3. Der Raum um die Erde ist mit Hintergrundmikrowellen gefüllt

4. Das Alter der Erde, der Meteoriten und der ältesten Sterne ist nicht groß

5. Im gesamten beobachtbaren Universum, von den nahen Sternen bis zu den am weitesten entfernten Galaxien, kommt auf jeweils 10 Wasserstoffatome ein Heliumatom. Es scheint unglaublich, dass die örtlichen Bedingungen überall so identisch sein können. Die Stärke des Urknallmodells besteht darin, dass es überall das gleiche Verhältnis zwischen Helium und Wasserstoff vorhersagt.

6. In Regionen des Universums, die räumlich und zeitlich von uns entfernt sind, gibt es mehr aktive Galaxien und Quasare als in unserer Nähe. Dies weist auf die Entwicklung des Universums hin und widerspricht der Theorie eines stationären Universums.

Unter solchen Bedingungen unvorstellbar hoher Temperatur und Dichte fand die Geburt des Universums statt. Darüber hinaus könnte dies eine Geburt im wahrsten Sinne des Wortes sein: Einige Kosmologen (z. B. Ya. B. Zeldovich in der UdSSR und L. Parker in den USA) glaubten, dass Teilchen und Gammastrahlenphotonen in dieser Zeit durch das Gravitationsfeld geboren wurden . Aus physikalischer Sicht könnte dieser Prozess stattfinden, wenn die Singularität anisotrop wäre, d. h. Das Gravitationsfeld war ungleichmäßig. In diesem Fall könnten Gezeitenkräfte echte Teilchen aus dem Vakuum „ziehen“ und so die Materie des Universums erzeugen.

Durch die Untersuchung der Prozesse, die unmittelbar nach dem Urknall stattfanden, verstehen wir, dass unsere physikalischen Theorien immer noch sehr unvollkommen sind. Die thermische Entwicklung des frühen Universums hängt von der Entstehung massiver Elementarteilchen, der Hadronen, ab, über die die Kernphysik noch wenig weiß. Viele dieser Partikel sind instabil und kurzlebig. Der Schweizer Physiker R. Hagedorn glaubt, dass es eine große Vielfalt an Hadronen mit zunehmender Masse geben könnte, die bei einer Temperatur in der Größenordnung von 10°C in Hülle und Fülle gebildet werden könnten

Einer anderen Sichtweise zufolge ist die Zahl der Arten massiver Elementarteilchen begrenzt, sodass Temperatur und Dichte während der Hadronenzeit unendliche Werte erreicht haben müssten. Im Prinzip ließe sich dies überprüfen: Wenn die Bestandteile der Hadronen-Quarks stabile Teilchen wären, dann hätte eine bestimmte Anzahl von Quarks und Antiquarks aus dieser heißen Ära erhalten bleiben müssen. Doch die Suche nach Quarks war vergeblich; höchstwahrscheinlich sind sie instabil. Cm . auch ELEMENTARTEILCHEN.

Nach der ersten Millisekunde der Expansion des Universums spielte die starke (nukleare) Wechselwirkung dabei keine entscheidende Rolle: Die Temperatur sank so stark, dass die Atomkerne nicht mehr kollabierten. Weitere physikalische Prozesse wurden durch die schwache Wechselwirkung bestimmt, die für die Entstehung leichter Teilchen – Leptonen (also Elektronen, Positronen, Mesonen und Neutrinos) unter dem Einfluss von Wärmestrahlung verantwortlich ist. Als während der Expansion die Strahlungstemperatur auf etwa 10 °C sank

Die nächste Expansionsphase, das Photonenzeitalter, ist durch das absolute Überwiegen der Wärmestrahlung gekennzeichnet. Auf jedes erhaltene Proton oder Elektron kommen eine Milliarde Photonen. Zunächst handelte es sich dabei um Gammaquanten, aber als sich das Universum ausdehnte, verloren sie Energie und wurden zu Röntgen-, Ultraviolett-, optischen und Infrarotquanten. Mittlerweile sind sie schließlich zu Radioquanten geworden, die wir als Schwarzkörper-Hintergrundradio (Reliktradio) betrachten Emission.

1. Das Problem der Singularität: Viele bezweifeln die Anwendbarkeit der Allgemeinen Relativitätstheorie, die in der Vergangenheit eine Singularität liefert. Es werden alternative kosmologische Theorien ohne Singularität vorgeschlagen.

2. Das Problem der Isotropie des Universums hängt eng mit der Singularität zusammen. Es erscheint seltsam, dass die Expansion, die von einem singulären Zustand aus begann, so isotrop war. Es ist jedoch möglich, dass die zunächst anisotrope Ausdehnung unter dem Einfluss dissipativer Kräfte allmählich isotrop wurde.

3. Homogen auf den größten Skalen, auf kleineren Skalen ist das Universum sehr heterogen (Galaxien, Galaxienhaufen). Es ist schwer zu verstehen, wie die Schwerkraft allein zur Entstehung einer solchen Struktur führen konnte. Daher erforschen Kosmologen die Möglichkeiten inhomogener Modelle des Urknalls.

4. Abschließend könnte man fragen: Wie sieht die Zukunft des Universums aus? Um dies zu beantworten, müssen Sie die durchschnittliche Materiedichte im Universum kennen. Wenn es einen bestimmten kritischen Wert überschreitet, ist die Geometrie der Raumzeit geschlossen und das Universum wird sich in Zukunft mit Sicherheit zusammenziehen. Das geschlossene Universum hat keine Grenzen, aber sein Volumen ist endlich. Wenn die Dichte unter dem kritischen Wert liegt, ist das Universum offen und wird sich für immer ausdehnen. Das offene Universum ist unendlich und hat am Anfang nur eine Singularität. Bisher stimmen die Beobachtungen besser mit dem Modell des offenen Universums überein.

Das radikalste ist, dass am Anfang Chaos herrschte. Die Expansion des frühen Universums verlief äußerst anisotrop und inhomogen, doch dann glätteten dissipative Prozesse die Anisotropie und brachten die Expansion näher an das Friedmann-Lemaitre-Modell heran. Das Schicksal der Inhomogenitäten ist sehr merkwürdig: Wenn ihre Amplitude groß war, mussten sie unweigerlich zu Schwarzen Löchern kollabieren, deren Masse durch den aktuellen Horizont bestimmt wurde. Ihre Entstehung könnte bereits in der Planck-Zeit begonnen haben, so dass es im Universum viele kleine Schwarze Löcher mit einer Masse von bis zu 10 geben könnte

Das primäre Chaos könnte Störungen jeglichen Ausmaßes und Ausmaßes beinhalten; Die größten davon, in Form von Schallwellen, könnten von der Ära des frühen Universums bis zur Ära der Strahlung überlebt haben, als die Materie noch heiß genug war, um Strahlung auszusenden, zu absorbieren und zu streuen. Doch mit dem Ende dieser Ära rekombinierte das abgekühlte Plasma und hörte auf, mit der Strahlung zu interagieren. Der Druck und die Schallgeschwindigkeit im Gas sanken, wodurch sich die Schallwellen in Stoßwellen verwandelten, das Gas komprimierte und zu Galaxien und Galaxienhaufen kollabierte. Abhängig von der Art der Anfangswellen prognostizieren Berechnungen ein ganz anderes Bild, das nicht immer mit dem beobachteten übereinstimmt. Um zwischen möglichen Optionen für kosmologische Modelle zu wählen, ist eine philosophische Idee wichtig, die als anthropisches Prinzip bekannt ist: Das Universum hätte von Anfang an solche Eigenschaften haben müssen, die die Bildung von Galaxien, Sternen, Planeten und intelligentem Leben auf ihnen ermöglichten. Sonst gäbe es niemanden, der Kosmologie studieren könnte.

Eine alternative Ansicht ist, dass über die ursprüngliche Struktur des Universums nicht mehr gelernt werden kann als das, was Beobachtungen liefern. Nach diesem konservativen Ansatz kann das junge Universum nicht als chaotisch angesehen werden, da es jetzt sehr isotrop und homogen ist. Die Abweichungen von der Gleichmäßigkeit, die wir in der Form von Galaxien beobachten, könnten unter dem Einfluss der Schwerkraft aus kleinen anfänglichen Inhomogenitäten der Dichte wachsen. Studien zur großräumigen Verteilung von Galaxien (hauptsächlich durchgeführt von J. Peebles in Princeton) scheinen diese Idee jedoch nicht zu stützen. Eine weitere interessante Möglichkeit besteht darin, dass während der Hadronenzeit entstandene Cluster von Schwarzen Löchern die ersten Fluktuationen für die Bildung von Galaxien darstellen könnten.

Damit das Universum geschlossen ist, muss die durchschnittliche Materiedichte darin einen bestimmten kritischen Wert überschreiten. Die Dichteschätzung für sichtbare und unsichtbare Materie liegt sehr nahe an diesem Wert.

Die Verteilung der Galaxien im Weltraum ist sehr heterogen. Unsere lokale Galaxiengruppe, zu der die Milchstraße, Andromeda und mehrere kleinere Galaxien gehören, liegt an der Peripherie eines riesigen Galaxiensystems, das als Virgo-Superhaufen bekannt ist und dessen Zentrum mit dem Virgo-Galaxienhaufen zusammenfällt. Wenn die durchschnittliche Dichte der Welt hoch ist und das Universum geschlossen ist, sollte eine starke Abweichung von der isotropen Expansion beobachtet werden, die durch die Anziehungskraft unserer und benachbarter Galaxien auf das Zentrum des Superhaufens verursacht wird. Im offenen Universum ist diese Abweichung unbedeutend. Die Beobachtungen stimmen eher mit dem offenen Modell überein.

Von großem Interesse für Kosmologen ist der Gehalt des schweren Wasserstoffisotops Deuterium in der kosmischen Materie, das bei Kernreaktionen in den ersten Augenblicken nach dem Urknall gebildet wurde. Es stellte sich heraus, dass der Deuteriumgehalt in dieser Zeit und damit auch in unserer Zeit äußerst empfindlich auf die Dichte der Materie reagierte. Der „Deuteriumtest“ ist jedoch nicht einfach durchzuführen, da die Primärsubstanz untersucht werden muss, die sich seit der kosmologischen Synthese nicht mehr im Inneren der Sterne befindet, wo Deuterium leicht brennt. Die Untersuchung extrem entfernter Galaxien hat gezeigt, dass der Deuteriumgehalt einer geringen Materiedichte und damit einem offenen Modell des Universums entspricht.

1. Das in Bezug auf Materie und Antimaterie symmetrische Modell geht davon aus, dass diese beiden Arten von Materie im Universum gleichermaßen vorhanden sind. Obwohl es offensichtlich ist, dass unsere Galaxie praktisch keine Antimaterie enthält, könnten benachbarte Sternensysteme durchaus vollständig daraus bestehen; Darüber hinaus wäre ihre Strahlung genau die gleiche wie die normaler Galaxien. In früheren Expansionsepochen, als Materie und Antimaterie in engerem Kontakt standen, hätte ihre Vernichtung jedoch starke Gammastrahlung erzeugen müssen. Beobachtungen erkennen es nicht, was das symmetrische Modell unwahrscheinlich macht.

2. Das Modell des Kalten Urknalls geht davon aus, dass die Expansion beim absoluten Nullpunkt der Temperatur begann. Zwar muss in diesem Fall eine Kernfusion stattfinden und die Materie aufheizen, aber die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung kann nicht mehr direkt mit dem Urknall in Verbindung gebracht werden, sondern muss irgendwie anders erklärt werden. Diese Theorie ist attraktiv, weil die darin enthaltene Materie einer Fragmentierung unterliegt, und dies ist notwendig, um die großräumige Heterogenität des Universums zu erklären.

3. Das stationäre kosmologische Modell geht von der kontinuierlichen Geburt der Materie aus. Der Hauptgrundsatz dieser Theorie, bekannt als das Ideale Kosmologische Prinzip, besagt, dass das Universum immer so war und bleiben wird, wie es jetzt ist. Beobachtungen widerlegen dies.

4. Es werden modifizierte Versionen von Einsteins Gravitationstheorie betrachtet. Beispielsweise stimmt die Theorie von K. Bruns und R. Dicke aus Princeton im Allgemeinen mit Beobachtungen im Sonnensystem überein. Das Bruns-Dicke-Modell sowie das radikalere F. Hoyle-Modell, bei dem sich einige Grundkonstanten mit der Zeit ändern, haben in unserer Zeit nahezu dieselben kosmologischen Parameter wie das Urknallmodell.

5. Basierend auf der modifizierten Einstein-Theorie erstellte J. Lemaitre 1925 ein kosmologisches Modell, das den Urknall mit einer langen Ruhephase kombiniert, in der sich Galaxien bilden könnten. Einstein interessierte sich für diese Möglichkeit, um sein bevorzugtes kosmologisches Modell eines statischen Universums zu rechtfertigen, doch als die Expansion des Universums entdeckt wurde, gab er sie öffentlich auf.

Hypothese eines Mehrblattmodells des Universums

Vorwort des Seitenautors: Für die Leser der Website „Wissen ist Macht“ bieten wir Fragmente aus dem 29. Kapitel von Andrei Dmitrievich Sacharows Buch „Memoirs“ an. Akademiker Sacharow spricht über die Arbeit auf dem Gebiet der Kosmologie, die er durchführte, nachdem er begann, sich aktiv für Menschenrechtsaktivitäten zu engagieren – insbesondere im Exil Gorkis. Dieses Material ist zweifellos von Interesse zum Thema „Das Universum“, das in diesem Kapitel unserer Website behandelt wird. Wir werden uns mit der Hypothese eines Mehrblattmodells des Universums und anderen Problemen der Kosmologie und Physik vertraut machen. ...Und natürlich erinnern wir uns an unsere jüngste tragische Vergangenheit.

Akademiker Andrei Dmitrievich SAKHAROV (1921-1989).

Im Moskau der 70er Jahre und in Gorki setzte ich meine Versuche fort, Physik und Kosmologie zu studieren. In diesen Jahren konnte ich keine nennenswerten neuen Ideen einbringen und habe die Richtungen weiterentwickelt, die bereits in meinen Werken der 60er Jahre vorgestellt (und im ersten Teil dieses Buches beschrieben) wurden. Das ergeht wohl den meisten Wissenschaftlern, wenn sie eine für sie bestimmte Altersgrenze erreichen. Ich verliere jedoch nicht die Hoffnung, dass vielleicht noch etwas anderes für mich „leuchtet“. Gleichzeitig muss ich sagen, dass die bloße Beobachtung des wissenschaftlichen Prozesses, an dem man selbst nicht teilnimmt, sondern weiß, was was ist, tiefe innere Freude bringt. In diesem Sinne bin ich „nicht gierig“.

1974 tat ich das und veröffentlichte 1975 eine Arbeit, in der ich die Idee einer Null-Lagrange-Funktion des Gravitationsfeldes sowie die Berechnungsmethoden entwickelte, die ich in früheren Arbeiten verwendet hatte. Gleichzeitig stellte sich heraus, dass ich zu der Methode gelangte, die vor vielen Jahren von Vladimir Aleksandrovich Fok und dann von Julian Schwinger vorgeschlagen wurde. Mein Fazit und der Bauweg selbst, die Methoden waren jedoch völlig unterschiedlich. Leider konnte ich meine Arbeit nicht an Fok schicken – er starb gerade in diesem Moment.

Anschließend habe ich einige Fehler in meinem Artikel entdeckt. Es blieb die Frage ungeklärt, ob „induzierte Schwerkraft“ (der moderne Begriff, der anstelle des Begriffs „Null-Lagrange“ verwendet wird) bei einer der von mir in Betracht gezogenen Optionen das korrekte Vorzeichen der Gravitationskonstante angibt.<...>

Drei Werke – eines vor meiner Vertreibung und zwei nach meiner Vertreibung – widmen sich kosmologischen Problemen. Im ersten Artikel diskutiere ich die Mechanismen der Baryonenasymmetrie. Von einigem Interesse sind vielleicht allgemeine Überlegungen zur Kinetik von Reaktionen, die zur Baryonenasymmetrie des Universums führen. Allerdings argumentiere ich in dieser Arbeit speziell im Rahmen meiner alten Annahme über die Existenz eines „kombinierten“ Erhaltungssatzes (die Summe der Anzahlen von Quarks und Leptonen bleibt erhalten). Wie ich auf diese Idee kam und warum ich sie nun für falsch halte, habe ich bereits im ersten Teil meiner Memoiren geschrieben. Insgesamt erscheint mir dieser Teil der Arbeit erfolglos. Der Teil des Jobs, über den ich schreibe, gefällt mir viel besser Mehrblattmodell des Universums . Das ist eine Annahme Die kosmologische Expansion des Universums wird durch eine Kompression ersetzt, dann eine neue Expansion, so dass sich die Zyklen von Kompression und Expansion unendlich oft wiederholen. Solche kosmologischen Modelle erregen seit langem Aufmerksamkeit. Verschiedene Autoren nannten sie „pulsierend“ oder "schwingen" Modelle des Universums. Der Begriff gefällt mir besser „Mehrblattmodell“ . Es wirkt ausdrucksvoller und entspricht eher der emotionalen und philosophischen Bedeutung des grandiosen Bildes der wiederholten Wiederholung der Zyklen der Existenz.

