Wir denken nicht so oft darüber nach, und doch hatte das Universum einen Anfang? Nach der führenden kosmologischen Theorie wurde unser Universum im Urknall vor etwa 14 Milliarden Jahren geboren und dehnt sich seither immer schneller aus. Aber nicht alle Forscher glauben, dass dies in Wirklichkeit der Fall war. Der Physiker Bruno Bento, Professor an der University of Liverpool in Großbritannien, glaubt, dass es keinen Anfang des Universums gab. Vielleicht hat das, was wir das Universum nennen, schon immer existiert – und eine neue Theorie der Quantengravitation scheint in der Lage zu sein, den Grund dafür zu erklären. Im Zuge der Arbeit verwendeten Bento und seine Kollegen eine neue Theorie namens Kausalmengentheorie, nach der Raum und Zeit in diskrete Fragmente zerlegt werden. Auf einer bestimmten Ebene gibt es, wie die Forscher feststellen, eine grundlegende Einheit der Raumzeit. Mit einem neuen, auf Kausalität basierenden Ansatz haben Physiker entdeckt, dass das Universum möglicherweise keinen Anfang hatte: Es hat schon immer existiert, in der unendlichen Vergangenheit, und erst vor kurzem wurde es zu dem, was wir den Urknall nennen.
Die Quantengravitation ist vielleicht das nervigste Problem der modernen Physik. Wir haben zwei äußerst effektive Theorien des Universums: Quantenphysik und Allgemeine Relativitätstheorie.
Inhalt
- 1 Die Hauptkraft der Natur
- 2 Theorie der Quantengravitation
- 3 Theorie der Kausalmengen
- 4 Urknall oder nichts?
Die Hauptkraft der Natur
Die Schwerkraft ist bekanntlich der Chef des Kosmos, der Meister des Universums, wenn man so will. Es ist diese Kraft, die es Sternen und Planeten ermöglicht, sich im Orbit zu drehen, und Schwarze Löcher absorbieren alle Objekte, die sich in der Nähe befinden. Dank der Schwerkraft fiel der Apfel auf den Kopf von Isaac Newton, und Sie und ich werden nicht in den Himmel fliegen, sobald wir vom Boden abheben.
Als fundamentale Kraft des Universums erklärt die Schwerkraft – nach unserem menschlichen Verständnis – die Bewegung von Himmelskörpern und ist auch die dominierende Kraft auf der Erde. Wenn Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (GTR) jedoch die mit bloßem Auge sichtbare Welt hervorragend beschreibt, beschreibt sie leider nicht vollständig die Gesetze, nach denen die mysteriöse und unsichtbare Welt der Atome und Teilchen existiert. Diese wunderbare Welt wird durch die Quantenmechanik beschrieben.
Die Quantenmechanik beschreibt, wie Elementarteilchen miteinander interagieren.
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< p>Aber da wir die Wechselwirkung von Elementarteilchen nicht sehen, erscheint es uns seltsam, dass sich die Quantenwelt so von bekannten Objekten unterscheidet (obwohl diese Objekte vollständig aus genau diesen Teilchen bestehen).< p> Wenn wir also über die Erde hinaus auf das viel breitere Universum blicken und anfangen, große Phänomene zu betrachten, wird es nicht funktionieren, die Quantenphysik beiseite zu lassen.
Obwohl die Schwerkraft im kosmischen Maßstab am bedeutendsten ist, spielen auch drei weitere fundamentale Naturkräfte eine wichtige Rolle – seien es Sonneneruptionen oder Kernreaktionen im Inneren von Sternen. Quanteneffekte treten auch in einer Reihe von Konzepten wie dem Urknall oder Schwarzen Löchern auf. Tatsächlich ist es unmöglich, etwas zu finden, an dem Quantenkräfte nicht beteiligt sind.
Die Quantenphysik hat der Welt eine erfolgreiche Beschreibung von drei der vier Grundkräfte der Natur (Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung) bis in mikroskopische Skalen … Und die Allgemeine Relativitätstheorie ist die mächtigste und vollständigste Beschreibung der Schwerkraft, die jemals entwickelt wurde.
Unsere Welt ist viel größer und komplexer, als wir uns vorstellen können. Aber wir haben die Chance, die grundlegenden Geheimnisse des Universums zu lüften.
