✊🏻 💃🏿 👩‍🌾 Das frühe Universum 2. Inflationskosmologie: Ist unser Universum ein Teil des Multiversums? Teil 2 👈 🙋🏻 ⭐️

Auf der Website der kostenlosen Vorträge veröffentlichte MIT OpenCourseWare einen Kurs über die Kosmologie von Alan Gus, einem der Schöpfer des Inflationsmodells des Universums.

Wir bieten Ihnen eine Übersetzung der zweiten Vorlesung an: „Inflationskosmologie. Ist unser Universum Teil eines Multiversums? Teil 2".

Inflation und Stringtheorie Landschaft
Ich möchte zunächst kurz wiederholen, was wir letztes Mal im Rahmen des Vortrags besprochen haben, den wir heute beenden werden. Eine Zusammenfassung der letzten Vorlesung finden Sie auf fünf Folien. Wir haben zunächst den Standard-Urknall besprochen, womit ich den Urknall ohne Inflation meine. Mir ist aufgefallen, dass diese Theorie tatsächlich nur die Folgen der Explosion beschreibt. Es beginnt mit einer Beschreibung des Universums als heiße, dichte Substanz von Partikeln, die mehr oder weniger gleichmäßig den gesamten verfügbaren Raum ausfüllt und sich ausdehnt.

Die kosmische Inflation ist eine Fortsetzung des Urknalls. Sie beschreibt, wie die abstoßende Schwerkraft, die in der allgemeinen Relativitätstheorie das Ergebnis von Unterdruck sein kann, einen winzigen Teil des frühen Universums in einen Prozess gigantischer exponentieller Expansion bringt. Unser sichtbares Universum ist das Ergebnis eines solchen Ereignisses.

Die Gesamtenergie eines solchen Standorts kann sehr klein sein und sogar genau Null sein. Dies ist möglich, weil das Gravitationsfeld, das den Raum ausfüllt, einen negativen Beitrag zur Energie leistet. Soweit wir beurteilen können, sind in unserem realen Universum die positiven und negativen Beiträge ungefähr gleich. Sie können sich voll ausgleichen. Somit kann die Gesamtenergie Null sein, was es Ihnen ermöglicht, ein riesiges Universum zu erschaffen, beginnend mit nichts oder mit fast nichts.

Der nächste Punkt ist ein Hinweis auf Inflation. Warum glauben wir, dass es eine hohe Wahrscheinlichkeit gibt, dass unser Universum eine Inflation erlebt hat? Ich habe drei Gründe angegeben. Erstens kann die Inflation die Einheitlichkeit des Universums in großem Maßstab erklären. Die großräumige Homogenität des Universums ist bei der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung am ausgeprägtesten. Wir sehen, dass es mit einer Genauigkeit von einhunderttausendstel homogen ist. Wenn wir die Bewegung der Erde anpassen, ist ihre Intensität am Himmel mit einer Genauigkeit von einhunderttausendstel unabhängig von der Richtung gleich.

Zweitens kann die Inflation die bemerkenswerte Tatsache des Wertes von Ω erklären, wobei Ω die tatsächliche Massendichte des Universums geteilt durch die kritische Massendichte ist, d.h. die Dichte, die das Universum völlig flach macht. Wir wissen, dass in der ersten Sekunde nach dem Urknall ihr Verhältnis gleich Eins mit einer Genauigkeit von etwa 15 Dezimalstellen war. Vor der Inflation hatten wir überhaupt keine Erklärung für diese Tatsache. Die Inflation bringt Ω jedoch näher an die Einheit und gibt uns eine Erklärung dafür, warum Ω zu Beginn des Urknalls so nahe an der Einheit war.

In der Tat macht die Inflation eine Vorhersage. Wir gehen davon aus, dass wenn die Inflationstheorie korrekt ist, Ω immer noch gleich 1 sein sollte. Ω wurde gemessen und ein Wert von 1,0010 ± 0,0065 wurde erhalten, was für mich ein wunderbares Ergebnis zu sein scheint. Schließlich liefert die Inflation eine Erklärung für die Heterogenitäten, die wir im Universum sehen. Sie erklärt sie als Quantenfluktuationen, die während der Inflation auftraten. Als die Inflation endete, führten Quantenschwankungen an einigen Orten zu einer etwas längeren Inflation als an anderen. Diese Heterogenitäten traten also auf.

Gegenwärtig können wir diese Heterogenitäten mit großer Genauigkeit messen. Die Heterogenitäten sind natürlich auf der Ebene der Galaxien riesig, hier sind sie offensichtlich, aber sie sind schwer mit dem frühen Universum zu assoziieren. Daher können wir den genauesten Vergleich zwischen dem, was wir beobachten, und den Theorien des frühen Universums anstellen, indem wir die kosmische Hintergrundstrahlung, die nicht vollständig einheitlich ist und geringe Intensitätsschwankungen aufweist, sorgfältig untersuchen. Diese Schwankungen liegen auf dem Niveau von einhunderttausendstel, und wir können sie derzeit beobachten.

Die Inflation gibt eine klare Vorhersage über das Spektrum dieser Schwankungen, wie ihre Intensität je nach Wellenlänge variieren sollte. Das letzte Mal habe ich Ihnen eine Grafik mit den Planck-Satellitendaten gezeigt. Die Entsprechung zwischen Vorhersage und Theorie ist auffällig. Wir werden gegen Ende des Kurses darauf zurückkommen.

Schließlich habe ich in einem früheren Vortrag begonnen, über die möglichen Folgen der Inflation wie das Multiversum zu sprechen. Dass unser Universum in eine viel größere Einheit eingebettet sein kann, die aus vielen Universen besteht, die wir das Multiversum nennen. Der entscheidende Punkt ist, dass die meisten Modelle dazu neigen, zu einer dauerhaften Inflation zu führen. Sobald die Inflation beginnt, hört die Inflation nie mehr auf.

Der Grund dafür ist, dass metastabile, gravitativ abstoßende Materie, die Inflation verursacht, zerfällt, sich aber gleichzeitig exponentiell ausdehnt. Bei typischen Modellen ist die exponentielle Expansion viel schneller als der Zerfall. Trotz der Tatsache, dass diese instabile Materie zerfällt, nimmt ihr Gesamtvolumen nicht tatsächlich ab, sondern nimmt mit der Zeit exponentiell zu.

Der Zerfall der Materie tritt jedoch auf, und wo immer der Zerfall stattfindet, wird das gebildet, was wir das Taschenuniversum nennen. Wir leben in einem dieser Taschenuniversen. Die Anzahl der Taschenuniversen wächst exponentiell mit der Zeit, da das gesamte System wächst, was, soweit wir das beurteilen können, für immer fortbestehen wird. Dies ist das Multiversum-Bild, zu dem Inflation führt.

Ganz am Ende der Vorlesung sprach ich über ein Problem, das für unser modernes Verständnis von Physik und Kosmologie sehr wichtig ist. Dies ist die Entdeckung der dunklen Energie. Um 1998 wurde entdeckt, dass sich die Expansion des Universums unter dem Einfluss der Schwerkraft nicht erwartungsgemäß verlangsamt, sondern beschleunigt. Das Universum expandiert immer schneller.

