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Warum war der Urknall keine Explosion? - Der Urknall: Die Ausdehnung des Raumes selbst | Fakten zum Einschlafen - Das Universum · Fakten zum Einschlafen – Das Universum

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Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum.
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Das verbreitete Bild vom Urknall als gewaltige
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Explosion im leeren Raum ist grundlegend falsch.
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Das Universum begann nicht mit einem Lichtblitz,
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der von einem zentralen Punkt in eine bereits
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bestehende Dunkelheit hinausströmte. Vielmehr
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war der Urknall die Ausdehnung des Raumes selbst.
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Diese Episode zeichnet die Geschichte des Kosmos
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nach, von einer Phase unendlicher Dichte, in
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der unsere bekannten physikalischen Gesetze ihre
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Gültigkeit verlieren, bis hin zur Entstehung
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der ersten Atome. Wir betrachten die kosmische
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Inflation, die den Raum in einem winzigen Bruchteil
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einer Sekunde um ein Vielfaches streckte und
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die Aufspaltung der ursprünglichen Superkraft
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in die vier Grundkräfte, die heute unsere Welt
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formen. Dabei wird deutlich, wie aus reinen Energiefluktuationen
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die Bausteine für Sterne, Planeten und letztlich
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für uns selbst entstanden. Ich wollte verstehen,
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warum das Universum, das wir beobachten, so erstaunlich
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gleichförmig ist und kehrte bei der Recherche
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immer wieder zur Inflation und der kosmischen
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Hintergrundstrahlung zurück. Es fasziniert mich,
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dass das leise Rauschen auf einem alten Fernseher
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tatsächlich ein sichtbares Echo jener Zeit ist,
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als der Kosmos zum ersten Mal durchsichtig wurde.
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Diese Episode lädt Sie dazu ein, die ersten Sekunden
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der Existenz nachzuvollziehen und zu begreifen,
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wie eng unsere eigene materielle Existenz mit
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den extremen Bedingungen des frühen Universums
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verwoben ist. war keine Explosion im Raum, sondern
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die Ausdehnung des Raumes selbst. Und diese eine
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Korrektur öffnet die Tür zu einer Geschichte,
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die seltsamer ist als jede Fiktion. Eine Geschichte,
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in der das Universum von kleiner als ein Atom
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zu größer als eine Galaxie anwuchs. In weniger
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Zeit als ein Photon braucht, um ein Proton zu
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durchqueren. Es gibt ein verbreitetes Bild, das
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die meisten von uns in sich tragen, ob wir uns
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dessen bewusst sind oder nicht. Es ist das Bild
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einer Explosion. Ein Lichtblitz, ein Energieschub,
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der von einem zentralen Punkt nach außen in die
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Dunkelheit strömt, die bereits da war. So hat
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man uns beigebracht, uns den Anfang von allem
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vorzustellen, das Ereignis, das wir den Urknall
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nennen. so vertraut es auch ist, enthält ein
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grundlegendes Missverständnis. Der Urknall war
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keine Explosion im Raum. Er war kein Ausströmen
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von Materie in eine leere Dunkelheit. Er war
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etwas Seltsameres, etwas, das weitaus schwieriger
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zu fassen, aber einmal begriffen, weitaus erhellender
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ist. Er war die Ausdehnung des Raumes selbst.
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Um zu verstehen, was das bedeutet, müssen wir
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zuerst die Vorstellung von einem Ort aufgeben,
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an dem es geschah. Es gab keinen Ort. Es gab
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kein Zentrum, von dem aus alles davonraste. Der
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Raum, den wir bewohnen, der Raum zwischen den
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Galaxien, zwischen den Sternen, zwischen den
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Atomen in deiner Hand, dieser Raum selbst, begann
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zu wachsen. Überall. Gleichzeitig. Und weil es
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vor diesem Raum keinen Raum gab, gab es auch
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keine Zeit in dem Sinne, wie wir sie verstehen.
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Kein Davor, keine umgebende Leere, nur der Beginn
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der Ausdehnung selbst. Hier beginnt unsere Geschichte
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nicht mit einem Knall, sondern mit einer stillen
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Unmöglichkeit. Einem Zustand, den Physiker die
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Singularität nennen. Es ist ein Begriff, Der
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präzise klingt fast mathematisch, und das ist
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er auch. Aber was er beschreibt, ist ein Zustand,
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in dem unser Verständnis an seine Grenze stößt.
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Unendliche Dichte. Unendliche Temperatur. Ein
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Punkt, wenn wir ihn überhaupt so nennen können,
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an dem die bekannten Gesetze der Physik schlicht
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aufhören zu funktionieren. Nicht, weil wir nicht
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sorgfältig genug gemessen hätten, sondern weil
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die Werkzeuge der Physik selbst in diesem Bereich
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zusammenbrechen. Die Singularität ist kein Ding
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im Raum. Sie ist kein Ort, zu dem man prinzipiell
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reisen könnte. Sie ist die Grenze dessen, was
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wir beschreiben können, der Hand unserer theoretischen
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Reichweite. Und doch trat aus diesem unbegreiflichen
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Zustand etwas hervor. Nicht allmählich. Nicht
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durch einen Prozess, den wir uns im gewöhnlichen
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Sinne als Ursache und Wirkung vorstellen können,
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sondern in einer Abfolge von Phasen, die so rasend
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schnell abliefen, dass die erste Sekunde des
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Daseins mehr Verwandlung enthielt als die 13
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Milliarden Jahre, die folgten. Die erste dieser
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Phasen wird Planck -Ära genannt, benannt nach
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dem Physiker Max Planck, der als erster die fundamentalen
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Skalen identifizierte, bei denen unsere gegenwärtige
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Physik etwas tieferen Weichen muss. Diese Ära
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dauert ein unvorstellbar kurzes Intervall, ungefähr
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10 hoch minus 43 Sekunden. Das ist ein Dezimalpunkt,
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gefolgt von 42 Nullem. Und dann eine Eins. Dies
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einen Bruchteil einer Sekunde zu nennen, ist
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fast irreführend. Es ist eine Zeitskala, die
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so weit von menschlicher Erfahrung entfernt ist,
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dass unsere Sprache Mühe hat, sie zu fassen.
