Haust├╝r Astronomie: Das Sommerdreieck

Paul Sutter ist Gastwissenschaftler am Centre for Cosmology and Astroparticle Physics (CCAPP) der Ohio State University. Sutter ist auch Gastgeber der Podcasts Ask a Spaceman und Realspace und der YouTube-Serie Space In Your Face. Er hat diesen Artikel dazu beigetragen ProfoundSpace.org Experten-Stimmen: Op-Ed & Insights

Am Anfang gab es ein Fragezeichen. Alles andere folgte. Das Ende.

Wir haben alle von der Urknall-Theorie gehört (ich spreche über das kosmologische Modell, nicht über die TV-Show), aber es ist wichtig zu verstehen, was diese Theorie ist und was nicht. Lassen Sie mich diese Gelegenheit nutzen, um genau, reichlich, nachdrücklich, lächerlich, phantastisch klar zu sein: Die Urknalltheorie ist keine Theorie der Schaffung des Universums. Punkt. Erledigt. Nennen. Verbrennen Sie diesen Satz in Ihr Gehirn. Sagen Sie es, bevor Sie schlafen gehen, und als erstes, wenn Sie aufwachen.

Die Urknalltheorie ist ein Modell der Geschichte des Universums und verfolgt die Entwicklung des Kosmos bis zu seinen frühesten Momenten. Und das ist es. Versuchen Sie nicht, etwas anderes in diesen Rahmen einzubauen. Hör einfach auf. Du kannst deine behalten Meta sicher weg von meinem Physik, vielen Dank.

Ich betone das, weil von allen Seiten viel Verwirrung herrscht und es am besten ist, es einfach zu halten. Die Urknall-Theorie ist ein wissenschaftliches Modell, genau wie jedes andere wissenschaftliche Modell. Wir glauben, dass die Theorie auf dem richtigen Weg ist, denn sie ist - keuchend - durch umfangreiche Beweise gestützt.

Sie müssen mein Wort dafür nicht nehmen. Seit die Idee erfunden wurde, hat die Urknall-Theorie jahrzehntelange Wissenschaftler überstanden, die kämpfen, kratzen, hinterhältig, kritisierend, untergrabend, streitend, streitend und sogar nennend - alles in dem Versuch, ihre Rivalen zu vernichten und ihre Tieralternativen zu beweisen waren überlegen. Warum? Denn wer ein großes wissenschaftliches Paradigma abbaut, bekommt eine kostenlose Reise nach Stockholm.

Und am Ende von allem gibt es Beweise. Du weißt, das wirkliche Universum, das wir zu verstehen versuchen. Jede neue Beobachtung ist der wissenschaftliche Thunderdome; zwei Theorien können eintreten, aber nur eine kann gehen. Und was blieb nach jahrzehntelangem Beweis übrig? Hier ist ein Hinweis: Es ist groß.

Die Beweise beginnen mit Edwin Hubbles Anmerkung, dass jede Galaxie im Durchschnitt von jeder anderen Galaxie weg fliegt. Das Universum dehnt sich aus. Das ist eine ziemlich große Sache. Seit Jahrtausenden ist die Standardannahme (kannst du irgendjemanden beschuldigen?), Dass, während sich die Dinge hier auf der Erde ändern, oben in den fernen Himmeln, Zeug einfach ... ist. Ja, Sterne können explodieren oder Galaxien kollidieren, aber im Großen und Ganzen sieht das Universum der letzten Woche dem heutigen Universum ziemlich ähnlich. Noch einmal in einem Monat prüfen? Yup, das gleiche Universum. Zumindest dachten die Leute.

Aber es ist nicht. Das Universum ist heute anders als gestern, und morgen wird es anders sein. Und das nicht nur auf lokaler Ebene. Der ganze Shindig verändert seinen Charakter von einem Tag auf den anderen. [Evolution des Universums durch Computersimulation (Galerie)]

Und wenn Sie bemerken, dass das Universum jeden Tag größer wird, können Sie einen gewaltigen Logiksprung machen, um zu dem Schluss zu kommen, dass das Universum vor langer Zeit ... kleiner war? Könnte sein? Ich vermute? Wie jeder gute Wissenschaftler, sobald du dieses lächerliche, absurde Konzept aufstellst, beginnst du darüber nachzudenken, was die Konsequenzen sein würden und wie du es testen könntest - ich weiß, radikale Vorstellungen.