Dies weist darauf hin, dass der Raum derzeit mit gravitativ abstoßender Materie gefüllt ist, die wir dunkle Energie nennen. Die einfachste Erklärung für dunkle Energie ist einfach die Energie des Vakuums, die Energie des leeren Raums. Der Raum hat eine Energiedichte, die genau die Eigenschaften hat, die wir beobachten. Daher erscheint es natürlich, eine Verbindung zwischen dunkler Energie und Vakuumenergie herzustellen.

Die Energie des Vakuums mag zunächst seltsam erscheinen. Wenn das Vakuum leer ist, warum sollte es eine Energiedichte haben? In der Quantenfeldtheorie ist dies jedoch nicht überraschend, da in der Quantenfeldtheorie das Vakuum tatsächlich nicht leer ist. In der Quantenfeldtheorie gibt es keine wirkliche Leere. Stattdessen treten im Vakuum konstante Quantenfeldschwankungen auf. Im modernen Standardmodell der Teilchenphysik gibt es sogar ein Feld namens Higgs-Feld, das zusätzlich zu den Schwankungen einen Durchschnittswert ungleich Null im Vakuum aufweist.

Vakuum ist daher ein sehr komplexer Zustand. Es macht es zu einem Vakuum, dass es sich im Zustand der niedrigstmöglichen Energiedichte befindet, aber diese Dichte muss nicht Null sein und es scheint keinen Grund zu geben, warum es Null sein sollte. Daher gibt es kein Problem, die Tatsache zu erklären, dass das Vakuum eine Energiedichte ungleich Null haben kann. Das Problem entsteht, wenn wir versuchen, die Größe dieser Vakuumenergie zu verstehen. Wenn das Vakuum eine Energiedichte hat, sollte es nach unseren Annahmen viel größer sein als das, was wir in Form einer Beschleunigung der Expansion des Universums beobachten.

Eine typische Größenordnung für die Energie des Vakuums in der Teilchenphysik ist etwa 120 Größenordnungen größer als die Zahl, die gemäß der beobachteten Beschleunigung der Expansion des Universums erhalten wird. Das ist ein großes Problem. Wir begannen eine mögliche Lösung für dieses Problem zu diskutieren. Dies ist nur eine mögliche Lösung, niemand sagt, dass es absolut wahr ist. Diese Entscheidung basiert auf der Stringtheorie und insbesondere auf einer Idee, die als Landschaft der Stringtheorie bezeichnet wird.

Die meisten Stringtheoretiker glauben, dass die Stringtheorie kein einzigartiges Vakuum hat. Stattdessen gibt es eine kolossale Zahl von rund ^10.500
verschiedene metastabile Zustände, die trotz der Tatsache, dass sie metastabil sind, im Vergleich zum Alter unseres Universums sehr langlebig und langlebig sind. Somit kann jeder dieser ^10.500 verschiedenen Zustände als Vakuum für eines der Taschenuniversen dienen.

Darüber hinaus kann jeder Vakuumzustand aus der Landschaft in einer Art Taschenuniversum realisiert werden, wodurch in der Realität alle Möglichkeiten verkörpert werden, die sich in der Stringtheorie ergeben. Jeder Vakuumtyp hat seine eigene Energiedichte, da in der Quantenfeldtheorie sowohl positive als auch negative Beiträge entstehen.

Die Vakuumenergie eines typischen Zustands kann entweder positiv oder negativ sein. Für diese ^10.500 verschiedenen Vakuums variiert der Bereich der Energiedichten von -10 ¹²⁰ bis +10 ¹²⁰ beobachteten Werten. Der beobachtete Wert liegt in diesem Bereich, ist jedoch ein äußerst kleiner Teil der möglichen Werte.

STUDENT: Der Bereich von -10 ¹²⁰ bis +10 ^{120 wird} einfach gewählt, weil wir einen Unterschied von 120 Bestellungen sehen, oder gibt es andere Gründe?

LEHRER: Wenn wir von einer Differenz von 120 Größenordnungen sprechen, ist eine genauere Aussage, dass die Schätzung eines typischen Energiebereichs das 10 ^120- fache des beobachteten Wertes beträgt. Tatsächlich ist 10 ¹²⁰ nur innerhalb weniger Größenordnungen genau, 10 ¹²³ ist wahrscheinlich eine etwas genauere Zahl. Für unsere Zwecke ist dies jedoch ausreichend.

STUDENT: Eine allgemeine Frage zu den Eigenschaften der Inflation. Wir glauben, dass die attraktive Schwerkraft die Bewegung von Objekten im Raum steuert. Warum denken wir dann, dass die abstoßende Schwerkraft die Ausdehnung des Raums selbst steuert?

LEHRER: Sie verhält sich anders. Die abstoßende Schwerkraft, die in der allgemeinen Relativitätstheorie erscheint, ist nicht nur die gewöhnliche Schwerkraft mit dem entgegengesetzten Vorzeichen. Wenn wir zwei Körper haben, zieht sie die gewöhnliche Schwerkraft mit einer Kraft an, die proportional zu den Massen dieser Objekte ist. Die abstoßende Schwerkraft ist ein Effekt, der durch Unterdruck im Raum zwischen ihnen verursacht wird. Wenn es also zwei Körper gibt, beginnen sie, sich um einen Betrag voneinander zu beschleunigen, der völlig unabhängig von ihrer Masse ist.

Die abstoßende Schwerkraft wird nicht durch Massen erzeugt. Diese Kraft ist völlig anders, deshalb können wir sie einfach nicht vergleichen. In jedem Fall ist es eine Frage des Gesichtspunkts, ob eine solche Bewegung als Erweiterung des Raums oder als Bewegung von Objekten durch den Raum betrachtet werden soll, wenn sich alles voneinander entfernt. In der Relativitätstheorie gibt es keine Möglichkeit, eine Nadel in den Raum zu stecken, sie mit einer Nadel zu stecken und zu sagen, dass sie bewegungslos ist. Wir können also nicht sagen, ob sich der Raum bewegt oder nicht.

In der Kosmologie ist ein Bild normalerweise einfacher, in dem sich der Raum mit Materie ausdehnt, und wir werden normalerweise ein solches Bild verwenden. Dies gibt eine viel einfachere Beschreibung dessen, was passiert. Gute Frage.

STUDENT: Warum schien die Energie im frühen Universum nahe Null zu sein? Gibt es theoretische Modelle, die erklären oder vorhersagen können, dass es genau Null ist?

LEHRER: Ja, es gibt solche Theorien. Dies geschieht im Fall eines geschlossenen Universums. Selbst wenn das Universum fast flach ist, kann es dennoch geschlossen werden. Wenn es geschlossen ist, muss es genau null Energie haben.