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In diesem ersten Moment gilt etwas Bemerkenswertes
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für die Kräfte, die unsere Welt formen. Heute
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kennen wir vier fundamentale Kräfte. Die Gravitation,
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die Planeten in ihren Bahnen hält und die großräumige
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Struktur des Kosmos bestimmt. Den Elektromagnetismus
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der Elektronen an Atomkerne bindet, Chemie ermöglicht
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und Licht durch das Universum trägt. Die starke
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Kernkraft, die Quarks zu Protonen und Neutronen
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zusammenschließt und diese wiederum zu Atomkernen
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verbindet. Und die schwache Kernkraft, verantwortlich
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für bestimmte Formen des radioaktiven Zerfalls
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und für die Prozesse, die die Sonne antreiben.
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Diese vier Kräfte erscheinen in unserer Alltagserfahrung
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völlig verschieden. Die Gravitation beherrscht
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den astronomischen Bereich, der Elektromagnetismus
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den atomaren und molekularen, die starke Kraft
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das Innere der Atomkerne. Sie wirken mit unterschiedlichen
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Stärken, über unterschiedliche Reichweiten, durch
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unterschiedliche Mechanismen. Doch in der Pankara
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waren sie nicht verschieden. Sie waren eins.
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Eine einzige Superkraft vereinheitlicht auf eine
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Weise, die wir mathematisch beschreiben, aber
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kaum erahnen können. Die Gleichungen sagen uns,
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dass bei ausreichender Temperatur und Dichte
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die Unterschiede zwischen diesen Kräften verschwinden.
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Ihre getrennten Identitäten lösen sich in eine
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einzige, fundamentalere Wechselwirkung auf. Diese
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Vereinheitlichung ist keine bloße Spekulation.
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Wir haben experimentelle Belege dafür, wenn auch
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nicht direkt vom Urknall. Teilchenbeschleuniger
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können Bedingungen nachstellen, die etwas später
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existierten, als drei der vier Kräfte noch vereinheitlicht
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waren. Und das Verhalten der Teilchen. unter
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diesen Bedingungen stimmt mit den Vorhersagen
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vereinheitlichter Theorien überein. Die vollständige
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Vereinheitlichung aller vier Kräfte, einschließlich
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der Gravitation, bleibt jenseits unserer gegenwärtigen
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experimentellen Reichweite und theoretischen
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Gewissheit. Aber das Muster ist klar. Je tiefer
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wir in das frühe Universum blicken, desto mehr
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löst sich die scheinbare Komplexität der Natur
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in eine zugrunde liegende Einfachheit auf. Die
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Temperatur des Universums in dieser Planck -Ära
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wird auf 10 hoch 32 Kelvin geschätzt. Zahlen
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wie diese werden bedeutungslos, wenn wir sie
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einfach herunterbeten. Bedenke stattdessen, dass
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das Zentrum unserer Sonne heiß genug, um Kernfusion
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aufrecht zu erhalten, etwa 15 Millionen Kelvin
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hat. Die Temperatur der Planck -Ära übertrifft
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dies um einen Faktor von 10 hoch 25. Es gibt
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keinen vertrauten Bezugspunkt für solche Hitze.
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Es ist eine Temperatur, bei der Energie selbst
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zum beherrschenden Bestandteil der Wirklichkeit
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wird. Bei dieser Temperatur verliert die Unterscheidung
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zwischen Materie und Energie, so entscheidend
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für unser Verständnis der Welt, ihre Schärfe.
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Aber hier ist, was diese Ära wirklich fremdartig
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macht, jenseits der schieren Größe ihrer Zahlen.
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Bei dieser Temperatur und Dichte beginnt sich
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das Konzept der Temperatur selbst aufzulösen.
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Wir sind es gewohnt, Temperatur als Bewegung
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zu denken, als Teilchen, die mit mehr oder weniger
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Kraft gegeneinander stoßen. Ein heißes Gas bewegt
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sich schnell. Ein kaltes bewegt sich langsam.
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So fühlen wir Wärme auf unserer Haut, so verstehen
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wir sie. Aber in der Plankara gibt es keine Teilchen
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in diesem Sinne. Es gibt keinen Raum zwischen
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den Dingen, durch den sie sich bewegen könnten.
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Die Vorstellung von Atomen, die aufeinander prallen,
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von Molekülen, die schwingen, von Energie, die
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auf unabhängige Objekte verteilt ist, all das
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setzt eine Trennung voraus, die noch nicht existiert.
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Was wir hier Temperatur nennen, ist in Wirklichkeit
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ein Maß für etwas völlig anderes. Es ist eine
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Eigenschaft des Feldes selbst, des Raumes in
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seiner konzentriertesten Form. Die Kategorien
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von heiß und kalt, von schnell und langsam, von
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hier und dort, all das erfordert eine Art von
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Geäumigkeit, die das Universum noch nicht erlangt
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hat. Es ist nicht nur so, dass die Dinge zusammengedrückt
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sind. Es ist so, dass die Kompression selbst
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als Konzept ihre Bedeutung verloren hat. Die
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Dichte übertrifft ebenfalls die eines Atomkerns
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um den Faktor 10 hoch 69. Das ist keine Materie,
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die im gewöhnlichen Sinne zusammengepresst ist.