Solange Erhaltung angenommen wurde, stieß das Mehrblattmodell jedoch auf eine unüberwindbare Schwierigkeit, die sich aus einem der Grundgesetze der Natur ergab – dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Rückzug. In der Thermodynamik wird ein bestimmtes Merkmal des Zustands von Körpern eingeführt, genannt. Mein Vater erinnerte sich einmal an ein altes populärwissenschaftliches Buch mit dem Titel „Die Königin der Welt und ihr Schatten“. (Leider habe ich vergessen, wer der Autor dieses Buches ist.) Die Königin ist natürlich Energie und der Schatten ist Entropie. Im Gegensatz zur Energie, für die es einen Erhaltungssatz gibt, legt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik für die Entropie das Gesetz der Zunahme (genauer gesagt der Nichtabnahme) fest. Prozesse, bei denen sich die Gesamtentropie von Körpern nicht ändert, werden als reversibel bezeichnet. Ein Beispiel für einen reversiblen Vorgang ist die mechanische Bewegung ohne Reibung. Reversible Prozesse sind eine Abstraktion, ein Grenzfall irreversibler Prozesse, die mit einer Zunahme der Gesamtentropie von Körpern (bei Reibung, Wärmeübertragung etc.) einhergehen. Mathematisch ist Entropie als eine Größe definiert, deren Anstieg gleich dem Wärmeeinstrom dividiert durch die absolute Temperatur ist (zusätzlich wird angenommen – genauer gesagt folgt aus allgemeinen Prinzipien –, dass die Entropie am absoluten Nullpunkt und die Entropie im Vakuum gleich sind). bis Null).

Zahlenbeispiel zur Verdeutlichung. Ein bestimmter Körper mit einer Temperatur von 200 Grad gibt beim Wärmeaustausch 400 Kalorien an einen zweiten Körper mit einer Temperatur von 100 Grad ab. Die Entropie des ersten Körpers nahm um 400/200 ab, d.h. um 2 Einheiten und die Entropie des zweiten Körpers um 4 Einheiten erhöht; Die Gesamtentropie erhöhte sich gemäß der Anforderung des zweiten Hauptsatzes um 2 Einheiten. Beachten Sie, dass dieses Ergebnis eine Folge der Tatsache ist, dass Wärme von einem heißeren Körper auf einen kälteren übertragen wird.

Eine Erhöhung der Gesamtentropie bei Nichtgleichgewichtsprozessen führt letztlich zu einer Erwärmung des Stoffes. Wenden wir uns der Kosmologie zu, den Mehrblattmodellen. Wenn wir davon ausgehen, dass die Anzahl der Baryonen fest ist, dann wird die Entropie pro Baryon auf unbestimmte Zeit ansteigen. Die Substanz erwärmt sich bei jedem Zyklus unbegrenzt, d. h. Die Bedingungen im Universum werden sich nicht wiederholen!

Die Schwierigkeit wird beseitigt, wenn wir die Annahme der Erhaltung der Baryonenladung aufgeben und in Übereinstimmung mit meiner Idee von 1966 und ihrer späteren Entwicklung durch viele andere Autoren davon ausgehen, dass die Baryonenladung aus „Entropie“ (d. h. neutraler heißer Materie) entsteht. in den frühen Stadien der kosmologischen Expansion des Universums. In diesem Fall ist die Anzahl der gebildeten Baryonen proportional zur Entropie bei jedem Expansions-Kompressions-Zyklus, d. h. Die Bedingungen für die Evolution der Materie und die Bildung von Strukturformen können in jedem Zyklus annähernd gleich sein.

Den Begriff „Mehrblattmodell“ habe ich erstmals 1969 in einer Arbeit geprägt. In meinen letzten Artikeln verwende ich denselben Begriff in einem etwas anderen Sinne; Ich erwähne dies hier, um Missverständnisse zu vermeiden.

Der erste der letzten drei Artikel (1979) untersuchte ein Modell, bei dem angenommen wird, dass der Raum im Durchschnitt flach ist. Es wird auch angenommen, dass Einsteins kosmologische Konstante nicht Null ist und negativ ist (obwohl der absolute Wert sehr klein ist). Wie die Gleichungen der Einsteinschen Gravitationstheorie zeigen, weicht in diesem Fall die kosmologische Expansion zwangsläufig der Kompression. Darüber hinaus wiederholt jeder Zyklus den vorherigen hinsichtlich seiner durchschnittlichen Eigenschaften vollständig. Wichtig ist, dass das Modell räumlich flach ist. Neben der flachen Geometrie (euklidische Geometrie) widmen sich die folgenden beiden Arbeiten auch der Betrachtung der Lobatschewski-Geometrie und der Geometrie einer Hypersphäre (einem dreidimensionalen Analogon einer zweidimensionalen Kugel). In diesen Fällen entsteht jedoch ein weiteres Problem. Eine Zunahme der Entropie führt zu einer Vergrößerung des Radius des Universums zu den entsprechenden Zeitpunkten jedes Zyklus. Wenn wir in die Vergangenheit extrapolieren, stellen wir fest, dass jedem gegebenen Zyklus nur eine endliche Anzahl von Zyklen vorausgegangen sein kann.

In der „Standard“-Kosmologie (Ein-Blatt-Kosmologie) gibt es ein Problem: Was gab es vor dem Moment der maximalen Dichte? In mehrschichtigen Kosmologien (mit Ausnahme des Falles eines räumlich flachen Modells) lässt sich dieses Problem nicht vermeiden – die Frage wird auf den Moment des Beginns der Expansion des ersten Zyklus übertragen. Man kann die Ansicht vertreten, dass der Beginn der Expansion des ersten Zyklus oder, im Fall des Standardmodells, des einzigen Zyklus der Moment der Erschaffung der Welt ist und daher die Frage, was davor geschah, jenseits davon liegt Umfang der wissenschaftlichen Forschung. Vielleicht genauso – oder meiner Meinung nach sogar noch mehr – gerechtfertigt und fruchtbar ist jedoch der Ansatz, der eine unbegrenzte wissenschaftliche Erforschung der materiellen Welt und der Raumzeit ermöglicht. Gleichzeitig gibt es offenbar keinen Platz für den Schöpfungsakt, aber das religiöse Grundkonzept der göttlichen Bedeutung des Seins wird von der Wissenschaft nicht berührt und liegt außerhalb ihrer Grenzen.

Mir sind zwei Alternativhypothesen im Zusammenhang mit dem diskutierten Problem bekannt. Eine davon wurde meines Erachtens erstmals 1966 von mir geäußert und wurde in späteren Arbeiten mehrfach präzisiert. Dies ist die Hypothese der „Drehung des Pfeils der Zeit“. Es hängt eng mit dem sogenannten Reversibilitätsproblem zusammen.

Wie ich bereits geschrieben habe, gibt es in der Natur keine vollständig reversiblen Prozesse. Reibung, Wärmeübertragung, Lichtemission, chemische Reaktionen, Lebensprozesse zeichnen sich durch Irreversibilität aus, einen markanten Unterschied zwischen Vergangenheit und Zukunft. Wenn wir einen irreversiblen Vorgang filmen und den Film dann in der entgegengesetzten Richtung abspielen, sehen wir auf dem Bildschirm etwas, was in der Realität nicht passieren kann (zum Beispiel erhöht ein durch Trägheit rotierendes Schwungrad seine Drehzahl und die Lager kühlen ab). Quantitativ drückt sich die Irreversibilität in einem monotonen Anstieg der Entropie aus. Gleichzeitig sind es die Atome, Elektronen, Atomkerne usw., die Bestandteil aller Körper sind. bewegen sich nach den Gesetzen der Mechanik (Quantum, aber das ist hier unwichtig), die zeitlich völlig umkehrbar sind (in der Quantenfeldtheorie - bei gleichzeitiger CP-Reflexion, siehe im ersten Teil). Die Asymmetrie der beiden Zeitrichtungen (das Vorhandensein des „Zeitpfeils“, wie sie sagen) mit der Symmetrie der Bewegungsgleichungen hat seit langem die Aufmerksamkeit der Schöpfer der statistischen Mechanik auf sich gezogen. Die Diskussion über dieses Thema begann in den letzten Jahrzehnten des letzten Jahrhunderts und war teilweise recht hitzig. Die Lösung, die mehr oder weniger alle zufriedenstellte, war die Hypothese, dass die Asymmetrie auf die anfänglichen Bewegungsbedingungen und die Position aller Atome und Felder „in der unendlich fernen Vergangenheit“ zurückzuführen sei. Diese Anfangsbedingungen müssen in einem genau definierten Sinne „zufällig“ sein.

Wie ich (1966 und expliziter 1980) vorgeschlagen habe, sollten in kosmologischen Theorien, die einen bestimmten Zeitpunkt haben, diese zufälligen Anfangsbedingungen nicht der unendlich fernen Vergangenheit (t -> - ∞), sondern diesem ausgewählten Punkt zugeschrieben werden (t = 0).

Dann hat die Entropie an diesem Punkt automatisch einen minimalen Wert, und wenn man sich zeitlich davon vorwärts oder rückwärts bewegt, nimmt die Entropie zu. Das ist es, was ich „die Drehung des Pfeils der Zeit“ nannte. Da sich beim Drehen des Pfeils der Zeit alle Prozesse, einschließlich Informationsprozesse (einschließlich Lebensprozesse), umkehren, entstehen keine Paradoxien. Die oben genannten Ideen zur Umkehr des Zeitpfeils haben meines Wissens in der wissenschaftlichen Welt keine Anerkennung gefunden. Aber sie scheinen mir interessant zu sein.

Die Drehung des Zeitpfeils stellt die den Bewegungsgleichungen im kosmologischen Weltbild innewohnende Symmetrie der beiden Zeitrichtungen wieder her!

1966-1967 Ich ging davon aus, dass am Wendepunkt des Zeitpfeils eine CPT-Reflexion stattfindet. Diese Annahme war einer der Ausgangspunkte meiner Arbeit zur Baryonenasymmetrie. Hier stelle ich eine andere Hypothese vor (Kirzhnitz, Linde, Guth, Turner und andere waren daran beteiligt; mir bleibt hier nur die Bemerkung, dass es eine Drehung des Pfeils der Zeit gibt).

Moderne Theorien gehen davon aus, dass Vakuum in verschiedenen Zuständen existieren kann: stabil, mit einer Energiedichte von Null mit großer Genauigkeit; und instabil, mit einer enormen positiven Energiedichte (effektive kosmologische Konstante). Der letztere Zustand wird manchmal als „falsches Vakuum“ bezeichnet.

Eine der Lösungen für die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie für solche Theorien lautet wie folgt. Das Universum ist geschlossen, d.h. stellt zu jedem Zeitpunkt eine „Hypersphäre“ mit endlichem Volumen dar (eine Hypersphäre ist ein dreidimensionales Analogon der zweidimensionalen Oberfläche einer Kugel; eine Hypersphäre kann man sich „eingebettet“ im vierdimensionalen euklidischen Raum vorstellen, genau wie eine zweidimensionale Die dimensionale Sphäre ist in den dreidimensionalen Raum „eingebettet“. Der Radius der Hypersphäre hat zu einem bestimmten Zeitpunkt einen minimalen endlichen Wert (bezeichnen wir ihn mit t = 0) und nimmt mit der Entfernung von diesem Punkt sowohl vorwärts als auch rückwärts in der Zeit zu. Die Entropie ist für ein falsches Vakuum Null (wie für jedes Vakuum im Allgemeinen) und wenn man sich zeitlich vorwärts oder rückwärts vom Punkt t = 0 entfernt, nimmt sie aufgrund des Zerfalls des falschen Vakuums zu und geht in einen stabilen Zustand des wahren Vakuums über . Somit dreht sich am Punkt t = 0 der Zeitpfeil (aber es gibt keine kosmologische CPT-Symmetrie, die eine unendliche Kompression am Reflexionspunkt erfordert). Genau wie bei der CPT-Symmetrie sind auch hier alle konservierten Ladungen gleich Null (aus einem trivialen Grund – bei t = 0 liegt ein Vakuumzustand vor). Daher ist auch in diesem Fall das dynamische Auftreten der beobachteten Baryonenasymmetrie aufgrund der Verletzung der CP-Invarianz anzunehmen.

Eine alternative Hypothese über die Vorgeschichte des Universums besagt, dass es tatsächlich nicht ein oder zwei Universen gibt (wie – in gewissem Sinne des Wortes – in der Hypothese der Drehung des Pfeils der Zeit), sondern viele, die sich radikal voneinander unterscheiden und aus einem „primären“ Raum (oder seinen konstituierenden Teilchen; das könnte eine andere Art sein, es auszudrücken) entstehen. Andere Universen und der Primärraum können, wenn es sinnvoll ist, darüber zu sprechen, insbesondere im Vergleich zu „unserem“ Universum eine andere Anzahl „makroskopischer“ räumlicher und zeitlicher Dimensionen – Koordinaten – haben (in unserem Universum drei räumliche). und eine zeitliche Dimension; in anderen Universen kann alles anders sein!) Ich bitte Sie, dem in Anführungszeichen eingeschlossenen Adjektiv „makroskopisch“ keine besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Es ist mit der „Kompaktisierungs“-Hypothese verbunden, nach der die meisten Dimensionen kompaktiert werden, d. h. in sehr kleinem Maßstab in sich geschlossen.

Struktur des „Mega-Universums“

Es wird angenommen, dass zwischen verschiedenen Universen kein kausaler Zusammenhang besteht. Genau das rechtfertigt ihre Interpretation als separate Universen. Ich nenne dieses grandiose Gebilde das „Mega-Universum“. Mehrere Autoren haben Variationen solcher Hypothesen diskutiert. Insbesondere die Hypothese der Mehrlingsgeburten geschlossener (annähernd hypersphärischer) Universen wird in einem seiner Werke von Ya.B. verteidigt. Seldowitsch.

Die Mega-Universum-Ideen sind äußerst interessant. Vielleicht liegt die Wahrheit genau in dieser Richtung. Für mich gibt es in einigen dieser Konstruktionen jedoch eine Unklarheit eher technischer Natur. Es ist durchaus akzeptabel anzunehmen, dass die Bedingungen in verschiedenen Regionen des Weltraums völlig unterschiedlich sind. Aber die Naturgesetze müssen zwangsläufig überall und immer dieselben sein. Die Natur kann nicht wie die Königin in Carrolls Alice im Wunderland sein, die die Regeln des Krocketspiels willkürlich änderte. Existenz ist kein Spiel. Meine Zweifel beziehen sich auf jene Hypothesen, die einen Bruch in der Kontinuität von Raum und Zeit zulassen. Sind solche Prozesse akzeptabel? Sind sie nicht ein Bruchpunkt gerade der Naturgesetze und nicht der „Seinsbedingungen“? Ich wiederhole: Ich bin mir nicht sicher, ob dies berechtigte Bedenken sind. Vielleicht gehe ich, wie auch bei der Frage der Erhaltung der Anzahl der Fermionen, von einem zu engen Standpunkt aus. Darüber hinaus sind Hypothesen durchaus denkbar, bei denen die Geburt von Universen ohne Unterbrechung der Kontinuität erfolgt.

