Wie das Universum entstand: wissenschaftliche Ansätze und Versionen. Theorien über den Ursprung des Universums und seine Modelle Wie das Universum entstand

Wie wurde daraus ein scheinbar endloser Raum? Und was wird nach vielen Millionen und Milliarden Jahren daraus werden? Diese Fragen quälen (und quälen) anscheinend seit Anbeginn der Zeit die Gedanken von Philosophen und Wissenschaftlern und haben zu vielen interessanten und manchmal sogar verrückten Theorien geführt

Heute sind sich die meisten Astronomen und Kosmologen einig, dass das Universum, wie wir es kennen, das Ergebnis einer gigantischen Explosion war, die nicht nur den Großteil der Materie hervorbrachte, sondern auch die Quelle der grundlegenden physikalischen Gesetze war, nach denen der Kosmos entsteht umgibt uns existiert. All dies wird als Urknalltheorie bezeichnet.

Die Grundlagen der Urknalltheorie sind relativ einfach. Kurz gesagt, demnach erschien die gesamte Materie, die im Universum existierte und jetzt existiert, zur gleichen Zeit – vor etwa 13,8 Milliarden Jahren. Zu diesem Zeitpunkt existierte alle Materie in Form einer sehr kompakten abstrakten Kugel (oder eines Punktes) mit unendlicher Dichte und Temperatur. Dieser Zustand wurde Singularität genannt. Plötzlich begann sich die Singularität auszudehnen und brachte das Universum hervor, das wir kennen.

Es ist erwähnenswert, dass die Urknalltheorie nur eine von vielen vorgeschlagenen Hypothesen für die Entstehung des Universums ist (es gibt beispielsweise auch die Theorie eines stationären Universums), aber sie hat die größte Anerkennung und Popularität erlangt. Es erklärt nicht nur den Ursprung aller bekannten Materie, die Gesetze der Physik und die größere Struktur des Universums, sondern beschreibt auch die Gründe für die Expansion des Universums und viele andere Aspekte und Phänomene.

Chronologie der Ereignisse in der Urknalltheorie.

Basierend auf dem Wissen über den aktuellen Zustand des Universums stellen Wissenschaftler die Theorie auf, dass alles an einem einzigen Punkt mit unendlicher Dichte und endlicher Zeit begonnen haben muss, der sich auszudehnen begann. Nach der anfänglichen Expansion, so die Theorie, durchlief das Universum eine Abkühlungsphase, die die Entstehung subatomarer Teilchen und später einfacher Atome ermöglichte. Riesige Wolken dieser uralten Elemente begannen später dank der Schwerkraft, Sterne und Galaxien zu bilden.

All dies begann laut Wissenschaftlern vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, und daher gilt dieser Ausgangspunkt als das Alter des Universums. Durch die Erforschung verschiedener theoretischer Prinzipien, die Durchführung von Experimenten mit Teilchenbeschleunigern und Hochenergiezuständen sowie die Durchführung astronomischer Studien in den entlegensten Winkeln des Universums haben Wissenschaftler eine Chronologie der Ereignisse abgeleitet und vorgeschlagen, die mit dem Urknall begannen und das Universum schließlich dorthin führten dieser Zustand der kosmischen Evolution, der jetzt stattfindet.

Wissenschaftler glauben, dass die frühesten Perioden der Entstehung des Universums – die von 10-43 bis 10-11 Sekunden nach dem Urknall dauern – immer noch Gegenstand von Debatten und Debatten sind. Aufmerksamkeit! Nur wenn wir berücksichtigen, dass die Gesetze der Physik, die wir heute kennen, zu diesem Zeitpunkt noch nicht existieren konnten, ist es sehr schwer zu verstehen, wie die Prozesse in diesem frühen Universum reguliert wurden. Darüber hinaus wurden noch keine Experimente mit den möglichen Energiearten durchgeführt, die zu diesem Zeitpunkt vorhanden sein könnten. Wie dem auch sei, viele Theorien über die Entstehung des Universums stimmen letztlich darin überein, dass es irgendwann einen Ausgangspunkt gab, von dem aus alles begann.

Die Ära der Singularität.

Sie wird auch als Planck-Epoche (oder Planck-Ära) bezeichnet und gilt als die früheste bekannte Periode in der Entwicklung des Universums. Zu dieser Zeit befand sich die gesamte Materie in einem einzigen Punkt unendlicher Dichte und Temperatur. Wissenschaftler glauben, dass in dieser Zeit die Quanteneffekte der Gravitationswechselwirkungen die physikalischen dominierten und keine physikalische Kraft die gleiche Stärke wie die Schwerkraft hatte.

Die Planck-Ära dauerte angeblich von 0 bis 10-43 Sekunden und wird so genannt, weil ihre Dauer nur anhand der Planck-Zeit gemessen werden kann. Aufgrund der extremen Temperaturen und der unendlichen Dichte der Materie war der Zustand des Universums in diesem Zeitraum äußerst instabil. Es folgten Perioden der Expansion und Abkühlung, die die Grundkräfte der Physik entstehen ließen.

Ungefähr im Zeitraum von 10-43 bis 10-36 Sekunden kam es im Universum zu einem Prozess der Kollision von Übergangstemperaturzuständen. Es wird angenommen, dass sich zu diesem Zeitpunkt die fundamentalen Kräfte, die das heutige Universum regieren, voneinander zu trennen begannen. Der erste Schritt dieser Trennung war die Entstehung von Gravitationskräften, starken und schwachen Kernwechselwirkungen und Elektromagnetismus.

In der Zeitspanne von etwa 10-36 bis 10-32 Sekunden nach dem Urknall wurde die Temperatur des Universums ausreichend niedrig (1028 K), was zur Trennung elektromagnetischer Kräfte (der starken Kraft) und der schwachen Kernkraft führte ( die schwache Kraft).

Die Ära der Inflation.

Mit dem Aufkommen der ersten fundamentalen Kräfte im Universum begann die Ära der Inflation, die von 10-32 Sekunden in Planck-Zeit bis zu einem unbekannten Zeitpunkt dauerte. Die meisten kosmologischen Modelle deuten darauf hin, dass das Universum in diesem Zeitraum gleichmäßig mit Energie hoher Dichte gefüllt war und unglaublich hohe Temperaturen und Drücke dazu führten, dass es sich schnell ausdehnte und abkühlte.

Dies begann bei 10-37 Sekunden, als auf die Übergangsphase, die die Trennung der Kräfte verursachte, die Expansion des Universums in geometrischer Progression folgte. Im gleichen Zeitraum befand sich das Universum in einem Zustand der Baryogenese, in dem die Temperatur so hoch war, dass die zufällige Bewegung der Teilchen im Raum nahezu mit Lichtgeschwindigkeit erfolgte.

Zu diesem Zeitpunkt bilden sich Teilchen-Antiteilchen-Paare, die sofort kollidieren und zerstört werden, was vermutlich zur Dominanz der Materie über die Antimaterie im modernen Universum geführt hat. Nach dem Ende der Inflation bestand das Universum aus Quark-Gluon-Plasma und anderen Elementarteilchen. Von diesem Moment an begann sich das Universum abzukühlen, Materie begann sich zu bilden und zu verbinden.

Die Ära der Abkühlung.

Als die Dichte und die Temperatur im Inneren des Universums abnahmen, begann die Energie in jedem Teilchen abzunehmen. Dieser Übergangszustand hielt an, bis die fundamentalen Kräfte und Elementarteilchen ihre heutige Form erreichten. Da die Energie der Teilchen auf Werte gesunken ist, die heute in Experimenten erreicht werden können, ist die tatsächliche mögliche Existenz dieses Zeitraums unter Wissenschaftlern weitaus weniger umstritten.

Wissenschaftler gehen beispielsweise davon aus, dass die Energie der Teilchen 10 bis 11 Sekunden nach dem Urknall deutlich abgenommen hat. Nach etwa 10-6 Sekunden begannen Quarks und Gluonen, Baryonen – Protonen und Neutronen – zu bilden. Quarks begannen gegenüber Antiquarks zu dominieren, was wiederum dazu führte, dass Baryonen gegenüber Antibaryonen überwogen.

Da die Temperatur nicht mehr hoch genug war, um neue Protonen-Antiprotonen-Paare (oder Neutronen-Antineutronen-Paare) zu erzeugen, kam es zu einer massiven Zerstörung dieser Teilchen, sodass nur noch 1/1010 der ursprünglichen Protonen und Neutronen übrig blieben und das Ganze vollständig war Verschwinden ihrer Antiteilchen. Ein ähnlicher Vorgang ereignete sich etwa eine Sekunde nach dem Urknall. Nur die „Opfer“ waren dieses Mal Elektronen und Positronen. Nach der Massenvernichtung stellten die verbleibenden Protonen, Neutronen und Elektronen ihre zufällige Bewegung ein und die Energiedichte des Universums füllte sich mit Photonen und in geringerem Maße mit Neutrinos.