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Es gibt keinen Raum zwischen den Teilchen, den
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man wegdrücken könnte. Das Konzept von Teilchen
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als getrennten Einheiten ist noch nicht entstanden.
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Was existiert, ist reine Energie, konzentriert
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in einem Maße, das selbst das Gerüst unserer
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physikalischen Theorien überfordert. Dann, am
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Ende der Planck -Ära, verändert sich etwas. Wir
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verstehen nicht vollständig, was diesen Wandel
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auslöst. Die Physik dieses Übergangs gehört zu
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den aktivsten Grenzgebieten der theoretischen
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Forschung. Aber die Konsequenz ist klar. Das
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Universum tritt in eine Phase der Ausdehnung
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ein, die allem gleicht, was davor oder danach
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kam. Das ist die Epoche der kosmischen Inflation
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und sie ist der Flüssel zum Verständnis, wie
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das Universum, das wir beobachten, aus so wenig
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vielversprechenden Anfängen hervorgehen konnte.
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Die Inflation wird von einem hypothetischen Feld
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angetrieben, dem Inflatonfeld, dessen Eigenschaften
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so beschaffen sind, dass sie einen ganz bestimmten
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Effekt erzeugen. Die Energiedichte dieses Feldes
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bleibt nahezu konstant, während sich der Raum
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ausdehnt. Das bedeutet, dass es sich im Gegensatz
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zu gewöhnlicher Materie oder Strahlung nicht
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verdünnt. Das Ergebnis ist exponentielles Wachstum.
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Der Raum dehnt sich nicht nur aus. Er streckt
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sich mit zunehmender Geschwindigkeit und verdoppelt
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seine Größe wiederholt über ein Intervall von
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vielleicht 10 hoch minus 36 Sekunden. Die beteiligten
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Zahlen sind atemberaubend. In einer Dauer von
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weniger als 10 hoch minus 32 Sekunden wächst
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das Universum um einen Faktor von mindestens
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10 hoch 26. Möglicherweise sehr viel mehr. Um
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das auf begrenzte Weise anschaulich zu machen,
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stell dir etwas von der Größe eines Protons vor,
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jenes winzigen Bestandteils der Atomkerne, das
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auf die Ausmaße eines Basketballs anschwillt.
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Nun erkenne, dass diese Analogie die tatsächliche
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Ausdehnung um viele Größenordnungen untertreibt.
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Das gesamte beobachtbare Universum, der ganze
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Raum, den wir prinzipiell mit unseren leistungsfähigsten
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Instrumenten sehen können, könnte während dieser
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inflationären Phase aus einem Bereich entstanden
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sein, der kleiner als ein Atom war. Diese Ausdehnung
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ist schneller als Licht, was so klingt, als verletze
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es eines der fundamentalen Prinzipien der Relativitätstheorie.
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Aber das tut es nicht. Die kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung
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gilt für Bewegung durch den Raum, nicht für die
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Ausdehnung des Raumes selbst. Es ist kein Widerspruch,
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dass entfernte Regionen des Universums sich schneller
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voneinander trennen, als Licht die wachsende
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Kluft überbrücken kann. Das ist kein Wortspiel.
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Es ist ein echtes Merkmal der allgemeinen Relativitätstheorie,
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Einsteins Theorie der Gravitation. Und es ist
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wesentlich dafür, wie die Inflation funktioniert.
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Die Bedeutung der Inflation geht weit über das
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schiere Ausmaß der Ausdehnung hinaus. Sie löst
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Probleme, die die Kosmologie jahrzehntelang geplagt
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hatten, Rätsel, die das Standardmodell des Urknalls
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ohne Inflation nicht angemessen beantworten konnte.
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Betrachte zuerst das Horizontproblem. Stell dir
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vor, du stehst unter einem klaren Nachthimmel
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und blickst auf zwei Punkte, die einander direkt
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gegenüber liegen. So weit voneinander entfernt
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an der Himmelskugel. Die zwei Punkte nur sein
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können, da eben. Licht aus jeder dieser Richtungen
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erreicht jetzt deine Augen, nachdem es fast 14
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Milliarden Jahre unterwegs war. Aber hier ist
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das Letze. Diese beiden Lichtstrahlen. Diese
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beiden uralten Boten rasen aufeinander zu, seit
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dem Moment, in dem sie freigesetzt wurden. Selbst
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mit Lichtgeschwindigkeit hatten sie in der gesamten
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Geschichte des Universums nicht genug Zeit, um
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die Entfernung zwischen ihren Ursprungsorten
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zu überwinden. Sie haben nie miteinander gesprochen.
