Fragen Sie Ethan: Wo ist der Urknall passiert?

Von allen diskutierten Konzepten und Themen ist der Urknall das umstrittenste Konzept. Natürlich ist dies eine ziemlich alte wissenschaftliche Theorie, die seit den 1940er Jahren existiert, und seit den 1960er Jahren gibt es eine Vielzahl von Beweisen für sie. Die Idee ist einfach: Das Universum hatte einen Anfang. Sie hatte Geburtstag. Es gab einen Tag ohne „gestern“, an dem Materie, Strahlung und das uns bekannte expandierende, kühlende Universum erst zu einem bestimmten Zeitpunkt existierten. Und doch sind wir hier. Was bei jedem anfragenden Geist zu einer Flut von Fragen führt. Einer unserer Leser hat einfach so einen Verstand und möchte wissen:

Gibt es Theorien oder Experimente, die unsere Position im Weltraum relativ zum Urknallpunkt berechnen und beweisen können? Ich denke, da unsere Beobachtungsmöglichkeiten von der Position unseres Planeten aus sehr begrenzt sind, wird es nicht einfach sein, die Krümmung des Raums zu bestimmen. Warum glauben wir, dass der Urknall irgendwann im dreidimensionalen Raum stattgefunden hat? Warum denken wir, dass das Universum eine Kugel ist?

Dies sind sehr gute Fragen, und sie alle zeigen eine gemeinsame Sicht der Menschen auf das Universum. Aber sind diese Ideen wahr?


Die Entwicklung großräumiger Strukturen des Universums

Wir denken oft, dass der Urknall eine echte Explosion war. Und das Universum sah in seinen frühesten Stadien wirklich wie ein riesiger, energischer und expandierender Feuerball aus.
• Es wurde mit Partikeln und Antiteilchen verschiedener Art sowie mit Strahlung gefüllt.
• All dies expandierte und alle Partikel, Antiteilchen und Strahlungsquanten wurden voneinander getrennt.
• All dies kühlte ab und verlangsamte sich, als es sich ausdehnte.

Es klingt wirklich wie eine Explosion. Wenn Sie in diese ersten Momente versetzt und irgendwie vor all dieser Energie geschützt werden könnten, gäbe es sogar einen Ton, den Sie dank des nächsten Videos hören können.



Aber nicht ohne Grund verwende ich das Wort "Expansion" anstelle von "Explosion", um dieses Phänomen zu beschreiben. Eine Explosion ist das, was an einem Punkt im Raum passiert, von dem Fragmente wegfliegen. Eine Supernova ist eine Explosion; ein Ausbruch von Gammastrahlen ist eine Explosion; Die Detonation einer Bombe ist eine Explosion. Der Betrieb einer Granate ist eine Explosion.


Künstlerische Ansicht der Supernova-Explosion 1993J in der Galaxie M81

Aber der Urknall ist keine Explosion [auf Englisch bedeutet der Urknall, Urknall, wörtlich „Urbaumwolle“ - ca. übersetzt.]. Wenn wir vom „heißen Urknall“ sprechen, denken wir an den ersten Moment, in dem das Universum als ein Zustand beschrieben werden kann, der Partikel, Antiteilchen und Strahlung enthält. Von diesem Moment an begann sich das Universum gemäß den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie auszudehnen und abzukühlen, und wir gingen den Weg der Zerstörung von Antimaterie, der Bildung von Atomkernen und neutralen Atomen sowie der heute sichtbaren Sterne, Galaxien und großräumigen Strukturen. Der Schlüssel zur ersten Frage besteht darin, genau zu verstehen, was das Universum in diesem Moment tat: In dem Moment, den wir zum ersten Mal beschreiben können, verlassen wir uns auf diese Plattform des heißen Urknalls.



Soweit wir wissen, gab es keinen besonderen Ausgangspunkt. Es gab keine „Quelle“, aus der das Universum begann. Alle Beweise sprechen von einer kontraintuitiven, aber aus dieser nicht weniger zutreffenden Schlussfolgerung: Der Urknall geschah überall gleichzeitig. Dafür gibt es viele Beweise, und das Universum selbst gibt sie uns. Das Universum, gemessen an den großräumigen Strukturen, Galaxienhaufen, dem Auftreten des Nachglühens des Urknalls, der durchschnittlichen Dichte des Kosmos über mehrere hundert Millionen Lichtjahre usw., gibt uns zwei wichtige beobachtbare Tatsachen. Seine Eigenschaften sind überall gleich und es sieht in alle Richtungen gleich aus. Physikalisch gesehen ist das Universum homogen und isotrop.