Die Annahme, dass die spontane Geburt vieler und möglicherweise unendlich vieler Universen mit unterschiedlichen Parametern erfolgt und dass sich das uns umgebende Universum von vielen Welten gerade durch die Bedingung für die Entstehung von Leben und Intelligenz unterscheidet, wird als „anthropisches Prinzip“ bezeichnet ” (AP). Zeldovich schreibt, dass die erste ihm bekannte Betrachtung von AP im Kontext eines expandierenden Universums auf Idlis (1958) zurückgeht. Im Konzept eines vielblättrigen Universums kann auch das anthropische Prinzip eine Rolle spielen, allerdings für die Wahl zwischen aufeinanderfolgenden Zyklen oder deren Regionen. Diese Möglichkeit wird in meiner Arbeit „Multiple Models of the Universe“ diskutiert. Eine der Schwierigkeiten von Multi-Sheet-Modellen besteht darin, dass die Bildung von „Schwarzen Löchern“ und deren Verschmelzung die Symmetrie auf der Komprimierungsstufe so stark bricht, dass völlig unklar ist, ob die Bedingungen des nächsten Zyklus für die Bildung hochorganisierter Löcher geeignet sind Strukturen. Andererseits finden in ausreichend langen Zyklen die Prozesse des Baryonenzerfalls und der Verdampfung von Schwarzen Löchern statt, die zur Glättung aller Dichteinhomogenitäten führen. Ich gehe davon aus, dass die kombinierte Wirkung dieser beiden Mechanismen – die Bildung von Schwarzen Löchern und die Ausrichtung von Inhomogenitäten – zu einem sukzessiven Wechsel von „glatteren“ und „gestörteren“ Zyklen führt. Unserem Zyklus sollte ein „reibungsloser“ Zyklus vorausgehen, in dem sich keine Schwarzen Löcher bildeten. Genauer gesagt können wir uns ein geschlossenes Universum mit einem „falschen“ Vakuum am Wendepunkt des Zeitpfeils vorstellen. Die kosmologische Konstante in diesem Modell kann als gleich Null angesehen werden; der Übergang von Expansion zu Kompression erfolgt einfach aufgrund der gegenseitigen Anziehung gewöhnlicher Materie. Die Dauer der Zyklen nimmt aufgrund der Entropiezunahme mit jedem Zyklus zu und überschreitet eine beliebige Zahl (strebt gegen Unendlich), so dass die Bedingungen für den Zerfall von Protonen und die Verdampfung von „Schwarzen Löchern“ erfüllt sind.

Multileaf-Modelle liefern eine Antwort auf das sogenannte Paradoxon großer Zahlen (eine weitere mögliche Erklärung ist die Hypothese von Guth et al., die eine lange „Inflation“-Phase beinhaltet, siehe Kapitel 18).

Ein Planet am Rande eines entfernten Kugelsternhaufens. Künstler © Don Dixon

Warum ist die Gesamtzahl der Protonen und Photonen in einem Universum mit endlichem Volumen so enorm groß, wenn auch endlich? Und eine andere Form dieser Frage, die sich auf die „offene“ Version bezieht, ist, warum die Anzahl der Teilchen in diesem Bereich von Lobatschewskis unendlicher Welt, deren Volumen in der Größenordnung von A 3 liegt (A ist der Krümmungsradius), so groß ist )?

Die Antwort des Multileaf-Modells ist sehr einfach. Es wird angenommen, dass seit t = 0 bereits viele Zyklen vergangen sind; bei jedem Zyklus nahm die Entropie (also die Anzahl der Photonen) zu und dementsprechend wurde in jedem Zyklus ein zunehmender Baryonenüberschuss erzeugt. Das Verhältnis der Anzahl der Baryonen zur Anzahl der Photonen in jedem Zyklus ist konstant, da es durch die Dynamik der Anfangsstadien der Expansion des Universums in einem bestimmten Zyklus bestimmt wird. Die Gesamtzahl der Zyklen seit t = 0 ist gerade so groß, dass man die beobachtete Anzahl an Photonen und Baryonen erhält. Da ihre Anzahl exponentiell wächst, erhalten wir für die erforderliche Anzahl von Zyklen nicht einmal einen so großen Wert.

Ein Nebenprodukt meiner Arbeit von 1982 ist eine Formel für die Wahrscheinlichkeit der gravitativen Verschmelzung von Schwarzen Löchern (es wurde die Schätzung im Buch von Zeldovich und Novikov verwendet).

Eine weitere faszinierende Möglichkeit, oder besser gesagt ein Traum, ist mit mehrblättrigen Modellen verbunden. Vielleicht findet ein hochorganisierter Geist, der sich in einem Zyklus Milliarden von Milliarden Jahren entwickelt, einen Weg, einige der wertvollsten Teile der Informationen, die er hat, in verschlüsselter Form an seine Erben in nachfolgenden Zyklen zu übermitteln, die zeitlich durch a von diesem Zyklus getrennt sind Periode eines superdichten Zustands?.. Analogie - Übertragung genetischer Informationen durch Lebewesen von Generation zu Generation, „komprimiert“ und in den Chromosomen des Kerns einer befruchteten Zelle kodiert. Diese Möglichkeit ist natürlich absolut fantastisch und ich habe mich nicht getraut, in wissenschaftlichen Artikeln darüber zu schreiben, aber auf den Seiten dieses Buches habe ich mir freien Lauf gelassen. Aber unabhängig von diesem Traum scheint mir die Hypothese eines mehrblättrigen Modells des Universums in einer philosophischen Weltanschauung wichtig zu sein.

Liebe Besucher!

Kein einziger Physiker bestreitet heute die spezielle Relativitätstheorie, und nur wenige bestreiten die Grundprinzipien der allgemeinen Relativitätstheorie. Zwar lässt die Allgemeine Relativitätstheorie viele wichtige Probleme ungelöst. Es besteht auch kein Zweifel daran, dass es nur wenige Beobachtungen und Experimente gibt, die diese Theorie stützen, und dass sie nicht immer überzeugend sind. Aber selbst wenn es überhaupt keine Beweise gäbe, wäre die Allgemeine Relativitätstheorie aufgrund der großen Vereinfachungen, die sie in die Physik einführt, immer noch äußerst attraktiv.

Vereinfachungen? Es mag seltsam erscheinen, dieses Wort im Zusammenhang mit einer Theorie zu verwenden, die eine so fortgeschrittene Mathematik verwendet, dass jemand einmal sagte, dass nicht mehr als zwölf Menschen auf der ganzen Welt sie verstehen könnten (diese Zahl wurde übrigens selbst zu der Zeit, als diese Meinung entstand, deutlich unterschätzt). wurde allgemein akzeptiert).

Der mathematische Apparat der Relativitätstheorie ist zwar komplex, aber diese Komplexität wird durch die außerordentliche Vereinfachung des Gesamtbildes ausgeglichen. Beispielsweise reicht die Reduzierung von Schwerkraft und Trägheit auf dasselbe Phänomen aus, um die allgemeine Relativitätstheorie zur fruchtbarsten Richtung bei der Bildung eines Weltbildes zu machen.

Einstein brachte diese Idee 1921 zum Ausdruck, als er an der Princeton University eine Vorlesung über Relativitätstheorie hielt: „ Die Fähigkeit, die numerische Gleichheit von Trägheit und Schwerkraft durch die Einheit ihrer Natur zu erklären, verleiht der allgemeinen Relativitätstheorie meiner Meinung nach solche Vorteile gegenüber den Konzepten der klassischen Mechanik, dass im Vergleich dazu alle hier auftretenden Schwierigkeiten als gering angesehen werden sollten ...»

Darüber hinaus besitzt die Relativitätstheorie das, was Mathematiker gerne als „Eleganz“ bezeichnen. Dies ist eine Art künstlerische Arbeit. „Jeder Schönheitsliebhaber“, sagte Lorenz einmal, „muss sich wünschen, dass es richtig wird.“

In diesem Kapitel werden die fest etablierten Aspekte der Relativitätstheorie beiseite gelassen und der Leser wird in einen Bereich intensiver Debatten eintauchen, einen Bereich, in dem Standpunkte kaum mehr als Vermutungen sind, die auf der Grundlage akzeptiert oder abgelehnt werden können wissenschaftlicher Beweis.

Was ist das Universum als Ganzes? Wir wissen, dass die Erde der dritte Planet von der Sonne aus in einem System von neun Planeten ist und dass die Sonne einer der etwa hundert Milliarden Sterne ist, aus denen unsere Galaxie besteht. Wir wissen, dass es in dem Bereich des Weltraums, der mit den leistungsstärksten Teleskopen erkundet werden kann, noch andere Galaxien gibt, deren Zahl ebenfalls in die Milliarden gehen muss. Geht das auf unbestimmte Zeit so weiter?

Ist die Anzahl der Galaxien unendlich? Oder hat der Raum noch endliche Dimensionen? (Vielleicht sollten wir „unser Raum“ sagen, denn wenn unser Raum begrenzt ist, wer kann dann sagen, dass es nicht auch andere begrenzte Räume gibt?)

Astronomen arbeiten hart daran, diese Fragen zu beantworten. Sie konstruieren sogenannte Modelle des Universums – imaginäre Bilder der Welt, wenn man sie als Ganzes betrachtet. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts gingen viele Astronomen davon aus, dass das Universum grenzenlos sei und unendlich viele Sonnen enthielt. Der Raum galt als euklidisch. Direkte Schauer gingen in alle Richtungen bis ins Unendliche ab. Wenn ein Raumschiff in eine beliebige Richtung starten und sich geradlinig bewegen würde, würde seine Reise ewig dauern und es würde niemals die Grenze erreichen. Diese Ansicht geht auf die alten Griechen zurück. Sie sagten gerne, dass ein Krieger, wenn er seinen Speer immer weiter in den Weltraum wirft, niemals das Ende erreichen könnte; Wenn man sich ein solches Ende vorstellen würde, dann könnte der Krieger dort stehen und den Speer noch weiter werfen!

Gegen diese Ansicht gibt es einen wichtigen Einwand. Der deutsche Astronom Heinrich Olbers stellte 1826 fest, dass, wenn die Anzahl der Sonnen unendlich wäre und diese Sonnen zufällig im Raum verteilt wären, eine gerade Linie, die von der Erde in eine beliebige Richtung gezogen wird, irgendwann durch einen Stern verlaufen würde. Dies würde bedeuten, dass der gesamte Nachthimmel eine zusammenhängende Fläche gewesen wäre, die blendendes Sternenlicht ausstrahlte. Wir wissen, dass das nicht stimmt. Es muss eine Erklärung für die Dunkelheit des Nachthimmels gefunden werden, um das zu erklären, was heute als Albers-Paradoxon bezeichnet wird. Die meisten Astronomen des späten 19. und frühen 20. Jahrhunderts glaubten, dass die Zahl der Sonnen begrenzt sei. Sie argumentierten, dass unsere Galaxie alle Sonnen enthält, die es gibt. Was ist außerhalb der Galaxie? Nichts! (Erst Mitte der zwanziger Jahre dieses Jahrhunderts tauchten unwiderlegbare Beweise dafür auf, dass es Millionen von Galaxien in enormer Entfernung von unserer gab.) Andere Astronomen gingen davon aus, dass das Licht entfernter Sterne von Ansammlungen interstellaren Staubs absorbiert werden könnte.

Die genialste Erklärung lieferte der schwedische Mathematiker W. K. Charlier. Galaxien, sagte er, werden in Assoziationen gruppiert, Assoziationen in Super-Assoziationen, Super-Assoziationen in Super-Super-Assoziationen und so weiter bis ins Unendliche. In jeder Phase der Vereinigung nehmen die Abstände zwischen den Gruppen schneller zu als die Gruppengrößen. Wenn dies richtig ist, dann ist es umso unwahrscheinlicher, dass eine gerade Linie auf eine andere Galaxie trifft, je weiter sie von unserer Galaxie entfernt verläuft. Gleichzeitig ist diese Assoziationshierarchie unendlich, sodass wir immer noch sagen können, dass das Universum unendlich viele Sterne enthält. An Charliers Erklärung des Albers-Paradoxons ist nichts auszusetzen, außer dass es die folgende einfachere Erklärung gibt.

Das erste Modell des Universums, das auf der Relativitätstheorie basierte, wurde von Einstein selbst in einer 1917 veröffentlichten Arbeit vorgeschlagen. Es war ein elegantes und schönes Modell, obwohl Einstein später gezwungen war, es aufzugeben. Oben wurde bereits erläutert, dass Gravitationsfelder Krümmungen der Raum-Zeit-Struktur sind, die durch die Anwesenheit großer Materiemassen entstehen. Innerhalb jeder Galaxie gibt es daher viele ähnliche Drehungen und Biegungen der Raumzeit. Was ist mit den riesigen Regionen leeren Raums zwischen Galaxien? Ein Standpunkt ist, dass der Raum umso flacher (euklidischer) wird, je größer die Entfernung von Galaxien ist. Wenn das Universum frei von jeglicher Materie wäre, wäre der Weltraum völlig flach; Einige glauben jedoch, dass es in diesem Fall sinnlos wäre zu sagen, dass es überhaupt eine Struktur hat. In beiden Fällen erstreckt sich das Universum der Raumzeit unbegrenzt in alle Richtungen.

Einstein machte ein verlockendes Gegenangebot. Nehmen wir an, sagte er, dass die Menge an Materie im Universum groß genug sei, um insgesamt eine positive Krümmung zu erzeugen. Der Weltraum würde sich dann in alle Richtungen verschließen. Dies kann nicht vollständig verstanden werden, ohne sich mit der vierdimensionalen nichteuklidischen Geometrie zu befassen, aber die Bedeutung kann mithilfe eines zweidimensionalen Modells recht einfach erfasst werden. Stellen wir uns ein flaches Land namens Ploskovia vor, in dem zweidimensionale Kreaturen leben. Sie betrachten ihr Land als eine euklidische Ebene, die sich grenzenlos in alle Richtungen erstreckt. Zwar verursachen die Sonnen von Ploskovia auf dieser Ebene verschiedene Ausbuchtungen, aber es handelt sich dabei um lokale Ausbuchtungen, die die Gesamtglätte nicht beeinträchtigen. Es gibt jedoch noch eine andere Möglichkeit, die sich Astronomen hierzulande vorstellen können. Vielleicht erzeugt jede lokale Konvexität eine leichte Krümmung der gesamten Ebene, so dass die Gesamtwirkung aller Sonnen zu einer Verformung dieser Ebene in etwas führt, das der Oberfläche einer klumpigen Kugel ähnelt. Eine solche Oberfläche wäre dennoch grenzenlos in dem Sinne, dass man sich ewig in jede Richtung bewegen könnte und niemals die Grenze erreichen würde. Ein Krieger aus Ploskovia konnte keinen Ort finden, an dem er seinen flachen Speer nirgendwo hinwerfen konnte. Allerdings wäre die Fläche des Landes endlich. Ein Reisender, der lange genug in einer „geraden Linie“ unterwegs war, kam irgendwann wieder dort an, wo er angefangen hatte.

Mathematiker sagen, dass eine solche Oberfläche „geschlossen“ ist. Es ist natürlich nicht grenzenlos. Wie der unendliche euklidische Raum ist sein Zentrum überall, die Peripherie existiert nicht. Diese „Geschlossenheit“, eine topologische Eigenschaft einer solchen Oberfläche, kann von den Bewohnern dieses Landes leicht überprüft werden. Ein Kriterium wurde bereits erwähnt: Bewegung um die Kugel in alle Richtungen. Eine andere Möglichkeit zur Überprüfung wäre, diese Oberfläche zu streichen. Wenn ein Bewohner dieses Landes von einem bestimmten Ort aus begann, immer größere Kreise zu zeichnen, würde er sich schließlich in einem Punkt auf der gegenüberliegenden Seite der Kugel einschließen. Wenn diese Kugel jedoch groß ist und die Bewohner einen kleinen Teil davon einnehmen, können sie solche topologischen Tests nicht durchführen.

Einstein schlug vor, dass unser Raum die dreidimensionale „Oberfläche“ einer riesigen Hypersphäre (vierdimensionale Kugel) ist. Die Zeit bleibt in seinem Modell ungekrümmt; Es ist eine direkte Koordinate, die sich unendlich in die Vergangenheit und unendlich weit in die Zukunft erstreckt. Wenn man sich dieses Modell als vierdimensionale Raum-Zeit-Struktur vorstellt, ähnelt es eher einem Hyperzylinder als einer Hypersphäre. Aus diesem Grund wird ein solches Modell üblicherweise als „Zylindrisches Universum“-Modell bezeichnet. Zu jedem Zeitpunkt sehen wir den Raum als eine Art dreidimensionalen Querschnitt eines Hyperzylinders. Jeder Querschnitt stellt die Oberfläche einer Hypersphäre dar.