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Sie haben nie ein Signal ausgetauscht, keine
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Wärme, keine Information. Und doch... Wenn wir
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die Temperatur der Strahlung messen, die aus
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jeder Richtung ankommt, die kosmische Hintergrundstrahlung,
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finden wir sie mit außerordentlicher Präzision
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identisch. Ein Teil in 100 .000. Wie konnten
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zwei Regionen, die nie in kausalem Kontakt standen,
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so vollkommen übereinstimmen? Die Inflation löst
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dies, indem sie offenbart, dass sie vor Beginn
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der Inflation in Kontakt standen. Die rasante
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Ausdehnung trennte sie dann so gewaltsam, dass
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sie die kausale Verbindung verloren. Und so bewahrte
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sie die Gleichförmigkeit, die in ihrer gemeinsamen
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Vergangenheit entstanden war. Was im Standardmodell
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wie ein rätselhafter Zufall erscheint, wird zu
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einer natürlichen Folge einer kurzen Periode
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exponentiellen Wachstums. Zwei Punkte, die sich
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einst berührten, die einst dieselben Bedingungen
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teilten, wurden schneller auseinandergerissen,
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als Licht folgen konnte. Und sie frohen ihre
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gemeinsame Temperatur über den Himmel verteilt
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ein. Dann gibt es das Flachheitsproblem. Die
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Geometrie des Universums, die Krümmung des Raumes
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auf großen Skalen, erscheint bemerkenswert nahe
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an flach. Nicht exakt flach, aber so nahe daran,
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dass die Abweichung schwer zu messen ist. Im
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Standardmodell des Urknalls würde jede anfängliche
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Krümmung mit der Zeit tendenziell wachsen. Ein
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leicht positiv gekrümmtes Universum würde schließlich
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kollabieren. Ein leicht negativ gekrümmtes würde
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immer schneller expandieren, wobei seine Krümmung
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ausgeprägter würde. Die beobachtete beinahe Flachheit
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erfordert eine außerordentlich präzise Abstimmung
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der Anfangsbedingungen. Die Inflation liefert
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einen physikalischen Mechanismus für diese scheinbare
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Feinabstimmung. Die exponentielle Ausdehnung
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streckt jede anfängliche Krümmung auf so gewaltige
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Skalen, dass sie innerhalb unseres beobachtbaren
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Horizonts nicht mehr nachweisbar ist. Ein Universum,
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das auf kleinen Skalen stark erkund gewesen sein
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mag, wird auf den Skalen, die wir beobachten
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können, effektiv flach. Ähnlich wie die Oberfläche
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der Erde uns flach erscheint, obwohl wir wissen,
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dass sie kugelförmig ist. Die Inflation ist,
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als nehme man einen Ballon und bliese ihn auf
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die Größe eines Planeten auf. Jeder lokale Bereich,
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jede Region, die wir überblicken können, würde
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vollkommen eben erscheinen. Die ursprüngliche
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Krümmung wäre über den Horizont dessen hinausgeschoben,
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was wir sehen können. Es gibt eine dritte Leistung
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der Inflation, die das tiefste Lätsel der kosmischen
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Struktur berührt. Das Universum ist nicht vollkommen
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gleichförmig. Es enthält Galaxien, Galaxienhaufen,
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gewaltige Filamente und Leerräume, Eine komplexe
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Hierarchie von Strukturen, die von den kleinsten
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Zwerggalaxien bis zu den größten kosmischen Superstrukturen
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reicht. Diese Strukturen mussten irgendwie entstehen.
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Sie mussten aus kleinen, anfänglichen Unregelmäßigkeiten
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wachsen, die die Gravitation über Milliarden
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von Jahren verstärken konnte. Die Inflation liefert
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den Keim. Das Inflatorenfeld unterliegt, wie
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alle Quantenfelder, Fluktuationen. Auf den kleinsten
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Skalen erzeugt die Quantenunschärfe winzige Schwankungen
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in der Energiedichte des Feldes. Während der
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Inflation werden diese Quantenfluktuationen auf
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astronomische Skalen gestreckt und als klassische
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Dichteschwankungen in das Gewebe des Haumes eingefroren.
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Das Muster dieser Fluktuationen, ihre statistische
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Verteilung über verschiedene Skalen, stimmt mit
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außerordentlicher Präzision mit den Mustern überein.
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die wir in der kosmischen Hintergrundstrahlung
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und in der großräumigen Verteilung der Galaxien
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beobachten. Das ist eine der bemerkenswertesten
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Verbindungen in der gesamten Physik. Die größten
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Strukturen im Universum, das gewaltige kosmische
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Netz aus Galaxien, das sich über Milliarden von
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Lichtjahren erstreckt, verdanken ihren Ursprungen
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Quantenfluktuationen, die in den ersten Augenblicken
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des Daseins auftraten. Fluktuationen, die so
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klein waren, dass sie ohne die verstärkende Kraft
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der Inflation völlig unbedeutend gewesen wären.
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Das Quantenhafte und das Kosmische, die kleinsten
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und die größten Skalen der physikalischen Wirklichkeit,
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sind auf eine Weise verbunden, die niemand vorhergesehen
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hatte, bevor die Inflation vorgeschlagen wurde.
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Die inflationäre Epoche endet abrupt, als das
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Inflatonfeld in vertrautere Formen von Materie
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und Strahlung zerfällt. Dieser Zerfall setzt
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enorme Energie frei und erhitzt das Universum
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erneut auf Temperaturen, die weit unter denen
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der Planck -Ära liegen, aber immer noch völlig
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jenseits dessen, was wir in Laboren nachstellen
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können. Das Universum ist nun mit einer heißen,
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dichten Suppe aus Elementarteilchen gefüllt,
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der Phase, die wir traditionell mit dem eigentlichen
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Urknall verbinden. Während dieses heiße Universum
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expandiert und abkühlt, beginnt die vereinheitlichte
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Superkraft zu zerbrechen. Diese Symmetriebrechung,
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wie Physiker sie nennen, ist kein einzelnes Ereignis,
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sondern eine Abfolge von Übergängen, die eintreten,
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wenn die Temperatur unter kritische Schwellenwerte
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fällt. Die Gravitation trennt sich zuerst am
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Ende der Planck -Ära oder während der frühesten
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Momente der Inflation. Warum sich die Gravitation
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vor den anderen Kräften trennt, hängt mit ihrem
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grundlegend anderen Charakter zusammen. Während
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die anderen drei Kräfte durch Quantenfeldtheorien
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ähnlicher Struktur beschrieben werden, wird die
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Gravitation durch die allgemeine Relativitätstheorie
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beschrieben, eine klassische Theorie der gekrümmten
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Raumzeit. Die Vereinheitlichung der Gravitation
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mit den anderen Kräften bleibt das große ungelöste
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Problem der fundamentalen Physik. Und die frühe
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Trennung der Gravitation könnte ein Hinweis auf
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die Natur dieses Problems sein. Nachdem die Inflation
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endet und das Universum sich wieder erhitzt,
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trennt sich die starke Kernkraft von der elektroschwachen
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Kraft, die als vereinheitlichte Wechselwirkung
23:00
bestehen bleibt. Dies geschieht etwa 10 hoch
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minus 12 Sekunden nach dem Anfang, wenn die Temperatur
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auf etwa 10 hoch 15 Kelvin gefallen ist. Die
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Energieskala dieses Übergangs, ungefähr das Hundertfache
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der Ruhemassenenergie des Protons, liegt in Eichweite
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unserer leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger.
