Großer Sprung - Big Bounce

Der Big Bounce ist ein hypothetisches kosmologisches Modell für den Ursprung des bekannten Universums . Es wurde ursprünglich als eine Phase des zyklischen Modells oder der Interpretation des oszillierenden Universums des Urknalls vorgeschlagen , bei der das erste kosmologische Ereignis das Ergebnis des Zusammenbruchs eines früheren Universums war. In den frühen 1980er Jahren wurde sie nicht mehr ernsthaft in Betracht gezogen, nachdem die Inflationstheorie als Lösung des Horizontproblems auftauchte , das aus Fortschritten bei den Beobachtungen hervorgegangen war, die die großräumige Struktur des Universums enthüllten . In den frühen 2000er Jahren wurde die Inflation von einigen Theoretikern als problematisch und nicht falsifizierbar befunden , da ihre verschiedenen Parameter an beliebige Beobachtungen angepasst werden konnten, sodass die Eigenschaften des beobachtbaren Universums zufällig sind. Alternative Bilder einschließlich eines Big Bounce können eine prädiktive und falsifizierbare mögliche Lösung für das Horizontproblem darstellen und werden seit 2017 aktiv untersucht.

Expansion und Kontraktion

Das Konzept des Big Bounce sieht den Urknall als den Beginn einer Phase der Expansion vor , die einer Phase der Kontraktion folgt. Aus dieser Sicht könnte man von einem Big Crunch gefolgt von einem Big Bang oder einfacher von einem Big Bounce sprechen . Dies deutet darauf hin, dass wir an jedem Punkt in einer unendlichen Folge von Universen leben könnten, oder umgekehrt könnte das aktuelle Universum die allererste Iteration sein. Nimmt man jedoch die Bedingung der Intervallphase „zwischen Aufprallen“, die als „Hypothese des Uratoms“ betrachtet wird, in die volle Kontingenz, kann eine solche Aufzählung bedeutungslos sein, da diese Bedingung in jedem Fall eine zeitliche Singularität darstellen könnte , wenn eine solche ewige Die Rendite war absolut und undifferenziert.

Die Hauptidee hinter der Quantentheorie eines Big Bounce ist, dass sich das Verhalten des Quantenschaums ändert , wenn sich die Dichte dem Unendlichen nähert . Alle sogenannten fundamentalen physikalischen Konstanten , einschließlich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, müssen während eines Big Crunch nicht konstant bleiben , insbesondere in dem Zeitintervall, das kleiner ist als das, in dem eine Messung möglicherweise nie möglich ist (eine Einheit der Planck-Zeit , ungefähr 10 −43 Sekunden) den Wendepunkt überspannen oder einklammern.

Geschichte

Große Bounce-Modelle wurden aus weitgehend ästhetischen Gründen von Kosmologen wie Willem de Sitter , Carl Friedrich von Weizsäcker , George McVittie und George Gamow befürwortet (der betonte, dass "aus physikalischer Sicht wir die Zeit vor dem Kollaps vollständig vergessen müssen").

In den frühen 1980er Jahren hatte die fortschreitende Präzision und der Umfang der beobachtenden Kosmologie gezeigt, dass die großräumige Struktur des Universums flach , homogen und isotrop ist , ein Ergebnis, das später als kosmologisches Prinzip akzeptiert wurde , um auf Skalen jenseits von etwa 300 Millionen Lichtjahren angewendet zu werden . Es wurde erkannt, dass es notwendig war, eine Erklärung dafür zu finden, wie weit entfernte Regionen des Universums im Wesentlichen identische Eigenschaften haben können, ohne jemals in lichtähnlicher Kommunikation gewesen zu sein. Als Lösung wurde eine Periode exponentieller Raumausdehnung im frühen Universum als Grundlage für die so genannte Inflationstheorie vorgeschlagen . Nach der kurzen Inflationsphase expandiert das Universum weiter, jedoch mit weniger rascher Geschwindigkeit.

Verschiedene Formulierungen der Inflationstheorie und ihre detaillierten Implikationen wurden Gegenstand intensiver theoretischer Studien. In Ermangelung einer zwingenden Alternative wurde die Inflation zur führenden Lösung des Horizontproblems. In den frühen 2000er Jahren wurde die Inflation von einigen Theoretikern als problematisch und nicht falsifizierbar befunden, da ihre verschiedenen Parameter an beliebige Beobachtungen angepasst werden konnten, eine Situation, die als Feinabstimmungsproblem bekannt ist. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass Inflation unweigerlich ewig ist und eine Unendlichkeit verschiedener Universen mit typischerweise unterschiedlichen Eigenschaften erzeugt, so dass die Eigenschaften des beobachtbaren Universums eine Frage des Zufalls sind. Ein alternatives Konzept mit Big Bounce wurde als prädiktive und falsifizierbare Lösungsmöglichkeit für das Horizontproblem konzipiert und wird seit 2017 aktiv untersucht.