Unsere Galaxie nimmt nur einen kleinen Teil dieser Oberfläche ein, daher ist es noch nicht möglich, ein topologisches Experiment durchzuführen, das ihre Geschlossenheit beweisen würde. Es besteht aber grundsätzlich die Möglichkeit, die Schließung nachzuweisen. Indem Sie ein ausreichend leistungsstarkes Teleskop in eine Richtung platzieren, können Sie es auf eine bestimmte Galaxie fokussieren und dann, indem Sie das Teleskop in die entgegengesetzte Richtung drehen, die andere Seite derselben Galaxie sehen. Wenn es Raumschiffe mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit gäbe, könnten sie das Universum umkreisen und sich dabei möglichst geradlinig in jede Richtung bewegen.

Das Universum kann nicht im wörtlichen Sinne des Wortes „gefärbt“ werden, aber im Wesentlichen kann das Gleiche erreicht werden, indem immer größere sphärische Karten des Universums erstellt werden. Wenn der Kartograf dies lange genug tut, stellt er möglicherweise fest, dass er sich innerhalb der Sphäre befindet, die er kartiert. Diese Kugel wird immer kleiner, wenn er seine Tätigkeit fortsetzt, wie der Kreis, der kleiner wird, wenn ein Ploskovianer sich in einen Punkt einschließt.

In mancher Hinsicht ist Einsteins nichteuklidisches Modell einfacher als das klassische Modell, in dem der Raum nicht gekrümmt ist. Es ist einfacher im gleichen Sinne, in dem man sagen kann, dass ein Kreis einfacher ist als eine gerade Linie. Eine gerade Linie erstreckt sich in beide Richtungen bis ins Unendliche, und Unendlichkeit ist in der Mathematik eine sehr schwierige Sache! Der Vorteil eines Kreises besteht darin, dass er begrenzt ist. Sie hat kein Ende, niemand muss sich Sorgen darüber machen, was mit dieser Linie im Unendlichen passieren wird. In einem ordentlichen Einsteinschen Universum muss sich niemand um all die losen Enden im Unendlichen kümmern, die Kosmologen gerne „Randbedingungen“ nennen. In Einsteins gemütlichem Universum gibt es keine Grenzprobleme, weil es keine Grenzen hat.

In den zwanziger Jahren wurden andere kosmologische Modelle diskutiert, die vollständig mit der Allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmten. Einige von ihnen haben Eigenschaften, die noch ungewöhnlicher sind als Einsteins zylindrisches Universum. Der niederländische Astronom Billem de Sitter entwickelte ein Modell eines geschlossenen, begrenzten Universums, in dem die Zeit genauso gekrümmt ist wie der Raum. Je weiter man durch den de Sitter-Raum blickt, desto langsamer scheint sich die Uhr zu bewegen. Wenn man weit genug schaut, kann man Bereiche erkennen, in denen die Zeit völlig stehen geblieben ist, „wie bei einer Teeparty bei dem Verrückten Shlyapochkin“, schreibt Eddington, „wo es immer sechs Uhr abends ist.“

„Man muss nicht glauben, dass es irgendeine Grenze gibt“, erklärt Bertrand Russell in „Das ABC der Relativitätstheorie“. „Die Menschen auf dem Land, das unser Beobachter als das Land der Lotophagen betrachtet, leben in genau der gleichen Hektik wie der Beobachter selbst, und es kommt ihnen vor, als sei er selbst in ewiger Stille erstarrt. Tatsächlich würden Sie nie etwas über dieses Land der Vielfresser erfahren, da es unendlich lange dauern würde, bis das Licht Sie von dort erreichen würde. Man könnte zwar Orte in der Nähe herausfinden, aber er selbst würde immer hinter dem Horizont bleiben.“ Wenn Sie mit einem Raumschiff in dieses Gebiet reisen und es ständig mit einem Teleskop beobachten würden, würden Sie natürlich feststellen, dass sich der Zeitablauf dort langsam beschleunigt, je näher Sie ihm kommen. Wenn Sie dort ankommen, läuft alles mit normaler Geschwindigkeit ab. Das Land der Lot-Esser wird nun am Rande eines neuen Horizonts stehen.

Ist Ihnen aufgefallen, dass, wenn ein Flugzeug tief über Ihnen fliegt und scharf abhebt, die Tonhöhe seiner Triebwerke sofort leicht abnimmt? Man nennt dies den Doppler-Effekt, benannt nach dem österreichischen Physiker Christian Johann Doppler, der den Effekt Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckte. Es ist leicht zu erklären. Wenn sich ein Flugzeug nähert, vibrieren die Schallwellen seiner Triebwerke Ihr Trommelfell häufiger, als wenn das Flugzeug stationär wäre. Dadurch wird die Tonhöhe erhöht. Wenn sich das Flugzeug entfernt, sind die Erschütterungen, die Ihre Ohren durch die Schallvibrationen spüren, seltener. Der Ton wird leiser.

Genau das Gleiche passiert, wenn sich eine Lichtquelle schnell auf Sie zu oder von Ihnen weg bewegt. In diesem Fall sollte die Lichtgeschwindigkeit (die immer konstant ist), nicht jedoch ihre Wellenlänge, unverändert bleiben. Wenn Sie und eine Lichtquelle sich aufeinander zu bewegen, verkürzt der Doppler-Effekt die Wellenlänge des Lichts und verschiebt die Farbe in Richtung des violetten Endes des Spektrums. Wenn Sie und die Lichtquelle sich voneinander entfernen, erzeugt der Doppler-Effekt eine ähnliche Verschiebung zum roten Ende des Spektrums.

Bei einem seiner Vorträge erzählte Georgy Gamow eine (zweifellos anekdotische) Geschichte über den Doppler-Effekt, die zu gut ist, um hier nicht zitiert zu werden. Dies scheint dem berühmten amerikanischen Physiker der Johns Hopkins University, Robert Wood, passiert zu sein, der in Baltimore festgenommen wurde, weil er über eine rote Ampel gefahren war. Vor dem Richter erklärte Wood brillant, indem er den Doppler-Effekt nutzte, dass seine hohe Geschwindigkeit dazu geführt habe, dass sich das rote Licht zum violetten Ende des Spektrums verschoben habe, was dazu geführt habe, dass er es als grün wahrgenommen habe. Der Richter war geneigt, Wood freizusprechen, aber einer von Woods Schülern, den Wood kürzlich durchgefallen war, war zufällig im Prozess. Er berechnete schnell die erforderliche Geschwindigkeit, damit die Ampel von Rot auf Grün wechselte. Der Richter wies die ursprüngliche Anklage zurück und verhängte gegen Wood eine Geldstrafe wegen Geschwindigkeitsüberschreitung.

Doppler glaubte, dass der von ihm entdeckte Effekt die scheinbare Farbe entfernter Sterne erklärt: Rötliche Sterne sollten sich von der Erde entfernen, bläuliche Sterne - zur Erde hin. Wie sich herausstellte, war dies nicht der Fall (diese Farben wurden aus anderen Gründen erklärt); In den zwanziger Jahren unseres Jahrhunderts wurde entdeckt, dass das Licht entfernter Galaxien eine deutliche Rotverschiebung aufweist, die nur durch die Annahme überzeugend erklärt werden kann, dass sich diese Galaxien von der Erde entfernen. Darüber hinaus nimmt diese Verschiebung im Durchschnitt proportional zur Entfernung der Galaxie zur Erde zu. Wenn Galaxie A doppelt so weit entfernt ist wie Galaxie B, dann ist die Rotverschiebung von A ungefähr doppelt so groß wie die Rotverschiebung von B. Laut dem englischen Astronomen Fred Hoyle deutet die Rotverschiebung für die Assoziation von Galaxien im Sternbild Hydra darauf hin, dass es sich um eine solche Assoziation handelt Er bewegt sich mit einer enormen Geschwindigkeit von etwa 61.000 km/s von der Erde weg.

Es wurden verschiedene Versuche unternommen, die Rotverschiebung mit einer anderen Methode als dem Doppler-Effekt zu erklären. Nach der Theorie der „Lichtermüdung“ ist die Schwingungsfrequenz des Lichts umso geringer, je länger es sich ausbreitet. (Dies ist ein perfektes Beispiel für eine Hypothese ad hoc, d. h. eine Hypothese, die nur mit diesem speziellen Phänomen verbunden ist, da es keine anderen Beweise dafür gibt.) Eine andere Erklärung ist, dass der Durchgang von Licht durch kosmischen Staub zum Auftreten einer Verschiebung führt. Im Modell von de Sitter ergibt sich diese Verschiebung eindeutig aus der Krümmung der Zeit.

Aber die einfachste Erklärung, die am besten mit anderen bekannten Fakten übereinstimmt, ist, dass die Rotverschiebung tatsächlich die tatsächliche Bewegung von Galaxien anzeigt. Basierend auf dieser Annahme wurde bald eine neue Reihe von Modellen des „expandierenden Universums“ entwickelt.

Diese Expansion bedeutet jedoch nicht, dass sich die Galaxien selbst ausdehnen oder dass (wie heute angenommen wird) die Abstände zwischen Galaxien in Galaxienverbänden zunehmen. Offenbar geht mit dieser Ausweitung eine Vergrößerung der Vereinsabstände einher. Stellen Sie sich eine riesige Teigkugel vor, die mit mehreren hundert Rosinen durchsetzt ist. Jede Rosine repräsentiert eine Galaxienvereinigung. Wenn dieser Teig in den Ofen gegeben wird, dehnt er sich gleichmäßig in alle Richtungen aus, die Größe der Rosinen bleibt jedoch gleich. Der Abstand zwischen den Rosinen vergrößert sich. Keiner der Höhepunkte kann als Zentrum der Expansion bezeichnet werden. Aus der Sicht einer einzelnen Rosine scheinen sich alle anderen Rosinen von ihr zu entfernen.

Je größer der Abstand zur Rosine ist, desto größer ist die scheinbare Geschwindigkeit ihrer Entfernung.

Einsteins Modell des Universums ist statisch. Dies liegt daran, dass er dieses Modell entwickelte, bevor Astronomen die Expansion des Universums entdeckten. Um die Kontraktion seines Universums durch Gravitationskräfte und seinen Tod zu verhindern, musste Einstein in seinem Modell annehmen, dass es eine andere Kraft gab (er führte sie in das Modell ein, indem er die sogenannte „kosmologische Konstante“ verwendete), deren Rolle darin besteht Sterne abzustoßen und in einem bestimmten Abstand voneinander zu halten.

Später durchgeführte Berechnungen zeigten, dass Einsteins Modell instabil war, wie eine auf der Kante stehende Münze. Der geringste Stoß führt dazu, dass es entweder nach vorne oder nach hinten fällt, wobei ersterer dem expandierenden und letzterer dem kontrahierenden Universum entspricht. Die Entdeckung der Rotverschiebung zeigte, dass das Universum keineswegs kontrahiert; Kosmologen wandten sich Modellen eines expandierenden Universums zu.

Es wurden alle Arten von Modellen des expandierenden Universums konstruiert. Der sowjetische Wissenschaftler Alexander Friedman und der belgische Abt Georges Lemaitre entwickelten die beiden berühmtesten Modelle. In einigen dieser Modelle wird davon ausgegangen, dass der Raum geschlossen ist (positive Krümmung), in anderen als offen (negative Krümmung), in anderen bleibt die Frage, ob der Raum geschlossen ist, offen.

Eines der Modelle wurde von Eddington vorgeschlagen, der es in dem faszinierenden Buch „The Expanding Universe“ beschrieb. Sein Modell ist im Wesentlichen dem von Einstein sehr ähnlich; es ist geschlossen, wie eine riesige vierdimensionale Kugel, und dehnt sich gleichmäßig über alle drei seiner Raumdimensionen aus. Derzeit sind sich Astronomen jedoch nicht sicher, ob der Weltraum in sich geschlossen ist. Offenbar reicht die Dichte der Materie im Raum nicht aus, um zu einer positiven Krümmung zu führen. Astronomen bevorzugen ein offenes oder unendliches Universum mit einer insgesamt negativen Krümmung, die der Oberfläche eines Sattels ähnelt.

Der Leser sollte nicht denken, dass, wenn die Oberfläche einer Kugel eine positive Krümmung hat, diese Oberfläche von innen eine negative Krümmung haben wird. Die Krümmung einer Kugeloberfläche ist positiv, unabhängig davon, von welcher Seite man sie betrachtet – von außen oder von innen. Die negative Krümmung der Sitzfläche entsteht dadurch, dass diese Fläche an jedem Punkt unterschiedlich gekrümmt ist. Es ist konkav, wenn Sie Ihre Hand von hinten nach vorne entlang bewegen, und konvex, wenn Sie Ihre Hand von einer Kante zur anderen bewegen. Eine Krümmung wird als positive Zahl ausgedrückt, während die andere als negative Zahl ausgedrückt wird. Um die Krümmung dieser Oberfläche an einem bestimmten Punkt zu erhalten, müssen diese beiden Zahlen multipliziert werden. Wenn diese Zahl an allen Punkten negativ ist, was der Fall sein sollte, wenn die Oberfläche an jedem Punkt unterschiedlich gekrümmt ist, dann spricht man von einer negativen Krümmung dieser Oberfläche. Die Oberfläche, die ein Loch in einem Torus (Donut) umgibt, ist ein weiteres bekanntes Beispiel für eine Oberfläche mit negativer Krümmung. Natürlich sind solche Oberflächen nur grobe Modelle des dreidimensionalen Raums mit negativer Krümmung.

Vielleicht wird es mit dem Aufkommen leistungsfähigerer Teleskope möglich sein, die Frage zu klären, ob die Krümmung des Universums positiv, negativ oder gleich Null ist. Mit dem Teleskop können Sie Galaxien nur in einem bestimmten Kugelvolumen sehen. Wenn Galaxien zufällig verteilt sind und der Raum euklidisch ist (Nullkrümmung), sollte die Anzahl der Galaxien innerhalb einer solchen Kugel immer proportional zur dritten Potenz des Radius dieser Kugel sein. Mit anderen Worten: Wenn Sie ein Teleskop bauen, das doppelt so weit blicken kann wie jedes bisherige Teleskop, dann sollte die Anzahl der sichtbaren Galaxien mit zunehmen N Vor 8n. Wenn dieser Sprung kleiner ausfällt, bedeutet dies, dass die Krümmung des Universums positiv ist; wenn er größer ist, wird sie negativ sein.

Man könnte meinen, dass es umgekehrt sein sollte, aber betrachten Sie den Fall zweidimensionaler Oberflächen mit positiver und negativer Krümmung. Nehmen wir an, dass aus einer flachen Gummiplatte ein Kreis geschnitten wird.

Darauf werden im Abstand von einem halben Zentimeter Rosinen aufgeklebt. Um diesem Gummi die Form einer Kugeloberfläche zu geben, muss er komprimiert werden, und viele der Rosinen werden zusammenkommen. Mit anderen Worten: Wenn die Rosinen auf einer Kugeloberfläche einen halben Zentimeter Abstand voneinander haben müssen, werden weniger Rosinen benötigt. Wenn Gummi auf die Oberfläche des Sattels aufgetragen wird, bewegen sich die Rosinen weiter auseinander, d. h. um einen halben Zentimeter Abstand zwischen den Rosinen auf der Oberfläche des Sattels einzuhalten, sind mehr Rosinen erforderlich. Die Moral von all dem lässt sich auf humorvolle Weise formulieren: Wenn Sie eine Flasche Bier kaufen, sagen Sie dem Verkäufer unbedingt, dass Sie eine Flasche mit einer negativen statt einer positiven Krümmung wünschen?

Modelle des expandierenden Universums erfordern nicht Einsteins kosmologische Konstante, was zur hypothetischen Abstoßung von Sternen führt.

(Einstein hielt das Konzept einer kosmologischen Konstante später für den größten Fehler, den er je gemacht hatte.) Mit dem Aufkommen dieser Modelle wurde die Frage nach Albers‘ Paradoxon über die Helligkeit des Nachthimmels sofort klarer. Einsteins statisches Modell war in dieser Hinsicht wenig hilfreich. Es enthält zwar nur eine endliche Anzahl von Sonnen, aber aufgrund des geschlossenen Raums im Modell ist das Licht dieser Sonnen gezwungen, für immer um das Universum zu kreisen und seine Flugbahn entsprechend den lokalen Krümmungen der Raumzeit zu beugen. Das Ergebnis ist, dass der Nachthimmel so hell erleuchtet ist, wie er wäre, wenn es unendlich viele Sonnen gäbe, es sei denn, wir gehen davon aus, dass das Universum so jung ist, dass das Licht nur eine begrenzte Anzahl kreisförmiger Umlaufbahnen machen könnte.