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Und die Physik dieser Ära wurde teilweise in
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Experimenten am CERN und anderen Laboren erforscht.
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Die letzte Trennung erfolgt, wenn die elektromagnetische
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und die schwache Kraft sich aufspalten. Diese
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elektroschwache Symmetriebrechung ist der im
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Labor am gründlichsten untersuchte Übergang.
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Sie erfordert, dass das Higgs -Feld, das den
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gesamten Raum durchdringt, einen von null verschiedenen
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Wert annimmt. Vor diesem Übergang befindet sich
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das Higgs -Feld in einem symmetrischen Zustand.
24:01
Und die Teilchen, die zu den W - und Z -Bosonen
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der schwachen Kraft werden, sind masselos, ununterscheidbar
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vom Photon des Elektromagnetismus. Nach dem Übergang
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verleiht der Wert des Higgs -Feldes diesen Teilchen
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Masse, bricht die Symmetrie und hinterlässt uns
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die zwei getrennten Kräfte, die wir beobachten.
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Der Higgs -Mechanismus, bestätigt durch die Entdeckung
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des Higgs -Boussons am CERN im Jahr 2012, ist
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wesentlich für unsere Existenz. Ohne ihn wären
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die fundamentalen Teilchen, aus denen gewöhnliche
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Materie besteht, masselos. Sie bewegten sich
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mit Lichtgeschwindigkeit und könnten keine stabilen
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Atome und Moleküle bilden. Die Strukturen der
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Chemie, der Biologie, des Bewusstseins selbst
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hängen von dieser Symmetriebrechung ab, die im
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ersten Bruchteil einer Sekunde der kosmischen
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Geschichte stattfand. Während das Universum weiter
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abkühlt, nun etwa eine Mikrosekunde nach seinem
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Anfang, tritt ein weiterer kritischer Übergang
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ein. Quarks Die fundamentalen Bestandteile von
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Protonen und Neutronen hatten als freie Teilchen
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existiert, die durch das heiße Plasma schossen,
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kollidierten und sich trennten. Aber als die
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Temperatur unter einen kritischen Wert fällt,
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wird die starke Kernkraft zunehmend wirksam darin,
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Quarks aneinander zu binden. Sie werden in Hadronen
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eingeschlossen, jener Familie von Teilchen, zu
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der Protonen und Neutronen gehören. Dieser Quark
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-Einschluss -Übergang markiert den Beginn der
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Hadronen -Ära, in der die grundlegenden Bausteine
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der Atomkerne erstmals erscheinen. In diesen
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ersten Momenten werden Teilchen und Antiteilchen
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in gleicher Zahl erzeugt, vernichten sich und
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entstehen neu in der intensiven Hitze. Doch es
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existiert eine winzige Asymmetrie. Ein geringer
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Überschuss von Materie gegenüber Antimaterie,
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ungefähr ein Teil in einer Milliarde. Dieses
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kleine Ungleichgewicht, dessen Ursprung eines
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der großen Rätsel der Teilchenphysik bleibt,
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ist verantwortlich für alle Materie, die wir
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heute im Universum sehen. Ohne es hätten sich
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Materie und Antimaterie vollständig vernichtet
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und ein Universum hinterlassen, das nur mit Strahlung
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gefüllt wäre. Ohne Sterne, Planeten oder Leben.
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Etwa zehn Sekunden nach dem Anfang hat sich das
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Universum ausreichend abgekühlt, damit Kernreaktionen
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beginnen können. Dies ist die Ära der primordialen
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Nukleosynthese. Protonen und Neutronen, die zu
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früheren Zeiten durch schwache Wechselwirkungen
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im Gleichgewicht gehalten wurden, beginnen nun,
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sich zu schwereren Kernen zu verbinden. Der Prozess
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ist unter den frühen heißen Bedingungen schnell
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und effizient. Dann verlangsamt er sich, während
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die Temperatur weiter sinkt. Das Ergebnis ist
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bemerkenswert einfach und präzise vorhergesagt.
