Der Zustand des kleinen Universums

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Eine logarithmische Sicht auf das Universum. Bildnachweis: Pablo Carlos Budassi

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Eine logarithmische Sicht auf das Universum. Bildnachweis: Pablo Carlos Budassi

Das Universum ist groß, sagt Douglas Adams.

Das am weitesten entfernte Licht, das wir sehen können, ist der kosmische Mikrowellenhintergrund (CMB), der mehr als 13 Milliarden Jahre brauchte, um uns zu erreichen. Dies markiert den Rand des beobachtbaren Universums, und obwohl Sie vielleicht denken würden, dass das Universum einen Durchmesser von 26 Milliarden Lichtjahren hat, beträgt der Durchmesser dank der kosmischen Expansion jetzt eher 46 Milliarden Lichtjahre. Nach allem, was man hört, ist das eine sehr große Sache. Doch die meisten Kosmologen glauben, dass das Universum viel größer ist als der Winkel, aus dem es beobachtet werden kann. Das, was wir sehen können, ist ein kleiner Teil einer unvorstellbar großen, wenn nicht unendlichen Schöpfung. Allerdings wurde ein neues Papier veröffentlicht am arXiv Preprint Server argumentiert, dass das beobachtbare Universum größtenteils alles ist, was existiert.

Mit anderen Worten: Im kosmologischen Maßstab ist das Universum sehr klein.

Es gibt mehrere Gründe, warum Kosmologen glauben, das Universum sei groß. Der erste ist die Verteilung von Galaxienhaufen. Wenn sich das Universum nicht über das hinaus erstrecken würde, was wir sehen, würden weiter entfernte Galaxien eine Anziehungskraft in Richtung unserer Region des Universums spüren, aber nicht von uns weg, was zu asymmetrischen Galaxienhaufen führen würde. Da sich Galaxien im gesamten beobachtbaren Universum in ungefähr der gleichen Größenordnung anhäufen. Mit anderen Worten: Das sichtbare Universum ist homogen und isotrop.

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Durch das Aufpumpen wird die CMB-Temperatur gleichmäßiger. Bildnachweis: Nick Strobel

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Durch das Aufpumpen wird die CMB-Temperatur gleichmäßiger. Bildnachweis: Nick Strobel

Der zweite Punkt ist, dass die Raumzeit flach ist. Wenn die Raumzeit nicht flach wäre, wäre unsere Sicht auf entfernte Galaxien verzerrt, sodass sie viel größer oder kleiner erscheinen würden, als sie tatsächlich sind. Entfernte Galaxien erscheinen aufgrund der kosmischen Expansion etwas größer, aber nicht in einer Weise, die auf eine Gesamtkrümmung der Raumzeit hindeutet. Basierend auf den Grenzen unserer Beobachtungen bedeutet die Flachheit des Universums, dass es mindestens 400-mal größer ist als das beobachtbare Universum.

Hinzu kommt die Tatsache, dass der kosmische Mikrowellenhintergrund ein nahezu perfekter schwarzer Körper ist. Die Temperatur schwankt geringfügig, sie ist jedoch gleichmäßiger, als sie sein sollte. Um dies zu erklären, haben Astronomen eine Periode massiver Expansion unmittelbar nach dem Urknall vorgeschlagen, die als frühe kosmische Inflation bekannt ist. Wir haben dafür keine direkten Beweise gefunden, aber das Modell löst viele kosmologische Probleme und ist daher weithin akzeptiert. Wenn das Modell korrekt ist, würde das Universum auf Platz 10 stehen26 Mal größer als das beobachtbare Universum.

Wie kann man angesichts all dieser theoretischen und beobachteten Beweise behaupten, dass das Universum klein ist? Es kommt zur Stringtheorie und gerät ins Stocken.

Obwohl die Stringtheorie oft als physikalische Theorie dargestellt wird, handelt es sich tatsächlich um eine Sammlung mathematischer Methoden. Es kann zur Entwicklung komplexer physikalischer Modelle verwendet werden, es kann aber auch reine Mathematik sein. Ein Problem bei der Verknüpfung der Mathematik der Stringtheorie mit physikalischen Modellen besteht darin, dass die Auswirkungen nur in den extremsten Situationen sichtbar werden und wir nicht über genügend Beobachtungsdaten verfügen, um unterschiedliche Modelle auszuschließen. Einige Modelle der Stringtheorie erscheinen jedoch vielversprechender als andere. Einige Modelle sind beispielsweise mit der Quantengravitation kompatibel, andere nicht. Theoretiker identifizieren oft einen „Sumpf“ aussichtsloser Theorien.

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Der Großteil der Stringtheorie liegt in den Sümpfen. Bildnachweis: APS/Alan Stonebraker

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Der Großteil der Stringtheorie liegt in den Sümpfen. Bildnachweis: APS/Alan Stonebraker

Wenn man die vielversprechenden theoretischen Länder vom Sumpf trennt, bleiben Theorien übrig, bei denen eine frühe kosmische Inflation keine Option ist. Die meisten Modelle der inflationären Stringtheorie existieren in Sümpfen. Dies führt zu der Frage, ob man ein kosmologisches Modell erstellen kann, das mit Beobachtungen ohne frühe Inflation übereinstimmt. Das bringt uns zu dieser neuen Studie.

Eine Möglichkeit, die frühe kosmische Inflation zu umgehen, besteht darin, sich höherdimensionale Strukturen anzusehen. Die klassische allgemeine Relativitätstheorie basiert auf vier physikalischen Dimensionen, drei räumlichen und einer zeitlichen Dimension, also 3+1. Mathematisch kann man sich ein 3+2- oder 4+1-Universum vorstellen, in dem die globale Struktur zu einer effizienten 3+1-Struktur kombiniert werden kann. Dies ist ein gängiger Ansatz in der Stringtheorie, da er nicht auf die Standardstruktur der Allgemeinen Relativitätstheorie beschränkt ist.

Die Autoren zeigen, dass man unter den richtigen Bedingungen innerhalb der Stringtheorie eine höherdimensionale Struktur erstellen kann, die mit der Beobachtung übereinstimmt und Sumpf vermeidet. Ihren Spielmodellen zufolge ist das Universum möglicherweise nur hundert- oder tausendmal größer als das beobachtbare Universum. Es ist immer noch groß, aber im Vergleich zu frühen Inflationsmodellen recht klein.

Das ist alles nur Spekulation, aber in gewisser Weise ist dies auch bei der frühen kosmischen Inflation der Fall. Wenn die frühe kosmische Inflation wahr ist, sollten wir in ziemlich naher Zukunft in der Lage sein, ihre Wirkung durch Gravitationswellen zu beobachten. Wenn dies fehlschlägt, könnte es sich lohnen, die Modelle der Stringtheorie genauer zu betrachten, die uns aus dem theoretischen Sumpf heraushalten.

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Mehr Informationen:
Jean-Luc Lenners et al., Das kleine Universum, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2309.03272

Informationen zum Magazin:
arXiv


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