Aber zurück zur Schwerkraft. Sie passt, wie oben gesagt, nicht in die Quantenwelt. Und selbst bei Einstein sind die Feldgleichungen für die Gravitation nicht quantisiert. Obwohl die meisten Physiker davon überzeugt sind, dass es eine Möglichkeit geben muss, die Gravitation mit den drei fundamentalen Kräften zu kombinieren, die von Natur aus Quanten sind, scheint es immer noch schwer zu verstehen.
Albert Einstein verbrachte die meisten der letzten 30 Jahre seines Lebens damit, nach einem Weg zu suchen, die Schwerkraft anderen Kräften näher zu bringen, aber er scheiterte.
Somit Quantengravitation ist ein allgemeiner Begriff für Theorien, die versuchen, die Gravitation mit anderen fundamentalen Kräften der Physik (die bereits miteinander kombiniert sind) zu kombinieren. Es geht normalerweise von der Existenz eines theoretischen virtuellen Teilchens aus – dem Graviton, das die Gravitationskraft vermittelt.
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< p>Interessanterweise ist es das Vorhandensein des Gravitons, das die Quantengravitation von einigen anderen einheitlichen Feldtheorien unterscheidet. Und dennoch müssen wir beachten, dass eine Reihe bestehender Theorien kein Graviton benötigen.
Die Theorie der Quantengravitation
Das Standardmodell der Teilchenphysik (entwickelt zwischen 1970 und 1973) postuliert also, dass die anderen drei fundamentalen Naturkräfte durch virtuelle Bosonen vermittelt werden. Photonen vermitteln elektromagnetische Kraft; Bosonen vermitteln schwache Kernkräfte und Gluonen (wie Quarks) vermitteln starke Kernkräfte. Folglich vermittelt das Graviton die Gravitationskraft. Wenn dieses Quantenteilchen natürlich entdeckt wird.
Es wird erwartet, dass das Graviton keine Masse hat (da es augenblicklich auf große Entfernungen wirkt), jedoch das Hauptproblem beim experimentellen Testen jeder Quantentheorie Gravitation ist, dass die Energieniveaus, die zum Beobachten von Hypothesen erforderlich sind, unerreichbar sind in modernen Laborexperimenten.
Das Gefüge der Raumzeit wird durch die Masse der Sonne gekrümmt
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Die Annahmen der Quantengravitation sind tendenziell, dass die Theorie sowohl einfach als auch elegant ist. An mindestens zwei bestimmten Stellen im Universum, an denen die Mathematik der Allgemeinen Relativitätstheorie einfach zusammenbricht und es unmöglich ist, zuverlässige Ergebnisse zu erhalten: in den Zentren von Schwarzen Löchern und am Anfang des Universums.
Diese Bereiche werden & # 171;Singularitäten & # 187; – Punkte in der Raumzeit, an denen die uns vertrauten Gesetze der Physik zusammenbrechen. Tatsächlich ist die Singularität eine mathematische Warnung, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie über sich selbst stolpert. In diesen beiden Singularitäten wird die Schwerkraft auf sehr kleinem Maßstab unglaublich stark.
Aber wie löst man das Geheimnis der Singularität? Zunächst brauchen Physiker eine Theorie der Quantengravitation. Tatsächlich gibt es viele Anwärter auf seine Rolle, darunter die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation, die wir hier genauer besprochen haben. Aber es gibt noch einen anderen Ansatz, der unser Verständnis von Raum und Zeit komplett neu schreibt .
Kausale Mengenlehre
In allen modernen Theorien sind Raum und Zeit kontinuierlich. Sie bilden den glatten Stoff, der aller Realität zugrunde liegt. In einer solchen kontinuierlichen Raumzeit können zwei Punkte räumlich so nah wie möglich beieinander liegen und zwei Ereignisse können zeitlich so nah wie möglich beieinander auftreten.
Aber ein anderer Ansatz, genannt kausal Mengenlehre, überdenkt die Raumzeit als eine Reihe von diskreten Fragmenten oder 'Atomen'. Freizeit. Diese Theorie würde der räumlichen und zeitlichen Nähe von Ereignissen strikte Grenzen setzen, da sie nicht näher als die Größe eines Atoms sein können.
Die neue Theorie könnte die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik kombinieren.