STUDENT: Der kosmische Mikrowellenhintergrund ist in alle Richtungen gleich. Dies impliziert, dass das kosmologische Prinzip für das gesamte Universum gilt. Ist es möglich, dass das Universum in der Realität in sehr großem Maßstab heterogen ist, dass es in Wirklichkeit so ist, als ob es fleckig wäre, nur die Flecken sind sehr groß? Was sind wir wirklich an einem solchen Ort und unterscheidet es sich von anderen solchen Orten, die sehr weit entfernt sind?

LEHRER: Natürlich kann es, wenn das Bild des Multiversums korrekt ist. Sie sagt genau das voraus. Andere Taschenuniversen können unter Verwendung Ihrer Terminologie als andere Punkte betrachtet werden und unterscheiden sich stark von dem, was wir beobachten.

Die Inflation verändert somit die Einstellung zu diesem Thema. Vor der Inflation hatte die Homogenität des Universums keine Erklärung, daher war es ein Postulat. Niemand postulierte, dass das Universum in bestimmten Maßstäben homogen ist. Wenn ein Postulat erstellt wird, wird einfach behauptet, dass das Universum homogen ist, und ein solches Postulat wurde verwendet.

Wenn wir jedoch bedenken, dass die Einheitlichkeit des Universums durch einen dynamischen Prozess, die Inflation, verursacht wird, ist es natürlich, die Frage zu stellen, welche Größengleichmäßigkeit die Inflation erzeugt. Dies ist natürlich eine Größe, die viel größer ist, als wir beobachten können. Wir wollen also wirklich nicht die Heterogenität sehen, die durch verschiedene Inflationsschwerpunkte verursacht wird. Aber das Inflationsmodell macht es sehr plausibel, dass wir sie sehen würden, wenn wir weit genug sehen könnten.

STUDENT: Wenn sich das Universum ausdehnt und wir uns auch ausdehnen, wie können wir dann eine Änderung der Entfernungen beobachten?

LEHRER: Eine sehr gute Frage. Es mag den Anschein haben, dass sich alles ausdehnen sollte, wenn sich das Universum ausdehnt. Und wenn sich alles ausdehnt und etwas mit einem Lineal gemessen wird, erhalten wir die gleiche Länge. Wie sehen wir, dass sich alles ausdehnt? Die Antwort auf diese Frage ist, dass die Erweiterung des Universums nicht wirklich bedeutet, dass sich alles erweitert. Wenn sie sagen, dass sich das Universum ausdehnt, bedeuten sie, dass Galaxien weiter auseinander gehen, aber einzelne Atome nicht zunehmen.

Die Länge des Lineals, bestimmt durch die Anzahl der Atome und ihre Größe, nimmt mit dem Universum nicht zu. Derzeit ist die Expansion teilweise auf die abstoßende Schwerkraft zurückzuführen, wodurch sich das Universum schnell ausdehnt. Aber im Grunde ist die Erweiterung jetzt nur die Restgeschwindigkeit vom Urknall. In diesem Fall bewegt sich die Substanz einfach im Raum, und diese Bewegung bewirkt nicht, dass Atome größer werden.

STUDENT: Was ist die Zukunft unseres Universums? Wird es sich auf unbestimmte Zeit ausdehnen oder wird es irgendwann aufhören?

LEHRER: Wie Sie wahrscheinlich vermuten, weiß es niemand wirklich. Aber die Modelle, über die ich spreche, geben eine eindeutige Antwort auf der Ebene unseres Taschenuniversums und auf der Ebene des gesamten Multiversums. Auf der Ebene unseres Taschenuniversums wird unser Universum dünner. Das Leben wird letztendlich unmöglich, weil die Dichte der Materie zu klein wird.

Vielleicht verfällt das Universum. Unser Vakuum ist möglicherweise nicht vollständig stabil. In der Stringtheorie sind nur sehr wenige Dinge stabil, wenn die Stringtheorie die richtige Theorie ist. Aber selbst wenn das Vakuum abnimmt, wird es sich noch schneller ausdehnen als abklingen. Der Verfall wird also zu Löchern in unserem Universum führen. Es wird wie Schweizer Käse aussehen. Aber das Universum als Ganzes wird sich einfach exponentiell ausdehnen, soweit wir das beurteilen können, für immer.

Das Multiversum ist ein interessanteres Objekt. Das Multiversum wird, wie gesagt, ständig neue Taschenuniversen schaffen. Das Multiversum wird für immer leben, selbst wenn jedes Taschenuniversum im Multiversum gebildet wird und schließlich stirbt, an vollständiger Ausdünnung stirbt und sich in nichts verwandelt.

STUDENT: Zusätzlich zur vorherigen Frage. Erlauben Sie die Möglichkeit eines zyklischen Prozesses? Das heißt, Das Universum dehnt sich aus, erreicht sein Maximum, beginnt zu schrumpfen, kollabiert und beginnt sich dann wieder auszudehnen, und alles wiederholt sich?

LEHRER: Eine solche Gelegenheit besteht sicherlich, und es gibt Menschen, die dies sehr ernst nehmen. Ich sehe keine Beweise dafür. Darüber hinaus gab und gibt es keine vernünftige Theorie des Rückpralls, die Teil dieser Theorie sein sollte.

STUDENT: Was sind neben der kosmologischen Konstante die verschiedenen Staubsauger unterschiedlich?

LEHRER: Sie können auf so viele Arten variieren. Sie unterscheiden sich grundlegend darin, wie ihre innere Struktur im Raum angeordnet ist. Wenn Sie nicht auf Details eingehen, die ich selbst möglicherweise nicht vollständig verstehe, dann behauptet die Stringtheorie, dass der Raum neun Dimensionen hat und nicht drei, die wir beobachten. Aus neun Dimensionen werden drei, da zusätzliche Dimensionen zu winzigen Knoten verdreht werden, die zu kurz sind, um gesehen zu werden.

Es gibt jedoch viele verschiedene Möglichkeiten, diese zusätzlichen Abmessungen zu verdrehen, und dies führt zu einer sehr großen Anzahl möglicher Vakuums. Zusätzliche Messungen können auf verschiedene Arten verdreht werden. Dies bedeutet, dass die Niedrigenergiephysik in diesen Vakuums sehr unterschiedlich sein kann. Fast alles kann unterschiedlich sein, auch die Raumdimension kann unterschiedlich sein, da Sie eine unterschiedliche Anzahl verdrehter Dimensionen haben können.

Die Menge der Partikel kann völlig unterschiedlich sein, da das, was wir als Partikel betrachten, eigentlich nur eine Schwankung des Vakuums ist.Wenn Sie eine andere Struktur des Vakuums selbst haben, können die darin vorhandenen Partikeltypen völlig unterschiedlich sein. Daher kann sich die Physik in einem anderen Taschenuniversum stark von dem unterscheiden, was wir beobachten, obwohl wir davon ausgehen, dass letztendlich überall dieselben Gesetze der Physik gelten.

STUDENT: Wenn es anfangs in der Region, in der die inflationäre Expansion begann, nur wenige Partikel gab, wenn diese Region sich dann in ein riesiges Universum verwandelt, wird sie dann auch nur wenige Partikel haben?