Das Konzept eines expandierenden Universums beseitigt dieses Paradoxon ganz einfach. Wenn sich entfernte Galaxien mit einer Geschwindigkeit proportional zu ihrer Entfernung von der Erde entfernen, sollte die Gesamtmenge an Licht, die die Erde erreicht, abnehmen. Wenn eine Galaxie weit genug entfernt ist und ihre Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit überschreiten kann, wird das Licht von ihr uns überhaupt nicht erreichen. Mittlerweile glauben viele Astronomen ernsthaft, dass es buchstäblich keinen Unterschied zwischen Tag und Nacht gäbe, wenn sich das Universum nicht ausdehnen würde.

Die Tatsache, dass die Geschwindigkeit entfernter Galaxien relativ zur Erde die Lichtgeschwindigkeit überschreiten kann, scheint ein Verstoß gegen das Prinzip zu sein, dass sich kein materieller Körper schneller als Licht bewegen kann. Aber wie wir in Kap. 4 gilt diese Bestimmung nur unter Bedingungen, die den Anforderungen der speziellen Relativitätstheorie genügen. In der Allgemeinen Relativitätstheorie sollte es wie folgt umformuliert werden: Keine Signale können schneller als Licht übertragen werden. Eine wichtige Frage bleibt jedoch weiterhin umstritten: Können entfernte Galaxien tatsächlich die Lichtschranke überwinden und unsichtbar werden und für immer aus dem Blickfeld des Menschen verschwinden, selbst wenn er über die leistungsstärksten Teleskope verfügt, die man sich vorstellen kann? Einige Experten glauben, dass die Lichtgeschwindigkeit tatsächlich die Grenze darstellt und dass die entferntesten Galaxien einfach dunkler werden, ohne jemals vollständig unsichtbar zu werden (vorausgesetzt natürlich, dass die Menschen über Instrumente verfügen, die empfindlich genug sind, um sie zu beobachten).

Alte Galaxien sterben niemals, wie jemand einmal bemerkte. Sie verschwinden einfach nach und nach. Es ist jedoch wichtig zu verstehen, dass keine Galaxie in dem Sinne verschwindet, dass ihre Materie aus dem Universum verschwindet. Es erreicht einfach eine solche Geschwindigkeit, dass es unmöglich oder fast unmöglich wird, es mit Teleskopen auf der Erde zu entdecken. Eine verschwindende Galaxie ist weiterhin von allen Galaxien in ihrer Nähe aus sichtbar. Jede Galaxie hat einen „optischen Horizont“, eine sphärische Grenze, über die ihre Teleskope nicht vordringen können. Diese sphärischen Horizonte fallen für keine zwei Galaxien zusammen. Astronomen haben berechnet, dass der Punkt, an dem Galaxien beginnen, aus unserem „Sichtfeld“ zu verschwinden, etwa doppelt so weit entfernt ist wie die Reichweite eines modernen optischen Teleskops. Wenn diese Annahme zutrifft, dann sind heute etwa ein Achtel aller Galaxien, die eines Tages beobachtbar sein werden, sichtbar.

Wenn sich das Universum ausdehnt (egal ob der Raum flach, offen oder geschlossen ist), stellt sich diese knifflige Frage. Wie war das Universum früher? Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten, diese Frage zu beantworten, zwei moderne Modelle des Universums. Beide Modelle werden im nächsten Kapitel besprochen.

Anmerkungen:

Buchcharakter Lewis Kzrrol"Alice im Wunderland". - Notiz Übersetzung.

Ein Land des Überflusses und des Müßiggangs, siehe Die Odyssee. - Notiz Übersetzung.

Wussten Sie, dass das Universum, das wir beobachten, ziemlich klare Grenzen hat? Wir sind es gewohnt, das Universum mit etwas Unendlichem und Unverständlichem zu assoziieren. Wenn man die moderne Wissenschaft jedoch nach der „Unendlichkeit“ des Universums fragt, gibt sie eine völlig andere Antwort auf eine solch „offensichtliche“ Frage.

Nach modernen Vorstellungen beträgt die Größe des beobachtbaren Universums etwa 45,7 Milliarden Lichtjahre (oder 14,6 Gigaparsec). Aber was bedeuten diese Zahlen?

Die erste Frage, die einem gewöhnlichen Menschen in den Sinn kommt, ist: Wie kann das Universum nicht unendlich sein? Es scheint unbestreitbar zu sein, dass der Behälter von allem, was um uns herum existiert, keine Grenzen haben sollte. Wenn diese Grenzen existieren, was genau sind sie?

Nehmen wir an, ein Astronaut erreicht die Grenzen des Universums. Was wird er vor sich sehen? Eine feste Wand? Brandschutzbarriere? Und was steckt dahinter – Leere? Ein anderes Universum? Aber kann Leere oder ein anderes Universum bedeuten, dass wir uns an der Grenze des Universums befinden? Das bedeutet schließlich nicht, dass da „nichts“ ist. Auch Leere und ein anderes Universum sind „etwas“. Aber das Universum ist etwas, das absolut alles „Etwas“ enthält.

Wir kommen zu einem absoluten Widerspruch. Es stellt sich heraus, dass die Grenze des Universums etwas vor uns verbergen muss, das nicht existieren sollte. Oder die Grenze des Universums sollte „alles“ von „etwas“ abgrenzen, aber dieses „Etwas“ sollte auch Teil von „allem“ sein. Im Allgemeinen völlige Absurdität. Wie können Wissenschaftler dann die Grenzgröße, Masse und sogar das Alter unseres Universums angeben? Diese Werte sind zwar unvorstellbar groß, aber dennoch endlich. Argumentiert die Wissenschaft mit dem Offensichtlichen? Um dies zu verstehen, wollen wir zunächst verfolgen, wie die Menschen zu unserem modernen Verständnis des Universums kamen.

Die Grenzen erweitern

Seit jeher interessieren sich Menschen dafür, wie die Welt um sie herum aussieht. Es ist nicht nötig, Beispiele für die drei Säulen und andere Versuche der Antike zu nennen, das Universum zu erklären. Letztlich kam es in der Regel darauf an, dass die Grundlage aller Dinge die Erdoberfläche ist. Selbst in der Antike und im Mittelalter, als die Astronomen umfassende Kenntnisse über die Gesetze der Planetenbewegung entlang der „festen“ Himmelssphäre hatten, blieb die Erde das Zentrum des Universums.

Natürlich gab es schon im antiken Griechenland Menschen, die glaubten, dass sich die Erde um die Sonne dreht. Es gab diejenigen, die über die vielen Welten und die Unendlichkeit des Universums sprachen. Aber konstruktive Begründungen für diese Theorien entstanden erst an der Wende der wissenschaftlichen Revolution.

Im 16. Jahrhundert gelang dem polnischen Astronomen Nikolaus Kopernikus der erste große Durchbruch in der Kenntnis des Universums. Er bewies eindeutig, dass die Erde nur einer der Planeten ist, die sich um die Sonne drehen. Ein solches System vereinfachte die Erklärung einer solch komplexen und komplizierten Bewegung von Planeten in der Himmelssphäre erheblich. Im Falle einer stationären Erde mussten sich Astronomen allerlei clevere Theorien ausdenken, um dieses Verhalten der Planeten zu erklären. Wenn andererseits davon ausgegangen wird, dass sich die Erde bewegt, liegt eine Erklärung für solch komplizierte Bewegungen auf der Hand. So setzte sich in der Astronomie ein neues Paradigma namens „Heliozentrismus“ durch.

Viele Sonnen

Doch auch danach beschränkten die Astronomen das Universum weiterhin auf die „Sphäre der Fixsterne“. Bis zum 19. Jahrhundert war es ihnen nicht möglich, die Entfernung zu den Sternen abzuschätzen. Seit mehreren Jahrhunderten versuchen Astronomen vergeblich, Abweichungen in der Position von Sternen relativ zur Umlaufbewegung der Erde (Jahresparallaxen) zu erkennen. Mit den damaligen Instrumenten waren solche präzisen Messungen nicht möglich.

Schließlich maß der russisch-deutsche Astronom Wassili Struve 1837 die Parallaxe. Dies markierte einen neuen Schritt im Verständnis der Größe des Weltraums. Jetzt können Wissenschaftler mit Sicherheit sagen, dass die Sterne entfernte Ähnlichkeiten mit der Sonne haben. Und unsere Leuchte ist nicht mehr das Zentrum von allem, sondern ein gleichberechtigter „Bewohner“ eines endlosen Sternhaufens.

Astronomen sind dem Verständnis des Ausmaßes des Universums noch näher gekommen, denn die Entfernungen zu den Sternen erwiesen sich als wahrhaft ungeheuerlich. Sogar die Größe der Umlaufbahnen der Planeten schien im Vergleich unbedeutend. Als nächstes war es notwendig zu verstehen, wie sich die Sterne darin konzentrieren.

Viele Milchstraßen

Der berühmte Philosoph Immanuel Kant hat bereits 1755 die Grundlagen des modernen Verständnisses der großräumigen Struktur des Universums vorweggenommen. Er stellte die Hypothese auf, dass die Milchstraße ein riesiger rotierender Sternhaufen sei. Viele der beobachteten Nebel wiederum sind auch weiter entfernte „Milchstraßen“ – Galaxien. Trotzdem glaubten Astronomen bis zum 20. Jahrhundert, dass alle Nebel Quellen der Sternentstehung seien und Teil der Milchstraße seien.

Die Situation änderte sich, als Astronomen lernten, Entfernungen zwischen Galaxien mithilfe von zu messen. Die absolute Leuchtkraft solcher Sterne hängt streng von der Periode ihrer Variabilität ab. Durch den Vergleich ihrer absoluten Leuchtkraft mit der sichtbaren ist es möglich, die Entfernung zu ihnen mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Diese Methode wurde im frühen 20. Jahrhundert von Einar Hertzscher und Harlow Scelpi entwickelt. Dank ihm bestimmte der sowjetische Astronom Ernst Epic 1922 die Entfernung zu Andromeda, die sich als eine Größenordnung größer als die Größe der Milchstraße herausstellte.

Edwin Hubble führte die Initiative von Epic fort. Indem er die Helligkeit von Cepheiden in anderen Galaxien maß, maß er deren Entfernung und verglich sie mit der Rotverschiebung in ihren Spektren. So entwickelte er 1929 sein berühmtes Gesetz. Seine Arbeit widerlegte endgültig die etablierte Ansicht, dass die Milchstraße den Rand des Universums darstellt. Jetzt war es eine von vielen Galaxien, die einst als Teil davon betrachtet wurden. Kants Hypothese wurde fast zwei Jahrhunderte nach ihrer Entwicklung bestätigt.

Anschließend ermöglichte der von Hubble entdeckte Zusammenhang zwischen der Entfernung einer Galaxie von einem Beobachter und der Geschwindigkeit ihrer Entfernung von ihm, ein vollständiges Bild der großräumigen Struktur des Universums zu zeichnen. Es stellte sich heraus, dass die Galaxien nur einen unbedeutenden Teil davon ausmachten. Sie schlossen sich zu Clustern zusammen, Cluster zu Superclustern. Superhaufen wiederum bilden die größten bekannten Strukturen im Universum – Fäden und Wände. Diese Strukturen, die an riesige Supervoids () angrenzen, bilden die großräumige Struktur des derzeit bekannten Universums.

Scheinbare Unendlichkeit

Daraus folgt, dass sich die Wissenschaft in nur wenigen Jahrhunderten allmählich vom Geozentrismus zu einem modernen Verständnis des Universums entwickelt hat. Dies ist jedoch keine Antwort darauf, warum wir das Universum heute einschränken. Schließlich haben wir bisher nur über die Größe des Weltraums gesprochen und nicht über seine eigentliche Natur.

Der erste, der beschloss, die Unendlichkeit des Universums zu rechtfertigen, war Isaac Newton. Nachdem er das Gesetz der universellen Gravitation entdeckt hatte, glaubte er, dass alle seine Körper früher oder später zu einem einzigen Ganzen verschmelzen würden, wenn der Raum endlich wäre. Wenn vor ihm jemand die Idee der Unendlichkeit des Universums zum Ausdruck brachte, dann ausschließlich im philosophischen Sinne. Ohne jede wissenschaftliche Grundlage. Ein Beispiel hierfür ist Giordano Bruno. Übrigens war er wie Kant der Wissenschaft um viele Jahrhunderte voraus. Er war der Erste, der erklärte, dass Sterne entfernte Sonnen sind und dass sich auch Planeten um sie drehen.

Es scheint, dass die Tatsache der Unendlichkeit durchaus berechtigt und offensichtlich ist, aber die Wendepunkte der Wissenschaft des 20. Jahrhunderts erschütterten diese „Wahrheit“.

Stationäres Universum

Den ersten bedeutenden Schritt zur Entwicklung eines modernen Modells des Universums machte Albert Einstein. Der berühmte Physiker stellte 1917 sein Modell eines stationären Universums vor. Dieses Modell basierte auf der Allgemeinen Relativitätstheorie, die er ein Jahr zuvor entwickelt hatte. Nach seinem Modell ist das Universum zeitlich unendlich und räumlich endlich. Aber wie bereits erwähnt, muss laut Newton ein Universum mit endlicher Größe kollabieren. Zu diesem Zweck führte Einstein eine kosmologische Konstante ein, die die Anziehungskraft entfernter Objekte kompensierte.

So paradox es auch klingen mag, Einstein hat die Endlichkeit des Universums nicht eingeschränkt. Seiner Meinung nach ist das Universum eine geschlossene Hülle einer Hypersphäre. Eine Analogie ist die Oberfläche einer gewöhnlichen dreidimensionalen Kugel, beispielsweise eines Globus oder der Erde. Egal wie viel ein Reisender über die Erde reist, er wird niemals ihren Rand erreichen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Erde unendlich ist. Der Reisende kehrt einfach an den Ort zurück, von dem aus er seine Reise begonnen hat.

Auf der Oberfläche der Hypersphäre

Auf die gleiche Weise kann ein Weltraumwanderer, der Einsteins Universum mit einem Raumschiff durchquert, zur Erde zurückkehren. Nur bewegt sich der Wanderer dieses Mal nicht entlang der zweidimensionalen Oberfläche einer Kugel, sondern entlang der dreidimensionalen Oberfläche einer Hypersphäre. Das bedeutet, dass das Universum ein endliches Volumen und damit eine endliche Anzahl an Sternen und eine endliche Masse hat. Das Universum hat jedoch weder Grenzen noch ein Zentrum.

Zu diesen Schlussfolgerungen kam Einstein, indem er in seiner berühmten Theorie Raum, Zeit und Schwerkraft miteinander verknüpfte. Vor ihm galten diese Konzepte als getrennt, weshalb der Raum des Universums rein euklidisch war. Einstein bewies, dass die Schwerkraft selbst eine Krümmung der Raumzeit ist. Dies veränderte die frühen Vorstellungen über die Natur des Universums, die auf der klassischen Newtonschen Mechanik und der euklidischen Geometrie basierten, radikal.

Expandierendes Universum

Sogar dem Entdecker des „neuen Universums“ selbst waren Wahnvorstellungen nicht fremd. Obwohl Einstein das Universum im Raum begrenzte, betrachtete er es weiterhin als statisch. Nach seinem Modell war und bleibt das Universum ewig und seine Größe bleibt immer gleich. 1922 erweiterte der sowjetische Physiker Alexander Friedman dieses Modell erheblich. Seinen Berechnungen zufolge ist das Universum überhaupt nicht statisch. Es kann sich im Laufe der Zeit ausdehnen oder zusammenziehen. Bemerkenswert ist, dass Friedman zu einem solchen Modell auf der Grundlage derselben Relativitätstheorie kam. Es gelang ihm, diese Theorie korrekter anzuwenden und dabei die kosmologische Konstante zu umgehen.

Albert Einstein akzeptierte diese „Änderung“ nicht sofort. Dieses neue Modell kam der zuvor erwähnten Hubble-Entdeckung zu Hilfe. Der Rückgang der Galaxien bewies unbestreitbar die Tatsache der Expansion des Universums. Also musste Einstein seinen Fehler eingestehen. Nun hatte das Universum ein bestimmtes Alter, das streng von der Hubble-Konstante abhängt, die die Geschwindigkeit seiner Expansion charakterisiert.