In den ersten Minuten der Expansion des Universums begann eine Periode der Nukleosynthese (der Synthese chemischer Elemente). Dabei sank die Temperatur auf 1 Milliarde Kelvin und die Energiedichte sank auf Werte, die ungefähr denen von Luft, Neutronen usw. entsprechen Protonen begannen sich zu vermischen und das erste stabile Isotop von Wasserstoff (Deuterium) und Heliumatomen zu bilden. Die meisten Protonen im Universum blieben jedoch die getrennten Kerne von Wasserstoffatomen.

Nach etwa 379.000 Jahren verbanden sich die Elektronen mit diesen Wasserstoffkernen zu Atomen (wieder überwiegend Wasserstoff), während sich die Strahlung von der Materie trennte und sich nahezu ungehindert durch den Weltraum ausdehnte. Diese Strahlung wird kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung genannt und ist die älteste Lichtquelle im Universum.

Mit der Expansion verlor der kosmische Mikrowellenhintergrund allmählich seine Dichte und Energie, und im Moment beträgt seine Temperatur 2,7260 0,0013 K (- 270,424 C), und die Energiedichte beträgt 0,25 eV (oder 4,005x10-14 J/m?; 400- 500 Photonen/cm Der CMB erstreckt sich in alle Richtungen und über eine Entfernung von etwa 13,8 Milliarden Lichtjahren, aber eine Schätzung seiner tatsächlichen Verteilung liegt bei etwa 46 Milliarden Lichtjahren vom Zentrum des Universums.

Das Zeitalter der Struktur (hierarchisches Zeitalter).

Im Laufe der nächsten Milliarden Jahre begannen dichtere Materieregionen, die nahezu gleichmäßig im Universum verteilt waren, einander anzuziehen. Dadurch wurden sie noch dichter und begannen, Wolken aus Gas, Sternen, Galaxien und anderen astronomischen Strukturen zu bilden, die wir heute beobachten können. Diese Periode wird als hierarchische Ära bezeichnet. Zu dieser Zeit begann das Universum, das wir jetzt sehen, seine Form anzunehmen. Materie begann sich zu Strukturen unterschiedlicher Größe zu vereinen – Sterne, Planeten, Galaxien, Galaxienhaufen sowie galaktische Superhaufen, getrennt durch intergalaktische Brücken, die nur wenige Galaxien enthielten.

Die Einzelheiten dieses Prozesses lassen sich anhand der Vorstellung von der Menge und Art der im Universum verteilten Materie beschreiben, die als kalte, warme, heiße dunkle Materie und baryonische Materie dargestellt wird. Das aktuelle kosmologische Standardmodell des Urknalls ist jedoch das Lambda-CDM-Modell, nach dem sich Teilchen der Dunklen Materie langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Es wurde gewählt, weil es alle Widersprüche löst, die in anderen kosmologischen Modellen auftraten.

Nach diesem Modell macht kalte dunkle Materie etwa 23 Prozent der gesamten Materie/Energie im Universum aus. Der Anteil baryonischer Materie beträgt etwa 4,6 Prozent. Lambda – CDM bezieht sich auf die sogenannte kosmologische Konstante: eine von Albert Einstein vorgeschlagene Theorie, die die Eigenschaften des Vakuums charakterisiert und die Gleichgewichtsbeziehung zwischen Masse und Energie als konstante statische Größe zeigt. In diesem Fall wird es mit dunkler Energie in Verbindung gebracht, die als Beschleuniger der Expansion des Universums dient und riesige kosmologische Strukturen weitgehend homogen hält.

Langfristige Vorhersagen über die Zukunft des Universums.

Hypothesen, dass die Entwicklung des Universums einen Ausgangspunkt hat, führen Wissenschaftler natürlich zu Fragen nach dem möglichen Endpunkt dieses Prozesses. Nur wenn das Universum seine Geschichte von einem kleinen Punkt mit unendlicher Dichte aus begann, der sich plötzlich auszudehnen begann, heißt das nicht, dass es sich auch auf unbestimmte Zeit ausdehnen wird, oder dass ihm eines Tages die Expansionskraft ausgeht und der umgekehrte Prozess der Kompression beginnt , dessen Endergebnis es immer noch derselbe unendlich dichte Punkt sein wird?

Die Beantwortung dieser Fragen war von Beginn der Debatte darüber, welches kosmologische Modell des Universums richtig ist, das Hauptziel der Kosmologen. Mit der Akzeptanz der Urknalltheorie, vor allem aber dank der Beobachtung der Dunklen Energie in den 1990er Jahren, sind Wissenschaftler zu einem Konsens über die beiden wahrscheinlichsten Szenarien für die Entwicklung des Universums gelangt.

Nach der ersten, Big Crunch genannten, erreicht das Universum seine maximale Größe und beginnt zu kollabieren. Dieses Szenario wird nur möglich sein, wenn die Massendichte des Universums größer wird als die kritische Dichte selbst. Mit anderen Worten: Wenn die Dichte der Materie einen bestimmten Wert (1-3x10-26 kg Materie pro m) erreicht oder übersteigt, beginnt das Universum zusammenzuziehen.

Eine Alternative ist ein anderes Szenario, das besagt, dass sich die Expansion des Universums verlangsamt, aber nie ganz zum Stillstand kommt, wenn die Dichte im Universum gleich oder kleiner als der kritische Dichtewert ist. Nach dieser Hypothese, die als „Hitzetod des Universums“ bezeichnet wird, wird die Expansion so lange andauern, bis die Sternentstehung aufhört, interstellares Gas in jeder der umgebenden Galaxien zu verbrauchen. Das heißt, die Übertragung von Energie und Materie von einem Objekt auf ein anderes wird vollständig gestoppt. In diesem Fall werden alle vorhandenen Sterne ausbrennen und sich in Weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher verwandeln.

Nach und nach kollidieren Schwarze Löcher mit anderen Schwarzen Löchern, wodurch immer größere Löcher entstehen. Die Durchschnittstemperatur des Universums nähert sich dem absoluten Nullpunkt. Schwarze Löcher werden irgendwann „verdampfen“ und ihre letzte Strahlung freisetzen. Irgendwann wird die thermodynamische Entropie im Universum ihr Maximum erreichen. Es kommt zum Hitzetod.

Moderne Beobachtungen, die das Vorhandensein dunkler Energie und ihren Einfluss auf die Ausdehnung des Weltraums berücksichtigen, haben Wissenschaftler zu dem Schluss geführt, dass im Laufe der Zeit immer mehr Teile des Universums über unseren Ereignishorizont hinausgehen und für uns unsichtbar werden. Das endgültige und logische Ergebnis ist den Wissenschaftlern noch nicht bekannt, aber der „Hitzetod“ könnte durchaus der Endpunkt solcher Ereignisse sein.

Es gibt weitere Hypothesen zur Verteilung der Dunklen Energie, genauer gesagt zu ihren möglichen Arten (z. B. Phantomenergie). Demnach werden dadurch Galaxienhaufen, Sterne, Planeten, Atome, Atomkerne und die Materie selbst auseinandergerissen seiner endlosen Expansion. Eine solche Szenarioentwicklung wird „Big Rip“ genannt. Diesem Szenario zufolge ist die Expansion selbst die Ursache für den Tod des Universums.

Geschichte der Urknalltheorie.

Die früheste Erwähnung des Urknalls stammt aus dem frühen 20. Jahrhundert und wird mit Beobachtungen im Weltraum in Verbindung gebracht. Im Jahr 1912 machte der amerikanische Astronom Vesto Slifer eine Reihe von Beobachtungen an Spiralgalaxien (die ursprünglich für Nebel gehalten wurden) und maß deren Doppler-Rotverschiebung. In fast allen Fällen haben Beobachtungen gezeigt, dass sich Spiralgalaxien von unserer Milchstraße entfernen.

Im Jahr 1922 leitete der herausragende russische Mathematiker und Kosmologe Alexander Friedman die sogenannten Friedmann-Gleichungen aus Einsteins Gleichungen für die Allgemeine Relativitätstheorie ab. Obwohl Einstein eine Theorie zugunsten einer kosmologischen Konstante vertrat, zeigte Friedmans Arbeit, dass sich das Universum eher in einem Expansionszustand befand.

Im Jahr 1924 zeigten Edwin Hubbles Messungen der Entfernung zu einem nahegelegenen Spiralnebel, dass es sich bei diesen Systemen tatsächlich um wirklich unterschiedliche Galaxien handelte. Zur gleichen Zeit begann Hubble mit der Entwicklung einer Reihe von Distanzsubtraktionsmetriken mithilfe des 2,5-Meter-Hooker-Teleskops am Mount Wilson Observatory. Bis 1929 hatte Hubble einen Zusammenhang zwischen der Entfernung und der Geschwindigkeit, mit der Galaxien zurückweichen, entdeckt, der später zum Hubble-Gesetz wurde.