LEHRER: Die Anzahl der Partikel kann möglicherweise nicht gespeichert werden. Wenn sich eine der Regionen während des Aufblasens exponentiell ausdehnt, ist die darin enthaltene Energie in der Teilchensprache nicht gut beschrieben. Es wird in Form von Feldern beschrieben. Felder verhalten sich manchmal wie Partikel, aber nicht immer. Grundsätzlich gibt es eine Beschreibung in Bezug auf Partikel, die jedoch nicht so offensichtlich ist wie eine Beschreibung in Bezug auf Felder.

So gibt es Energie in verschiedenen Bereichen, während die Region wächst. Die in diesen Feldern gespeicherte Energie nimmt mit der Ausdehnung der Region zu. Die Energiedichte bleibt annähernd konstant. Dies scheint gegen das Gesetz der Energieerhaltung zu verstoßen, aber wie gesagt, eine expandierende Region ist mit einem Gravitationsfeld gefüllt, das ein immer größeres Volumen einnimmt, und das Gravitationsfeld hat eine negative Energiedichte. Somit bleibt die Gesamtenergie, die eingespart werden muss, sehr klein und möglicherweise Null. Darüber hinaus kann die Region ohne Einschränkungen wachsen und hat immer noch diese sehr kleine oder null Gesamtenergie.

Am Ende löst sich die Region auf. Wenn es zerfällt, werden neue Partikel geboren, eine große Anzahl neuer Partikel. Dies ist die Substanz, aus der wir gemacht sind. Es gibt deutlich mehr neue Partikel als die Anzahl der Partikel in der Region, als die Inflation begann.

STUDENT: Also wird alles, was während der Inflation passiert, durch das Gesetz der Energieeinsparung bestimmt?

LEHRER: Es scheint mir eine Übertreibung zu sein, denn wenn nichts passiert, wird auch die Energie gespart. Um die Entwicklung des Universums zu beschreiben, benötigen Sie daher mehr als nur Energieeinsparung.

Anthropisches Prinzip Fahren
wir fort. Ich habe mich mit der Landschaft der Stringtheorie befasst und wie sie all diese möglichen Vakuums bildet. Die Stringtheorie hat ^10.500 verschiedene Vakuums. Wir kennen die genaue Menge nicht wirklich, aber sie entspricht ungefähr dieser riesigen Zahl. Und nur ^10-120 Staubsauger von der Gesamtzahl haben sehr wenig Energie. Daher ist die Energiedichte von +10 ¹²⁰ auf -10 ¹²⁰ der beobachteten Vakuumenergie verteilt.

Dies bedeutet, dass die Energie, die wir beobachten, nur in einem schmalen Schnitt in der Mitte liegt und ^10-120 einnimmtdie Breite der gesamten Verteilung. All dies sind natürlich sehr grobe Schätzungen. Was zählt, ist nicht die Menge, sondern ob Sie der Idee zustimmen. Wir gehen davon aus, dass ungefähr ^10-120 verschiedene Staubsauger eine ziemlich niedrige Energiedichte haben.

Gleichzeitig wird es aber immer noch eine große Anzahl solcher Staubsauger geben, denn 10 ^-120 mal 10 ^{500 ergeben} 10 ³⁸⁰ . Obwohl solche Staubsauger sehr selten sein werden, gibt es ^10.380verschiedene Arten von Vakuums, die alle eine beobachtbare Vakuumenergiedichte aufweisen. In der Landschaft der Stringtheorie ist es daher kein Problem, ein Vakuum zu finden, dessen Energiedichte so niedrig ist wie die, die wir beobachten. Aber dann stellt sich die Frage, ob es kein Wunder ist, dass wir in einem dieser ungewöhnlichen Staubsauger mit einer so extrem niedrigen Energiedichte leben, wenn sie so unglaublich selten sind.

Dies führt zu dem, was manchmal als anthropisches Prinzip oder Auswahleffekt bezeichnet wird. Um zu zeigen, wie dies funktioniert, damit es nicht so verrückt klingt, wie es scheint, möchte ich mit einem Beispiel beginnen, in dem man wirklich sagen kann, dass dieser Effekt auftritt. Schauen wir uns einfach unsere Position in unserem eigenen sichtbaren Universum an und achten wir zum Beispiel auf die Massendichte.

Der Ort, an dem wir leben, ist in vielerlei Hinsicht sehr ungewöhnlich, aber einer der einfachen und quantitativen Parameter ist die Massendichte. Die Dichte der Objekte in diesem Raum beträgt etwa ein Gramm pro Kubikzentimeter, vielleicht zehnmal mehr oder weniger. Der Faktor 10 ist nicht sehr wichtig für das, worüber ich sprechen werde.

Tatsache ist, dass die durchschnittliche Massendichte des sichtbaren Universums etwa 10 bis ³⁰ Gramm pro Kubikzentimeter beträgt . Es ist einfach unglaublich, wie leer das Universum ist. Dies ist eine viel geringere Dichte als das, was wir in Labors auf der Erde mit besseren Vakuumsystemen erreichen können.

An dem Ort, an dem wir leben, Massendichte von 10 ³⁰mal größer als die durchschnittliche Dichte des sichtbaren Universums. Wir leben also nicht am typischen Ort unseres sichtbaren Universums. Wir leben an einem äußerst untypischen Ort. Man mag sich fragen, wie man das erklärt. Ist es nur ein Zufall, dass wir in einem Gebiet mit einer so hohen Massendichte leben? Wenn dies eine Frage des Zufalls ist, dann scheint es nicht sehr wahrscheinlich. Ist das Glück? Ist es göttliche Vorsehung oder was?

Ich denke, die meisten von Ihnen werden zustimmen, dass dies höchstwahrscheinlich ein Auswahleffekt ist. Dies ist der Ort, an dem das Leben entsteht. Das Leben entsteht im größten Teil des sichtbaren Universums nicht. Es erscheint an seltenen Orten, wie der Oberfläche unseres Planeten, die in vielerlei Hinsicht besonders ist, aber nur die Massendichte reicht aus, um es zu etwas ganz Besonderem zu machen. Wir unterscheiden uns in 10 ³⁰ Zeiten des Durchschnittswertes unserer Umwelt.

Wenn wir erklären, warum wir an einem so ungewöhnlichen Ort in unserem sichtbaren Universum leben, einfach durch die Anforderungen des Lebens, dann ist es nicht so schwierig, diese Idee weiter auszudehnen. Steve Weinberg machte 1987 erstmals darauf aufmerksam. Natürlich war er nicht der erste, der diese Idee zum Ausdruck brachte, aber er war der erste, an den die anderen zumindest ein wenig glaubten.

Er stellte fest, dass die niedrige Energiedichte des Vakuums auf ähnliche Weise erklärt werden kann. Wenn wir an einem atypischen Ort in unserem sichtbaren Universum leben, gibt es ebenfalls keinen Grund zu der Annahme, dass wir an einem typischen Ort des Multiversums leben sollten. Vielleicht kann nur ein kleiner Teil der verschiedenen Arten von Taschenuniversen das Leben erhalten. Vielleicht ist der einzige Weg, Leben zu haben, eine sehr niedrige Vakuumenergiedichte.