Weiterentwicklung der Kosmologie

Als Wissenschaftler versuchten, diese Frage zu lösen, wurden viele andere wichtige Bestandteile des Universums entdeckt und verschiedene Modelle davon entwickelt. Deshalb stellte George Gamow 1948 die Hypothese des „heißen Universums“ vor, aus der später die Urknalltheorie hervorging. Die Entdeckung im Jahr 1965 bestätigte seinen Verdacht. Jetzt konnten Astronomen das Licht beobachten, das aus dem Moment kam, als das Universum transparent wurde.

Die 1932 von Fritz Zwicky vorhergesagte Dunkle Materie wurde 1975 bestätigt. Dunkle Materie erklärt tatsächlich die Existenz von Galaxien, Galaxienhaufen und der universellen Struktur selbst als Ganzes. So erfuhren Wissenschaftler, dass der größte Teil der Masse des Universums völlig unsichtbar ist.

Schließlich wurde 1998 bei einer Untersuchung der Entfernung zu entdeckt, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt. Dieser jüngste Wendepunkt in der Wissenschaft brachte unser modernes Verständnis der Natur des Universums hervor. Der von Einstein eingeführte und von Friedman widerlegte kosmologische Koeffizient fand erneut seinen Platz im Modell des Universums. Das Vorhandensein eines kosmologischen Koeffizienten (kosmologische Konstante) erklärt seine beschleunigte Expansion. Um das Vorhandensein einer kosmologischen Konstante zu erklären, wurde das Konzept eines hypothetischen Feldes eingeführt, das den größten Teil der Masse des Universums enthält.

Modernes Verständnis der Größe des beobachtbaren Universums

Das moderne Modell des Universums wird auch ΛCDM-Modell genannt. Der Buchstabe „Λ“ bedeutet das Vorhandensein einer kosmologischen Konstante, die die beschleunigte Expansion des Universums erklärt. „CDM“ bedeutet, dass das Universum mit kalter dunkler Materie gefüllt ist. Aktuelle Studien zeigen, dass die Hubble-Konstante etwa 71 (km/s)/Mpc beträgt, was dem Alter des Universums von 13,75 Milliarden Jahren entspricht. Wenn wir das Alter des Universums kennen, können wir die Größe seiner beobachtbaren Region abschätzen.

Gemäß der Relativitätstheorie können Informationen über ein Objekt einen Beobachter nicht mit einer höheren Geschwindigkeit als der Lichtgeschwindigkeit (299.792.458 m/s) erreichen. Es stellt sich heraus, dass der Beobachter nicht nur ein Objekt sieht, sondern seine Vergangenheit. Je weiter ein Objekt von ihm entfernt ist, desto ferner blickt es in die Vergangenheit. Wenn wir zum Beispiel den Mond betrachten, sehen wir, wie er vor etwas mehr als einer Sekunde war, die Sonne – vor mehr als acht Minuten, die nächsten Sterne – vor Jahren, Galaxien – vor Millionen von Jahren usw. In Einsteins stationärem Modell hat das Universum keine Altersgrenze, was bedeutet, dass sein beobachtbarer Bereich auch durch nichts begrenzt ist. Der mit immer ausgefeilteren astronomischen Instrumenten ausgerüstete Beobachter wird immer weiter entfernte und antike Objekte beobachten.

Mit dem modernen Modell des Universums haben wir ein anderes Bild. Demnach hat das Universum ein Alter und damit eine Beobachtungsgrenze. Das heißt, seit der Geburt des Universums konnte kein Photon eine Distanz von mehr als 13,75 Milliarden Lichtjahren zurückgelegt haben. Es stellt sich heraus, dass wir sagen können, dass das beobachtbare Universum vom Beobachter auf eine kugelförmige Region mit einem Radius von 13,75 Milliarden Lichtjahren beschränkt ist. Dies ist jedoch nicht ganz richtig. Wir sollten die Ausdehnung des Weltraums nicht vergessen. Wenn das Photon den Beobachter erreicht, ist das Objekt, das es emittiert hat, bereits 45,7 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt. Jahre. Diese Größe ist der Horizont der Teilchen, sie ist die Grenze des beobachtbaren Universums.

Über dem Horizont

Die Größe des beobachtbaren Universums wird also in zwei Typen unterteilt. Scheinbare Größe, auch Hubble-Radius genannt (13,75 Milliarden Lichtjahre). Und die tatsächliche Größe, genannt Teilchenhorizont (45,7 Milliarden Lichtjahre). Wichtig ist, dass diese beiden Horizonte überhaupt nicht die tatsächliche Größe des Universums charakterisieren. Sie hängen zum einen von der Position des Beobachters im Raum ab. Zweitens verändern sie sich im Laufe der Zeit. Im Fall des ΛCDM-Modells dehnt sich der Teilchenhorizont mit einer Geschwindigkeit aus, die größer ist als der Hubble-Horizont. Die Frage, ob sich dieser Trend in Zukunft ändern wird, beantwortet die moderne Wissenschaft nicht. Wenn wir jedoch davon ausgehen, dass sich das Universum mit Beschleunigung weiter ausdehnt, werden alle Objekte, die wir jetzt sehen, früher oder später aus unserem „Sichtfeld“ verschwinden.

Derzeit ist das am weitesten entfernte Licht, das von Astronomen beobachtet wird, die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Beim Blick hinein sehen Wissenschaftler das Universum so, wie es 380.000 Jahre nach dem Urknall aussah. In diesem Moment kühlte sich das Universum so weit ab, dass es freie Photonen aussenden konnte, die heute mit Hilfe von Radioteleskopen nachgewiesen werden. Zu dieser Zeit gab es im Universum weder Sterne noch Galaxien, sondern nur eine kontinuierliche Wolke aus Wasserstoff, Helium und einer unbedeutenden Menge anderer Elemente. Aus den in dieser Wolke beobachteten Inhomogenitäten werden sich anschließend Galaxienhaufen bilden. Es stellt sich heraus, dass sich genau die Objekte, die aus Inhomogenitäten der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung entstehen, am nächsten zum Teilchenhorizont befinden.

Wahre Grenzen

Ob das Universum wahre, nicht beobachtbare Grenzen hat, ist immer noch Gegenstand pseudowissenschaftlicher Spekulationen. Auf die eine oder andere Weise sind sich alle über die Unendlichkeit des Universums einig, interpretieren diese Unendlichkeit jedoch auf völlig unterschiedliche Weise. Manche betrachten das Universum als mehrdimensional, wobei unser „lokales“ dreidimensionales Universum nur eine seiner Schichten darstellt. Andere sagen, das Universum sei fraktal – was bedeutet, dass unser lokales Universum ein Teilchen eines anderen sein könnte. Wir sollten die verschiedenen Modelle des Multiversums mit seinen geschlossenen, offenen, parallelen Universen und Wurmlöchern nicht vergessen. Und es gibt viele, viele verschiedene Versionen, deren Anzahl nur durch die menschliche Vorstellungskraft begrenzt ist.

Wenn wir uns jedoch dem kalten Realismus zuwenden oder einfach von all diesen Hypothesen abweichen, können wir davon ausgehen, dass unser Universum ein unendlicher homogener Behälter aller Sterne und Galaxien ist. Darüber hinaus werden an jedem sehr weit entfernten Punkt, seien es Milliarden Gigaparsec von uns entfernt, alle Bedingungen genau die gleichen sein. An diesem Punkt werden der Teilchenhorizont und die Hubble-Kugel genau gleich sein, mit der gleichen Reliktstrahlung an ihrem Rand. Es wird die gleichen Sterne und Galaxien geben. Interessanterweise steht dies nicht im Widerspruch zur Expansion des Universums. Schließlich dehnt sich nicht nur das Universum aus, sondern auch sein Raum selbst. Die Tatsache, dass das Universum im Moment des Urknalls aus einem Punkt entstand, bedeutet nur, dass sich die damals unendlich kleinen (praktisch Null) Dimensionen nun in unvorstellbar große verwandelt haben. In Zukunft werden wir genau diese Hypothese verwenden, um das Ausmaß des beobachtbaren Universums klar zu verstehen.

Visuelle Darstellung

Verschiedene Quellen bieten alle möglichen visuellen Modelle, die es den Menschen ermöglichen, das Ausmaß des Universums zu verstehen. Allerdings reicht es nicht aus, dass wir erkennen, wie groß der Kosmos ist. Es ist wichtig, sich vorzustellen, wie sich Konzepte wie der Hubble-Horizont und der Teilchenhorizont tatsächlich manifestieren. Stellen wir uns dazu unser Modell Schritt für Schritt vor.

Vergessen wir, dass die moderne Wissenschaft nichts über die „fremde“ Region des Universums weiß. Lassen wir die Versionen der Multiversen, des fraktalen Universums und seiner anderen „Varietäten“ beiseite und stellen wir uns vor, dass es einfach unendlich ist. Wie bereits erwähnt, steht dies nicht im Widerspruch zur Erweiterung seines Raums. Berücksichtigen wir natürlich, dass seine Hubble-Sphäre und seine Teilchensphäre 13,75 bzw. 45,7 Milliarden Lichtjahre groß sind.

Die Größe des Universums

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Versuchen wir zunächst zu verstehen, wie groß die universelle Skala ist. Wenn Sie unseren Planeten bereist haben, können Sie sich gut vorstellen, wie groß die Erde für uns ist. Stellen Sie sich nun unseren Planeten als ein Buchweizenkorn vor, das sich in einer Umlaufbahn um eine Wassermelonensonne von der Größe eines halben Fußballfeldes bewegt. In diesem Fall entspricht die Umlaufbahn von Neptun der Größe einer kleinen Stadt, die Fläche entspricht der des Mondes und die Fläche der Grenze des Einflusses der Sonne entspricht der des Mars. Es stellt sich heraus, dass unser Sonnensystem so viel größer ist als die Erde, wie der Mars größer als Buchweizen ist! Aber das ist erst der Anfang.

Stellen wir uns nun vor, dass dieser Buchweizen unser System sein wird, dessen Größe ungefähr einem Parsec entspricht. Dann wird die Milchstraße die Größe von zwei Fußballstadien haben. Dies wird uns jedoch nicht ausreichen. Auch die Milchstraße muss auf Zentimetergröße verkleinert werden. Es wird ein wenig wie Kaffeeschaum aussehen, der in einen Strudel inmitten des kaffeeschwarzen intergalaktischen Raums gewickelt ist. Zwanzig Zentimeter davon entfernt befindet sich derselbe spiralförmige „Krümel“ – der Andromedanebel. Um sie herum wird es einen Schwarm kleiner Galaxien unseres lokalen Clusters geben. Die scheinbare Größe unseres Universums wird 9,2 Kilometer betragen. Wir sind zu einem Verständnis der universellen Dimensionen gekommen.

In der universellen Blase

Es reicht jedoch nicht aus, die Skala selbst zu verstehen. Es ist wichtig, das Universum in Dynamik zu erkennen. Stellen wir uns vor, wir seien Riesen, für die die Milchstraße einen Durchmesser von einem Zentimeter hat. Wie bereits erwähnt, befinden wir uns in einer Kugel mit einem Radius von 4,57 und einem Durchmesser von 9,24 Kilometern. Stellen wir uns vor, wir wären in der Lage, in diesem Ball zu schweben, uns fortzubewegen und in einer Sekunde ganze Megaparsecs zurückzulegen. Was werden wir sehen, wenn unser Universum unendlich ist?

Natürlich werden vor uns unzählige Galaxien aller Art auftauchen. Elliptisch, spiralförmig, unregelmäßig. In manchen Gegenden wimmelt es davon, in anderen wird es leer sein. Das Hauptmerkmal wird sein, dass sie optisch alle bewegungslos sind, während wir bewegungslos sind. Aber sobald wir einen Schritt machen, beginnen sich die Galaxien selbst zu bewegen. Wenn es uns beispielsweise gelingt, in der zentimeterlangen Milchstraße ein mikroskopisch kleines Sonnensystem zu erkennen, können wir dessen Entwicklung beobachten. Wenn wir uns 600 Meter von unserer Galaxie entfernen, werden wir den Protostern Sonne und die protoplanetare Scheibe im Moment ihrer Entstehung sehen. Wenn wir uns ihm nähern, werden wir sehen, wie die Erde erscheint, wie Leben entsteht und wie der Mensch erscheint. Auf die gleiche Weise werden wir sehen, wie sich Galaxien verändern und bewegen, wenn wir uns von ihnen entfernen oder uns ihnen nähern.

Je weiter entfernte Galaxien wir betrachten, desto älter werden sie für uns sein. Die am weitesten entfernten Galaxien werden also weiter als 1300 Meter von uns entfernt sein, und bei der Wende von 1380 Metern werden wir bereits Reliktstrahlung sehen. Es stimmt, diese Entfernung wird für uns imaginär sein. Wenn wir uns jedoch der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nähern, werden wir ein interessantes Bild sehen. Natürlich werden wir beobachten, wie sich aus der anfänglichen Wasserstoffwolke Galaxien bilden und entwickeln. Wenn wir eine dieser entstandenen Galaxien erreichen, werden wir verstehen, dass wir gar nicht 1,375 Kilometer zurückgelegt haben, sondern ganze 4,57.

Herauszoomen

Dadurch werden wir noch größer. Jetzt können wir ganze Hohlräume und Wände in die Faust legen. Wir befinden uns also in einer eher kleinen Blase, aus der es unmöglich ist, herauszukommen. Mit zunehmender Annäherung vergrößert sich nicht nur der Abstand zu Objekten am Rand der Blase, sondern auch der Rand selbst verschiebt sich auf unbestimmte Zeit. Das ist der springende Punkt bei der Größe des beobachtbaren Universums.

Egal wie groß das Universum ist, für einen Beobachter bleibt es immer eine begrenzte Blase. Der Beobachter wird immer im Zentrum dieser Blase sein, tatsächlich ist er ihr Zentrum. Beim Versuch, zu einem beliebigen Objekt am Rand der Blase zu gelangen, verschiebt der Beobachter dessen Mittelpunkt. Wenn Sie sich einem Objekt nähern, entfernt sich dieses Objekt immer weiter vom Rand der Blase und verändert sich gleichzeitig. Beispielsweise wird aus einer formlosen Wasserstoffwolke eine vollwertige Galaxie oder, weiter gesagt, ein Galaxienhaufen. Darüber hinaus vergrößert sich der Weg zu diesem Objekt, wenn Sie sich ihm nähern, da sich der umgebende Raum selbst verändert. Nachdem wir dieses Objekt erreicht haben, bewegen wir es nur noch vom Rand der Blase in ihre Mitte. Am Rande des Universums wird die Reliktstrahlung immer noch flackern.

Wenn wir davon ausgehen, dass sich das Universum weiterhin beschleunigt ausdehnt, dann werden wir ein noch interessanteres Bild sehen, wenn wir uns im Zentrum der Blase befinden und die Zeit um Milliarden, Billionen und noch höhere Größenordnungen vorwärts verschieben. Obwohl auch unsere Blase größer wird, werden sich ihre sich verändernden Bestandteile noch schneller von uns entfernen und den Rand dieser Blase verlassen, bis jedes Teilchen des Universums einzeln in seiner einsamen Blase umherwandert, ohne die Möglichkeit, mit anderen Teilchen zu interagieren.

Die moderne Wissenschaft verfügt also nicht über Informationen über die tatsächliche Größe des Universums und darüber, ob es Grenzen hat. Aber wir wissen mit Sicherheit, dass das beobachtbare Universum eine sichtbare und wahre Grenze hat, die als Hubble-Radius (13,75 Milliarden Lichtjahre) bzw. Teilchenradius (45,7 Milliarden Lichtjahre) bezeichnet wird. Diese Grenzen hängen vollständig von der Position des Beobachters im Raum ab und dehnen sich mit der Zeit aus. Wenn sich der Hubble-Radius streng mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt, dann wird die Ausdehnung des Teilchenhorizonts beschleunigt. Offen bleibt die Frage, ob die Beschleunigung des Teilchenhorizonts weiter anhält und durch Kompression ersetzt wird.

Am Anfang war das Universum ein sich ausdehnender Klumpen aus Leere. Sein Zusammenbruch führte zum Urknall, in dessen feuerspeiendem Plasma die ersten chemischen Elemente entstanden. Dann komprimierte die Schwerkraft die kühlenden Gaswolken über Millionen von Jahren. Und dann leuchteten die ersten Sterne auf und erleuchteten ein grandioses Universum mit Billionen blasser Galaxien ... Dieses Weltbild, gestützt durch die größten astronomischen Entdeckungen des 20. Jahrhunderts, steht auf einer soliden theoretischen Grundlage. Aber es gibt Spezialisten, denen das nicht gefällt. Sie suchen beharrlich nach Schwachstellen darin und hoffen, dass eine andere Kosmologie die aktuelle ersetzen wird.

