Was können wir im Prinzip noch über das Universum lernen?

Ich bin Kosmologe und höre nach meinen Vorlesungen am häufigsten solche Fragen: Was ist außerhalb des Universums? In was expandiert unser Universum? 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 natürlich - wir wissen es nicht im Voraus. Wir werden nicht wissen, ob die Grenzen des Wissens existieren, es sei denn, wir versuchen, sie zu überwinden. Bisher werden ihre Zeichen nicht beobachtet. Es gibt Hindernisse, aber sie sind alle vorübergehend. Einige sagen mir: „Wir werden nie erfahren, wie das Universum begann. Wir werden nie erfahren, was vor dem Urknall passiert ist. “ Diese Aussagen zeigen eine bemerkenswerte Einbildung, dass wir im Voraus eine Liste von allem wissen können, was wir nicht herausfinden können. Dies ist nicht nur unvernünftig, sondern wird auch nicht von der gesamten Wissenschaftsgeschichte bestätigt, die solche Einschränkungen noch nicht erfüllt hat. 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 es kann nicht gesagt werden, dass die Natur nicht einschränkt, was beobachtet wird und wie wir etwas beobachten können. Zum Beispiel begrenzt das Heisenberg-Unsicherheitsprinzip unser Wissen über die Teilchenbewegung, und die Lichtgeschwindigkeit begrenzt den Bereich unseres Sichtfelds oder die Länge des Weges, der in einer bestimmten Zeit zurückgelegt werden kann. Diese Einschränkungen sprechen jedoch nur von dem, was wir nicht sehen können, und nicht von dem, was wir nicht erkennen können. Das Unsicherheitsprinzip verhinderte nicht das Verständnis der Quantenmechanik, des Verhaltens von Atomen oder virtuellen Teilchen, die zwar nicht sichtbar sind, aber dennoch 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 Urknall, funktionieren die uns bekannten Gesetze der Physik nicht mehr, da GR, das die Schwerkraft beschreibt, nicht in die Quantenmechanik integriert werden kann, die die Physik im mikroskopischen Maßstab beschreibt. Die meisten Wissenschaftler betrachten dies jedoch nicht als grundlegendes Hindernis für das Wissen, da die allgemeine Relativitätstheorie wahrscheinlich Teil einer konsistenten Quantentheorie wird. Die Stringtheorie ist eine der laufenden Bemühungen in diese Richtung.

Mit einer solchen Theorie können wir möglicherweise die Frage beantworten, was vor dem Urknall passiert ist. Die einfachste Antwort ist sowohl die am wenigsten zufriedenstellende. SRT und GRT verbinden Raum und Zeit zu einer Einheit: Raum-Zeit. Wenn während des Urknalls Raum geschaffen wurde, dann vielleicht auch Zeit. In diesem Fall gab es kein "vorher". Die Frage ist falsch. 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 gewinnen.

Eine andere Frage ist, ob wir wissen können, was im Sinne des Raums jenseits unseres Universums liegt. Was sind die Grenzen unseres Universums? Wir können versuchen, die Antwort zu erraten. Wenn unsere Raumzeit spontan erschien - was, wie ich in meinem letzten Buch dargelegt habe, „Das Universum aus dem Nichts“ sehr wahrscheinlich erscheint -, dann ist ihre Gesamtenergie Null. Die durch Materie dargestellte Energie wird durch die durch Gravitationsfelder dargestellte Energie kompensiert. Mit anderen Worten, etwas kann aus dem Nichts kommenwenn etwas gleich nichts ist. Im Moment wird angenommen, dass das Universum, dessen Gesamtenergie Null sein kann, geschlossen ist. Ein solches Universum ist endlich, hat aber keine Grenzen. So wie Sie für immer über die Oberfläche einer Kugel reisen können, ohne auf Grenzen zu stoßen, können Sie sich wahrscheinlich im Universum bewegen. Wenn Sie weit genug in eine Richtung schauen, können Sie unseren Nacken sehen.