Dahinter steckt etwas Physik. Denken Sie daran, dass die Energiedichte eines Vakuums die Expansion beschleunigt. Wenn die Energiedichte des Vakuums viel höher wäre als das, was wir beobachten, würde sich das Universum unglaublich schnell ausdehnen und auseinander fliegen, bevor die Zeit für etwas Interessantes kam, zum Beispiel für die Bildung von Galaxien. Weinberg stützte seine Argumente auf die Annahme, dass Galaxien eine Notwendigkeit für die Entstehung von Leben sind.

Wenn die Vakuumenergiedichte signifikant größer wäre als das, was wir beobachten, würde das Universum so schnell auseinander fliegen, dass sich niemals Galaxien bilden könnten. Folglich würde es keine Planeten geben, nichts, was mit dem Leben zusammenhängt, das wir kennen.

Im Gegenteil, wenn die Vakuumenergiedichte negativ wäre, aber einen größeren Wert im Vergleich zu dem, was wir beobachten, hätte, würde eine große negative Beschleunigung auftreten. Solche Universen werden einfach schrumpfen, in sehr kurzer Zeit zusammenbrechen, zu schnell, als dass das Leben eines uns bekannten Typs Gestalt annehmen könnte. Es gibt also ein physikalisches Argument, das besagt, dass Leben nur dann entsteht, wenn die Energiedichte des Vakuums sehr klein ist.

Weinberg und seine Kollegen berechneten die Anforderungen für die Bildung von Galaxien. Es stellte sich heraus, dass die Vakuumenergiedichte die beobachtete Energiedichte nicht um das Fünffache überschreiten sollte, damit sich Galaxien bilden können. Dies kann eine mögliche Erklärung sein. Obwohl dies natürlich keine allgemein akzeptierte Erklärung ist und sehr kontrovers ist.

Einige Physiker akzeptieren diese Idee der Auswahl. Ich bin geneigt, es zu akzeptieren. Aber viele Physiker halten es für absolut absurd und sagen, dass solche Argumente alles erklären können. Und das stimmt. Sie können viel erklären, wenn Sie möchten, indem Sie einfach angeben, dass dies für die Entstehung des Lebens notwendig ist.

Daher sollten meiner Meinung nach die Argumente des Auswahleffekts oder des anthropischen Prinzips immer als Argumente der letzten Hoffnung betrachtet werden. Das heißt, bis wir die Landschaft der Stringtheorie verstehen und sie nicht im Detail verstehen und bis wir wirklich verstehen, was erforderlich ist, um Leben zu schaffen, können wir wirklich nichts mehr tun. als plausible Argumente für das anthropische Prinzip zu geben.

Diese Argumente klingen jedoch vernünftig. Ich denke, dass sie nichts Unlogisches enthalten, sie können durchaus Erklärungen für einige Dinge sein. Wie ich bereits erwähnt habe, erklärt dies, warum wir an einem so ungewöhnlichen Ort in unserem eigenen sichtbaren Universum leben. Die Argumente für den Auswahleffekt werden sehr attraktiv, wenn eine Suche nach direkteren Erklärungen fehlschlägt. Bei dem Versuch, die sehr niedrige Energiedichte des Vakuums zu erklären, waren andere Erklärungen erfolglos. Wir haben kein quantitatives, direktes Verständnis dafür, warum die Energie eines Vakuums so klein sein sollte.

Ist es an der Zeit, diese Erklärung der letzten Hoffnung zu akzeptieren, dass die Energiedichte des Vakuums so gering ist, einfach weil es notwendig ist, dass sich das Leben entwickelt? Ich weiß es wirklich nicht. Aber ich werde sagen, dass die Menschen im Fall einer niedrigen Vakuumenergiedichte seit mehreren Jahren sehr, sehr bemüht sind, eine Erklärung dafür in der Elementarteilchenphysik zu finden, und niemand hat etwas gefunden, das andere für akzeptabel halten würden. Das ist also sicherlich ein sehr ernstes Problem. Ich denke, es ist an der Zeit, das Argument der letzten Hoffnung ernst zu nehmen. Dass die Vakuumenergiedichte nur deshalb gering ist, weil in den Teilen des Multiversums, in denen dies nicht der Fall ist, niemand lebt. Es scheint mir, dass der Auswahleffekt die plausibelste aller derzeit bekannten Erklärungen ist.

Fassen wir zusammen, was wir gelernt haben. Ich habe gezeigt, dass das Inflationsparadigma jetzt in ausgezeichnetem Zustand ist. Es erklärt die Einheitlichkeit des Universums in großem Maßstab. Es sagt die Massendichte des Universums mit einer Genauigkeit von 1% voraus und erklärt die Schwingungen, die wir in der kosmischen Hintergrundstrahlung sehen, und behandelt sie als Ergebnis von Quantenfluktuationen, die im frühesten Universum aufgetreten sind.

Das inflationäre Bild führt zu drei Ideen, die auf die Möglichkeit eines Multiversums hinweisen. Dies ist natürlich kein Beweis dafür, dass wir in einem Multiversum leben, aber dennoch. Erstens ist dies die Behauptung, dass fast alle Inflationsmodelle zur Idee der fortwährenden Inflation führen, dass die exponentielle Expansion der Inflationsmaterie dem Zerfall dieser Materie voraus ist, so dass ihr Volumen für immer und exponentiell wächst.

Der zweite Punkt ist, dass Astronomen 1998 die erstaunliche Tatsache entdeckten, dass sich die Expansion des Universums nicht verlangsamt, wenn es sich ausdehnt, sondern sich beschleunigt. Dies weist darauf hin, dass es im Universum eine spezielle Materie geben muss, die sich von der Substanz unterscheidet, die wir bereits kennen, und diese spezielle Materie wird Dunkle Energie genannt. Wir haben keine einfache Interpretation dessen, was es ist, aber höchstwahrscheinlich ist es Vakuumenergie. Wenn ja, dann führt dies sofort zu der wichtigen Frage, warum diese Energie wichtig ist, die wir beobachten. Anscheinend ist es viel kleiner als Sie vielleicht erwarten.

Und drittens geben uns Theoretiker, die sich mit Stringtheorie befassen, eine interessante Erklärung. Sie sagen, dass es nach den Gesetzen der Physik vielleicht kein einziges Vakuum gibt, aber es gibt eine große Anzahl verschiedener Vakuums, die die Stringtheorie vorhersagt. Wenn dies so ist, nehmen wir an, dass es unter vielen verschiedenen Vakuums eine große Anzahl von solchen gibt, die eine sehr niedrige Energiedichte haben. Sie machen einen vernachlässigbaren Bruchteil der Gesamtzahl der verschiedenen Staubsauger aus, aber es gibt dennoch ziemlich viele von ihnen. Dann kann die Idee des Auswahleffekts eine mögliche Erklärung dafür liefern, warum wir in einem dieser sehr ungewöhnlichen Staubsauger leben, die diese unglaublich niedrige Energiedichte haben.