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Ungefähr 75 % der Kernmasse entstehen als Wasserstoff,
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das einfachste Element mit einem einzelnen Proton
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als Kern. Etwa 25 % werden zu Helium -4 mit zwei
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Protonen und zwei Neutronen. Spurenmengen von
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Deuterium, Helium -3 und Lithium -7 werden ebenfalls
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erzeugt. Diese primordiale Häufigkeit leichter
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Elemente, insbesondere das präzise Verhältnis
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von Helium zu Wasserstoff, ist einer der großen
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Triumphe der Urknallkosmologie. Beobachtungen
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von unverarbeitetem Material in den ältesten
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Sternen und in intergalaktischen Gaswolken stimmen
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mit beeindruckender Genauigkeit mit den theoretischen
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Vorhersagen überein. Sie liefern eine starke
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Bestätigung, dass unser Verständnis dieser Frühmomente
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im Wesentlichen korrekt ist. Nach der Nukleosynthese
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tritt das Universum in eine lange Periode relativer
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Ruhe ein. Für etwa 380 .000 Jahre bleibt es mit
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einem heißen Plasma aus freien Elektronen und
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Atomkernen gefüllt, hauptsächlich Wasserstoff
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und Helium. Dieses Plasma ist undurchlässig für
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Licht. Photonen können nicht frei reisen, sondern
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werden ständig von den elektrisch geladenen Teilchen
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gestreut und prallen in einem kosmischen Nebel
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umher. Stell dir diese Ära vor, wenn du kannst.
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Es gibt keine Sterne, keine Galaxien, nirgendwo
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feste Oberflächen. Das Universum ist ein gewaltiger,
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stiller, glühender, orangefarbener Nebel von
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der Farbe einer abkühlenden Glut, gleichmäßig
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heiß in jeder Richtung. Licht strömt nicht, sondern
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durchdringt, gefangen in endlosem Rückprall,
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unfähig, den geladenen Teilchen zu entkommen,
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die es umgeben. Das Universum summt mit dieser
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eingeschlossenen Energie ein glattes, undifferenziertes
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Plasma, das sich in der Dunkelheit ausdehnt.
29:34
Es ist die längste Pause in der kosmischen Geschichte,
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eine Inkubation ohne Merkmal oder Ereignis, ein
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Warten. Dann, als die Temperatur auf etwa 3000
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Kelvin fällt, tritt ein verwandelndes Ereignis
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ein. Die Elektronen, die sich nun langsam genug
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bewegen, werden von den positiv geladenen Kernen
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eingefangen und bilden neutrale Atome. Dieser
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Prozess, Rekombination genannt, obwohl es eigentlich
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die erste Kombination ist, macht das Universum
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zum ersten Mal durchlässig für Licht. Die Photonen,
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nicht länger ständig gestreut, können sich frei
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in geraden Linien bewegen. Diese Photonen, freigesetzt
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in jenem Moment der Rekombination, sind das,
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was wir heute als kosmische Hintergrundstrahlung
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nachweisen. Sie sind seit fast 13 ,8 Milliarden
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Jahren unterwegs, gedehnt durch die Ausdehnung
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des Raumes von sichtbarem Licht zu Mikrowellenfrequenzen.
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Ihre gegenwärtige Temperatur, etwa 2 ,7 Kelvin
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über dem absoluten Nullpunkt, ist ein direktes
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Maß dafür, wie stark sich das Universum seit
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der Rekombination ausgedehnt hat. Die kosmische
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Hintergrundstrahlung ist nicht vollkommen gleichförmig.
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Sie enthält winzige Temperaturschwankungen, Fluktuationen
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von etwa einem Teil in 100 .000, die der Abdruck
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der Dichterschwankungen sind, die während der
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Inflation gesät wurden. Diese Fluktuationen,
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kartiert mit außerordentlicher Präzision durch
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Satelliten wie WAM und Planck, liefern eine Fülle
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von Informationen über die Zusammensetzung und
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Geometrie des Universums. Sie bestätigen die
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Vorhersagen der Inflation, messen die Krümmung
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des Raumes als nahezu flach und enthüllen die
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Anteile von gewöhnlicher Materie, dunkler Materie
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und dunkler Energie, die das kosmische Budget
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ausmachen. Das ist die Geschichte, wie wir sie
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heute verstehen, eine Erzählung, aufgebaut aus
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Jahrzehnten theoretischer Arbeit und Beobachtungsanstrengung.
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Aber es ist keine abgeschlossene Geschichte.
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Der Anfang bleibt problematisch. Die Singularität
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jener Zustand unendlicher Dichte, in dem unsere
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Physik zusammenbricht, ist nichts, was wir als
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endgültige Beschreibung akzeptieren können. Sie
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ist ein Signal, dass unsere Theorien unvollständig
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sind, dass wir einen fundamentaleren Rahmen brauchen,
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der die extremen Bedingungen der frühesten Momente
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bewältigen kann. Mehrere Forschungsrichtungen
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deuten auf mögliche Auflösungen hin. Die Schleifenquantenkosmologie,
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entwickelt aus der Schleifenquantengravitation,
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legt nahe, dass die Singularität vermieden wird.
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In diesem Rahmen hat der Raum selbst auf den
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kleinsten Skalen eine diskrete, körnige Struktur.
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Und die Gleichungen, die die Entwicklung des
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Universums beschreiben, bleiben selbst bei maximaler
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Dichte wohldefiniert. Statt zu einem Punkt zu
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kollabieren, prallt ein zuvor kontrahierendes
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Universum ab und beginnt wieder zu expandieren.
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Dieses Szenario des großen Rückpralls ersetzt
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den singulären Anfang durch einen Quantenübergang
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zwischen Kontraktion und Expansion. Die Modelle
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des zyklischen Universums, vorgeschlagen von
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Paul Steinhardt und Nile, Turok unter anderem,
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stellen sich eine ewige Abfolge von Zyklen vor,
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von denen jeder mit einem urknallartigen Ereignis
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beginnt und in einer Periode der Kontraktion
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endet, die zum nächsten Zyklus führt. Unser Universum
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wäre eine Episode in einer unendlichen Abfolge.