Hier ist der Kern: Die Geschichte der vergangenen 14-jährigen Milliarden Jahre ist eine Geschichte der Dichte. Das Universum besteht aus vielen Arten von Material: Wasserstoff, Helium, Erdferkel, Dunkle Materie, Knorpel, Photonen, Riesenräder, Neutrinos, usw. All dieses Zeug verhält sich in verschiedenen Dichten unterschiedlich, also wenn das Universum kleiner war, eine Art von Ding könnte über einen anderen dominieren, und die physischen Verhaltensweisen dieses Dinges würden alles antreiben, was im Universum vor sich ging.

Zum Beispiel ist das Universum heutzutage meist dunkle Energie (was auch immer das ist), und sein Verhalten beherrscht das Universum - in diesem Fall eine Periode beschleunigter Expansion. Aber vor einigen Milliarden Jahren war das Universum kleiner und die ganze Materie wurde enger zusammengepfercht. Und aufgrund seiner Dichte war diese Materie der Herrscher des Quartiers, überwältigende dunkle Energie, die eher ein Hintergrund-Weichei war als das Kraftpaket, das es jetzt ist.

(Randbemerkung: Die dunkle Energieübernahme geschah ungefähr zur gleichen Zeit, als unser Sonnensystem seine Sachen zusammen bekam, und zu dieser Zeit war das Universum ungefähr halb so groß wie heute.)

Die Geburt des Dunklen Energiezeitalters mag nicht so dramatisch erscheinen, aber je weiter du zurück in der Zeit gehst - und je kleiner du das Universum machst - desto seltsamer wird es. Zurück zu mehr als 13 Milliarden Jahren, als das Universum nur ein Tausendstel seiner gegenwärtigen Ausdehnung war, und die Materie, die eines Tages ganze Galaxien ausmachen würde, ist so eng zusammengepfercht, dass Atome sich nicht einmal bilden können. Es ist so dicht, dass jedes Mal, wenn ein Nukleus ein Elektron einschnürt, ein unvorsichtiges hochenergetisches Photon in das Elektron eindringt und das Elektron wegreißt. Dies ist ein Plasma und auf einmal lebte das gesamte Universum auf diese Weise.

Schnell auf den heutigen Tag und das übrig gebliebene Licht aus der Ära, als das Universum sich abkühlte und expandierte gerade genug die ersten Atome sich bilden zu lassen, überspült uns jetzt weiter. Aber das Universum ist älter und kälter, und diese hochenergetischen Gammastrahlen sind jetzt lustlose Mikrowellen, die einen Hintergrund bilden, der den Kosmos durchdringt - ein kosmischer Mikrowellenhintergrund, oder CMB, wenn Sie so wollen.

Das CMB ist nicht nur eines der wichtigsten Beweise für den Urknall (es ist ein Babybild des Universums ... was könnte man sonst noch verlangen?), Es ist auch ein Fenster zu noch früheren Zeiten. Wir sind vielleicht nicht in der Lage, das Universum vor der Bildung des CMB wahrzunehmen, aber die Physik dort hinterlässt einen Abdruck in diesem Strahlungsfeld. Es ist, naja, irgendwie wichtig.

Je weiter wir uns in der Zeit zurückdrängen, desto seltsamer wird das Universum - ja, noch seltsamer als ein Plasma. Zurückschieben, und stabile Kerne können sich nicht bilden. Gehen Sie noch weiter zurück, und Protonen und Neutronen können dem Druck nicht widerstehen und degenerieren in ihre Komponenten: Quarks und Gluonen. Zurückschieben noch weiter und, nun, es wird kompliziert.