Ich möchte mit einer kleinen Geschichte enden. Wie sehr nehmen Physiker das alles wirklich ernst? Ich werde Ihnen von dem Gespräch erzählen, das vor einigen Jahren auf der Konferenz stattgefunden hat. Ich werde mit Martin Reese beginnen. Dies ist ein Astronom aus Großbritannien, ein ehemaliger Präsident der Royal Society, ein ehemaliger Leiter des Trinity College, ein sehr angesehener und übrigens ein guter Mensch. Er sagte, er sei zuversichtlich genug in das Multiversum, um das Leben seines Hundes darauf zu setzen.

Andrew Linde aus Stanford, ein wahrer Enthusiast der Multiversum-Idee, auch einer der Begründer der Inflationstheorie, sagte, er sei zuversichtlich genug in das Multiversum, um sein Leben darauf zu setzen. Steve Weinberg war nicht auf dieser Konferenz, aber er schrieb einen Artikel, der später bekannt wurde, und kommentierte diese Diskussion. Was glaubst du, war er bereit zu liefern? Er sagte, er sei so zuversichtlich in das Multiversum, dass er bereit sei, ihr das Leben von Andrei Linda und das Leben des Hundes Martin Reese anzulegen.

Damit ist unser kurzer Rückblick abgeschlossen. Gibt es irgendwelche Fragen, bevor wir zum Start kommen, zum wahren Beginn unseres Kurses?

STUDENT: Der Auswahleffekt behauptet, dass Ω 1 ist und die Vakuumenergie viel geringer ist als sie sein kann, nur weil das Leben innerhalb dieser Grenzen existiert, kann das Leben nur auf diese Weise existieren. Aber wir denken über ein Leben auf Kohlenstoffbasis nach. Was ist, wenn es andere Lebensformen gibt, die es Ihnen ermöglichen, unterschiedliche Energie, Dichte usw. zu haben?

LEHRER: Ja, worauf Sie natürlich hinweisen, ist die große Schwäche des Arguments des Auswahleffekts. Wir kennen das Leben auf Kohlenstoffbasis wirklich, ein Leben ähnlich unserem, und wir können darüber sprechen, welche Bedingungen für ein solches Leben notwendig sind. Aber vielleicht gibt es ein Leben, das völlig anders ist als das unsere, von dem wir nichts wissen und das unter völlig anderen Bedingungen existieren kann. Das ist wirklich eine Schwäche.

Trotzdem möchte ich sagen, obwohl dies auch argumentiert werden kann und nicht jeder mir zustimmen wird, aber eine ähnliche Situation entsteht, wenn wir die ungewöhnlichen Merkmale des Teils des Universums erklären wollen, in dem wir leben. Nehmen wir am Beispiel, das wir zuvor verwendet haben, an, dass wir an einem Ort leben, an dem die Massendichte 10 bis 30 Mal höher ist als der Durchschnitt. Wenn wir bereit sind, die Argumente des anthropischen Prinzips zu verwenden, um dies zu erklären, dann denke ich, dass hier die gleichen Probleme auftreten.

Wenn im Universum in Wirklichkeit ein anderes Leben reichlich vorhanden ist und in einem Vakuum gedeiht, dann hätten wir eine viel größere Chance, einer von ihnen zu sein, als ein äußerst ungewöhnliches Wesen zu werden, das auf der Oberfläche des Planeten lebt. Daher denke ich, dass dies eine mögliche Schwäche ist, die berücksichtigt werden muss, aber ich denke nicht, dass dies uns die Verwendung dieser Argumente vollständig verbieten sollte. Obwohl dies sicherlich Anlass zur Skepsis ist.

STUDENT: Sie haben das letzte Mal erwähnt, dass die verschiedenen Taschenuniversen, aus denen das Multiversum besteht, voneinander getrennt sind, obwohl sie im ursprünglichen Vakuum als kleine Regionen auftreten. Wie sind sie voneinander getrennt? Wenn sie sich alle im selben Raum bilden, bleiben sie dann nicht in diesem Raum?

LEHRER: Sie bleiben wirklich, aber der Raum, in dem sie gebildet werden, wächst sehr schnell. In den meisten Fällen, obwohl nicht immer in der Realität, bilden sich zwei Taschenuniversen weit genug voneinander, um sich beim Wachsen nie zu berühren, da sich der Raum zwischen ihnen zu schnell ausdehnt, um sie zuzulassen zu treffen.

Eine Kollision von Taschenuniversen tritt jedoch auf, wenn sich zwei Taschenuniversen nahe genug beieinander bilden. Die Erweiterung des Raums zwischen ihnen wird nicht ausreichen, um sie voneinander zu trennen, und sie werden kollidieren. Wie oft dies passiert, ist eine äußerst schwierige Frage, auf die niemand die Antwort kennt. Es gibt mindestens einen Artikel einer Gruppe von Astronomen, die in der Vergangenheit nach möglichen Anzeichen für eine Kollision von Universen gesucht haben. Sie fanden nichts Bestimmtes. Aber darüber müssen Sie nachdenken, und darüber denken die Leute nach. Die Veröffentlichungen enthalten tatsächlich viel Arbeit über die Kollisionen von Universen.

STUDENT: Als Sie „langlebig“ sagten, welche Zeit meinten Sie damit?

LEHRER: Ich habe das Wort "langlebig" in mindestens zwei Zusammenhängen verwendet. Ich sprach von einem langlebigen metastabilen Vakuum. Mit langlebig meinte ich hier ein langes im Vergleich zum Zeitalter unseres Universums seit dem Urknall. Hier bedeutet lang lang im Vergleich zu 10 ¹⁰ Jahren.

Ich sagte auch, wenn die Vakuumenergie des Universums groß und negativ wäre, würde das Universum sehr schnell zusammenbrechen. Dies kann in 10 bis ²⁰ Sekunden geschehen. Dies kann sehr schnell geschehen, je nachdem wie groß die kosmologische Konstante ist.

STUDENT: Ich habe gelesen, dass es einen solchen Effekt gibt, wenn verschiedene Beobachter das Vakuum auf unterschiedliche Weise sehen können. Wenn beispielsweise ein Beobachter in einem Trägheitssystem ein Vakuum sieht, sieht ein anderer Beobachter, der relativ zu diesem Beobachter beschleunigt, Partikel, ein warmes Gas. Inwieweit beobachten wir diesen Effekt aufgrund der Tatsache, dass sich das Universum schnell ausdehnt und wir möglicherweise in Bezug auf ein bestimmtes Vakuum beschleunigen?

LEHRER: Sie haben es tatsächlich mit einem sehr kontroversen Thema zu tun. Sie sagten, Sie hätten gehört, dass, wenn Sie einen beschleunigenden Beobachter nehmen, der sich durch ein Vakuum bewegt, dieser beschleunigende Beobachter etwas anderes als ein Vakuum sehen würde. Er würde Teilchen sehen, die aussehen, als hätten sie eine Temperatur, die berechnet werden kann und die durch Beschleunigung bestimmt wird.