Im Jahr 1927 kam der belgische Mathematiker, Physiker und katholische Priester Georges Lemaître unabhängig voneinander zu den gleichen Ergebnissen wie Friedmanns Gleichungen und formulierte als erster den Zusammenhang zwischen der Entfernung und Geschwindigkeit von Galaxien und lieferte die erste Schätzung des Koeffizienten dieses Zusammenhangs. Lemaitre glaubte, dass irgendwann in der Vergangenheit die gesamte Masse des Universums an einem Punkt (Atom) konzentriert war.

Diese Entdeckungen und Annahmen sorgten in den 20er und 30er Jahren für heftige Debatten unter den Physikern, von denen die meisten glaubten, dass sich das Universum in einem stationären Zustand befinde. Nach dem damals etablierten Modell entstand mit der unendlichen Ausdehnung des Universums neue Materie, die über seine gesamte Ausdehnung gleichmäßig und gleichmäßig in der Dichte verteilt war. Unter den Wissenschaftlern, die sie unterstützten, schien die Urknallidee eher theologisch als wissenschaftlich zu sein. Dem Lemaitre wurde vorgeworfen, er sei aufgrund religiöser Vorurteile voreingenommen.

Es ist zu beachten, dass es gleichzeitig auch andere Theorien gab. Zum Beispiel das Milne-Modell des Universums und das zyklische Modell. Beide basierten auf den Postulaten von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und erhielten anschließend die Unterstützung des Wissenschaftlers selbst. Nach diesen Modellen existiert das Universum in einem endlosen Strom sich wiederholender Zyklen von Expansion und Zusammenbruch.

1. Das Zeitalter der Singularität (Planckian). Sie gilt als die primäre, also die frühe Evolutionsperiode des Universums. Die Materie war an einem Punkt konzentriert, der seine eigene Temperatur und unendliche Dichte hatte. Wissenschaftler argumentieren, dass diese Ära durch die Dominanz von Quanteneffekten der Gravitationswechselwirkung gegenüber physikalischen Effekten gekennzeichnet ist und keine einzige physikalische Kraft, die in jenen fernen Zeiten existierte, in ihrer Stärke mit der Schwerkraft identisch war, das heißt, sie war ihr nicht ebenbürtig. Die Dauer der Planck-Ära konzentriert sich auf den Bereich von 0 bis 10-43 Sekunden. Es erhielt diesen Namen, weil nur die Planck-Zeit sein Ausmaß vollständig messen konnte. Dieses Zeitintervall gilt als sehr instabil, was wiederum eng mit der extremen Temperatur und der grenzenlosen Dichte der Materie zusammenhängt. Nach der Ära der Singularität kam es zu einer Phase der Expansion und damit der Abkühlung, die zur Bildung grundlegender physikalischer Kräfte führte.

Wie das Universum geboren wurde. Kalte Geburt

Was geschah vor dem Universum? Modell des „schlafenden“ Universums

„Vielleicht war das Universum vor dem Urknall ein sehr kompakter, sich langsam entwickelnder statischer Raum“, theoretisieren Physiker wie Kurt Hinterbichler, Austin Joyce und Justin Khoury.

Dieses „Vorexplosions“-Universum musste einen metastabilen Zustand haben, das heißt stabil sein, bis ein noch stabilerer Zustand auftritt. Stellen Sie sich analog eine Klippe vor, an deren Rand sich ein Felsbrocken in Schwingung befindet. Jeder Kontakt mit dem Felsbrocken führt dazu, dass dieser in den Abgrund fällt oder – was in unserem Fall näher kommt – es zu einem Urknall kommt. Einigen Theorien zufolge könnte das Universum vor der Explosion in einer anderen Form existieren, beispielsweise in Form eines abgeflachten und sehr dichten Raums. Dadurch ging diese metastabile Periode zu Ende: Sie dehnte sich stark aus und nahm die Form und den Zustand an, die wir heute sehen.

„Das Modell des schlafenden Universums hat jedoch auch seine Probleme“, sagt Carroll.

„Es geht auch davon aus, dass unser Universum ein niedriges Entropieniveau aufweist, erklärt aber nicht, warum das so ist.“

Hinterbichler, theoretischer Physiker an der Case Western Reserve University, sieht das Auftreten niedriger Entropie jedoch nicht als Problem.

„Wir suchen einfach nach einer Erklärung für die Dynamik vor dem Urknall, die erklärt, warum wir sehen, was wir jetzt sehen.“ Das ist vorerst das Einzige, was uns bleibt“, sagt Hinterbichler.

Carroll glaubt jedoch, dass es eine andere Theorie eines „Vorexplosions“-Universums gibt, die das niedrige Entropieniveau in unserem Universum erklären kann.

Wie das Universum aus dem Nichts entstand. Wie das Universum funktioniert

Lassen Sie uns darüber sprechen, wie die Physik nach unseren Vorstellungen tatsächlich funktioniert. Seit der Zeit Newtons hat sich das Paradigma der Grundlagenphysik nicht geändert; es besteht aus drei Teilen. Der erste ist der „Zustandsraum“: im Wesentlichen eine Liste aller möglichen Konfigurationen, in denen das Universum existieren könnte. Der zweite ist ein bestimmter Zustand, der das Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt repräsentiert, normalerweise dem aktuellen. Die dritte ist eine bestimmte Regel, nach der sich das Universum im Laufe der Zeit entwickelt. Geben Sie mir heute das Universum und die Gesetze der Physik werden Ihnen sagen, was in Zukunft damit passieren wird. Diese Denkweise gilt für die Quantenmechanik oder die allgemeine Relativitätstheorie oder die Quantenfeldtheorie nicht weniger als für die Newtonsche Mechanik oder die Maxwellsche Elektrodynamik.

Insbesondere die Quantenmechanik ist eine besondere, aber sehr vielseitige Umsetzung dieses Schemas. (Die Quantenfeldtheorie ist nur ein konkretes Beispiel der Quantenmechanik, keine neue Denkweise). Zustände sind „Wellenfunktionen“, und die Menge aller möglichen Wellenfunktionen eines bestimmten Systems wird „Hilbert-Raum“ genannt. Sein Vorteil besteht darin, dass er die Menge der Möglichkeiten stark einschränkt (da es sich um einen Vektorraum handelt: ein Hinweis für Experten). Sobald Sie mir seine Größe (Anzahl der Dimensionen) mitteilen, definieren Sie Ihren Hilbert-Raum vollständig. Dies unterscheidet sich grundlegend von der klassischen Mechanik, bei der der Zustandsraum äußerst komplex werden kann. Und es gibt auch eine Maschine – die „Hamiltonian“ – die genau anzeigt, wie man sich im Laufe der Zeit von einem Zustand zum anderen entwickelt. Ich wiederhole, dass es nicht viele Varianten von Hamiltonoperatoren gibt; Es reicht aus, eine bestimmte Liste von Größen aufzuschreiben (Eigenwerte der Energie – Aufklärung für Sie, nervige Experten).

Wie das Leben auf der Erde entstand. Leben auf der Erde

Leben, das eine andere Chemie als die unsere nutzt, kann auf der Erde mehr als einmal entstehen. Vielleicht. Und wenn wir Beweise für einen solchen Prozess finden, bedeutet dies, dass eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass an vielen Orten im Universum unabhängig voneinander Leben entstehen wird, so wie Leben auf der Erde entstanden ist. Aber stellen Sie sich andererseits vor, wie wir uns fühlen würden, wenn wir schließlich Leben auf einem anderen Planeten entdecken würden, der vielleicht einen fernen Stern umkreist, und sich herausstellen würde, dass die Chemie und vielleicht sogar die DNA-Struktur mit unserem identisch sind.

Die Wahrscheinlichkeit, dass das Leben auf der Erde völlig spontan und zufällig entstanden ist, scheint sehr gering. Die Wahrscheinlichkeit, dass genau dasselbe Leben an einem anderen Ort entsteht, ist unglaublich gering und liegt praktisch bei Null. Doch es gibt mögliche Antworten auf diese Fragen, die die englischen Astronomen Fred Hoyle und Chandra Wickramasinghe in ihrem ungewöhnlichen Buch „Life Cloud“ aus dem Jahr 1979 skizziert haben.