In der Praxis ist dies unmöglich, da das beobachtbare Universum nur Teil eines viel größeren Volumens ist. Dies ist auf das Phänomen der Inflation zurückzuführen. Die meisten spontan auftretenden Universen in mikroskopischer Größe werden in der mikroskopischen Zeit wieder zusammenbrechen und für Milliarden von Jahren nicht existieren. Aber in einigen Fällen wird der leere Raum mit Energie ausgestattet sein, und dies wird dazu führen, dass sich das Universum zumindest für eine Weile exponentiell ausdehnt. Es wird angenommen, dass die Inflationsperiode in den ersten Augenblicken der Expansion des Urknalls stattfand und den Zusammenbruch des Universums verhinderte. In diesem Prozess schwoll das Universum so stark an, dass es praktisch flach und endlos aussieht - genau wie das Maisfeld in Kansas endlos erscheint, obwohl es sich auf einer riesigen Kugel namens Erde befindet. Deshalb sehen wir nicht unseren Rücken, schauen in den Raum,obwohl unser Universum im größten Maßstab geschlossen sein kann. Nachdem wir lange genug gewartet hatten, konnten wir im Prinzip alles zusammen sehen, es sei denn, die Inflation setzt sich in unserem beobachtbaren Universum fort und geht nicht in andere Regionen des Kosmos, die für unsere Augen unzugänglich sind.

In Bezug auf die Möglichkeit, dass Regionen, die bisher (oder für immer) für uns unsichtbar waren, Inflation erfahren, halten aktuelle Theorien dieses Szenario für das wahrscheinlichste. Wenn wir den Ausdruck „unser Universum“ auf die Region des Raums beziehen, mit der wir eine Verbindung haben oder mit der wir eines Tages eine Verbindung haben werden, dann schafft die Inflation außerhalb dieser Region 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 brechen isolierte Bereiche wie unsere manchmal von der Expansion ab, da sich isolierte Eisbereiche auf der Oberfläche eines schnell fließenden Wassers bilden, wenn die Temperatur unter den Gefrierpunkt fällt. Jedes dieser Universen wird einen Anfang haben, der durch das Ende der Inflation in diesem Bereich des Weltraums angezeigt wird.In diesem Fall fällt der Beginn unseres Universums möglicherweise nicht mit dem Beginn der Zeit zusammen - ein weiterer Grund zu bezweifeln, dass der Urknall eine Einschränkung des Wissens ist.


Kollidierende Galaxien. Solche Phänomene werden eines Tages aufhören, und Beobachter der fernen Zukunft werden möglicherweise nie erfahren, wie dynamisch unser Universum früher war.

Abhängig von dem Prozess, der die Universen zwingt, sich aus dem Hintergrundraum zu bewegen, können die Gesetze der Physik in ihnen unterschiedlich sein. Wir haben beschlossen, diese Sammlung möglicher Universen als „Multiversum“ zu bezeichnen. Die Idee eines Multiversums hat in der wissenschaftlichen Gemeinschaft Wurzeln geschlagen, nicht nur, weil sie von der Inflation inspiriert ist, sondern auch, weil die Möglichkeit der Existenz vieler verschiedener Universen, von denen jedes seine eigenen Gesetze der Physik hat, die verschiedenen grundlegenden Parameter unseres Universums auf den ersten Blick erklären kann. Diese Parameter sind einfach Werte, die zufällig während der Geburt des Universums erscheinen.