Die Frage ist, was von dem, was wir sehen, wirklich in der Realität existiert und was durch unsere eigene Bewegung verursacht wird. Ich kenne die genaue Antwort auf diese Frage nicht. Aber wenn solche Fragen auftauchen, glauben wir normalerweise, dass ein Beobachter, der sich frei bewegt, tatsächlich einen Beobachter bedeutet, der sich frei in einem Gravitationsfeld bewegt, oder wie ein geodätischer Beobachter manchmal sagt. Ein solcher Beobachter bestimmt im Wesentlichen, was man Realität nennen kann. Dann können wir berechnen, was beschleunigende Beobachter in Bezug auf diese Realität sehen.

Wir sind praktisch geodätische Beobachter. Die Erde drückt auf uns, was unsere Trägheit leicht verletzt. Aber auf einer kosmischen Skala, in der alles mit der Lichtgeschwindigkeit verglichen wird, sind wir im Wesentlichen träge oder geodätische Beobachter.

STUDENT: Ich habe eine philosophische Frage. Wir können andere Universen nicht beobachten. Nehmen wir an, wir haben eine Theorie wie die Inflation, die viele Vorhersagen macht. Und sie sagt auch die Existenz des Multiversums voraus. Wir können jedoch nicht empirisch überprüfen, ob dies zutrifft oder nicht. Höchstwahrscheinlich werden wir nie eine Antwort erhalten. Wenn wir strenge Empiriker sein wollen, lohnt es sich überhaupt, uns mit diesem Thema zu befassen?

LEHRER: Dies wird auch in der wissenschaftlichen Gemeinschaft diskutiert, und die Menschen akzeptieren beide Standpunkte. Es gibt einen Standpunkt, zu dem ich geneigt bin, dass nicht unbedingt jeder Aspekt unserer Theorien getestet werden kann. Wenn Sie eine Theorie, sogar die Newtonsche Schwerkraft, nehmen, können Sie sich die Konsequenzen der Newtonschen Schwerkraft vorstellen, die noch niemand getestet hat.

Daher denke ich, dass wir in der Praxis Theorien akzeptieren sollten, die genug von den von uns getesteten Vorhersagen gemacht haben, damit die Theorie überzeugend wird. In diesem Fall müssen wir gleichzeitig die Konsequenzen der Theorie ernst nehmen, die nicht direkt verifiziert werden können.

Wie bei anderen Taschenuniversen. Obwohl es unwahrscheinlich, sehr unwahrscheinlich, äußerst unwahrscheinlich ist, dass wir jemals direkte Beobachtungsnachweise für die Existenz eines anderen Taschenuniversums finden werden, ist dies theoretisch nicht unmöglich, da Taschenuniversen im Prinzip kollidieren können. So können wir im Prinzip Beweise dafür finden, dass unser Universum in der Vergangenheit Kontakt mit einem anderen Taschenuniversum hatte.

STUDENT: Was bestimmt die Stabilität eines bestimmten Vakuumzustands? Sind Staubsauger mit höherer Energie weniger stabil als Staubsauger mit niedriger Energie?

LEHRER: Soweit ich weiß, besteht tatsächlich die Tendenz, dass Hochenergie-Staubsauger weniger stabil und Niedrigenergie-Staubsauger stabiler sind. Aber es ist nicht so einfach. Es gibt viele Parameter unabhängig von der Energiedichte.

STUDENT: Wenn unser Universum im Verhältnis zum Durchschnitt eine so geringe Energiedichte hat, bedeutet dies, dass es auch viel langlebiger ist als der Durchschnitt?

LEHRER: Ich denke schon. Dies ändert jedoch nichts an dem Bild des Schweizer Käses, das ich für unsere endgültige Zukunft beschrieben habe. Es ändert nur die Abklingrate. Aber da die Zukunft des Taschenuniversums, wenn dieses Bild wahr ist, unendlich sein wird, werden Zerfälle auftreten, egal wie gering die Wahrscheinlichkeit ist. Tatsächlich wird eine unendliche Anzahl von Zerfällen auftreten.

Wir müssen weitermachen, auch wenn es noch Fragen gibt. Wir haben noch ein ganzes Semester vor uns, um all dies zu besprechen.

Wir beginnen den Kurs also mit der Erörterung des Hubble-Gesetzes, obwohl das Hubble-Gesetz uns schnell zu der Frage der Doppler-Voreingenommenheit führen wird, über die ich hauptsächlich bis zum Ende des heutigen Tages und den größten Teil der nächsten Vorlesung sprechen werde. Das Hubble-Gesetz ist eine einfache Gleichung v = H ∙ r , wobei v die Entfernungsrate einer typischen Galaxie ist.

Hubbles Gesetz ist kein genaues Gesetz, einzelne Galaxien weichen vom Hubble-Gesetz ab. Im Prinzip besagt das Hubble-Gesetz jedoch, wie schnell sich eine Galaxie entfernt, zumindest mit angemessener Genauigkeit. H wird oft als Hubble-Konstante bezeichnet. Es wird manchmal als Hubble-Parameter bezeichnet.

Das Problem mit dem Namen "Hubble-Konstante" ist, dass es zu Lebzeiten des Universums keine Konstante ist. Es ist während des gesamten Lebens des Astronomen konstant, aber nicht während des gesamten Lebens des Universums konstant. Wir werden hauptsächlich über Universen sprechen, nicht über Astronomen. Selbst in unserer Geschichte ist dies keine Konstante, da sich die Schätzung der Hubble-Konstante seit der anfänglichen Hubble-Schätzung etwa zehnmal geändert hat.

r in der Gleichung ist die Entfernung zur Galaxie. Wenn Sie sich die Vorlesungsunterlagen vor zwei Jahren ansehen, beginnen sie mit der Tatsache, dass das Hubble-Gesetz 1929 von Hubble entdeckt wurde. Als ich dieses Jahr anfing, meine Notizen zu überarbeiten, stellte ich fest, dass ich gehört hatte, dass diese Aussage umstritten war. Fast alles in der Kosmologie ist umstritten, und selbst diese Aussage ist umstritten.

Es wird angenommen, dass Lemeter und nicht Hubble die Ehre verdient, das Hubble-Gesetz zu entdecken. Es gibt einige Gründe für diese Aussage. Einige Historiker sind Amateure, es scheint mir, dass sie oft in der Presse erwähnt werden. Sie sagen, dass wir über die Werke von Lemaitre hauptsächlich aus der Übersetzung wissen, die 1931 von seinem Werk im Jahr 1927 angefertigt wurde, wo er über die Grundlagen der Kosmologie schrieb.

Es stellte sich heraus, dass anscheinend einige wichtige Punkte aus dem französischen Artikel von 1927, Punkte über die Hubble-Konstante, aus irgendeinem Grund nicht in die englische Übersetzung von 1931 fielen. Für eine Weile schien es ein schmutziges Spiel zu sein, es gab Vorwürfe, dass Hubble oder Hubbles Freunde diese Punkte bei der Übersetzung des Artikels nicht berücksichtigt hätten.

