Die Idee der Singularität vor dem Urknall ist veraltet

Eine Illustration unserer kosmischen Geschichte vom Urknall bis zur Gegenwart im Kontext eines expandierenden Universums. Dem Urknall ging ein Zustand kosmischer Inflation voraus, aber die Vorstellung, dass eine Singularität existieren musste, bevor dies geschah, war schrecklich veraltet.

Fast jeder hat vom Urknall gehört. Wenn Sie jedoch verschiedene Personen, von gewöhnlichen Menschen bis hin zu Kosmologen, bitten, den Satz zu beenden: „Am Anfang war es ...“, erhalten Sie viele verschiedene Antworten. Eine der häufigsten ist die "Singularität", dh der Moment, in dem alle Materie und Energie des Universums an einem Punkt konzentriert sind. Temperatur, Dichte und Energie wären willkürlich und unendlich groß, und dies könnte mit der Entstehung von Raum und Zeit selbst zusammenfallen.

Aber dieses Bild ist nicht nur falsch, es ist schon 40 Jahre alt, wie alt! Wir sind absolut sicher, dass mit dem heißen Urknall keine Singularität verbunden war und Raum und Zeit möglicherweise überhaupt keinen Moment des Ursprungs haben. Das wissen wir und von wo.


Die astronomische Beobachtung von GOODS-North mit dem Hubble-Teleskop ermöglichte es, einige der entferntesten Galaxien zu untersuchen, die wir je gesehen haben, von denen sich viele für uns bereits in unerreichbarer Entfernung befinden. Wenn wir weiter und weiter schauen, stellen wir fest, dass sich die entferntesten Galaxien dank der Expansion des Universums immer schneller von uns entfernen.

Das heutige Universum ist voller Galaxien in alle Richtungen und in unterschiedlichen Entfernungen. Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller bewegt sie sich im Durchschnitt von uns weg. Dies ist nicht auf die tatsächliche Bewegung von Galaxien in ihrem lokalen Raum zurückzuführen; alle Schuld an der Ausdehnung des Raumgefüges.

Eine solche Vorhersage war eines der ungewöhnlichen Ergebnisse des sowjetischen Physikers Alexander Fridman aus der Allgemeinen Relativitätstheorie von 1922, die später in den Beobachtungen von Edwin Hubble und anderen Wissenschaftlern in den 1920er Jahren bestätigt wurde. Dies bedeutet, dass sich die Materie des Universums mit der Zeit zerstreut und weniger dicht wird, wenn das Volumen des Universums zunimmt. Dies bedeutet auch, dass das Universum in der Vergangenheit dichter, heißer und homogener war.


Durch Extrapolation der Entwicklung kommen wir zu den früheren heißeren und dichteren Zuständen. Führt all dies zu einer Singularität, in der die Gesetze der Physik aufhören zu wirken?

Wenn Sie die Entwicklung in der Zeit extrapolieren, werden Sie einige wichtige Veränderungen im Universum bemerken. Insbesondere:

• Sie werden in einer Zeit ankommen, in der die Schwerkraft keine Zeit hatte, ausreichend große Materieklumpen für das Erscheinen von Sternen und Galaxien zu bilden.
• Dann kommen Sie dort an, wo das Universum so heiß war, dass Sie keine neutralen Atome bilden konnten.
• Dann wird es einen Zustand geben, in dem sogar die Atomkerne in Teile geteilt werden.
• Dann - wo die Partikelpaare der Antimaterie-Materie spontan erscheinen.
• Dann - wo einzelne Protonen und Neutronen in Quarks und Gluonen zerfallen.

In der Physik bricht die gewöhnliche Physik zusammen, einschließlich des Augenblicks vom Anfang des Universums. Das Erreichen eines willkürlich heißen und dichten Zustands hat jedoch Konsequenzen, von denen viele nicht durch Beobachtungen bestätigt werden.

Jeder Schritt repräsentiert das Universum immer junger, kleiner, dichter und heißer. Wenn wir die Extrapolation fortsetzen, werden wir sehen, dass Dichte und Temperatur zu unendlichen Werten ansteigen, zu einer Zeit, als die gesamte Materie und Energie des Universums an einem Punkt enthalten war: in einer Singularität. Der heiße Urknall war, wie ursprünglich an ihn gedacht, nicht nur ein heißer, dichter und expandierender Zustand, sondern auch der Moment, in dem alle Gesetze der Physik aufhörten zu wirken. Es war die Geburt von Raum und Zeit, eine Möglichkeit, das gesamte Universum plötzlich aus dem Nichts erscheinen zu lassen. Dies war der ursprüngliche Schöpfungsakt: die mit dem Urknall verbundene Singularität.