Angesichts der äußerst unwahrscheinlichen Möglichkeit, dass das Leben auf der Erde von selbst entstand, schlagen die Autoren eine andere Erklärung vor. Es liegt darin, dass die Entstehung des Lebens irgendwo im Weltraum stattfand und sich dann durch Panspermie im gesamten Universum ausbreitete. Mikroskopisches Leben, das in Trümmern kosmischer Kollisionen gefangen ist, kann sich über sehr lange Zeiträume hinweg im Ruhezustand fortbewegen. Wenn es dann an seinem Bestimmungsort ankommt, beginnt es sich wieder zu entwickeln. Somit ist alles Leben im Universum, einschließlich des Lebens auf der Erde, tatsächlich dasselbe Leben.

Video Wie das Universum entstand

Wie das Universum aus dem Nichts entstand. Kalte Geburt

Der Weg zu einer solchen Vereinigung lässt sich jedoch auf qualitativer Ebene denken, und hier ergeben sich sehr interessante Perspektiven. Einer von ihnen wurde vom berühmten Kosmologen und Professor an der University of Arizona Lawrence Krauss in seinem kürzlich veröffentlichten Buch „A Universe From Nothing“ betrachtet. Seine Hypothese sieht fantastisch aus, widerspricht jedoch keineswegs den etablierten Gesetzen der Physik.

Es wird angenommen, dass unser Universum aus einem sehr heißen Ausgangszustand mit einer Temperatur von etwa 1032 Kelvin entstanden ist. Man kann sich aber auch die kalte Geburt von Universen aus reinem Vakuum vorstellen – genauer gesagt aus seinen Quantenfluktuationen. Es ist bekannt, dass durch solche Schwankungen eine Vielzahl virtueller Teilchen entstehen, die buchstäblich aus dem Nichts entstanden und anschließend spurlos verschwunden sind. Laut Krauss sind Vakuumfluktuationen prinzipiell in der Lage, ebenso ephemere Protouniversen entstehen zu lassen, die unter bestimmten Bedingungen von einem virtuellen in einen realen Zustand übergehen.

Die Frage, wie das Universum entstanden ist, beschäftigt die Menschen schon immer. Das ist nicht verwunderlich, denn jeder möchte seine Herkunft wissen. Wissenschaftler, Priester und Schriftsteller beschäftigen sich seit mehreren Jahrtausenden mit dieser Frage. Diese Frage beschäftigt nicht nur Spezialisten, sondern auch jeden gewöhnlichen Menschen. Es muss jedoch gleich gesagt werden, dass es keine hundertprozentige Antwort auf die Frage gibt, wie das Universum entstanden ist. Es gibt nur eine Theorie, die von den meisten Wissenschaftlern unterstützt wird.

Hier werden wir es analysieren.

Da alles, was den Menschen umgibt, seinen eigenen Anfang hat, ist es nicht verwunderlich, dass der Mensch seit der Antike versucht, den Anfang des Universums zu finden. Für einen Mann des Mittelalters war die Antwort auf diese Frage ganz einfach: Gott hat das Universum erschaffen. Mit der Entwicklung der Wissenschaft begannen Wissenschaftler jedoch, nicht nur die Frage nach Gott in Frage zu stellen, sondern auch die Idee, dass das Universum einen Anfang hatte.

Dank des amerikanischen Astronomen Hubble kehrten Wissenschaftler 1929 zur Frage nach den Wurzeln des Universums zurück. Tatsache ist, dass Hubble bewiesen hat, dass sich die Galaxien, aus denen das Universum besteht, ständig bewegen. Zusätzlich zur Bewegung können sie auch zunehmen, was bedeutet, dass das Universum wächst. Und wenn es wächst, stellt sich heraus, dass es einmal eine Phase gab, in der dieses Wachstum begann. Das bedeutet, dass das Universum einen Anfang hat.

Wenig später stellte der britische Astronom Hoyle eine aufsehenerregende Hypothese auf: Das Universum sei im Moment des Urknalls entstanden. Unter diesem Namen ging seine Theorie in die Geschichte ein. Der Kern von Hoyles Idee ist gleichzeitig einfach und komplex. Er glaubte, dass es einst ein Stadium namens Zustand der kosmischen Singularität gab, das heißt, die Zeit stand bei Null und Dichte und Temperatur waren gleich unendlich. Und in einem Moment gab es eine Explosion, durch die die Singularität gebrochen wurde und sich dadurch Dichte und Temperatur änderten, das Wachstum der Materie begann, was bedeutete, dass die Zeit zu zählen begann. Später bezeichnete Hoyle selbst seine Theorie als nicht überzeugend, was sie jedoch nicht davon abhielt, zur beliebtesten Hypothese über den Ursprung des Universums zu werden.

Wann geschah das, was Hoyle den Urknall nannte? Wissenschaftler führten zahlreiche Berechnungen durch, die meisten einigten sich auf die Zahl von 13,5 Milliarden Jahren. Zu diesem Zeitpunkt begann das Universum aus dem Nichts zu entstehen. Im Bruchteil einer Sekunde nahm das Universum eine Größe an, die kleiner als ein Atom war, und der Expansionsprozess begann. Die Schwerkraft spielte eine Schlüsselrolle. Das Interessanteste ist, dass, wenn es etwas stärker gewesen wäre, nichts entstanden wäre, höchstens ein Schwarzes Loch. Und wenn die Schwerkraft etwas schwächer wäre, würde überhaupt nichts entstehen.
Wenige Sekunden nach der Explosion sank die Temperatur im Universum leicht, was den Anstoß zur Entstehung von Materie und Antimaterie gab. Infolgedessen begannen Atome zu erscheinen. Das Universum hörte also auf, monochromatisch zu sein. Irgendwo gab es mehr Atome, irgendwo weniger. An manchen Stellen war es heißer, an anderen war die Temperatur niedriger. Atome begannen miteinander zu kollidieren und bildeten Verbindungen, dann neue Substanzen und später Körper. Einige Objekte hatten eine große innere Energie. Das waren die Sterne. Sie begannen (dank der Schwerkraft) andere Körper um sich zu sammeln, die wir Planeten nennen. So entstanden Systeme, eines davon ist unser Sonnensystem.

Urknall. Modellprobleme und ihre Lösung

Das Problem der Größe und Isotropie des Universums lässt sich dadurch lösen, dass die Expansion während der Inflationsphase ungewöhnlich schnell erfolgte. Daraus folgt, dass der gesamte Raum des beobachtbaren Universums das Ergebnis einer kausal zusammenhängenden Region der der Inflation vorausgehenden Epoche ist.
Lösung des Problems eines flachen Universums. Dies ist möglich, weil in der Inflationsphase der Krümmungsradius des Raums zunimmt. Dieser Wert ist so bemessen, dass moderne Dichteparameter einen Wert nahe dem kritischen Wert erreichen können.
Die inflationäre Expansion führt zur Entstehung von Dichteschwankungen mit einer bestimmten Amplitude und Spektrumsform. Dadurch ist es möglich, dass sich diese Schwingungen (Fluktuationen) zur aktuellen Struktur des Universums entwickeln und gleichzeitig Homogenität und Isotropie im großen Maßstab beibehalten. Dies ist eine Lösung für das Problem der großräumigen Struktur des Universums.

Der Hauptnachteil des Inflationsmodells ist seine Abhängigkeit von Theorien, die noch nicht bewiesen und nicht vollständig entwickelt sind.

Das Modell basiert beispielsweise auf der einheitlichen Feldtheorie, bei der es sich noch um eine Hypothese handelt. Es kann nicht experimentell unter Laborbedingungen getestet werden. Ein weiterer Nachteil des Modells ist die Unverständlichkeit, woher die überhitzte und expandierende Materie stammt. Hier kommen drei Möglichkeiten in Betracht:

Die Standard-Urknalltheorie geht davon aus, dass die Inflation in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung des Universums einsetzt. Aber dann ist das Problem der Singularität nicht gelöst.
Die zweite Möglichkeit ist die Entstehung des Universums aus dem Chaos. Verschiedene Teile davon hatten unterschiedliche Temperaturen, so dass es an manchen Stellen zu einer Kompression und an anderen zu einer Ausdehnung kam. Die Inflation hätte in einer Region des Universums stattgefunden, die überhitzt war und sich ausdehnte. Es ist jedoch nicht klar, woher das primäre Chaos kam.
Die dritte Möglichkeit ist der quantenmechanische Weg, durch den ein Klumpen überhitzter und expandierender Materie entstand. Tatsächlich ist das Universum aus dem Nichts entstanden.

Eine der Hauptfragen, die das menschliche Bewusstsein nicht verlässt, war und ist die Frage: „Wie ist das Universum entstanden?“ Natürlich gibt es keine eindeutige Antwort auf diese Frage und es ist auch unwahrscheinlich, dass wir sie bald erhalten werden, aber die Wissenschaft arbeitet in diese Richtung und entwickelt ein bestimmtes theoretisches Modell für die Entstehung unseres Universums.

Zunächst sollten wir die grundlegenden Eigenschaften des Universums betrachten, die im Rahmen des kosmologischen Modells beschrieben werden sollten.

Das Modell muss die beobachteten Abstände zwischen Objekten sowie die Geschwindigkeit und Richtung ihrer Bewegung berücksichtigen. Solche Berechnungen basieren auf dem Hubble-Gesetz: cz = H0D, wobei z die Rotverschiebung des Objekts, D die Entfernung zu diesem Objekt und c die Lichtgeschwindigkeit ist.
Das Alter des Universums im Modell muss größer sein als das Alter der ältesten Objekte der Welt.
Das Modell muss die anfängliche Fülle an Elementen berücksichtigen.
Das Modell muss die beobachtete großräumige Struktur des Universums berücksichtigen.
Das Modell muss den beobachteten Relikthintergrund berücksichtigen.

Betrachten wir kurz die allgemein anerkannte Theorie des Ursprungs und der frühen Entwicklung des Universums, die von den meisten Wissenschaftlern unterstützt wird. Heute bezieht sich die Urknalltheorie auf eine Kombination des Modells des heißen Universums mit dem Urknall. Und obwohl diese Konzepte ursprünglich unabhängig voneinander existierten, war es durch ihre Vereinheitlichung möglich, die ursprüngliche chemische Zusammensetzung des Universums sowie das Vorhandensein kosmischer Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu erklären.

Nach dieser Theorie entstand das Universum vor etwa 13,77 Milliarden Jahren aus einem dichten, erhitzten Objekt – ein singulärer Zustand, der im Rahmen der modernen Physik schwer zu beschreiben ist. Das Problem der kosmologischen Singularität besteht unter anderem darin, dass bei ihrer Beschreibung die meisten physikalischen Größen wie Dichte und Temperatur gegen Unendlich tendieren. Gleichzeitig ist bekannt, dass die Entropie (ein Maß für Chaos) bei unendlicher Dichte gegen Null tendieren sollte, was in keiner Weise mit unendlicher Temperatur vereinbar ist.

Entwicklung des Universums

Die ersten 10–43 Sekunden nach dem Urknall werden als Stadium des Quantenchaos bezeichnet. Die Natur des Universums in diesem Stadium der Existenz kann im Rahmen der uns bekannten Physik nicht beschrieben werden. Die kontinuierliche einheitliche Raumzeit zerfällt in Quanten.

Das Planck-Moment ist der Moment des Endes des Quantenchaos, der in -43 Sekunden auf 10 fällt. Zu diesem Zeitpunkt entsprachen die Parameter des Universums den Planck-Werten, beispielsweise der Planck-Temperatur (ca. 1032 K). Zur Zeit der Planck-Ära waren alle vier grundlegenden Wechselwirkungen (schwach, stark, elektromagnetisch und gravitativ) zu einer einzigen Wechselwirkung zusammengefasst. Es ist nicht möglich, das Planck-Moment als eine lange Periode zu betrachten, da die moderne Physik nicht mit Parametern arbeitet, die kleiner als das Planck-Moment sind.
Inflationsphase. Die nächste Phase in der Geschichte des Universums war die Inflationsphase. Im ersten Moment der Inflation wurde die Gravitationswechselwirkung vom einzelnen supersymmetrischen Feld (das zuvor die Felder der fundamentalen Wechselwirkungen umfasste) getrennt. Während dieser Zeit herrscht in der Materie ein Unterdruck, der zu einem exponentiellen Anstieg der kinetischen Energie des Universums führt. Einfach ausgedrückt begann sich das Universum in dieser Zeit sehr schnell aufzublähen und gegen Ende verwandelte sich die Energie physikalischer Felder in die Energie gewöhnlicher Teilchen. Am Ende dieser Phase steigt die Temperatur der Substanz und der Strahlung deutlich an. Mit dem Ende der Inflationsphase zeichnet sich auch eine starke Wechselwirkung ab. In diesem Moment entsteht auch die Baryonenasymmetrie des Universums.

[Die baryonische Asymmetrie des Universums ist das beobachtete Phänomen der Vorherrschaft von Materie gegenüber Antimaterie im Universum]

Stadium der Strahlungsdominanz. Die nächste Stufe in der Entwicklung des Universums, die mehrere Stufen umfasst. In diesem Stadium beginnt die Temperatur des Universums zu sinken, es bilden sich Quarks, dann Hadronen und Leptonen. Im Zeitalter der Nukleosynthese kommt es zur Bildung erster chemischer Elemente und zur Synthese von Helium. Die Strahlung dominiert jedoch immer noch die Materie.
Die Ära der Substanzdominanz. Nach 10.000 Jahren übersteigt die Energie der Substanz allmählich die Strahlungsenergie und es kommt zu ihrer Trennung. Die Materie beginnt die Strahlung zu dominieren und ein Relikthintergrund erscheint. Außerdem verstärkte die Trennung der Materie durch Strahlung die anfänglichen Inhomogenitäten in der Verteilung der Materie erheblich, wodurch sich Galaxien und Supergalaxien zu bilden begannen. Die Gesetze des Universums haben die Form angenommen, in der wir sie heute beobachten.

Das obige Bild besteht aus mehreren grundlegenden Theorien und gibt einen allgemeinen Überblick über die Entstehung des Universums in den frühen Stadien seiner Existenz.

Woher kam das Universum?

Wenn das Universum aus einer kosmologischen Singularität entstanden ist, woher kommt dann die Singularität selbst? Eine genaue Antwort auf diese Frage ist derzeit nicht möglich. Betrachten wir einige kosmologische Modelle, die die „Geburt des Universums“ beeinflussen.

Diese Modelle basieren auf der Behauptung, dass das Universum schon immer existiert hat und sich sein Zustand im Laufe der Zeit nur ändert, indem es von Expansion zu Kompression – und zurück – übergeht.

Steinhardt-Turok-Modell. Dieses Modell basiert auf der Stringtheorie (M-Theorie), da es ein Objekt wie eine „Brane“ verwendet.

[Eine Brane (aus Membran) ist in der Stringtheorie (M-Theorie) ein hypothetisches grundlegendes mehrdimensionales physikalisches Objekt mit einer Dimension, die kleiner ist als die Dimension des Raums, in dem es sich befindet]

Nach diesem Modell befindet sich das sichtbare Universum innerhalb einer Drei-Branne, die periodisch, alle paar Billionen Jahre, mit einer anderen Drei-Branne kollidiert, was so etwas wie den Urknall verursacht. Als nächstes beginnt sich unser Dreizweig vom anderen zu entfernen und auszudehnen. Irgendwann überwiegt der Anteil der Dunklen Energie und die Ausdehnungsgeschwindigkeit der Dreistränge nimmt zu. Die kolossale Expansion streut Materie und Strahlung so stark, dass die Welt nahezu homogen und leer wird. Schließlich kollidieren die drei Zweige erneut, was dazu führt, dass unsere Zweige in die Anfangsphase ihres Zyklus zurückkehren und erneut unser „Universum“ entstehen lassen.

Auch die Theorie von Loris Baum und Paul Frampton besagt, dass das Universum zyklisch ist. Ihrer Theorie zufolge wird sich dieser nach dem Urknall aufgrund der dunklen Energie ausdehnen, bis er sich dem Moment des „Zerfalls“ der Raumzeit selbst nähert – dem Urknall. Bekanntlich nimmt in einem „geschlossenen System die Entropie nicht ab“ (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Aus dieser Aussage folgt, dass das Universum nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren kann, da während eines solchen Prozesses die Entropie abnehmen muss. Dieses Problem wird jedoch im Rahmen dieser Theorie gelöst. Nach der Theorie von Baum und Frampton zerfällt das Universum einen Moment vor dem Big Rip in viele „Fetzen“, von denen jeder einen relativ kleinen Entropiewert hat. Durch eine Reihe von Phasenübergängen erzeugen diese „Lappen“ des ehemaligen Universums Materie und entwickeln sich ähnlich wie das ursprüngliche Universum. Diese neuen Welten interagieren nicht miteinander, da sie mit Geschwindigkeiten auseinanderfliegen, die größer als die Lichtgeschwindigkeit sind. Daher haben Wissenschaftler auch die kosmologische Singularität vermieden, mit der nach den meisten kosmologischen Theorien die Geburt des Universums beginnt. Das heißt, am Ende seines Zyklus zerfällt das Universum in viele andere, nicht interagierende Welten, die zu neuen Universen werden.
Konforme zyklische Kosmologie – zyklisches Modell von Roger Penrose und Vahagn Gurzadyan. Nach diesem Modell kann das Universum in einen neuen Zyklus eintreten, ohne den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verletzen. Diese Theorie basiert auf der Annahme, dass Schwarze Löcher absorbierte Informationen zerstören, was in gewisser Weise „legal“ die Entropie des Universums verringert. Dann beginnt jeder dieser Zyklen der Existenz des Universums mit etwas Ähnlichem wie dem Urknall und endet mit einer Singularität.

Andere Modelle zur Entstehung des Universums

Unter anderen Hypothesen, die die Entstehung des sichtbaren Universums erklären, sind die folgenden zwei die beliebtesten:

Chaotische Inflationstheorie - die Theorie von Andrei Linde. Nach dieser Theorie gibt es ein bestimmtes Skalarfeld, das über sein gesamtes Volumen inhomogen ist. Das heißt, in verschiedenen Bereichen des Universums hat das Skalarfeld unterschiedliche Bedeutungen. Dann passiert in Gebieten, in denen das Feld schwach ist, nichts, während Gebiete mit einem starken Feld aufgrund seiner Energie beginnen, sich auszudehnen (Inflation) und neue Universen zu bilden. Dieses Szenario impliziert die Existenz vieler Welten, die nicht gleichzeitig entstanden sind und über eigene Elementarteilchen und folglich Naturgesetze verfügen.
Die Theorie von Lee Smolin legt nahe, dass der Urknall nicht der Beginn der Existenz des Universums ist, sondern nur ein Phasenübergang zwischen seinen beiden Zuständen. Da das Universum vor dem Urknall in Form einer kosmologischen Singularität existierte, die ihrer Natur nach der Singularität eines Schwarzen Lochs ähnelte, vermutet Smolin, dass das Universum aus einem Schwarzen Loch entstanden sein könnte.

Es gibt auch Modelle, in denen Universen kontinuierlich entstehen, aus ihren Eltern hervorgehen und ihren eigenen Platz finden. Darüber hinaus ist es überhaupt nicht notwendig, dass in solchen Welten dieselben physikalischen Gesetze gelten. Alle diese Welten sind in ein einziges Raum-Zeit-Kontinuum „eingebettet“, aber darin so getrennt, dass sie die Anwesenheit der anderen nicht spüren. Im Allgemeinen erlaubt das Konzept der Inflation – tatsächlich Kräfte! – die Annahme, dass es im gigantischen Megakosmos viele voneinander isolierte Universen mit unterschiedlichen Strukturen gibt.

Trotz der Tatsache, dass zyklische und andere Modelle eine Reihe von Fragen beantworten, die die Urknalltheorie nicht beantworten kann, einschließlich des Problems der kosmologischen Singularität. Doch in Kombination mit der Inflationstheorie erklärt der Urknall den Ursprung des Universums besser und stimmt auch mit vielen Beobachtungen überein.

Auch heute noch beschäftigen sich Forscher intensiv mit möglichen Szenarien zur Entstehung des Universums, doch auf die Frage „Wie ist das Universum entstanden?“ lässt sich keine eindeutige Antwort geben. - Es ist unwahrscheinlich, dass dies in naher Zukunft gelingen wird. Dafür gibt es zwei Gründe: Ein direkter Beweis kosmologischer Theorien ist praktisch unmöglich, sondern nur indirekt; Selbst theoretisch ist es nicht möglich, genaue Informationen über die Welt vor dem Urknall zu erhalten. Aus diesen beiden Gründen können Wissenschaftler nur Hypothesen aufstellen und kosmologische Modelle erstellen, die die Natur des von uns beobachteten Universums am genauesten beschreiben.

Es ist schwer, sich eine Zeit vor 13,7 Milliarden Jahren vorzustellen, in der das gesamte Universum eine Singularität war. Laut der Urknalltheorie war einer der Hauptkandidaten für die Erklärung, woher das Universum und die gesamte Materie im Weltraum kamen, in einem Punkt komprimiert, der kleiner als ein subatomares Teilchen war. Wenn dies jedoch immer noch akzeptiert werden kann, denken Sie darüber nach: Was geschah vor dem Urknall?

Diese Frage reicht in der modernen Kosmologie bis ins vierte Jahrhundert n. Chr. zurück. Vor 1600 Jahren versuchte der Theologe Augustinus der Selige, die Natur Gottes vor der Erschaffung des Universums zu verstehen. Und wissen Sie, wozu er gekommen ist? Die Zeit war Teil von Gottes Schöpfung und es gab einfach kein „Vorher“.

Einer der besten Physiker des 20. Jahrhunderts, Albert Einstein, kam bei der Entwicklung seiner Relativitätstheorie zu fast den gleichen Schlussfolgerungen. Es reicht aus, auf die Wirkung der Masse auf die Zeit zu achten. Die enorme Masse des Planeten verzerrt die Zeit und führt dazu, dass sie für einen Menschen auf der Oberfläche langsamer verläuft als für einen Astronauten im Orbit. Der Unterschied ist zu gering, um offensichtlich zu sein, aber tatsächlich altert eine Person, die an einem großen Felsen steht, langsamer als jemand, der auf einem Feld steht. Aber es würde eine Milliarde Jahre dauern, um eine Sekunde jünger zu werden. Die Singularität vor dem Urknall hatte die gesamte Masse des Universums, was die Zeit praktisch zum Stillstand brachte.

Nach Einsteins Relativitätstheorie entstand die Zeit genau in dem Moment, in dem die Singularität begann, sich auszudehnen und über die komprimierte Unendlichkeit hinauszugehen. Jahrzehnte nach Einsteins Tod haben die Entwicklung der Quantenphysik und eine Vielzahl neuer Theorien die Debatte über die Natur des Universums vor dem Urknall neu entfacht. Werfen wir einen Blick darauf.

Branes, Zyklen und andere Ideen
„Und Gott spuckte, ging und schlug die Tür zu,
Wir standen hinter ihm – aber die Türen waren verschwunden.“
A. Nepomnyashchiy

Was wäre, wenn unser Universum ein Nachkomme eines anderen, älteren Universums wäre? Einige Astrophysiker glauben, dass die Reliktstrahlung, die vom Urknall übrig geblieben ist: Der kosmische Mikrowellenhintergrund wird dazu beitragen, Licht in diese Geschichte zu bringen.

Astronomen entdeckten erstmals 1965 die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung und sie führte zu bestimmten Problemen in der Urknalltheorie – Probleme, die dazu führten, dass Wissenschaftler kurzzeitig (bis 1981) verwirrt wurden und die Inflationstheorie entwickelten. Dieser Theorie zufolge begann sich das Universum in den ersten Momenten seiner Existenz extrem schnell auszudehnen. Die Theorie erklärt auch die Temperatur und Dichte der CMB-Schwankungen und legt nahe, dass diese Schwankungen gleich sein sollten.

Aber wie sich herausstellte, nein. Neuere Forschungen haben deutlich gemacht, dass das Universum tatsächlich einseitig ist und in einigen Bereichen stärkere Schwankungen auftreten als in anderen. Einige Kosmologen glauben, dass diese Beobachtung bestätigt, dass unser Universum eine „Mutter“(!) hatte.

In der Theorie der chaotischen Inflation gewinnt diese Idee an Bedeutung: Das endlose Fortschreiten von Inflationsblasen erzeugt eine Fülle von Universen, und jedes von ihnen erzeugt noch mehr Inflationsblasen in einer riesigen Anzahl von Multiversen.

Allerdings gibt es Modelle, die versuchen, die Entstehung der Singularität vor dem Urknall zu erklären. Wenn man sich Schwarze Löcher als riesige Mülltonnen vorstellt, sind sie die besten Kandidaten für einen Urkollaps. Unser expandierendes Universum könnte also durchaus ein Weißes Loch sein – ein Austrittsloch eines Schwarzen Lochs, und jedes Schwarze Loch in unserem Universum könnte ein anderes Universum beherbergen.

Andere Wissenschaftler glauben, dass hinter der Entstehung der Singularität ein Zyklus namens „Urknall“ steckt, in dem das expandierende Universum schließlich in sich zusammenfällt und eine weitere Singularität entsteht, die wiederum einen weiteren Urknall zur Folge hat. Dieser Prozess wird ewig dauern und alle Singularitäten und alle Zusammenbrüche werden nichts anderes darstellen als einen Übergang in eine andere Phase der Existenz des Universums.

Die letzte Erklärung, die wir betrachten werden, verwendet die Idee eines zyklischen Universums, das durch die Stringtheorie erzeugt wird. Es legt nahe, dass alle Billionen Jahre neue Materie- und Energieströme entstehen, wenn zwei Membranen oder Brane außerhalb unserer Dimensionen miteinander kollidieren.

Was geschah vor dem Urknall? Die Frage bleibt offen. Vielleicht nichts. Vielleicht ein anderes Universum oder eine andere Version von uns. Vielleicht ein Ozean von Universen, von denen jedes seine eigenen Gesetze und Konstanten hat, die die Natur der physischen Realität bestimmen.

Sternmassen... Unsere Wissenschaft ist verwirrt und gleichzeitig fasziniert von diesen kolossalen Körpern, die sich wie Atome verhalten, deren Konstruktion uns jedoch mit ihrer enormen und (nur scheinbar?) zufälligen Komplexität verblüfft. Vielleicht wird sich im Laufe der Zeit eine gewisse Ordnung oder Periodizität in der Struktur der Sterne herausbilden, sowohl in der Zusammensetzung als auch in der Lage. (N. A. Sadovsky)

Lasst uns unsere Köpfe in die sternenklare Nacht heben. Irgendwo dort, hinter dem dunkelblauen Schleier, begann alles. Und alles begann wie immer aus dem Nichts. Aber wir beginnen mit dem Urknall, wie die Amerikaner den Urknall nennen, der vor 15 Milliarden Jahren im Universum stattfand. Wir können uns nicht einmal vorstellen, wie das Universum vorher aussah.

Wir haben Zeit. Selbst wenn die Uhren auf der ganzen Erde kaputtgehen, wird die Sonne auf- und untergehen und die Sonnentage herunterzählen, es werden sich immer noch Baumringe an den Bäumen bilden usw. Die Zeit wird nicht stehen bleiben. Stellen Sie sich nun vor, dass es keine Zeit gibt. Die Zeit ist nicht stehen geblieben. Es existiert einfach nicht. Da ist auch kein Platz. Keine Substanz. Es gibt einen Superklumpen aus Materie mit kolossaler Dichte. Die gesamte zukünftige Materie der Welt, alles, was später zu Sternen, Planeten wird – alles ist in einem Punkt mit unendlich hoher Temperatur komprimiert. So „begann“ das Universum. Im Moment dieses Ereignisses wurden Raum und Zeit geschaffen.

Es macht keinen Sinn zu fragen, was vor dem Urknall passiert ist. Es ist, als würde man fragen, was nördlich des Nordpols oder südlich des Südpols liegt. Die Frage „Wo ist das passiert?“ lässt sich mit nur einem Wort beantworten: „überall“. Tatsächlich war das Universum zu diesem Zeitpunkt kein isolierter Punkt in einem anderen Raum. Sie befand sich an diesem Punkt und ihre Ausmaße waren in diesem Moment sehr klein – nahe an der Größe eines Elektrons. Einen solchen Punkt kann man nur mit einem leistungsstarken Elektronenmikroskop erkennen. Aber die Masse ist unverhältnismäßig groß: nicht 100, nicht 1000, nicht einmal 1.000.000 Tonnen – viel mehr. Mehr als die Masse der Erde, der Sonne, einhunderttausend Milliarden (100.000.000.000.000) Mal mehr als die Masse unserer gesamten Galaxie. Und da ist gar nicht so wenig drin – 150 Milliarden Sterne, die so viel wiegen wie die Sonne und noch schwerer!

Dann „explodierte“ dieser Punkt mit enormer Wucht und eine riesige Wolke aus Elementarteilchen begann zu wachsen und sich in alle Richtungen auszudehnen. Jedes Teilchen war schwer und lebte ein kurzes, aber stürmisches Leben. Die erste Stufe der Entstehung des Universums wird hadronisch genannt und dauerte nur den Bruchteil einer Sekunde – ein Zehntausendstel davon (0,0001 s)! Die Expansionsgeschwindigkeit des Universums übertraf im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit und näherte sich 300.000.000 m/s (300.000 km/s). Vergleichen Sie: Die Anfangsgeschwindigkeit einer aus einem Kalaschnikow-Sturmgewehr abgefeuerten Kugel beträgt 715 m/s, also weniger als einen Kilometer pro Sekunde; die erste Fluchtgeschwindigkeit beträgt 8 km/s. Ein Raumschiff bewegt sich im Orbit ungefähr mit der gleichen Geschwindigkeit.

In den ersten Augenblicken seiner Existenz war das Universum sehr heiß, viel heißer als das Innere des heißesten Sterns. Bei Temperaturen über 10 Milliarden Grad, was genau der Temperatur des Universums entspricht, kann keine Substanz existieren. Ja, er war noch nicht da. Fast die gesamte Energie im Universum existierte in Form elektromagnetischer Strahlung (Photonen), d. h. das Universum „leuchtete“, genauer gesagt, es war selbst ein helles und endloses Licht.

Hadronen sind die schwersten Elementarteilchen. Doch jetzt ist die Zeit für leichtere Teilchen – Leptonen – gekommen. Die zweite Etappe hat begonnen.

Wie Sie wissen, stehen Teilchen nicht still, sondern bewegen sich, kollidieren, verschwinden und verändern sich. Durch solche „Tänze“ entstehen Teilchen und Antiteilchen. Sie können nicht zusammen existieren. Hier ist es, wer gewinnen wird. Durch Zufall stellte sich heraus, dass die Zahl der Teilchen etwas größer war als die Zahl der Antiteilchen. Die Teilchen „überlebten“ und die ganze Welt ist nun aus ihnen aufgebaut.

Was würde passieren, wenn die Antiteilchen gewinnen würden? Wissenschaftler antworten: Nichts Besonderes, die Welt würde gleich bleiben, nur die Struktur der Atome würde sich geringfügig ändern. „Unsere“ Atome haben einen positiv geladenen Kern und negativ geladene Elektron(e) auf den Schalen. Aber es wäre umgekehrt. Und das Elektron würde man Positron nennen... Wissenschaftler haben seit langem gelernt, Antiteilchen unter Laborbedingungen zu gewinnen, aber Antimaterie kommt auf der Erde nicht in freiem Zustand vor.

In 10 Sekunden „durchschlüpfte“ das Universum mit seinen thermonuklearen Reaktionen durch die zweite (Lepton-)Stufe. Die Zusammensetzung der Substanz, aus der die Welt bestehen wird, wurde bereits skizziert. Es erschienen Wasserstoffatome und später Heliumkerne. An einem Tag verlor das Universum seine Superdichte. Am Ende des ersten Tages war seine Dichte 100-mal geringer als die Dichte normaler Luft.

Und hier endete die Welt der hohen Geschwindigkeiten. Die dritte Ära – die Ära der Strahlung – dauerte eine Million Jahre. Das ist zwar nicht viel im Vergleich zum milliardenschweren Leben des Universums, aber wenn man es mit dem schnellen Anfang vergleicht, der nur wenige Sekunden dauert, dann ist es doch viel. Die noch immer im Weltraum entdeckte Reliktstrahlung erinnert uns an diese Zeit. Als Reliktstrahlung bezeichnet man die Strahlung eines absolut schwarzen Körpers bei einer Temperatur von 2,7 K. Ja, wundern Sie sich nicht, ein absolut schwarzer Körper kann auch „strahlen“. Stellen Sie sich eine hohle Kugel vor. Nehmen wir an, wir fangen an, es aufzuheizen. Was ist drinnen los? Unser Ball ist leer. Die „Wärme“ im Inneren eines solchen Hohlraums besteht aus elektromagnetischen Wellen, die zwischen den Innenwänden strömen. Wird ein Körper auf 6.000 °C erhitzt, erscheinen die Wellen hauptsächlich im sichtbaren Teil des Spektrums. Unser Ball kann als „schwarzer Körper“ bezeichnet werden, da keine Strahlung durch seine Wände dringt und er für einen externen Beobachter „schwarz“ ist, obwohl er im Inneren erhitzt wird. Bei unterschiedlichen Temperaturen eines schwarzen Körpers ist auch die Strahlung unterschiedlich. Bei 6.000 °C ist es grün sichtbar, bei einer Temperatur von etwa einer Million Kelvin handelt es sich um Röntgenstrahlung. Bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) - Mikrowellen. Das passiert im Universum. CMB ist in diesem Fall die Erinnerung an die dritte Stufe der Entwicklung des Universums – das Zeitalter der Strahlung.

Mit der Entstehung der Materie endete das Zeitalter der Strahlung, dann begann ein neues Zeitalter, in dem wir leben. Dies ist das Zeitalter der Substanz. Quasare, Galaxien, Sterne, Planetensysteme werden geboren – alles, was wir heute von der Erde aus beobachten.

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Das Modell muss die beobachteten Abstände zwischen Objekten sowie die Geschwindigkeit und Richtung ihrer Bewegung berücksichtigen. Solche Berechnungen basieren auf dem Hubble-Gesetz: cz =H 0D, Wo z- Rotverschiebung des Objekts, D- Entfernung zu diesem Objekt, C- Lichtgeschwindigkeit.
Das Alter des Universums im Modell muss größer sein als das Alter der ältesten Objekte der Welt.
Das Modell muss die anfängliche Fülle an Elementen berücksichtigen.
Das Modell muss das Beobachtbare berücksichtigen.
Das Modell muss den beobachteten Relikthintergrund berücksichtigen.