In den frühen 1920er Jahren fand der St. Petersburger Wissenschaftler Alexander Friedman eine Lösung für die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie (GTR), die das instationäre expandierende Universum beschreiben, wobei er der Einfachheit halber davon ausging, dass Materie den gesamten Raum gleichmäßig ausfüllt. Selbst Einstein nahm diese Entdeckung nicht ernst, da er glaubte, dass das Universum ewig und unveränderlich sein müsse. Um ein solches Universum zu beschreiben, führte er sogar einen speziellen „Anti-Schwerkraft“-Lambda-Term in die allgemeinen Relativitätsgleichungen ein. Friedman starb bald an Typhus und seine Entscheidung geriet in Vergessenheit. Edwin Hubble beispielsweise, der am Mount Wilson Observatory am größten 100-Zoll-Teleskop der Welt arbeitete, hatte noch nichts von diesen Ideen gehört.

Bis 1929 hatte Hubble die Entfernungen zu mehreren Dutzend Galaxien gemessen und beim Vergleich mit zuvor erhaltenen Spektren unerwartet festgestellt, dass ihre Spektrallinien umso rotverschobener sind, je weiter eine Galaxie entfernt ist. Der einfachste Weg, die Rotverschiebung zu erklären, war der Doppler-Effekt. Doch dann stellte sich heraus, dass sich alle Galaxien schnell von uns entfernten. Es war so seltsam, dass der Astronom Fritz Zwicky eine sehr kühne Hypothese des „müden Lichts“ aufstellte, wonach sich nicht Galaxien von uns entfernen, sondern Lichtquanten, die während einer langen Reise einen gewissen Widerstand gegen ihre Bewegung erfahren und allmählich verlieren Energie und Rotwerden. Dann erinnerten sie sich natürlich an die Idee, den Weltraum zu erweitern, und es stellte sich heraus, dass nicht weniger seltsame neue Beobachtungen gut in diese seltsame vergessene Theorie passten. Friedmans Modell profitierte auch von der Tatsache, dass der Ursprung der Rotverschiebung darin dem üblichen Doppler-Effekt sehr ähnlich sieht: Noch heute verstehen nicht alle Astronomen, dass die „Streuung“ von Galaxien im Weltraum keineswegs dasselbe ist wie die Expansion des Weltraums selbst mit „eingefrorenen“ Galaxien.

Die Hypothese vom „müden Licht“ verschwand Ende der 1930er Jahre stillschweigend von der Bildfläche, als Physiker feststellten, dass ein Photon nur durch die Wechselwirkung mit anderen Teilchen Energie verliert und sich in diesem Fall die Richtung seiner Bewegung zwangsläufig zumindest geringfügig ändert. Die Bilder entfernter Galaxien im „müden Licht“-Modell sollten also wie im Nebel verschwimmen, sind aber recht deutlich sichtbar. Infolgedessen hat das Friedmann-Modell des Universums, eine Alternative zu allgemein akzeptierten Ideen, in letzter Zeit die Aufmerksamkeit aller auf sich gezogen. (Bis zu seinem Lebensende, im Jahr 1953, gab Hubble jedoch selbst zu, dass die Ausdehnung des Weltraums nur ein scheinbarer Effekt sein konnte.)

Zweimal alternativer Standard

Da sich das Universum jedoch ausdehnt, bedeutet dies, dass es zuvor dichter war. Friedmans Schüler, der Kernphysiker Georgi Gamow, kehrte seine Entwicklung gedanklich um und kam zu dem Schluss, dass das frühe Universum so heiß war, dass darin thermonukleare Fusionsreaktionen stattfanden. Gamow versuchte mit ihnen die beobachtete Verbreitung chemischer Elemente zu erklären, doch es gelang ihm, nur wenige Arten leichter Kerne im Primärkessel zu „kochen“. Es stellte sich heraus, dass die Welt neben Wasserstoff 23-25 ​​% Helium, ein Hundertstel Prozent Deuterium und ein Milliardstel Lithium enthalten sollte. Die Theorie der Synthese schwererer Elemente in Sternen wurde später gemeinsam mit seinen Kollegen von Gamows Konkurrenten, dem Astrophysiker Fred Hoyle, entwickelt.

Im Jahr 1948 sagte Gamow außerdem voraus, dass eine beobachtbare Spur vom heißen Universum zurückbleiben sollte – gekühlte Mikrowellenstrahlung mit einer Temperatur von mehreren Grad Kelvin, die aus allen Himmelsrichtungen kommt. Leider wiederholte Gamows Vorhersage das Schicksal von Friedmans Modell: Niemand hatte es eilig, nach seiner Strahlung zu suchen. Die Theorie eines heißen Universums schien zu extravagant, um teure Experimente zu ihrer Überprüfung durchzuführen. Darüber hinaus wurden darin Parallelen zur göttlichen Schöpfung gesehen, von der sich viele Wissenschaftler distanzierten. Es endete damit, dass Gamow die Kosmologie aufgab und sich der damals aufkommenden Genetik zuwandte.

In den 1950er Jahren gewann eine neue Version der Theorie eines stationären Universums an Popularität, die von demselben Fred Hoyle zusammen mit dem Astrophysiker Thomas Gold und dem Mathematiker Hermann Bondi entwickelt wurde. Unter dem Druck von Hubbles Entdeckung akzeptierten sie die Expansion des Universums, nicht jedoch seine Entwicklung. Ihrer Theorie zufolge geht die Ausdehnung des Weltraums mit der spontanen Bildung von Wasserstoffatomen einher, sodass die durchschnittliche Dichte des Universums unverändert bleibt. Dies ist natürlich ein Verstoß gegen das Energieerhaltungsgesetz, aber ein äußerst unbedeutender – nicht mehr als ein Wasserstoffatom pro Milliarde Jahre pro Kubikmeter Raum. Hoyle nannte sein Modell „die Theorie der kontinuierlichen Schöpfung“ und führte ein spezielles C-Feld (von der englischen Schöpfung – Schöpfung) mit Unterdruck ein, das das Universum zum Aufblasen zwang und gleichzeitig eine konstante Materiedichte aufrechterhielt. Im Gegensatz zu Gamow erklärte Hoyle die Entstehung aller Elemente, auch der leichten, durch thermonukleare Prozesse in Sternen.

Der von Gamow vorhergesagte kosmische Mikrowellenhintergrund wurde fast 20 Jahre später zufällig bemerkt. Seine Entdecker erhielten den Nobelpreis und das heiße Friedmann-Gamow-Universum verdrängte schnell konkurrierende Hypothesen. Hoyle gab jedoch nicht auf und argumentierte zur Verteidigung seiner Theorie, dass der Mikrowellenhintergrund von fernen Sternen erzeugt werde, deren Licht vom kosmischen Staub gestreut und wieder abgestrahlt werde. Dann sollte das Leuchten des Himmels zwar fleckig, aber nahezu gleichmäßig sein. Nach und nach wurden Daten über die chemische Zusammensetzung von Sternen und kosmischen Wolken gesammelt, die auch mit Gams Modell der primären Nukleosynthese übereinstimmten.

So wurde die zweifach alternative Theorie des Urknalls allgemein akzeptiert oder, wie man heute sagt, zum wissenschaftlichen Mainstream. Und jetzt wird den Schulkindern beigebracht, dass Hubble die Explosion des Universums entdeckt hat (und nicht die Abhängigkeit der Rotverschiebung von der Entfernung) und dass kosmische Mikrowellenstrahlung mit der leichten Hand des sowjetischen Astrophysikers Joseph Samuilovich Shklovsky zu einer Reliktstrahlung wird. Das Modell des heißen Universums wird buchstäblich auf der Ebene der Sprache in die Köpfe der Menschen „eingenäht“.

Vier Ursachen für Rotverschiebung

Welches sollten Sie wählen, um das Hubble-Gesetz zu erklären – die Abhängigkeit der Rotverschiebung von der Entfernung?

Unter den Fundamenten graben

Aber die menschliche Natur ist so beschaffen, dass es sofort Menschen gibt, die streiten wollen, sobald sich eine andere unbestreitbare Idee in der Gesellschaft durchsetzt. Die Kritik an der Standardkosmologie lässt sich in konzeptionelle Kritik, die auf die Unvollkommenheit ihrer theoretischen Grundlagen hinweist, und astronomische Kritik, die spezifische Fakten und Beobachtungen zitiert, die schwer zu erklären sind, unterteilen.

Das Hauptziel konzeptioneller Angriffe ist natürlich die Allgemeine Relativitätstheorie (GTR). Einstein gab eine überraschend schöne Beschreibung der Schwerkraft und identifizierte sie mit der Krümmung der Raumzeit. Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie folgt jedoch die Existenz von Schwarzen Löchern, seltsamen Objekten, in deren Zentrum Materie zu einem Punkt unendlicher Dichte komprimiert ist. In der Physik weist das Erscheinen der Unendlichkeit immer auf die Grenzen der Anwendbarkeit einer Theorie hin. Bei ultrahohen Dichten muss die allgemeine Relativitätstheorie durch die Quantengravitation ersetzt werden. Doch alle Versuche, die Prinzipien der Quantenphysik in die Allgemeine Relativitätstheorie einzuführen, scheiterten, was die Physiker dazu zwingt, nach alternativen Gravitationstheorien zu suchen. Dutzende davon wurden im 20. Jahrhundert erbaut. Die meisten hielten experimentellen Tests nicht stand. Aber ein paar Theorien gelten immer noch. Dazu gehört beispielsweise die Feldtheorie der Schwerkraft des Akademiemitglieds Logunov, in der es keinen gekrümmten Raum gibt, keine Singularitäten entstehen, das heißt, es gibt keine Schwarzen Löcher oder den Urknall. Wo immer die Vorhersagen solcher alternativen Gravitationstheorien experimentell überprüft werden können, stimmen sie mit denen der allgemeinen Relativitätstheorie überein, und nur in extremen Fällen – bei extrem hohen Dichten oder in sehr großen kosmologischen Entfernungen – weichen ihre Schlussfolgerungen voneinander ab. Das bedeutet, dass die Struktur und Entwicklung des Universums unterschiedlich sein muss.

Neue Kosmographie

Es war einmal, als Johannes Kepler versuchte, die Beziehungen zwischen den Radien der Planetenbahnen theoretisch zu erklären, indem er regelmäßige Polyeder ineinander verschachtelte. Die darin beschriebenen und eingeschriebenen Sphären schienen ihm der direkteste Weg zur Entschlüsselung der Struktur des Universums zu sein – „Das kosmographische Geheimnis“, wie er sein Buch nannte. Basierend auf den Beobachtungen von Tycho Brahe verwarf er später die alte Idee der himmlischen Perfektion von Kreisen und Kugeln und kam zu dem Schluss, dass sich die Planeten in Ellipsen bewegen.

Auch viele moderne Astronomen stehen den spekulativen Konstruktionen der Theoretiker skeptisch gegenüber und lassen sich lieber vom Blick in den Himmel inspirieren. Und dort können Sie sehen, dass unsere Galaxie, die Milchstraße, Teil eines kleinen Clusters namens Lokale Galaxiengruppe ist, der vom Zentrum einer riesigen Galaxienwolke im Sternbild Jungfrau angezogen wird, die als Lokaler Superhaufen bekannt ist. Bereits 1958 veröffentlichte der Astronom George Abel einen Katalog von 2.712 Galaxienhaufen am Nordhimmel, die wiederum zu Superhaufen gruppiert sind.

Stimmen Sie zu, es sieht nicht wie ein Universum aus, das gleichmäßig mit Materie gefüllt ist. Ohne Homogenität im Friedman-Modell ist es jedoch unmöglich, ein Expansionsregime zu erhalten, das dem Hubble-Gesetz entspricht. Und auch die erstaunliche Glätte des Mikrowellenhintergrunds lässt sich nicht erklären. Daher wurde im Namen der Schönheit der Theorie die Homogenität des Universums zum kosmologischen Prinzip erklärt und von den Beobachtern erwartet, dass sie dies bestätigen. Natürlich dominiert bei kleinen Entfernungen nach kosmologischen Maßstäben – hundertmal so groß wie die Milchstraße – die Anziehungskraft zwischen Galaxien: Sie bewegen sich auf einer Umlaufbahn, kollidieren und verschmelzen. Aber ab einer bestimmten Entfernungsskala muss das Universum einfach homogen werden.

In den 1970er Jahren ließen sich Beobachtungen noch nicht mit Sicherheit sagen, ob Strukturen existierten, die größer als ein paar Dutzend Megaparsecs waren, und die Worte „großräumige Homogenität des Universums“ klangen wie ein schützendes Mantra von Friedmanns Kosmologie. Doch Anfang der 1990er Jahre hatte sich die Situation dramatisch verändert. An der Grenze der Sternbilder Fische und Wal wurde ein etwa 50 Megaparsec großer Superhaufenkomplex entdeckt, zu dem auch der Lokale Superhaufen gehört. Im Sternbild Hydra entdeckten sie zunächst den Großen Attraktor mit einer Größe von 60 Megaparsec und dahinter einen riesigen, dreimal größeren Shapley-Superhaufen. Und das sind keine isolierten Objekte. Zur gleichen Zeit beschrieben Astronomen die Große Mauer, einen Komplex mit einer Länge von 150 Megaparsec, und die Liste wird immer länger.

Bis zum Ende des Jahrhunderts wurde die Produktion von 3D-Karten des Universums in Betrieb genommen. In einer Teleskopaufnahme werden Spektren von Hunderten von Galaxien aufgenommen. Dazu platziert ein Robotermanipulator Hunderte von optischen Fasern in der Brennebene der Weitwinkel-Schmidt-Kamera an bekannten Koordinaten und überträgt das Licht jeder einzelnen Galaxie an das Spektrographielabor. Die bisher größte SDSS-Durchmusterung hat bereits die Spektren und Rotverschiebungen von einer Million Galaxien bestimmt. Und die größte bekannte Struktur im Universum bleibt die Great Wall of Sloan, die laut der vorherigen CfA-II-Untersuchung 2003 entdeckt wurde. Seine Länge beträgt 500 Megaparsec, was 12 % der Entfernung zum Horizont des Friedmann-Universums entspricht.

Neben Materieansammlungen wurden auch viele verlassene Regionen des Weltraums entdeckt – Hohlräume, in denen es weder Galaxien noch mysteriöse dunkle Materie gibt. Viele von ihnen sind größer als 100 Megaparsec, und 2007 meldete das amerikanische National Radio Astronomy Observatory die Entdeckung eines Großen Hohlraums mit einem Durchmesser von etwa 300 Megaparsec.

Die bloße Existenz solch grandioser Strukturen stellt eine Herausforderung für die Standardkosmologie dar, in der sich Inhomogenitäten aufgrund der gravitativen Ansammlung von Materie aufgrund winziger Dichteschwankungen, die vom Urknall übrig geblieben sind, entwickeln. Bei den beobachteten natürlichen Bewegungsgeschwindigkeiten von Galaxien können sie während der gesamten Lebensdauer des Universums nicht mehr als ein Dutzend oder zwei Megaparsec zurücklegen. Und wie können wir dann die Konzentration einer Substanz erklären, die Hunderte von Megaparsec misst?

Dunkle Wesen

Streng genommen erklärt Friedmans Modell „in seiner reinen Form“ nicht die Entstehung selbst kleiner Strukturen – Galaxien und Cluster, es sei denn, wir fügen ihm eine besondere, nicht beobachtbare Einheit hinzu, die 1933 von Fritz Zwicky erfunden wurde. Bei der Untersuchung des Coma-Haufens entdeckte er, dass sich seine Galaxien so schnell bewegten, dass sie leicht davonfliegen müssten. Warum zerfällt der Cluster nicht? Zwicky vermutete, dass seine Masse viel größer war als anhand leuchtender Quellen angenommen. So entstand in der Astrophysik verborgene Masse, die heute Dunkle Materie genannt wird. Ohne sie ist es unmöglich, die Dynamik galaktischer Scheiben und Galaxienhaufen, die Lichtbeugung beim Passieren dieser Galaxienhaufen und ihren eigentlichen Ursprung zu beschreiben. Es wird geschätzt, dass es fünfmal mehr dunkle Materie als normale leuchtende Materie gibt. Es wurde bereits festgestellt, dass es sich nicht um dunkle Planetoiden, keine Schwarzen Löcher und keine bekannten Elementarteilchen handelt. Dunkle Materie besteht wahrscheinlich aus einigen schweren Teilchen, die nur an schwachen Wechselwirkungen teilnehmen.

