Fragen Sie Ethan Nr. 49: Lehnen Unbekannte im Weltraum die Urknalltheorie ab?
Wir kennen weder die Natur der Dunklen Materie noch der Dunklen Energie, die 95% unseres Universums ausmachen. Bedeutet dies, dass die Urknalltheorie zweifelhaft ist?
Wenn Ihre Theorie Unendlichkeiten hat, hört sie an diesen Stellen auf, die Realität zu beschreiben. Wenn der Kosmos aus dem Urknall geboren wurde und gleichzeitig endlos ist, müssen wir glauben, dass er sofort unendlich groß wurde. Und das ist absurd.
- Jeanne Levin
In gewisser Weise ist es ein Wunder, dass wir trotz all unserer Erkenntnisse aus der wissenschaftlichen Forschung immer noch auf Fragen stoßen, auf die wir keine Antworten haben. Und jede Woche versuchst du mich in meiner wöchentlichen Kolumne mit deinen Fragen und Vorschlägen zu blenden. Diese Woche fragt ein Finanzleser:Wissenschaftler sind sich sicher, dass sie die Entwicklung des Universums vom Beginn des Urknalls an verstehen. Und sie sind sich sicher, dass das Universum aus dunkler Materie besteht, deren Zusammensetzung unbekannt ist, und dass seine Dynamik durch dunkle Energie gesteuert wird, die ebenfalls schlecht untersucht ist (ist das eine neue Kraft?).
Und wie kann dann eine Extrapolation auf den Urknall möglich sein, wenn es um Materie geht und so wenig ist an Macht im Universum bekannt?
Dies ist eine wichtige Frage, die Sie sich jedes Mal stellen sollten, wenn Sie neue Fakten erhalten: „Ist unsere alte Denkweise gerade jetzt?“ Lass es uns herausfinden.
Es sollte daran erinnert werden, woher die Theorie des Urknalls kam. Historisch gesehen haben mehrere Ereignisse stattgefunden, die den Grundstein für das Verständnis gelegt haben, das wir jetzt entwickelt haben. Die Ereignisse sind wie folgt:
Eine allgemeine Relativitätstheorie, eine neue Gravitationstheorie, wurde entwickelt und ihre Vorhersagen wurden bestätigt. Ursprünglich sollte sie die Umlaufbahnpräzession von Merkur um die Sonne erklären, aber dann sagte sie eine große Anzahl von Phänomenen voraus, und alle wurden bestätigt, einschließlich der Ablenkung des Lichts entfernter Sterne durch die Masse, der Rotverschiebung der Gravitation, der zeitlichen Ausdehnung aufgrund der Schwerkraft und der Abnahme der Umlaufbahn benachbarter Sterne Massen und vieles mehr.
Es wurde festgestellt, dass Galaxien Objekte außerhalb der Milchstraße sind. Anfangs galten sie als Nebel, Regionen der Sternentstehung, die nur Zehntausende von Lichtjahren entfernt waren. Die Kombination sehr hoher Geschwindigkeiten, die auf das Fehlen einer Gravitationsverbindung mit der Milchstraße hinwies, und die Differenzierung einzelner Sterne in ihnen ließen den Schluss zu, dass sie Millionen von Lichtjahren entfernt sind.
Galaxien im Universum, die sich ziemlich gleichmäßig in alle Richtungen und in allen Entfernungen befinden, bewegen sich von uns weg. Durch Kombinieren der Rotverschiebung (Geschwindigkeit der Entfernung) und der Entfernung zu ihnen (erhalten durch Beobachtung einzelner Sterne) kamen wir zum Hubble-Gesetz, wonach sich eine Galaxie umso schneller von uns entfernt, je weiter sie von uns entfernt ist.
Wenn wir diese Daten mit der allgemeinen Relativitätstheorie kombinieren, stellen wir fest, dass anstelle des Universums, in dem alle Galaxien von uns wegstreuen, wie vom Epizentrum einer Explosion, das Universum, das sich ausdehnt und in dem ein konstanter neuer Raum zwischen den Galaxien erscheint, der Abstand zwischen ihnen vergrößert. Für diejenigen, die an technischen Details interessiert sind, werde ich sagen, dass alle isotropen homogenen Raumzeiten (GR-Lösungen, die in allen Richtungen und Entfernungen gleich sind) entweder einen kontrahierenden oder einen expandierenden Raum enthalten müssen.
Eine der möglichen Schlussfolgerungen daraus (obwohl nicht die einzige) ist, dass das Universum in der Vergangenheit heißer und dichter war und sich mit der Zeit abkühlen und verdünnen wird. Dies ist die Idee des Urknalls. Dies bedeutet, dass sich das Universum ausdehnt und die Rotverschiebung umso größer ist, je weiter das Objekt von uns entfernt ist, da es früher heißer und dichter war.Die Wellenlängen waren kürzer, was bedeutet, dass mehr Energie vorhanden war. Materie und Strahlung waren näher beieinander und Kollisionen waren nicht nur stärker, sondern auch häufiger. Wenn ja, ergeben sich daraus sehr ernsthafte Schlussfolgerungen.
1) In räumlicher Hinsicht war das Universum einheitlich. Wenn die Schwerkraft stärker wird, wenn mehr Masse zusammengebracht wird, ist das Universum heute klumpiger als zuvor. Es gab also einmal keine galaktischen Supercluster, Galaxien und sogar Sterne. Zuvor war also nicht nur der Unterschied in der Dichte der verschiedenen Regionen nicht so stark, sondern es gab auch keine schweren Elemente, da sie nur in Sternen synthetisiert werden, die früher lange nicht mehr existierten.
