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Fragen Sie Ethan Nr. 63: Die Geburt von Raum und Zeit

Wenn vor dem Urknall etwas existierte, was bedeutet das für die Geburt unseres Universums?


Sie können versuchen, sich selbst zu belügen. Sie können sich sagen, dass Sie Ihre ganze Zeit und all Ihre Anstrengungen investiert haben. Aber du kennst die Wahrheit - und ich weiß es.
J. J. Watt


Ein halbes Jahrhundert ist vergangen, seit die größten Vorhersagen der Urknalltheorie bestätigt wurden und unser Verständnis des Universums für immer verändert haben. Anstelle des Konzepts eines ewigen und unendlichen Universums haben wir jetzt das Verständnis, dass alles, was wir beobachten können, etwa 14 Milliarden Jahre kosmischer Zeit existierte und die Sonne und das Sonnensystem nur ein Drittel dieser Periode existieren. Was Sebastians Frage in unserer Kolumne so interessant macht:

Wann begann die Raumzeit? Als ich ein Kind war, habe ich gelernt, dass der Anfang von allem der Urknall war. Nun ist diese Idee anscheinend nicht ganz richtig, da es vor dem Urknall eine kosmische Inflation gab und die Explosion überhaupt keine Explosion war, sondern ein Zustand, in dem das Universum heißer und dichter war. Wenn es vor dem Urknall Inflation gab, dann gab es auch Raumzeit davor?

Um die Frage vollständig zu beantworten, müssen wir drei Dinge berücksichtigen. Das erste ist, was wir unter Raum und Zeit verstehen.



Sie sind an das übliche Konzept von Raum - Länge, Breite, Höhe - und Zeit gewöhnt, das Sie sich einfach als Antwort auf die Fragen „wann“ und „wo“ vorstellen können. Und das ist keine so schlechte Idee - aber es gibt zwei Merkmale von Raum und Zeit, die Sie kennen müssen und die möglicherweise nicht so intuitiv erscheinen. Einstein brauchte es, um es herauszufinden, und selbst er hätte es ohne Hilfe nicht geschafft!

Erstens sind Raum und Zeit keine zwei getrennten Einheiten, wie Newton glaubte. Wenn Sie sich im Raum bewegen, ändert Ihre Bewegung den Zeitverlauf für Sie, und wenn sich zwei Personen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten im Raum bewegen, nehmen sie sowohl ihre Zeit als auch die für eine andere verstrichene Zeit unterschiedlich wahr.



Die Art und Weise, wie man am einfachsten beschreibt, was geschah, wurde nicht einmal von Einstein erfunden, sondern vom Mathematiker German Minkowski . Es ist notwendig, die vereinte Raumzeit zu betrachten, in der anstelle von drei räumlichen und einer zeitlichen Dimension eine vierdimensionale Essenz der Raumzeit existiert. Im Jahr 1908 schrieb Minkowski Folgendes:
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Und obwohl Einstein sich zunächst einer solchen Revolution widersetzte, führte seine Annahme eines neuen Konzepts zu einer noch größeren Entdeckung.



Der Punkt ist nicht nur, dass Raum und Zeit zu einem vierdimensionalen Raum-Zeit-Gewebe kombiniert werden, sondern auch, dass die Krümmung dieses Gewebes durch das Vorhandensein von Materie und Energie bestimmt wird. So wie die Bewegung durch die Raumzeit beeinflusst, wie Beobachter die verstrichene Zeit und Entfernungen auf unterschiedliche Weise bewerten, beeinflusst das Vorhandensein von Materie und Energie (und die Krümmung im allgemeinen Fall) die Wahrnehmung von Raum und Zeit.

In den extremsten Beispielen für die Konzentration von Materie und Energie - Singularitäten - werden die Konzepte von Raum und Zeit verletzt.



Am häufigsten präsentieren wir eine Singularität als Zentrum eines Schwarzen Lochswo eine beliebige (und möglicherweise unendliche) Dichte von Materie und Energie erreichbar wird. In diesem Fall wird das Konzept der Raum-Zeit verletzt, weil Einsteins Gleichungen bedeutungslose Ergebnisse liefern.

Das zweite zu berücksichtigende Thema ist das Urknallschema.



Das heutige Universum erscheint uns relativ kalt und leer, mit Ausnahme von Orten, an denen sich Materie, Sterne, Planeten und Leben konzentrieren, die sich über Milliarden von Jahren seiner Existenz gebildet haben. Diese ganze kosmische Pyramide, von subatomaren Skalen bis zu riesigen galaktischen Clustern, existiert aufgrund der Schwerkraft, des Elektromagnetismus und der Kernkräfte.

Wenn wir in die Vergangenheit reisen, stellen wir fest, dass alles in der Vergangenheit unter dem Gesichtspunkt der Gravitation einheitlicher war und das Universum heißer (die Wellenlängen des Lichts waren kürzer) und dichter waren, da sich die Raumzeit ständig ausdehnte.



Wir können beliebig weit in die Zeit zurückgehen, zu immer höheren Energien, hohen Temperaturen und zunehmenden Dichten. Zum Beispiel bis zu dem Zeitpunkt, als:

Sterne und Galaxien sich noch nicht gebildet hatten und das Universum ein Meer warmer neutraler Atome war;
es war zu heiß für die Bildung neutraler Atome, und das Universum war ein ionisiertes Plasma aus Kernen und Elektronen;
es war zu heiß für die Bildung von Kernen, und es gab nur freie Protonen und Neutronen;
war so heiß, dass infolge von Partikelkollisionen für alle bekannten Partikel Materie / Antimaterie-Paare erzeugt wurden.