Es stimmt, es wurde schließlich vor ein paar Jahren von einem Physiker namens Mario Livio gefunden, der die Archive monatlicher astronomischer Briefe studierte. Es stellte sich heraus, dass Lemeter selbst diese Punkte entfernt hatte.

Die Absätze gaben hauptsächlich eine numerische Schätzung der Hubble-Konstante an, aber bis 1931 war der Hubble-Artikel bereits veröffentlicht worden. Lemeter verstand, dass es in seinem Artikel nur eine weniger genaue Schätzung des gleichen Wertes gab, den Hubble angegeben hatte, und schnitt ihn daher aus seiner Übersetzung heraus. Es ist jedoch wahr, dass Lemeter das Hubble-Gesetz aus theoretischen Überlegungen kannte, da Lemeter ein Modell eines expandierenden Universums baute.

Ich weiß nicht, ob er wirklich der erste war, der erkannte, dass das expandierende Modell des Universums zu einer linearen Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Entfernung führt, aber natürlich wusste er davon, verstand das Hubble-Gesetz und gab eine Schätzung basierend auf Beobachtungsdaten. Er versuchte jedoch nicht, Beobachtungsdaten zu verwenden, um zu zeigen, dass es eine lineare Beziehung gibt. In den nicht übersetzten Absätzen betrachtete Lemeter einfach eine große Gruppe von Galaxien, berechnete den Durchschnittswert für v , den Durchschnittswert für r und bestimmte H durch Teilen der beiden Durchschnittswerte. Aber er gab zu, dass es tatsächlich nicht genug gute Daten gab, um zu sagen, ob die Beziehung linear ist.

Ich denke, es ist fair zu sagen, dass Hubble die Person ist, die das Argument wirklich vorgebracht hat, zunächst eher schwach, aber dann im Laufe der Zeit immer überzeugender, dass es astronomische Beweise für eine lineare Beziehung zwischen Geschwindigkeit und Entfernung gibt. Das Gesetz wird also höchstwahrscheinlich weiterhin als Hubble-Gesetz bezeichnet. Wenn Sie sich ansehen, wie es auf Wikipedia heißt, werden Sie feststellen, dass beide Optionen im Moment akzeptabel sind, aber Wikipedia-Artikel ändern sich schnell, sodass wir sehen werden, was sie nächstes Jahr schreibt. Auch sollten wir wahrscheinlich stolz auf Lemeter sein. Es wird oft geschrieben, dass Lemeter ein belgischer Priester war, aber er war auch Student am MIT. Er promovierte in Philosophie am MIT, das er 1927 erhielt.

Sie können seine Dissertation lesen. Als ich mein Buch schrieb, erinnere ich mich, wie ich zum MIT-Archiv ging, seine Dissertation nahm und sie las. In der Tat ist es nicht sehr einfach zu schreiben, aber interessant. Obwohl er am MIT promovierte, stellte sich heraus, dass er den größten Teil seiner Arbeit am Harvard College Observatory erledigte. Aber das Harvard College Observatory gab zu dieser Zeit keine Abschlüsse. Es war nur ein Observatorium. Er wollte einen Abschluss machen, also schrieb er sich am MIT ein, schrieb eine Dissertation und promovierte. D. D.

Hubbles Gesetz ist ein Hinweis darauf, dass sich das Universum ausdehnt. Einstein schlug ursprünglich ein Modell des Universums vor, das statisch war. Und es war Hubble, der Einstein davon überzeugte, dass das Universum laut Beobachtungen nicht statisch ist, sondern seinem Expansionsgesetz gehorcht.

Dies schuf die Theorie eines expandierenden Universums. Heute möchte ich darüber sprechen, wie man v , Geschwindigkeit in Hubbles Gesetz misst. Es gibt auch viele Diskussionen darüber, wie man r , Abstand misst. Ich denke, das ist im Buch von Steve Weinberg ziemlich gut beschrieben. Ich möchte Ihnen eine unabhängige Studie über Steve Weinbergs Buch geben, um herauszufinden, wie Entfernungen zu entfernten Galaxien geschätzt werden. Grob gesagt werden sie geschätzt, indem Objekte in fernen Galaxien gefunden werden, deren Helligkeit, wie Sie denken, auf die eine oder andere Weise bekannt ist.

Die Schwierigkeit besteht darin zu verstehen, für welche Objekte wir sicher sind, dass wir ihre Helligkeit kennen. Für solche Objekte gibt es einen gebräuchlichen Namen - Standardkerzen. Eine Standardkerze ist ein Objekt, dessen Helligkeit wir kennen. Sobald wir ein Objekt finden, dessen Helligkeit, wie es uns scheint, wir wissen, können wir feststellen, wie weit sich das Objekt befindet, indem wir messen, wie hell es aussieht. Dies ist eine sehr einfache Methode, um Entfernungen zu schätzen, und dies ist die einzige Möglichkeit, Entfernungen zu entfernten Galaxien zu schätzen. Dies ist eigentlich ein viel komplexeres Thema, das Sie in Weinbergs Buch lesen können.

Doppler-Verschiebung
Die Geschwindigkeit der Entfernung von Galaxien wird mithilfe der Doppler-Verschiebung gemessen. Ich werde in den verbleibenden Minuten der heutigen Vorlesung darüber sprechen. In den nächsten Vorlesungen wollen wir untersuchen, wie die Doppler-Verschiebung in nichtrelativistischen und relativistischen Fällen berechnet wird. Wir werden die einfachsten Fälle untersuchen: Wenn der Beobachter bewegungslos ist und sich die Quelle in einer geraden Linie bewegt; Die Quelle ist stationär und der Beobachter bewegt sich.

Ich werde mit der Option beginnen, wenn der Beobachter bewegungslos ist und sich die Quelle bewegt, was wir normalerweise bei entfernten Galaxien berücksichtigen. Wir befinden uns in unserem eigenen Bezugsrahmen, sind also bewegungslos und die Galaxie bewegt sich. Wir müssen die Rotverschiebung berechnen.Ich muss Ihnen jedoch sagen, dass sich die kosmologische Rotverschiebung tatsächlich ein wenig von dem unterscheidet, was wir in dieser und der nächsten Vorlesung berechnen werden.

In den kommenden Vorlesungen werden wir die Rotverschiebung in der speziellen Relativitätstheorie berechnen. Die Kosmologie unterliegt jedoch nicht der speziellen Relativitätstheorie, da die spezielle Relativitätstheorie die Schwerkraft nicht beschreibt und die Schwerkraft eine wichtige Rolle in der Kosmologie spielt. Wir werden etwas später über die kosmologische Rotverschiebung sprechen. Im Moment ignorieren wir wie Hubble die Schwerkraft, was für nahegelegene Sterne normal ist. Je weiter sie entfernt sind, desto wichtiger ist der Gravitationseinfluss. Wenn Sie die Schwerkraft ignorieren, können Sie einfach die spezielle Relativitätstheorie oder sogar die Newtonsche Kinematik verwenden, um die Beziehung zwischen zu berechnen

Das frühe Universum 2. Inflationskosmologie: Ist unser Universum ein Teil des Multiversums? Teil 2

More articles: