Die Fragen sind so groß wie das Universum und (fast) so alt wie die Zeit: Woher komme ich und warum bin ich hier? Das klingt vielleicht wie eine Frage nach einem Philosophen, aber wenn Sie eine wissenschaftlichere Antwort wünschen, fragen Sie einen Kosmologen.
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Dieser Zweig der Physik arbeitet hart daran, die Natur der Realität zu entschlüsseln, indem er mathematische Theorien mit einer Vielzahl von Beweisen in Einklang bringt. Heute glauben die meisten Kosmologen, dass das Universum vor etwa 13, 8 Milliarden Jahren während des Urknalls entstanden ist und sich immer schneller ausdehnt. Der Kosmos ist in einen Stoff eingewebt, den wir Raum-Zeit nennen und der mit einem kosmischen Netz aus brillanten Galaxien und unsichtbarer dunkler Materie bestickt ist.
Es klingt ein wenig seltsam, aber Stapel von Bildern, experimentellen Daten und Modellen, die über Jahrzehnte hinweg zusammengestellt wurden, können diese Beschreibung stützen. Und als neue Informationen hinzukommen, überlegen sich die Kosmologen noch wildere Wege, um das Universum zu beschreiben - einschließlich einiger ausgefallener Vorschläge, die dennoch in der soliden Wissenschaft verwurzelt sind:
Wird diese Sammlung von Lasern und Spiegeln beweisen, dass das Universum ein 2D-Hologramm ist? (Fermilab) Das Universum ist ein Hologramm
Betrachten Sie ein Standardhologramm, das auf einer 2D-Oberfläche gedruckt ist, und sehen Sie eine 3D-Projektion des Bildes. Verringern Sie die Größe der einzelnen Punkte, aus denen das Bild besteht, und das Hologramm wird schärfer. In den neunziger Jahren erkannten die Physiker, dass mit unserem Universum so etwas passieren könnte.
Die klassische Physik beschreibt das Gefüge der Raumzeit als eine vierdimensionale Struktur mit drei Raum- und einer Zeitdimension. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass dieser Stoff auf seiner grundlegendsten Ebene glatt und durchgehend sein sollte. Aber das war, bevor die Quantenmechanik die Szene betrat. Während die Relativitätstheorie das Universum auf sichtbaren Skalen gut beschreibt, sagt uns die Quantenphysik alles darüber aus, wie die Dinge auf der Ebene der Atome und subatomaren Teilchen funktionieren. Laut Quantentheorien sollte das Gewebe der Raum-Zeit-Nähe aus winzigen Informationskörnern bestehen, die jeweils hundert Milliarden Mal kleiner sind als ein Proton.
Der Stanford-Physiker Leonard Susskind und der Nobelpreisträger Gerard 't Hooft haben jeweils Berechnungen vorgelegt, die zeigen, was passiert, wenn man versucht, quanten- und relativistische Beschreibungen der Raum-Zeit zu kombinieren. Sie fanden heraus, dass der Stoff mathematisch gesehen eine 2D-Oberfläche sein sollte und die Körner wie die Punkte in einem riesigen kosmischen Bild wirken sollten, das die „Auflösung“ unseres 3D-Universums definiert. Die Quantenmechanik sagt uns auch, dass diese Körner zufällige Jitter erfahren sollten, die gelegentlich die Projektion verwischen und somit nachweisbar sein könnten. Im vergangenen Monat haben Physiker des Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums damit begonnen, Daten mit einer hochempfindlichen Anordnung von Lasern und Spiegeln, dem so genannten Holometer, zu sammeln. Dieses Instrument ist fein abgestimmt, um winzige Bewegungen in Raum-Zeit aufzunehmen und festzustellen, ob es im kleinsten Maßstab tatsächlich körnig ist. Das Experiment sollte Daten für mindestens ein Jahr sammeln, damit wir früh genug wissen, ob wir in einem Hologramm leben.
Das Universum ist eine Computersimulation
Genau wie die Handlung der Matrix leben Sie möglicherweise in einem hochentwickelten Computerprogramm und wissen es nicht einmal. Einige Versionen dieses Denkens wurden diskutiert, lange bevor Keanu sein erstes „whoa“ aussprach. Platon fragte sich, ob die Welt, wie wir sie wahrnehmen, eine Illusion ist und moderne Mathematiker sich mit dem Grund auseinandersetzen, warum ist es so, dass 2 + 2 immer gleich 4 sein muss, egal wann oder wohin Sie schauen? Vielleicht, weil dies ein grundlegender Teil der Codierung des Universums ist.
2012 sagten Physiker der University of Washington in Seattle, dass es einen Weg geben könnte, dies herauszufinden, wenn wir in einer digitalen Simulation leben. Standardcomputermodelle basieren auf einem 3D-Raster, und manchmal erzeugt das Raster selbst bestimmte Anomalien in den Daten. Wenn das Universum ein riesiges Gitter ist, können die Bewegungen und Verteilungen von hochenergetischen Teilchen, die als kosmische Strahlen bezeichnet werden, ähnliche Anomalien aufdecken - ein Fehler in der Matrix - und einen Blick auf die Gitterstruktur werfen. Eine Arbeit des MIT-Ingenieurs Seth Lloyd aus dem Jahr 2013 legt den Grundstein für eine faszinierende Weiterentwicklung des Konzepts: Wenn Raumzeit aus Quantenbits besteht, muss das Universum ein einziger riesiger Quantencomputer sein. Natürlich werfen beide Begriffe ein beunruhigendes Problem auf: Wenn das Universum ein Computerprogramm ist, wer oder was hat den Code geschrieben?
Ein aktives supermassives Schwarzes Loch im Kern der Centaurus-A-Galaxie schleudert Strahlen in den Weltraum. (ESO / WFI (sichtbar); MPIfR / ESO / APEX / A.Weiss et al. (Mikrowelle); NASA / CXC / CfA / R.Kraft et al. (Röntgen)) Das Universum ist ein Schwarzes Loch
Jedes „Astronomy 101“ -Buch wird Ihnen sagen, dass das Universum während des Urknalls entstanden ist. Aber was existierte vor diesem Zeitpunkt und was löste die Explosion aus? Ein 2010er Artikel von Nikodem Poplawski, damals an der Indiana University, stellte den Fall auf, dass unser Universum in einem wirklich großen schwarzen Loch geschmiedet wurde.
Während Stephen Hawking seine Meinung immer wieder ändert, ist die populäre Definition eines Schwarzen Lochs eine Region der Raum-Zeit, die so dicht ist, dass ab einem bestimmten Punkt nichts ihrer Anziehungskraft entgehen kann. Schwarze Löcher entstehen, wenn dichte Materiepakete in sich zusammenfallen, zum Beispiel beim Tod besonders schwerer Sterne. Einige Versionen der Gleichungen, die Schwarze Löcher beschreiben, sagen weiter, dass die komprimierte Materie nicht vollständig in einen Punkt - oder eine Singularität - zusammenfällt, sondern zurückprallt und heiße, durcheinandergemischte Materie ausstößt.
Poplawski knackte die Zahlen und stellte fest, dass Beobachtungen der Form und Zusammensetzung des Universums mit dem mathematischen Bild eines geborenen Schwarzen Lochs übereinstimmen. Der anfängliche Zusammenbruch würde dem Urknall gleichkommen, und alles in und um uns herum würde aus den abgekühlten, neu angeordneten Bestandteilen dieser durcheinandergemischten Materie bestehen. Noch besser ist, dass die Theorie besagt, dass alle schwarzen Löcher in unserem Universum selbst die Tore zu alternativen Realitäten sein könnten. Wie testen wir es? Dieses Modell basiert auf schwarzen Löchern, die sich drehen, da diese Drehung dazu beiträgt, dass die ursprüngliche Materie nicht vollständig zusammenfällt. Poplawski sagt, wir sollten in der Lage sein, ein Echo des Spins zu sehen, der von unserem „übergeordneten“ Schwarzen Loch bei der Vermessung von Galaxien geerbt wurde, wobei sich riesige Haufen in eine leichte, aber potenziell erkennbare Vorzugsrichtung bewegen.
Das Universum ist eine Blase in einem Ozean von Universen
Ein weiteres kosmisches Rätsel taucht auf, wenn man bedenkt, was in den ersten Sekunden nach dem Urknall passiert ist. Karten von Reliktlicht, die kurz nach der Geburt des Universums emittiert wurden, zeigen, dass die Raumzeit des Babys im Handumdrehen exponentiell wuchs, bevor sie sich zu einer ruhigeren Expansionsrate entwickelte. Dieser als Inflation bezeichnete Prozess ist unter Kosmologen sehr beliebt und wurde in diesem Jahr durch die potenzielle (aber immer noch unbestätigte) Entdeckung von Wellen in der Raum-Zeit, die als Gravitationswellen bezeichnet werden und die Produkte des rasanten Wachstumsschubs gewesen wären, noch verstärkt.
Wenn sich die Inflation bestätigt, würden einige Theoretiker argumentieren, dass wir in einem schaumigen Meer von mehreren Universen leben müssen. Einige der frühesten Inflationsmodelle besagen, dass die Raum-Zeit vor dem Urknall ein sogenanntes falsches Vakuum enthielt, ein energiereiches Feld ohne Materie und Strahlung, das von Natur aus instabil ist. Um einen stabilen Zustand zu erreichen, begann das Vakuum wie ein Topf mit kochendem Wasser zu sprudeln. Mit jeder Blase wurde ein neues Universum geboren, aus dem ein endloses Multiversum hervorgeht.
Das Problem beim Testen dieser Idee ist, dass der Kosmos unglaublich groß ist - das beobachtbare Universum erstreckt sich über ungefähr 46 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen - und selbst unsere besten Teleskope können nicht hoffen, auf die Oberfläche einer so großen Blase zu blicken. Eine Möglichkeit besteht darin, nach Beweisen dafür zu suchen, dass unser Blasenuniversum mit einem anderen kollidiert. Heute zeigen unsere besten Karten des Reliktlichts des Urknalls einen ungewöhnlichen kalten Punkt am Himmel, der ein „Bluterguss“ sein könnte, wenn man auf einen kosmischen Nachbarn trifft. Oder es könnte ein statistischer Zufall sein. Ein Forscherteam um Carroll Wainwright von der University of California in Santa Cruz hat Computermodelle getestet, um herauszufinden, welche anderen Spuren eine sprudelnde Kollision im Echo des Urknalls hinterlassen würde.