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Der feinbare Anfang wäre lediglich ein Übergang
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aus einer vorherigen Phase. Die Stringtheorie
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und ihre Erweiterungen legen noch exotischere
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Möglichkeiten nahe. Unser vierdimensionales Universum
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könnte eine Oberfläche sein, eine Bahn in einem
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höherdimensionalen Raum. Und der Urknall könnte
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eine Kollision zwischen solchen Pranen darstellen.
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Das ekpyrotische Szenario, abgeleitet aus diesem
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Rahmen, bietet alternative Erklärungen für die
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Gleichförmigkeit und Flachheit des Universums,
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die keine Inflation im üblichen Sinne erfordern.
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Die Multiversum -Idee nimmt die Inflation als
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ewigen Prozess ernst. In dieser Sicht endet die
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Inflation nie vollständig überall, sondern setzt
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sich in einigen Regionen fort und erzeugt neue
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Blasenuniversen, selbst während andere ihren
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Übergang zu heißen Urknallphasen abschließen.
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Jedes Blasenuniversum könnte andere physikalische
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Konstanten haben, andere Gesetze der Physik,
34:40
andere Möglichkeiten für Struktur und Leben.
34:44
Unser Universum wäre eines unter unzähligen anderen.
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Seine besonderen Eigenschaften wären eine Frage
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des kosmischen Zufalls statt kosmischer Notländigkeit.
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Diese spekulativen Grenzgebiete erinnern uns
35:00
daran, dass unser gegenwärtiges Verständnis,
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so beeindruckend es auch ist, vorläufig bleibt.
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Das Urknallmodell in seinen groben Zügen durch
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vielfältige Belege bestätigt, beschreibt die
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Entwicklung des Universums von einer sehr frühen
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Zeit an. Aber der eigentliche Anfang, der Übergang
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von was auch immer davor war zu dem heißen, expandierenden
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Zustand, den wir beschreiben können, bleibt unbekannt.
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Was wir wissen ist, dass das Universum, das wir
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bewohnen, aus Einfachheit hervorging. Die Komplexität
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von Atomen und Molekülen, von Sternen und Galaxien,
35:40
von Leben und Bewusstsein, All das entstand aus
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einem Zustand bemerkenswerter Gleichförmigkeit,
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beherrscht von Kräften, die einst vereinheitlicht
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waren. Die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen,
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sind nicht von außen gegeben, sondern entstanden
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im frühen Universum durch Prozesse der Symmetriebrechung,
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die wir teilweise verstehen und teilweise nachstellen
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können. Die Ausdehnung geht weiter. Nicht im
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wütenden Tempo der Inflation, sondern stetig
36:13
und in der jüngeren kosmischen Geschichte beschleunigend.
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Dunkle Energie, was auch immer ihre Natur ist,
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treibt nun diese Beschleunigung an und macht
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etwa 68 % der gesamten Energiedichte des Universums
36:29
aus. Dunkle Materie, etwa 27%, liefert das gravitative
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Gerüst für die kosmische Struktur. Gewöhnliche
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Materie, der Stoff aus Sternen und Planeten und
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Lebewesen, macht weniger als 5 % der kosmischen
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Gesamtsumme aus. Diese Anteile in den letzten
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Jahrzehnten präzise gemessen, vervollständigen
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ein Bild, das die Wissenschaftler verblüfft hätte,
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die Mitte des 20. Jahrhunderts erstmals die Urknallkosmologie
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entwickelten. Das Universum dehnt sich nicht
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nur aus. Es dehnt sich auf eine bestimmte Weise
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aus, mit einer bestimmten Zusammensetzung, die
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mit detaillierten Vorhersagen übereinstimmt,
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die aus der Physik der ersten Momente abgeleitet
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wurden. Die Präzision dieser Übereinstimmung
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ist bemerkenswert. Die Hubble -Konstante, die
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die gegenwärtige Expansionsrate misst, beträgt
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etwa 67 km pro Sekunde pro Megaparsec. Die kritische
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Dichte, die ewige Expansion von einem eventuellen
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Kollapstrend, ist bis auf wenige Prozent bekannt.
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Bekannt. Das Alter des Universums, abgeleitet
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aus mehreren unabhängigen Methoden, beträgt 13
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,8 Milliarden Jahre mit Unsicherheiten von nur
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wenigen 100 Millionen Jahren. Diese Präzision
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stellt einen Triumph menschlicher Forschung dar.
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Aber sie trägt auch eine demütigende Botschaft
38:04
in sich. Wir sind Nachzügler in der kosmischen
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Geschichte. Die großen Verwandlungen fanden lange
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statt, bevor unser Sonnensystem entstand, bevor
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unsere Galaxie sich formte, bevor irgendein Stern
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brannte. Wir beobachten die Nachwirkungen, entziffern
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die Spuren, rekonstruieren die Erzählung aus
38:27
den Beweisen, die überlebt haben. Und doch sind
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wir in einem anderen Sinne aufs engste mit diesen
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frühesten Momenten verbunden. Der Wasserstoff
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in deinem Körper, das Wasser, das du trinkst,
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die Luft, die du atmest, entstand in den ersten
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Minuten des Universums. Die schwereren Elemente
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Kohlenstoff und Sauerstoff, Stickstoff und Eisen
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wurden in Sternen geschmiedet und von Supernovae
38:56
verstreut. Aber ihre letzten Bestandteile, die
39:00
Quarks und Elektronen, gehen auf das primordiale
39:03
Plasma zurück. Wir sind im wörtlichsten Sinne
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aus Material gemacht, das seit dem Anfang existiert,
39:10
verwandelt, aber nicht zerstört durch die dazwischenliegenden
39:14
Äonen. Die kosmische Hintergrundstrahlung, jenes
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schwache Lühen von Mikrowellen, das den gesamten
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Raum erfüllt, ist ein direkter Bote aus der Zeit
39:25
der Rekombination. Wenn du sie mit einem empfindlichen
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Instrument nachweist, siehst du buchstäblich
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das Universum, wie es 380 .000 Jahre nach seinem
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Anfang war, rot verschoben durch 13 Milliarden
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Jahre Ausdehnung, aber ansonsten unverändert.