2) Sobald es heiß genug war, dass sich darin keine Atome bilden konnten. Stark genug und häufige Kollisionen zwischen Photonen und Atomen werfen Elektronen aus ihren Bahnen. Durch Extrapolation auf die Vergangenheit können wir schließen, dass es zunächst unmöglich war, ein stabiles Atom zu bilden, so dass es von keinem Photon sofort ionisiert wird.
3) Sobald es so heiß war, dass sich nicht einmal der Atomkern bilden konnte. Und obwohl die Kernkräfte etwa sechs Größenordnungen größer sind als die atomaren, war das Universum ursprünglich so heiß und dicht, und daher gab es eine Zeit, in der es ein Meer von Protonen, Neutronen und Elektronen war. Dann, beim Abkühlen, durchlief es eine Phase, in der Protonen und Neutronen kombiniert werden konnten. Dies hätte zum Auftreten einer bestimmten Menge leichter Elemente und Isotope führen müssen - Deuterium, Helium-3, Helium-4 und Lithium-7. Ihre Anzahl und Proportionen werden durch das Verhältnis von Baryonen (Protonen und Neutronen) zu Photonen im Universum bestimmt.Wenn Sie gewöhnliche Materie (Protonen, Neutronen, Elektronen) und Strahlung haben und die Urknalltheorie richtig ist, können wir Beweise für alle drei Schlussfolgerungen sehen. Insbesondere wird es ein Restlicht von Strahlung aus den frühen Stadien des Universums geben - fast perfekt isotrop und homogen und nur wenige Grad wärmer als der absolute Nullpunkt.
Es werden auch Wolken aus uraltem Gas vorhanden sein, in denen sich seit dem Urknall keine Sterne mehr gebildet haben. Und wir müssen in der Lage sein, die Anzahl der Elemente und Isotope in den frühen Entwicklungsstadien zu bestimmen.
Und schließlich sollten wir Schwankungen im Restglühen sehen, wenn auch unbedeutend.
Darüber hinaus sollten wir eine Entwicklung in der Struktur und chemischen Zusammensetzung des Universums sehen, wo die älteren und näheren Regionen aus größeren Clustern bestehen und eine höhere Dichte an schweren Elementen aufweisen.Wir würden die Urknalltheorie nicht akzeptieren, wenn wir nicht alle diese Phänomene beobachten würden - aber wir beobachten sie. Keine andere Theorie kann diese Dinge vorhersagen oder mit der Urknalltheorie argumentieren.
Kehren wir zur Hauptfrage zurück: Der Urknall hat weder dunkle Energie noch dunkle Materie vorhergesagt. Gibt es ein Problem damit?Alles, was ich oben beschrieben habe, wäre wahr, unabhängig davon, was sonst noch im Universum zu finden ist. Das einzige, was das Vorhandensein von dunkler Energie und dunkler Materie verändert, ist das Folgende:
Dunkle Materie beeinflusst einige Details der Strukturbildung. Insbesondere, da es wie Materie verklumpt, aber nicht durch Kollisionen mit sich selbst, mit gewöhnlicher Materie oder mit Strahlung interagiert, verändert seine Anwesenheit die Größe und Anzahl kleiner Galaxien, großer Galaxien und wie Sie sind gruppiert. Es beeinflusst auch das Fluktuationsspektrum der kosmischen Mikrowellenstrahlung.
Aber selbst wenn es fünfmal mehr dunkle Materie als gewöhnlich gibt, ändert sich der Rest der Geschichte nicht.Dunkle Energie beeinflusst die Geschwindigkeit der kosmischen Expansion, die näher am aktuellen Moment im Leben des Universums liegt. Sie begannen bereits 1933, seine Existenz zu erraten, aber es ist nicht verwunderlich, dass diese Idee erst in den neunziger Jahren ernst genommen wurde: Es sind sehr genaue Messungen von Entfernungen in der Größenordnung von zehn Milliarden Lichtjahren erforderlich, um ihren Einfluss auf die Entwicklung des Universums zu erkennen.
Obwohl dunkle Materie und dunkle Energie einen großen Teil des Energiegehalts des Universums ausmachen - dunkle Materie nimmt 26% ein, dunkle Energie 69% -, stellen sie daher keine Schwierigkeiten für die Urknalltheorie dar.Im Universum kann es im Prinzip alles oder alles auf einmal aus der folgenden Liste geben (sortiert nach dem höchsten positiven Druck bis zum niedrigsten negativen):- Strahlung in Form von masselosen Partikeln
- Neutrino
- (, , )
- ( )
- , , « »
Wir haben Strahlung, Neutrinos und Materie, und das ist seit fast hundert Jahren bekannt. Was ist mit dem Rest? Es scheint dunkle Materie und eine kosmologische Konstante in Form einer besonderen Form dunkler Energie zu sein. Wahrscheinlich nichts mehr.Sie können es natürlich aus der Sicht des „Urknalls hat dies nicht vorhergesagt“ betrachten, aber der Urknall ist nicht die endgültige Antwort in der Geschichte des Universums, sondern nur ein Teil der Geschichte.
Es wird immer etwas geben, das wir noch nicht wissen, also sind kosmische Inflation, dunkle Materie und dunkle Energie kein Problem für den Urknall - sie zeigen uns nur die Grenzen dieser Theorie und erzählen uns die ganze Geschichte des Universums.Source: https://habr.com/ru/post/de394611/
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