Solche Eigenschaften des Universums können nicht mit Hilfe einer Explosion erhalten werden - und das ist der Punkt. Bei einer Explosion erweisen sich die sich am schnellsten bewegenden Fragmente als die am weitesten entfernten, aber auch am weitesten im Weltraum verstreuten. Je größer die Entfernung, desto weniger Galaxien hätte es pro Volumeneinheit geben sollen - im Universum ist dies jedoch nicht der Fall. Im Falle einer Explosion könnte man explizit den Startpunkt angeben. Das Universum funktioniert so, dass dieser Punkt nur wenige Millionen Lichtjahre von der Milchstraße entfernt an der Grenze einer lokalen Gruppe liegt. Statistisch gesehen sind die Chancen, einen solchen Punkt zu erreichen, angesichts des Vorhandenseins von mehr als 170 Milliarden Galaxien im Universum 100-mal schlechter als der Gewinn der Powerball- oder Mega Millions-Lotterie.

Die Tatsache, dass das Universum homogen und isotrop ist, legt nahe, dass der Urknall in einem Moment, vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, und an allen Orten gleich geschah. Aber wir können ihn nicht an allen Orten sehen. Wir sehen ihn nur dort, wo wir sind. Unsere Bewertung ist begrenzt. Daher können Sie oft ähnliche Abbildungen sehen: Wie unser Universum von unserem Standpunkt aus gesehen wird, mit uns im Zentrum.


Die logarithmische Sicht des Künstlers auf das beobachtbare Universum

Das heißt aber nicht, dass das Universum eine Kugel ist! Tatsächlich können wir die Form des Universums messen und ihm einige Einschränkungen auferlegen. Wenn Sie nach draußen gehen und Ihre beiden Freunde in zwei verschiedene Richtungen schicken, damit Sie sich sehen können, bilden Sie drei ein Dreieck. Jeder von Ihnen kann den scheinbaren Winkel zwischen den beiden anderen messen. Danach können Sie diese Winkel hinzufügen und Sie erhalten 180º - dies ist die Summe der Winkel des Dreiecks.

Jedes Dreieck in einem flachen Raum.



Aber der Raum muss nicht flach sein! Es kann eine negative Krümmung aufweisen, wie die Oberfläche eines Sattels, wenn die Summe der Winkel weniger als 180 ° beträgt. Es kann wie die Oberfläche einer Kugel positiv gekrümmt werden, wenn die Summe der Winkel größer als 180 ° ist. Wenn Sie in Südamerika am Äquator stehen, einer Ihrer Freunde in Afrika am Äquator und der zweite am Nordpol, werden Sie feststellen, dass der Winkelunterschied groß ist. Die Summe der Winkel liegt näher bei 270º als bei 180º. Wir haben keine Freunde im Weltraum, aber wir haben etwas Schlimmeres: Schwankungen der Hintergrundstrahlung. Abhängig von der Krümmung des Raums sollten sie völlig unterschiedlich aussehen.



Wir haben Beobachtungen gemacht und etwas Überraschendes entdeckt: Das Universum ist, soweit wir das beurteilen können, flach. Sehr sehr flach. Jüngste Daten aus den Experimenten von Planck und Sloan Digital Sky Survey zeigen, dass wenn das Universum entweder positiv oder negativ gekrümmt ist, es auf einer Skala von mindestens 400 erkennbar ist, die größer ist als der Teil des Universums, den wir beobachten. Und wir können seinen Teil mit einem Durchmesser von 92 Milliarden Lichtjahren sehen.



Der Urknall ereignete sich also überall vor 13,8 Milliarden Jahren gleichzeitig, und unser Universum ist nach unseren besten Messungen räumlich flach. Der Urknall trat zu keinem Zeitpunkt auf, und wir können dies an der extremen Isotropie und Homogenität des Universums messen. Diese Eigenschaften sind so genau, dass wir bereits glauben, dass etwas nicht stimmt, wenn wir auf Heterogenität mit einer Abweichung von 0,01% vom Durchschnitt stoßen. Wenn Sie also behaupten, dass der Urknall genau dort passiert ist, wo Sie sind, und Sie mitten in allem stehen, was passiert, wird Ihnen niemand widersprechen. Nur alles und jedes im gesamten Universum kann dasselbe über sich selbst sagen.