im Allgemeinen ist dies eine Erweiterung: Was vor dem Urknall geschah, hat es nicht nur vorbereitet, sondern auch die Anfangsbedingungen vorbereitet, die unser Universum hat. Sie nahmen eine winzige Region (möglicherweise unendlich klein), erweiterten sie exponentiell und dehnten sich auf Größen aus, die größer als das beobachtete Universum waren, während sie die folgenden Regeln festlegten:Materie, Teilchen, Energie oder topologische Defekte, die vor der Expansion in dieser Region vorhanden waren, haben eine so verringerte Dichte, dass es im gesamten Universum nicht mehr als ein solches Teilchen gibt (das Problem der Monopole ist gelöst),unabhängig davon, wie der Krümmungsraum vor der Expansion ist, seine Expansion ist so es erstreckt sich, dass es nicht mehr von einem flachen Raum zu unterscheiden ist (das Problem eines flachen Universums wird gelöst),unabhängig davon, wie Temperatur- und Dichteschwankungen in verschiedenen Regionen des Raums vor der Expansion existieren, unser beobachtbares Universum stammt aus einer kleinen Region. Daher sind Temperatur und Dichte des Universums überall gleich (das Problem des Horizonts ist gelöst)Die Quantenfluktuationen, die während der Expansion auftraten, führten zu einer Reihe klarer Vorhersagen von Temperatur- und Dichteschwankungen im sichtbaren Teil des Universums.
Wenn wir die Inflationstheorie verwerfen, müssen wir die anderen drei Probleme (Monopole, ein flaches Universum und den Horizont) und eine Vorhersage (über das Spektrum der Temperaturschwankungen und) ersetzen Dichte des Universums) unter dem Teppich und sagen: "Dies sind nur die Anfangsbedingungen des Urknalls", damit Ihr Modell funktioniert.Oder Sie erkennen das Inflationsmodell als einen einfachen, eleganten und unmittelbaren Weg, um all diese Probleme zu lösen.
Deshalb ist unser Universum, soweit wir wissen, überall und in alle Richtungen gleich.Source: https://habr.com/ru/post/de381261/
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