Die Sterne und Galaxien, die wir heute sehen, existierten nicht immer. Je weiter wir in der Zeit zurückgehen, desto näher kommt das Universum einer Singularität - aber die Extrapolation hat ihre Grenzen.

Wenn jedoch alles genau das wäre und das Universum in der Vergangenheit willkürlich hohe Temperaturen hätte, hätte ein solcher Zustand mehrere offensichtliche Anzeichen, die heute beobachtet werden könnten. Im Restglühen des Urknalls würden Temperaturschwankungen mit enormen Amplituden auftreten. Die für uns sichtbaren Schwankungen wären durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt, sie würden nur in Maßstäben auftreten, die nicht größer als der kosmische Horizont sind . Relikte des Hochenergieraums wie magnetische Monopole sollten erhalten geblieben sein.

Und doch überschreiten die Temperaturschwankungen nicht 1/30 000, was tausendfach weniger ist, als der singuläre Urknall vorhersagt. Es gibt Schwankungen, die über den Horizont hinausgehen, was von den Satelliten WMAP und Planck zuverlässig bestätigt wird. Und die Einschränkungen für die Existenz magnetischer Monopole und anderer ultrahochenergetischer Relikte sind extrem stark. Das Fehlen von Anzeichen ihrer Anwesenheit hat schwerwiegende Folgen: Im Universum gab es nie willkürlich hohe Temperaturen.


Die Schwankungen der CMB-Strahlung sind so gering und so charakteristisch, dass sie definitiv darauf hindeuten, dass zu Beginn des Universums überall die gleiche Temperatur herrschte. Die Größe der Schwankungen von 1 / 30.000 entspricht überhaupt nicht dem Urknall beliebiger Temperatur.

Es muss eine Art Grenze geben. Wir können nicht willkürlich weit zurück zu einem heißen und dichten Zustand mit einer willkürlich hohen Temperatur extrapolieren. Es gibt eine Einschränkung, wie weit wir gehen können und gleichzeitig unser Universum richtig beschreiben. In den frühen 1980er Jahren tauchte die Theorie auf, dass unser Universum, bevor es heiß, dicht, expandierend, kühlend und mit Materie und Strahlung gefüllt war, einen Inflationszustand erlebte. Das Vorhandensein der kosmischen Inflationsphase hätte bedeuten müssen, dass das Universum:

• wurde mit inhärenter Raumenergie gefüllt
• was zu einem schnellen, exponentiellen Wachstum führt,
• was das Universum in einen flachen Zustand streckte,
• gab ihr überall die gleichen Eigenschaften
• mit Quantenfluktuationen kleiner Amplitude,
• Ausdehnung auf alle Skalen (sogar über den Horizont hinaus),
• und dann endete die Inflation.

Durch die Inflation dehnt sich der Raum exponentiell aus, was schnell dazu führen kann, dass der anfänglich gekrümmte oder nicht glatte Raum flach erscheint. Selbst wenn das Universum gekrümmt ist, ist der Radius seiner Krümmung mindestens hundertmal größer als das, was wir erkennen können.

Wenn die Inflation endet, wandelt sie die diesem Raum innewohnende Energie in Materie und Strahlung um, wodurch der heiße Urknall entsteht. Dies führt jedoch nicht zu einem willkürlich heißen Urknall - nur zu einem, der eine maximale Temperatur erreicht, die hunderte Male niedriger ist als die Temperatur, die eine Singularität erzeugen kann. Mit anderen Worten, es führt zu einem heißen Urknall, der sich aus dem Inflationszustand und nicht aus der Singularität ergibt.

Die in unserem beobachtbaren Teil des Universums vorhandenen Informationen, die wir dank des Zugriffs darauf messen können, entsprechen nur den letzten 10 bis ³³ Sekunden der Inflation und allem, was danach geschah. Wenn Sie fragen möchten, wie lange die Inflation gedauert hat, haben wir keine Ahnung davon. Es dauerte mindestens etwas länger als 10 bis ³³ Sekunden, aber ob es etwas länger dauerte, viel länger oder unendlich lange dauerte - es ist nicht nur unbekannt, es kann im Grunde nicht erkannt werden.


Die kosmische Geschichte des berühmten Universums zeigt, dass der Ursprung aller Materie und des gesamten Lichts darin auf das Ende der Inflation und den Beginn des heißen Urknalls zurückzuführen ist. Seitdem sind 13,8 Milliarden Jahre der kosmischen Evolution vergangen. Dieses Bild der Entwicklung wird von den meisten Quellen bestätigt.

Was hat die Inflation verursacht? Zu diesem Thema wird viel geforscht und diskutiert, aber niemand weiß es. Es gibt keine Beweise, auf die man sich verlassen könnte, keine Beobachtungen, die gemacht werden könnten, keine Experimente, die gemacht werden könnten. Einige Leute machen falsche Aussagen wie:

Wir hatten eine Theorie der Urknall-Singularität, die zu einem heißen, dichten, expandierenden Universum führte, bevor wir etwas über Inflation erfuhren. Inflation ist nur eine Zwischenstufe. Daher erhalten wir Folgendes: Singularität, Inflation, heißer Urknall.