39:44
Jeder Punkt am Himmel trägt dieses uralte Licht,
39:47
das aus jeder Richtung ankommt, ein Flüstern
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aus der Zeit, als das Universum zum ersten Mal
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durchsichtig wurde. Künftige Beobachtungen könnten
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noch näher an den Anfang vordringen. Gravitationswellen,
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Kräuselungen in der Raumzeit, vorhergesagt von
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der Allgemeinen Relativitätstheorie und in den
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letzten Jahren direkt nachgewiesen, könnten Signaturen
40:10
aus der inflationären Epoche selbst tragen. Primordiale
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Gravitationswellen, erzeugt durch die Quantenfluktuationen
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im Inflatonfeld, wären eine direkte Sonde für
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Physik bei Energien, die weit jenseits jedes
40:25
irdischen Beschleunigers liegen. Experimente
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sind im Gange und geplant, um nach diesem Signal
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im Polarisationsmuster der kosmischen Hintergrundstrahlung
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zu suchen. Das James Webb Weltraumteleskop und
40:41
seine Nachfolger werden die erste Generation
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von Sternen und Galaxien beobachten, die ersten
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Strukturen, die aus der primordialen Dunkelheit
40:50
hervorgingen. Teilchenbeschleuniger, vielleicht
40:54
einschließlich eines künftigen Ringbeschleunigers,
40:59
der weitaus leistungsfähiger ist als der Large
41:02
Hadron Collider, könnten Bedingungen näher am
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elektroschwachen Übergang und darüber hinaus
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nachstellen. Jede dieser Anstrengungen erweitert
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unsere Reichweite, verringert unsere Unsicherheit,
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vertieft unser Verständnis. Aber es gibt Grenzen
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dessen, was Beobachtung erreichen kann. Die Planck
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-Ära, jene ersten 10 hoch minus 43 Sekunden,
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bleibt hinter einer Art Horizont verborgen. Die
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Energien, die erforderlich wären, um sie direkt
41:35
zu untersuchen, übersteigen alles, was wir uns
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auch nur vorstellen können zu erzeugen. Die Physik
41:42
dieser Ära erfordert eine Theorie der Quantengravitation,
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Eine Vereinheitlichung der allgemeinen Relativitätstheorie
41:48
mit der Quantenmechanik, die trotz Jahrzehnten
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intensiver Anstrengung unvollständig bleibt.
41:55
Strengtheorie, Schleifenquantengravitation, kausale
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dynamische Triangulation und andere Ansätze bieten
42:03
jeweils teilweise Einsichten. Aber keiner hat
42:06
den klaren empirischen Erfolg erzielt, der ihn
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als die korrekte Beschreibung etablieren würde.
42:12
Diese Unvollständigkeit ist kein Versagen, sondern...
42:15
Eine Grenze. Sie markiert die Grenze des gegenwärtigen
42:20
Wissens und die Richtung künftiger Forschung.
42:23
Die Singularität, so problematisch sie auch ist,
42:26
dient als Leuchtfeuer, das die theoretische Physik
42:30
zu einem tieferen Verständnis von Raum, Zeit
42:33
und Materie zieht. Aber lass uns zu dem zurückkehren,
42:37
was physisch gegenwärtig ist, was im Jetzt berührt
42:41
und gemessen werden kann. Die kosmische Hintergrundstrahlung
42:45
ist nicht bloß eine theoretische Vorhersage,
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die von Satelliten bestätigt wurde. Sie ist hier.
42:54
Sie erfüllt den Raum um dich herum, durchdringt
42:57
deinen Körper, trägt Informationen aus jeder
43:01
Richtung gleichzeitig. Wenn du jemals das Rauschen
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auf einem alten Fernseher gesehen hast, der auf
43:08
einen toten Kanal eingestellt war, ist etwa ein
43:11
Prozent dieses Schnees, dieses uralte Licht.
43:16
Photonen, die zuletzt gestreut wurden, als das
43:18
Universum jung war, und die nun als Mikrowellen
43:22
ankommen, zu schwach für menschliche Augen, aber
43:26
nachweisbar mit einfacher Elektronik. Du hast
43:30
mit deinen eigenen Augen das Nachglühen der Rekombination
43:33
gesehen, übersetzt in flackernde graue Punkte
43:36
auf einer Kathodenstrahlröhre. Das Universum
43:41
spricht in Flüstertönen und manchmal hören wir
43:44
es, ohne zu wissen, was wir hören. Das Licht
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kommt weiterhin an. Es kommt seit 13 ,8 Milliarden
43:53
Jahren an und es wird weiter ankommen, solange
43:56
das Universum sich ausdehnt. Jedes Photon ist
44:00
ungestört gereist seit jenem Moment der ersten
44:03
Durchsichtigkeit. Es hat Leerräume durchquert,
44:06
die später Galaxien enthalten würden. Es ist
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durch Regionen gezogen, in denen Sterne schließlich
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entstehen und sterben würden. Bis es zuletzt
44:17
auf unsere Instrumente trifft, unsere Antennen,
44:20
unsere wartenden Detektoren. Es ist eine physische
44:24
Verbindung zu der Zeit, als Atome geboren wurden.
44:28
als Licht befreit wurde, als das Universum zum
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ersten Mal ein Ort wurde, an dem jemand irgendwo
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eines Tages zurückblicken und verstehen könnte.