Nach dieser Theorie entstand das Universum vor etwa 13,77 Milliarden Jahren aus einem dichten, erhitzten Objekt – im Rahmen der modernen Physik schwer zu beschreiben. Das Problem der kosmologischen Singularität besteht unter anderem darin, dass bei ihrer Beschreibung die meisten physikalischen Größen wie Dichte und Temperatur gegen Unendlich tendieren. Gleichzeitig ist bekannt, dass bei unendlicher Dichte (das Maß für Chaos) gegen Null tendieren sollte, was in keiner Weise mit unendlicher Temperatur vereinbar ist.

- Die ersten 10–43 Sekunden nach dem Urknall werden als Stadium des Quantenchaos bezeichnet. Die Natur des Universums in diesem Stadium der Existenz kann im Rahmen der uns bekannten Physik nicht beschrieben werden. Die kontinuierliche einheitliche Raumzeit zerfällt in Quanten.

Der Planck-Moment ist der Moment des Endes des Quantenchaos, der bei 10 -43 Sekunden liegt. Zu diesem Zeitpunkt waren die Parameter des Universums gleich wie die Planck-Temperatur (ungefähr 10 32 K). Zur Zeit der Planck-Ära waren alle vier grundlegenden Wechselwirkungen (schwach, stark, elektromagnetisch und gravitativ) zu einer einzigen Wechselwirkung zusammengefasst. Es ist nicht möglich, das Planck-Moment als eine lange Periode zu betrachten, da die moderne Physik nicht mit Parametern arbeitet, die kleiner als das Planck-Moment sind.
Bühne. Die nächste Phase in der Geschichte des Universums war die Inflationsphase. Im ersten Moment der Inflation wurde die Gravitationswechselwirkung vom einzelnen supersymmetrischen Feld (das zuvor die Felder der fundamentalen Wechselwirkungen umfasste) getrennt. Während dieser Zeit herrscht in der Materie ein Unterdruck, der zu einem exponentiellen Anstieg der kinetischen Energie des Universums führt. Einfach ausgedrückt begann sich das Universum in dieser Zeit sehr schnell aufzublähen und gegen Ende verwandelte sich die Energie physikalischer Felder in die Energie gewöhnlicher Teilchen. Am Ende dieser Phase steigt die Temperatur der Substanz und der Strahlung deutlich an. Mit dem Ende der Inflationsphase zeichnet sich auch eine starke Wechselwirkung ab. Auch in diesem Moment entsteht es.
Stadium der Strahlungsdominanz. Die nächste Stufe in der Entwicklung des Universums, die mehrere Stufen umfasst. In diesem Stadium beginnt die Temperatur des Universums zu sinken, es bilden sich Quarks, dann Hadronen und Leptonen. Im Zeitalter der Nukleosynthese kommt es zur Bildung erster chemischer Elemente und zur Synthese von Helium. Die Strahlung dominiert jedoch immer noch die Materie.
Die Ära der Substanzdominanz. Nach 10.000 Jahren übersteigt die Energie der Substanz allmählich die Strahlungsenergie und es kommt zu ihrer Trennung. Die Materie beginnt die Strahlung zu dominieren und ein Relikthintergrund erscheint. Außerdem verstärkte die Trennung der Materie durch Strahlung die anfänglichen Inhomogenitäten in der Verteilung der Materie erheblich, wodurch sich Galaxien und Supergalaxien zu bilden begannen. Die Gesetze des Universums haben die Form angenommen, in der wir sie heute beobachten.

Das obige Bild besteht aus mehreren grundlegenden Theorien und gibt einen allgemeinen Überblick über die Entstehung des Universums in den frühen Stadien seiner Existenz.

Woher kam das Universum?

Zyklische Modelle

Steinhardt-Turok-Modell. Dieses Modell basiert auf der Stringtheorie (M-Theorie), da es ein Objekt wie eine „Brane“ verwendet. Nach diesem Modell befindet sich das sichtbare Universum innerhalb einer Dreier-Brane, die periodisch, alle paar Billionen Jahre, mit einer anderen Dreier-Brane kollidiert, was so etwas wie den Urknall verursacht. Als nächstes beginnt sich unsere 3-Brane vom anderen zu entfernen und auszudehnen. Irgendwann überwiegt der Anteil der Dunklen Energie und die Expansionsgeschwindigkeit der 3-Brane nimmt zu. Die kolossale Expansion streut Materie und Strahlung so stark, dass die Welt nahezu homogen und leer wird. Schließlich kollidieren die drei Branes erneut, was dazu führt, dass unsere in die Anfangsphase ihres Zyklus zurückkehrt und erneut unser „Universum“ hervorbringt.

Auch die Theorie von Loris Baum und Paul Frampton besagt, dass das Universum zyklisch ist. Ihrer Theorie zufolge wird sich dieser nach dem Urknall aufgrund der dunklen Energie ausdehnen, bis er sich dem Moment des „Zerfalls“ der Raumzeit selbst nähert – dem Urknall. Bekanntlich nimmt in einem „geschlossenen System die Entropie nicht ab“ (zweiter Hauptsatz der Thermodynamik). Aus dieser Aussage folgt, dass das Universum nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren kann, da während eines solchen Prozesses die Entropie abnehmen muss. Dieses Problem wird jedoch im Rahmen dieser Theorie gelöst. Nach der Theorie von Baum und Frampton zerfällt das Universum einen Moment vor dem Big Rip in viele „Fetzen“, von denen jeder einen relativ kleinen Entropiewert hat. Durch eine Reihe von Phasenübergängen erzeugen diese „Lappen“ des ehemaligen Universums Materie und entwickeln sich ähnlich wie das ursprüngliche Universum. Diese neuen Welten interagieren nicht miteinander, da sie mit Geschwindigkeiten auseinanderfliegen, die größer als die Lichtgeschwindigkeit sind. Daher haben Wissenschaftler auch die kosmologische Singularität vermieden, mit der nach den meisten kosmologischen Theorien die Geburt des Universums beginnt. Das heißt, am Ende seines Zyklus zerfällt das Universum in viele andere, nicht interagierende Welten, die zu neuen Universen werden.
Konforme zyklische Kosmologie – zyklisches Modell von Roger Penrose und Vahagn Gurzadyan. Nach diesem Modell kann das Universum in einen neuen Zyklus eintreten, ohne den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verletzen. Diese Theorie basiert auf der Annahme, dass Schwarze Löcher absorbierte Informationen zerstören, was in gewisser Weise „legal“ die Entropie des Universums verringert. Dann beginnt jeder dieser Zyklen der Existenz des Universums mit etwas Ähnlichem wie dem Urknall und endet mit einer Singularität.

Andere Modelle zur Entstehung des Universums

Unter anderen Hypothesen, die die Entstehung des sichtbaren Universums erklären, sind die folgenden zwei die beliebtesten:

Chaotische Inflationstheorie - die Theorie von Andrei Linde. Nach dieser Theorie gibt es ein bestimmtes Skalarfeld, das über sein gesamtes Volumen inhomogen ist. Das heißt, in verschiedenen Bereichen des Universums hat das Skalarfeld unterschiedliche Bedeutungen. Dann passiert in Gebieten, in denen das Feld schwach ist, nichts, während Gebiete mit einem starken Feld aufgrund seiner Energie beginnen, sich auszudehnen (Inflation) und neue Universen zu bilden. Dieses Szenario impliziert die Existenz vieler Welten, die nicht gleichzeitig entstanden sind und über eigene Elementarteilchen und folglich Naturgesetze verfügen.
Die Theorie von Lee Smolin legt nahe, dass der Urknall nicht der Beginn der Existenz des Universums ist, sondern nur ein Phasenübergang zwischen seinen beiden Zuständen. Da das Universum vor dem Urknall in Form einer kosmologischen Singularität existierte, die ihrer Natur nach der Singularität eines Schwarzen Lochs ähnelte, vermutet Smolin, dass das Universum aus einem Schwarzen Loch entstanden sein könnte.

Ergebnisse

Auch heute noch beschäftigen sich Forscher intensiv mit möglichen Szenarien zur Entstehung des Universums, doch auf die Frage „Wie ist das Universum entstanden?“ lässt sich keine eindeutige Antwort geben. – Es ist unwahrscheinlich, dass dies in naher Zukunft gelingen wird. Dafür gibt es zwei Gründe: Ein direkter Beweis kosmologischer Theorien ist praktisch unmöglich, sondern nur indirekt; Selbst theoretisch ist es nicht möglich, genaue Informationen über die Welt vor dem Urknall zu erhalten. Aus diesen beiden Gründen können Wissenschaftler nur Hypothesen aufstellen und kosmologische Modelle erstellen, die die Natur des von uns beobachteten Universums am genauesten beschreiben.