Wenn andere Universen existieren, sind sie durch große Entfernungen von uns getrennt, bewegen sich mit großer Geschwindigkeit weg und können daher nicht direkt erkannt werden. Bedeutet das, dass das Multiversum nur Metaphysik ist? Ist die Bestätigung der Existenz des Multiversums die grundlegende Grenze unseres Wissens? Nicht unbedingt. Obwohl wir möglicherweise kein anderes Universum sehen, können wir die Theorie testen, die zu seinem Auftreten geführt hat - zum Beispiel durch Beobachtung der durch Inflation erzeugten Gravitationswellen. Auf diese Weise können wir die Art der Inflation testen, die zur Entstehung unseres Universums führte. Diese Wellen ähneln denen, die kürzlich vom LIGO-Detektor erfasst wurden, haben jedoch eine andere Quelle. Sie stammen nicht aus Kataklysmen wie Kollisionen von Schwarzen Löchern in fernen Galaxien, sondern aus den frühesten Momenten des Urknalls in der vermeintlichen Zeit der Inflation.Wenn sie direkt nachgewiesen werden können - was in verschiedenen Experimenten möglich ist, in denen Spuren dieser Wellen in der vom Urknall übrig gebliebenen Reliktstrahlung gesucht werden -, können wir die Physik der Inflation untersuchen und feststellen, ob die unendliche Inflation eine Folge dieser Physik ist. Wir können also nicht direkt die Existenz anderer Universen überprüfen, auch ohne sie direkt zu beobachten.

Im Allgemeinen stellten wir fest, dass selbst die tiefsten metaphysischen Fragen, einschließlich der Existenz anderer Universen - die bisher nicht empirisch möglich waren - tatsächlich verifiziert werden könnten, wenn wir sie mit Bedacht angehen. Bisher sind die Grenzen dessen, was wir durch die Kombination von Logik und experimentellen Beobachtungen herausfinden können, unbekannt.

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



Die Inflation schränkt die Erkenntnis grundlegend ein - insbesondere die Erkenntnis der Vergangenheit. Es macht das Universum ungültig und zerstört alle Informationen über die vorhergehenden dynamischen Prozesse. Die rasche Ausdehnung des Weltraums während des Aufblasens verwässert den Inhalt jeder Region erheblich. So könnte sie beispielsweise Spuren magnetischer Monopole, Teilchen, löschen, die theoretisch im frühen Universum in großer Zahl hätten auftreten müssen. Dies war einer der ersten Vorteile der Inflation - die Versöhnung der Theorie, die eine Fülle dieser Teilchen impliziert, mit der Tatsache, dass sie heute fehlen. Durch die Beseitigung von Inkonsistenzen werden jedoch Teile unserer Vergangenheit gelöscht.

Schlimmer noch, diese Löschung kann immer noch gehen. Wir leben jetzt offensichtlich in einer anderen Inflationsperiode. Runaway-Messungen entfernter Galaxien zeigen, dass sich die Expansion unseres Universums eher beschleunigt als verlangsamt, was beobachtet werden würde, wenn Gravitationsenergie in Materie oder Strahlung und nicht im leeren Raum vorherrschen würde. 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, die kosmische Version der Kondensation von Dampf zu flüssigem Wasser. In diesem Fall kann sich die Art 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 bei kontinuierlicher Expansion ist unsere Zukunft eher langweilig. Innerhalb von 2 Billionen Jahren - nach den Maßstäben der Menschen ist es lang, aber nicht nach den Maßstäben des Weltraums - wird der Rest des Universums aus unserem Sichtfeld verschwinden. Alle Beobachter, die in dieser fernen Zukunft auf Planeten um Sterne erscheinen, werden entscheiden, dass sie in einer einzigen Galaxie leben, die von einem endlosen leeren Raum umgeben ist, ohne Anzeichen von Beschleunigung und sogar Anzeichen des Urknalls. So wie wir Monopole verloren haben, werden sie die uns bekannte Geschichte nicht sehen können (natürlich haben sie möglicherweise Zugang zu solchen beobachtbaren Phänomenen, die wir bisher nicht sehen, daher sollten wir vorerst nicht eingebildet sein).

In jedem Fall sollten Sie unsere kleine Zeit unter der Sonne genießen und studieren, was wir können, solange wir können. Lerne fleißiger, Absolventen!

Source: https://habr.com/ru/post/de397667/