Es gibt viele Grafiken und Bilder, die von führenden Kosmologen erstellt wurden, um dieses Szenario zu veranschaulichen. Das heißt aber nicht, dass er treu ist.


Darstellung von Dichteschwankungen (Skalar) und Gravitationswellen (Tensor), die am Ende der Inflation auftraten. Die Annahme der Existenz einer Singularität vor der Inflation ist nicht unbedingt wahr.

Es gibt sehr gute Gründe zu glauben, dass dies nicht so ist! Wir können mathematisch die Unmöglichkeit der Entstehung eines Inflationszustands aus einer Singularität demonstrieren. Und hier ist der Grund: Der Weltraum wächst während der Inflation exponentiell. Stellen Sie sich vor, wie ein Exponent funktioniert: Nach einer bestimmten Zeit verdoppelt das Universum seine Größe. Es vergeht zweimal mehr Zeit, es wird sich zweimal verdoppeln, das heißt, es wird viermal länger. Warten Sie drei solcher Zeiträume, und es wird sich dreimal verdoppeln, das heißt, es wird achtmal größer. Warten Sie 10 oder 100 solcher Zeiträume, und diese Verdopplungen machen das Universum 2 ¹⁰ oder 2 ^100- mal größer.

Das heißt, wenn wir für denselben Zeitraum oder zwei, drei oder zehn oder 100 Mal größer in die Vergangenheit zurückkehren, wird das Universum immer kleiner, aber es wird niemals Null erreichen. Sie wird jeweils ein halbes Viertel, 1/8, 2 ^-10 , 2 ^-100 der ursprünglichen Größe sein. Aber egal wie weit wir in der Zeit gehen, wir werden niemals zu einer Singularität kommen.


Die blauen und roten Linien sind das traditionelle Urknall-Szenario, bei dem alles zum Zeitpunkt t = 0 beginnt, einschließlich der Raumzeit selbst. Im Inflationsszenario (gelb) kommen wir nie zu einer Singularität, in der der Raum einen singulären Zustand annimmt. Es kann in der Vergangenheit willkürlich klein werden und die Zeit geht für immer weiter. Die Bedingung für das Fehlen von Hawking-Hartle-Grenzen und das Bord-Gut-Vilenkin-Theorem versuchen, die Dauer dieses Zustands zu bestimmen, können jedoch nicht als endgültig bezeichnet werden.

Unter Kosmologen ist ein Satz bekannt, der die Unvollständigkeit des vergangenen Inflationszustands zeigt. Dies bedeutet, dass alle Teilchen, die im Universum existieren und eine Inflation erfahren, sich früher oder später bei einer Extrapolation in der Zeit treffen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Singularität notwendigerweise existierte - nur die Inflation beschreibt nicht alles, was in der Geschichte des Universums passiert ist, zum Beispiel seine Geburt. Wir wissen auch, dass Inflation nicht aus einem singulären Zustand hervorgehen kann, da der Abschnitt, in dem Inflation auftritt, immer von einer endlichen Größe ausgehen sollte.


Schwankungen der Raum-Zeit auf einer Quantenskala während der Inflation erstrecken sich über das gesamte Universum und führen zu Unvollkommenheiten in der Dichte und den Gravitationswellen. Ob die Inflation aus einer Singularität entstanden ist oder nicht, wissen wir nicht.

Jedes Mal, wenn Sie ein Diagramm, einen Artikel oder eine Geschichte über die „Urknall-Singularität“ oder eine andere Singularität sehen, die vor der Inflation existierte, wissen Sie, dass Sie es mit veraltetem Denken zu tun haben. Die Idee der Singularität des Urknalls verlor ihre Relevanz, sobald wir erkannten, dass es vor dem heißen und dichten Zustand des Urknalls einen anderen Zustand gab - die kosmische Inflation -, der den Urknall vorbereitete und auslöste. Zu Beginn von Raum und Zeit könnte es vielleicht eine Singularität geben, aus der die Inflation hervorgegangen ist - aber es gibt keine Garantien. Es gibt Dinge in der Wissenschaft, die überprüft, gemessen, vorhergesagt, bestätigt oder widerlegt werden können - zum Beispiel die Inflation, die den heißen Urknall ausgelöst hat. Alles andere ist nichts anderes als müßige Spekulation.

Und dies ist die letzte Habré-Übersetzung eines Artikels von Ethan Siegel (und im Prinzip eines Artikels über Kosmologie), da beschlossen wurde, sich auf das Thema der Ressource Entwicklung und IT zu konzentrieren.