Vielleicht möchten Sie noch weiter in die Vergangenheit gehen, zu einer beliebigen Dichte, Temperatur und sogar zu dem Ereignis, das einer Singularität entspricht: dem Moment, in dem das gesamte Universum an einem Punkt eingeschlossen war.



Und wenn das so wäre, würden Raum und Zeit von dort aus beginnen - da es kein „Wo“ außerhalb des Raums und „Wann“ außerhalb der Zeit gibt. Aber wenn wir diese Position als den wirklichen Beginn des Universums betrachten, würden wir auf eine große Anzahl von Rätseln stoßen, die nicht gelöst werden konnten. Jetzt lehrt uns die Physik, dass man nicht weit in die Vergangenheit gehen kannund dass der Inflationszustand - eine exponentiell expandierende Raumzeit mit der dem Raum selbst innewohnenden Energie - diesem heißen und dichten Zustand vorausging und zu diesem führte, den wir Urknall nennen.



In der Tat in dem Moment, in dem die an den Raum selbst gebundene Energie in Materie und Strahlung umgewandelt wird und die exponentielle Expansion aufhört, was zur Entstehung eines solchen Universums führt, wie wir es in der Vergangenheit dachten.



Und wir kommen zur dritten Frage unter Berücksichtigung der Singularitäten und des Urknalls: Wenn das Universum vor dem Urknall während der Inflation aus einer exponentiell expandierenden Raumzeit bestand, woher kam diese Raumzeit?

Seltsamerweise gibt es drei intuitive Antworten:

das Universum könnte einen Anfang haben, zu dem es nichts gab;
es könnte für immer existieren, wie eine endlose Linie, die sich in zwei Richtungen erstreckt;
Es kann zyklisch sein, wie ein Kreis, der sich immer wieder wiederholt.



Wenn wir uns dem Konzept des Urknalls ohne vorherige Inflation zuwenden, dann sprechen alle Fakten von der ersten Option: Das Universum wurde in dem „Moment“ geboren, in dem es unendliche Energie hatte und im selben „Moment“ Raum-Zeit begann.

Aber die Inflation verändert alles. Anstelle einer Singularität mit t = 0 erscheint zum Zeitpunkt des Urknalls das Universum, das in einem Inflationszustand existiert, wenn es sich über eine unbestimmte Zeit exponentiell ausdehnt.




Die blauen und roten Linien stellen die „traditionelle“ Version des Urknalls dar, wenn alles zum Zeitpunkt t = 0 beginnt, einschließlich der Raumzeit. Aber in der Variante mit Inflation (gelb) kommen wir nicht zur Singularität. Stattdessen kann der Raum beliebig klein sein und die Zeit kann endlos zurückgespult werden.

Ein solches Szenario ist besser für die zweite Option geeignet, dh das ewige Universum. Aber es stellt sich heraus, und es gibt einen Haken. Nach einem Theorem kann das inflationäre Universum nicht für immer existieren und musste von einer Singularität ausgehen.



Dieser Satz basiert zwar auf den bekannten Gesetzen der Physik, und es wird vorgeschlagen, sie auf den Moment anzuwenden, in dem die Gesetze der Physik nicht mehr funktionieren. Obwohl das Universum riesig ist und viel von allem enthält, ist die Menge an Materie darin immer noch nicht unendlich. Es hat ungefähr 1090 Teilchen (einschließlich Photonen und Neutrinos), die während des heißen und expandierenden Zustands des Urknalls und sogar 10 bis 30 Sekunden zuvor in den letzten Momenten der Inflation entstanden sind - und dennoch gibt es einige Dinge, die wir nicht beobachten können.



Leider ist unter ihnen der Ursprung der inflationären Raumzeit.

Es ist nicht bekannt, ob all dies bedeutet, dass das inflationäre Universum nicht für immer existieren könnte oder dass unsere Gesetze der Physik auf dieses Problem nicht anwendbar sind oder dass es einen Anfang hatte oder dass es zyklisch ist ... Es ist sogar möglich, dass die Zeit zyklisch ist und sich die Zyklen mit jedem ändern Iteration. Und trotz aller Fortschritte haben wir immer noch drei dieser Möglichkeiten, über die Philosophen und Theologen so lange diskutiert haben:Zeit ist natürlich unendlich, Zeit ist zyklisch .



Wir wissen nur, dass eine Singularität in der Vergangenheit nichts mit unserem heißen und Urknall zu tun hat, auf den jedes Materieteilchen und jede Energie im beobachtbaren Universum zurückgeführt werden kann.

Wenn wir keine Möglichkeit finden, Informationen über die Zeit zu erhalten, als das beobachtbare Universum in einem akzeptablen Sinne existierte, könnte sich die Antwort auf diese Frage als unerreichbar herausstellen. Nicht jede Frage in der Spalte „Ask Ethan“ erhält eine eindeutige Antwort. Wir diskutieren nur, was aufgrund der gesammelten Daten bekannt ist.

Source: https://habr.com/ru/post/de395501/

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