Die Urknalltheorie kann so zusammengefasst werden: Zu einer Zeit wurde das gesamte Universum - alles, was du kennst und liebst, alles auf der Erde und am Himmel - in einen Billionen-Kelvin-Ball von der Größe eines Pfirsichs zerquetscht. Oder Apfel. Oder kleine Grapefruit. Wirklich, die Frucht ist hier egal, OK?

Diese Aussage klingt absolut lächerlich, und wenn Sie es vor ein paar hundert Jahren gesagt haben ... Nun, ich hoffe, Sie mögen Barbecues, weil Sie auf dem Scheiterhaufen verbrannt werden. Aber so verrückt dieses Konzept klingt, wir können diese Epoche mit unserem Wissen über die Hochenergiephysik wirklich verstehen. Wir können die Physik des Universums in diesem frühen Stadium modellieren und die neuzeitlichen Beobachtungsfolgen herausfinden. Wir können Vorhersagen treffen. Wir können Wissenschaft machen.

In der "Pfirsich-Epoche" war das Universum nur einen Bruchteil einer Sekunde alt. Tatsächlich war es noch winziger als ein winziger Bruchteil - ungefähr 10 bis 36 Sekunden alt oder ähnlich. Von da an haben wir ein ungefähres Bild davon, wie das Universum funktioniert. Einige Fragen sind natürlich noch offen, aber im Allgemeinen haben wir zumindest ein vages Verständnis.

Je weiter im Alter das Universum kommt, desto klarer wird unser Bild, aber es ist fast beängstigend zu bedenken, dass unsere armen Affengehirne sogar solche frühen Epochen im Universum betrachten.

In noch früheren Zeiten wird unser Verständnis des Universums ... verschwommen. Die Kräfte, Energien, Dichten und Temperaturen werden zu hoch, und das Wissen über die Physik, das wir im Laufe der Jahrhunderte zusammengetragen haben, ist der Aufgabe nicht gewachsen. Im extrem frühen Universum beginnt die Gravitation sehr klein zu werden, und dies ist der Bereich der Quantengravitation, das noch zu lösende große Rätsel der modernen Physik. Wir haben einfach kein Verständnis für starke Gravitation bei kleinen Skalen.

Wir. Gerade. Nicht.

Vor mehr als 10 ^ -36 Sekunden verstehen wir einfach nicht die Natur des Universums. Die Urknalltheorie ist fantastisch darin, alles zu beschreiben nach das, aber davor sind wir ein bisschen verloren. Bekommen Sie das: Bei kleinen Skalen wissen wir nicht einmal, ob das Wort "vorher" überhaupt Sinn macht! In unglaublich kleinen Maßstäben (und ich rede kleiner als das kleinste Ding, das du dir vorstellen kannst), erhebt sich die quantenhafte Natur der Realität mit harter Kraft und macht unsere ordentliche, ordentliche, freundliche Raumzeit zu einem kaputten Klettergerüst aus Schleifen und Wirrwarr und rostige Spikes. Begriffe von Intervallen in Zeit oder Raum treffen auf diesen Skalen nicht wirklich zu. Wer weiß was vor sich geht?

Es gibt natürlich einige Ideen da draußen - Modelle, die versuchen zu beschreiben, was den Urknall "angezündet" oder "gesät" hat, aber in diesem Stadium sind sie reine Spekulation. Wenn diese Ideen Beobachtungshinweise liefern können - zum Beispiel einen speziellen Abdruck auf dem CMB, dann hurra - können wir Wissenschaft machen!

Wenn nicht, sind sie nur Gutenachtgeschichten.

Erfahren Sie mehr durch Hören der Folge "Was hat den Urknall getroffen?"Auf dem Ask A Spaceman Podcast, erhältlich bei iTunes und im Web unter //www.askaspaceman.com. Danke an Rafael Ribeiro für die Frage, die zu diesem Stück geführt hat! Stellen Sie Ihre eigene Frage auf Twitter mit #AskASpaceman oder indem Sie Paul @PaulMattSutter und facebook.com/PaulMattSutter folgen.