Kürzlich entdeckte das italienisch-russische Satellitenexperiment PAMELA einen seltsamen Überschuss an energiereichen Positronen in der kosmischen Strahlung. Astrophysiker kennen keine geeignete Quelle für Positronen und vermuten, dass sie das Produkt einer Reaktion mit Teilchen der dunklen Materie sein könnten. Wenn ja, dann könnte Gamows Theorie der ursprünglichen Nukleosynthese gefährdet sein, da sie nicht von der Anwesenheit einer großen Anzahl unbekannter schwerer Teilchen im frühen Universum ausging.

Die geheimnisvolle dunkle Energie musste an der Wende vom 20. zum 21. Jahrhundert dringend in das Standardmodell des Universums aufgenommen werden. Kurz zuvor wurde eine neue Methode zur Bestimmung von Entfernungen zu entfernten Galaxien getestet. Die „Standardkerze“ darin waren die Explosionen von Supernovae einer besonderen Art, die auf dem Höhepunkt des Ausbruchs immer fast die gleiche Leuchtkraft haben. Ihre scheinbare Helligkeit wird verwendet, um die Entfernung zur Galaxie zu bestimmen, in der sich die Katastrophe ereignete. Jeder erwartete, dass die Messungen eine leichte Verlangsamung der Expansion des Universums unter dem Einfluss der Eigengravitation seiner Materie zeigen würden. Mit großer Überraschung stellten die Astronomen fest, dass sich die Expansion des Universums im Gegenteil beschleunigt! Dunkle Energie wurde erfunden, um die universelle kosmische Abstoßung zu erzeugen, die das Universum aufbläht. Tatsächlich ist es nicht vom Lambda-Term in Einsteins Gleichungen und, was noch lustiger ist, vom C-Feld aus der Bondi-Gold-Hoyle-Theorie eines stationären Universums, in der Vergangenheit der Hauptkonkurrent der Friedmann-Gamow-Kosmologie, nicht zu unterscheiden. Auf diese Weise wandern künstliche spekulative Ideen zwischen Theorien und helfen ihnen, unter dem Druck neuer Fakten zu überleben.

Wenn Friedmans ursprüngliches Modell nur einen Parameter hatte, der aus Beobachtungen bestimmt wurde (die durchschnittliche Materiedichte im Universum), dann nahm mit dem Aufkommen „dunkler Wesen“ die Zahl der „Abstimmungs“-Parameter merklich zu. Dabei handelt es sich nicht nur um die Mengenverhältnisse der dunklen „Zutaten“, sondern auch um deren willkürlich angenommene physikalische Eigenschaften, etwa die Fähigkeit, an verschiedenen Interaktionen teilzunehmen. Stimmt es nicht, dass das alles an die Theorie des Ptolemäus erinnert? Auch ihm wurden immer mehr Epizykel hinzugefügt, um Übereinstimmung mit den Beobachtungen zu erreichen, bis er unter der Last seines eigenen überkomplizierten Designs zusammenbrach.

DIY-Universum

In den letzten 100 Jahren ist eine große Vielfalt an kosmologischen Modellen entstanden. Wurde früher jeder von ihnen als eine einzigartige physikalische Hypothese wahrgenommen, ist die Haltung jetzt prosaischer geworden. Um ein kosmologisches Modell zu erstellen, müssen Sie sich mit drei Dingen auseinandersetzen: der Theorie der Schwerkraft, von der die Eigenschaften des Raums abhängen, der Verteilung der Materie und der physikalischen Natur der Rotverschiebung, aus der die Abhängigkeit abgeleitet wird: Entfernung – Rotverschiebung R(z). Dadurch wird die Kosmographie des Modells festgelegt, die es ermöglicht, verschiedene Effekte zu berechnen: wie die Helligkeit einer „Standardkerze“, die Winkelgröße eines „Standardmeters“, die Dauer einer „Standardsekunde“ und die Oberflächenhelligkeit einer „Referenzgalaxie“ ändern sich mit der Entfernung (oder besser gesagt mit der Rotverschiebung). Es bleibt nur noch, in den Himmel zu schauen und zu verstehen, welche Theorie die richtigen Vorhersagen liefert.

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen abends in einem Hochhaus am Fenster und blicken auf das Lichtermeer der Stadt, das sich darunter erstreckt. In der Ferne gibt es weniger davon. Warum? Vielleicht gibt es dort schlechte Außenbezirke, oder die Bebauung ist sogar ganz zum Erliegen gekommen. Oder vielleicht ist das Licht der Laternen durch Nebel oder Smog gedimmt. Oder die Krümmung der Erdoberfläche beeinflusst sie und entfernte Lichter gehen einfach über den Horizont hinaus. Für jede Option können Sie die Abhängigkeit der Anzahl der Lichter von der Entfernung berechnen und eine passende Erklärung finden. Auf diese Weise untersuchen Kosmologen entfernte Galaxien und versuchen, das beste Modell des Universums auszuwählen.

Damit der kosmologische Test funktioniert, ist es wichtig, „Standard“-Objekte zu finden und den Einfluss aller Störungen zu berücksichtigen, die ihr Aussehen verfälschen. Beobachtende Kosmologen kämpfen seit acht Jahrzehnten damit. Nehmen wir zum Beispiel den Winkelgrößentest. Wenn unser Raum euklidisch, also nicht gekrümmt ist, nimmt die scheinbare Größe der Galaxien umgekehrt proportional zur Rotverschiebung z ab. In Friedmanns Modell mit gekrümmtem Raum nehmen die Winkelgrößen von Objekten langsamer ab und wir sehen Galaxien, die etwas größer sind, wie Fische in einem Aquarium. Es gibt sogar ein Modell (Einstein arbeitete in den frühen Stadien damit), bei dem Galaxien zunächst kleiner werden, wenn sie sich entfernen, und dann wieder zu wachsen beginnen. Das Problem besteht jedoch darin, dass wir entfernte Galaxien so sehen, wie sie in der Vergangenheit waren, und dass sich ihre Größe im Laufe der Evolution ändern kann. Darüber hinaus erscheinen Nebelflecken aus großer Entfernung kleiner – aufgrund der Tatsache, dass ihre Ränder schwer zu erkennen sind.

Es ist äußerst schwierig, den Einfluss solcher Effekte zu berücksichtigen, und daher hängt das Ergebnis eines kosmologischen Tests oft von den Vorlieben eines bestimmten Forschers ab. In einer Vielzahl veröffentlichter Arbeiten findet man Tests, die eine Vielzahl kosmologischer Modelle sowohl bestätigen als auch widerlegen. Und nur die Professionalität des Wissenschaftlers bestimmt, welchen von ihnen er glaubt und welchen nicht. Hier nur ein paar Beispiele.

Im Jahr 2006 testete ein internationales Team aus drei Dutzend Astronomen, ob sich entfernte Supernova-Explosionen über die Zeit ausdehnten, wie es Friedmanns Modell erfordert. Sie stimmten der Theorie voll und ganz zu: Blitze verlängern sich genau so oft, wie die Frequenz des von ihnen ausgehenden Lichts abnimmt – Zeitdilatation in der Allgemeinen Relativitätstheorie hat auf alle Prozesse den gleichen Effekt. Dieses Ergebnis hätte ein weiterer letzter Nagel im Sarg der Theorie eines stationären Universums sein können (das erste wurde vor 40 Jahren von Stephen Hawking als kosmischer Mikrowellenhintergrund bezeichnet), doch 2009 veröffentlichte der amerikanische Astrophysiker Eric Lerner genau die gegenteiligen Ergebnisse mit einer anderen Methode gewonnen. Er nutzte den 1930 von Richard Tolman erfundenen Oberflächenhelligkeitstest für Galaxien, um gezielt zwischen einem expandierenden und einem statischen Universum zu entscheiden. Im Friedmann-Modell nimmt die Oberflächenhelligkeit von Galaxien mit zunehmender Rotverschiebung sehr schnell ab, im euklidischen Raum mit „müdem Licht“ verläuft der Zerfall deutlich langsamer. Bei z = 1 (wo Galaxien laut Friedman etwa halb so jung sind wie die in unserer Nähe) beträgt der Unterschied das Achtfache, und bei z = 5, was nahe an der Grenze der Leistungsfähigkeit des Hubble-Weltraumteleskops liegt, beträgt er sogar das Achtfache ist mehr als 200-fach. Der Test zeigte, dass die Daten nahezu perfekt mit dem „Müde-Licht“-Modell übereinstimmen und stark von denen von Friedman abweichen.

Grund zum Zweifel

Die beobachtende Kosmologie hat viele Daten gesammelt, die Zweifel an der Richtigkeit des vorherrschenden kosmologischen Modells aufkommen lassen, das nach Hinzufügung dunkler Materie und Energie als LCDM (Lambda – Kalte Dunkle Materie) bezeichnet wurde. Ein potenzielles Problem für LCDM ist der schnelle Anstieg der Rekordrotverschiebungen erkannter Objekte. Masanori Iye, ein Mitarbeiter des japanischen Nationalen Astronomischen Observatoriums, untersuchte, wie die rekordverdächtigen offenen Rotverschiebungen von Galaxien, Quasaren und Gammastrahlenausbrüchen (den stärksten Explosionen und den am weitesten entfernten Leuchtfeuern im beobachtbaren Universum) wuchsen. Bis 2008 hatten sie alle bereits die Schwelle von z = 6 überschritten, und der Rekord z an Gammastrahlenausbrüchen wuchs besonders schnell. 2009 stellten sie einen weiteren Rekord auf: z = 8,2. In Friedmans Modell entspricht dies einem Alter von etwa 600 Millionen Jahren nach dem Urknall und passt bis zum Äußersten zu bestehenden Theorien zur Galaxienentstehung: mehr, und sie werden einfach keine Zeit mehr haben, sich zu bilden. Unterdessen scheint der Fortschritt bei den Z-Indikatoren nicht aufzuhören – alle warten auf Daten der neuen Weltraumteleskope Herschel und Planck, die im Frühjahr 2009 gestartet wurden. Wenn Objekte mit z = 15 oder 20 auftauchen, kommt es zu einer ausgewachsenen LCDM-Krise.

Ein weiteres Problem wurde bereits 1972 von Alan Sandage, einem der angesehensten beobachtenden Kosmologen, bemerkt. Es stellt sich heraus, dass das Hubble-Gesetz in der unmittelbaren Umgebung der Milchstraße nur allzu gut gilt. Innerhalb weniger Megaparsecs von uns ist die Materie äußerst inhomogen verteilt, doch die Galaxien scheinen dies nicht zu bemerken. Ihre Rotverschiebungen sind genau proportional zu ihren Entfernungen, mit Ausnahme derjenigen, die sehr nahe an den Zentren großer Haufen liegen. Die chaotischen Geschwindigkeiten von Galaxien scheinen durch etwas gedämpft zu werden. In Analogie zur thermischen Bewegung von Molekülen wird dieses Paradox manchmal als anomale Kälte des Hubble-Flusses bezeichnet. Es gibt keine umfassende Erklärung für dieses Paradoxon im LCDM, aber es erhält eine natürliche Erklärung im „Müde-Licht“-Modell. Alexander Raikov vom Pulkowo-Observatorium stellte die Hypothese auf, dass die Rotverschiebung von Photonen und die Dämpfung der chaotischen Geschwindigkeiten von Galaxien eine Manifestation desselben kosmologischen Faktors sein könnten. Und der gleiche Grund könnte die Anomalie in der Bewegung der amerikanischen interplanetaren Sonden Pioneer 10 und Pioneer 11 erklären. Als sie das Sonnensystem verließen, erlebten sie eine kleine, unerklärliche Verlangsamung, genau das richtige Maß, um numerisch die Kälte des Hubble-Stroms zu erklären.

Eine Reihe von Kosmologen versucht zu beweisen, dass die Materie im Universum nicht gleichmäßig, sondern fraktal verteilt ist. Dies bedeutet, dass das Universum unabhängig von der Skala, die wir betrachten, immer eine Abwechslung von Clustern und Hohlräumen der entsprechenden Ebene aufweisen wird. Der erste, der dieses Thema ansprach, war 1987 der italienische Physiker Luciano Piotroneiro. Und vor einigen Jahren veröffentlichten der St. Petersburger Kosmologe Yuri Baryshev und Pekka Teerikorpi aus Finnland eine ausführliche Monographie „Die fraktale Struktur des Universums“. In einer Reihe wissenschaftlicher Artikel wird behauptet, dass bei Rotverschiebungsuntersuchungen die fraktale Natur der Galaxienverteilung bis zu einem Maßstab von 100 Megaparsec zuverlässig aufgedeckt wird und Heterogenität bis zu 500 Megaparsec oder mehr verfolgt werden kann. Und kürzlich entdeckte Alexander Raikov zusammen mit Viktor Orlov von der Staatlichen Universität St. Petersburg Anzeichen einer fraktalen Verteilung im Katalog der Gammastrahlenausbrüche auf Skalen bis z = 3 (also nach dem Friedmann-Modell in den meisten). das sichtbare Universum). Sollte sich dies bestätigen, steht die Kosmologie vor einer großen Umwälzung. Die Fraktalität verallgemeinert den Begriff der Homogenität, der aus Gründen der mathematischen Einfachheit als Grundlage der Kosmologie des 20. Jahrhunderts herangezogen wurde. Heutzutage werden Fraktale von Mathematikern aktiv untersucht und regelmäßig neue Theoreme bewiesen. Die Fraktalität der großräumigen Struktur des Universums kann zu sehr unerwarteten Konsequenzen führen, und wer weiß, ob uns radikale Veränderungen im Bild des Universums und seiner Entwicklung erwarten?

Schrei der Seele

Und doch, egal wie inspiriert kosmologische „Dissidenten“ von solchen Beispielen sind, gibt es heute keine kohärente und gut entwickelte Theorie der Struktur und Entwicklung des Universums, die sich vom Standard-LCDM unterscheidet. Was zusammenfassend als alternative Kosmologie bezeichnet wird, besteht aus einer Reihe von Behauptungen, die zu Recht von Befürwortern des allgemein akzeptierten Konzepts aufgestellt werden, sowie aus einer Reihe vielversprechender Ideen unterschiedlicher Ausgereiftheit, die in der Zukunft bei einem starken alternativen Forschungsprogramm nützlich sein könnten entsteht.

Viele Befürworter alternativer Ansichten neigen dazu, einzelne Ideen oder Gegenbeispiele zu überbetonen. Sie hoffen, dass durch den Nachweis der Schwierigkeiten des Standardmodells dieses aufgegeben werden kann. Doch wie der Wissenschaftsphilosoph Imre Lakatos argumentierte, können weder Experimente noch Paradoxe eine Theorie zerstören. Nur eine neue, bessere Theorie tötet eine Theorie. Für eine alternative Kosmologie gibt es noch nichts zu bieten.

Aber wo sollen neue gravierende Entwicklungen herkommen, beschweren sich die „Alternativen“, wenn überall auf der Welt, in Förderausschüssen, in den Redaktionen wissenschaftlicher Fachzeitschriften und in Kommissionen zur Verteilung der Beobachtungszeit von Teleskopen die Mehrheit Befürworter des Standards sind? Kosmologie. Sie, so sagen sie, blockieren einfach die Zuweisung von Ressourcen für Arbeiten, die außerhalb des kosmologischen Mainstreams liegen, und betrachten dies als nutzlose Geldverschwendung. Vor einigen Jahren erreichten die Spannungen ein solches Ausmaß, dass eine Gruppe von Kosmologen in der Zeitschrift New Scientist einen sehr harten „Offenen Brief an die wissenschaftliche Gemeinschaft“ schrieb. Sie kündigte die Gründung der internationalen öffentlichen Organisation Alternative Cosmology Group (www.cosmology.info) an, die seitdem regelmäßig eigene Konferenzen abhält, die Situation jedoch bisher nicht wesentlich ändern konnte.

Die Geschichte der Wissenschaft kennt viele Fälle, in denen unerwartet ein leistungsstarkes neues Forschungsprogramm auf der Grundlage von Ideen entstand, die als zutiefst alternativ und von geringem Interesse galten. Und vielleicht trägt die gegenwärtige, disparate alternative Kosmologie den Keim einer zukünftigen Revolution im Weltbild in sich.