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Wenn Sie beispielsweise beim Lesen dieses Artikels auf den Bildschirm schauen, erscheint alles glatt und kontinuierlich. Wenn Sie diesen Bildschirm jedoch durch eine Lupe betrachten, sehen Sie die Pixel, die den Raum trennen, und Sie werden feststellen, dass es unmöglich ist, die beiden Bilder auf dem Bildschirm näher als ein Pixel zu bringen. Der Physiker Bruno Bento von der University of Liverpool war von dieser Theorie begeistert.
Ich war begeistert, diese Theorie zu finden, die nicht nur versucht, so grundlegend wie möglich zu sein – ein Ansatz zur Quantengravitation zu sein und tatsächlich das Konzept der Raumzeit neu zu überdenken, sondern auch der Zeit und ihrem Fluss eine zentrale Rolle zuweist, der Physiker erzählte Live Science in einem Interview.
& # 171; Ein großer Teil der Philosophie der Kausalität ist, dass der Lauf der Zeit etwas Physisches ist dass es nicht einer aufkommenden Illusion zugeschrieben werden sollte oder etwas, das in unserem Gehirn passiert, das uns denken lässt, dass die Zeit vergeht; diese Passage an sich ist eine Manifestation der physikalischen Theorie & # 187;, – schreiben die Autoren der wissenschaftlichen Arbeit.
Die Theorie der Kausalmengen hat wichtige Konsequenzen für die Natur der Zeit.
In der Theorie der Kausalmengen wächst die Menge also um ein & # 171;-Atom & # 187; auf einmal und werde immer größer & # 187 ;. Der kausale Ansatz beseitigt das Singularitätsproblem des Urknalls sauber, denn in der Singularitätstheorie kann es nicht geben … Materie kann nicht auf unendlich kleine Punkte schrumpfen – sie können in der Raumzeit nicht weniger als die Größe eines Atoms werden.
Der Mikrokosmos unterliegt nicht dem menschlichen Auge. Glücklicherweise haben wir die Werkzeuge, um Atome und Elektronen zu sehen.
Aber wie sieht dann der Anfang unseres Universums aus? Laut Lenta und seinem Kollegen Stav Zalel, einem Doktoranden am Imperial College London, kann die kausale Mengenlehre viel darüber aussagen. Ihre Arbeit muss noch von Experten begutachtet und auf dem arXiv-Preprint-Server veröffentlicht werden.
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Darin beschäftigten sich Physiker mit der Frage, ob es in einem kausalen Ansatz einen Anfang des Universums geben sollte. In seiner ursprünglichen Formulierung wächst eine Kausalmenge aus dem Nichts in das Universum hinein, das wir heute sehen. In der neuen Arbeit gab es keinen Urknall als Beginn des Universums, da der Kausalzusammenhang in der Vergangenheit unendlich gewesen wäre. Das bedeutet, dass es in der Vergangenheit immer etwas anderes gegeben hat.
Neue Arbeit impliziert, dass das Universum möglicherweise keinen Anfang hatte – es hat einfach immer existiert. Was wir als Urknall wahrnehmen, war vielleicht nur ein besonderer Moment in der Entwicklung dieses allgegenwärtigen Kausalzusammenhangs und nicht der wahre Anfang.
Urknall oder nichts?
Stimmen Sie zu, eine sehr spannende Studie. Denn seit mehr als hundert Jahren ist es den Physikern nicht gelungen, die Quantenwelt und die Welt, die wir vor uns sehen, zu vereinen. Aber selbst wenn die Arbeit ein Peer Review besteht und in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht wird, haben die Wissenschaftler noch viel Arbeit vor sich.
Schließlich wissen wir immer noch nicht, ob dieser unvernünftige Ursache-Wirkungs-Ansatz es ermöglichen kann die Verwendung physikalischer Theorien zur Beschreibung der komplexen Entwicklung des Universums während des Urknalls.
Vielleicht werden wir eines Tages die größten Geheimnisse des Universums lüften
Die Frage ist also, ob der neue Ansatz als “vernünftig” interpretiert werden kann ; Weg bleibt offen. Die Forscher konnten jedoch zeigen, dass eine solche Struktur tatsächlich möglich ist. Zumindest mathematisch. In naher Zukunft können wir also wirklich herausfinden, ob das Universum einen Anfang hatte oder schon immer existiert hat. Warten wir ab.