Der Begriff "Big Bounce" tauchte 1987 in der wissenschaftlichen Literatur auf, als er erstmals im Titel eines Artikelpaares in Stern und Weltraum von Wolfgang Priester und Hans-Joachim Blome verwendet wurde. Es tauchte 1988 in Iosif Rozentals Big Bang, Big Bounce , einer überarbeiteten englischsprachigen Übersetzung eines russischsprachigen Buches (mit einem anderen Titel) und in einem 1991 erschienenen Artikel (in englischer Sprache) von Priester und Blome in Astronomy and Astrophysics wieder auf . (Der Satz entstand anscheinend als Titel eines Romans von Elmore Leonard im Jahr 1969, kurz nachdem das Urknallmodell mit der Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds durch Penzias und Wilson im Jahr 1965 in der Öffentlichkeit bekannter wurde .)

Die Idee der Existenz eines großen Sprungs im sehr frühen Universum hat eine vielfältige Unterstützung in Arbeiten gefunden, die auf der Schleifen-Quantengravitation basieren . In der Schleifenquantenkosmologie , einem Zweig der Schleifenquantengravitation, wurde Big Bounce erstmals im Februar 2006 für isotrope und homogene Modelle von Abhay Ashtekar , Tomasz Pawlowski und Parampreet Singh an der Pennsylvania State University entdeckt . Dieses Ergebnis wurde von verschiedenen Gruppen auf verschiedene andere Modelle verallgemeinert und umfasst den Fall von räumlicher Krümmung, kosmologischer Konstante, Anisotropien und Fock-quantisierten Inhomogenitäten.

Martin Bojowald , Assistenzprofessor für Physik an der Pennsylvania State University , veröffentlichte im Juli 2007 eine Studie, in der Arbeiten detaillierter beschrieben wurden, die etwas mit der Schleifen-Quantengravitation zu tun haben und die behauptete, die Zeit vor dem Urknall mathematisch zu lösen, was dem oszillierenden Universum und dem Urknall ein neues Gewicht verleihen würde Bounce-Theorien.

Eines der Hauptprobleme der Urknalltheorie besteht darin, dass es im Moment des Urknalls eine Singularität von null Volumen und unendlicher Energie gibt. Dies wird normalerweise als das Ende der Physik, wie wir sie kennen, interpretiert; in diesem Fall der allgemeinen Relativitätstheorie . Deshalb erwartet man, dass Quanteneffekte wichtig werden und die Singularität vermeiden.

Die Forschung in der Schleifen-Quantenkosmologie behauptete jedoch, zu zeigen, dass ein zuvor existierendes Universum nicht bis zur Singularität kollabierte, sondern bis zu einem Punkt davor, an dem die Quanteneffekte der Gravitation so stark abstoßend werden, dass das Universum zurückprallt und ein neues bildet Zweig. Während dieses Zusammenbruchs und Aufpralls ist die Entwicklung einheitlich.

Bojowald behauptet auch, dass einige Eigenschaften des Universums, das zu unserem kollabierte, ebenfalls bestimmt werden können. Einige Eigenschaften des vorherigen Universums sind jedoch aufgrund einer Art von Unsicherheitsprinzip nicht bestimmbar. Dieses Ergebnis wurde von verschiedenen Gruppen bestritten, die zeigen, dass aufgrund von Schwankungen der Schwankungen aufgrund des Unsicherheitsprinzips die Änderung der relativen Schwankungen über den Sprung stark eingeschränkt ist.

Während die Existenz von Big Bounce noch durch die Schleifen-Quantengravitation nachgewiesen werden muss , wurde die Robustheit ihrer Hauptmerkmale durch genaue Ergebnisse und mehrere Studien bestätigt, die numerische Simulationen mit Hochleistungsrechnen in der Schleifen-Quanten-Kosmologie beinhalten .

2003 hat Peter Lynds ein neues kosmologisches Modell vorgelegt, in dem die Zeit zyklisch ist. Nach seiner Theorie wird unser Universum irgendwann aufhören, sich auszudehnen und sich dann zusammenzuziehen. Bevor das Universum zu einer Singularität wurde, wie man es von Hawkings Schwarzer-Loch-Theorie erwarten würde, würde das Universum abprallen. Lynds behauptet, dass eine Singularität den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verletzen würde und dies verhindert, dass das Universum von Singularitäten begrenzt wird. Der Big Crunch würde mit einem neuen Big Bang vermieden werden. Lynds schlägt vor, dass sich die genaue Geschichte des Universums in jedem Zyklus in einer ewigen Wiederholung wiederholen würde . Einige Kritiker argumentieren, dass das Universum zwar zyklisch sein mag, die Geschichten jedoch alle Varianten wären. Lynds' Theorie wurde von Mainstream-Physikern wegen des Fehlens eines mathematischen Modells hinter ihren philosophischen Überlegungen abgelehnt.

Im Jahr 2006 wurde vorgeschlagen, dass die Anwendung von Schleifen-Quantengravitationstechniken auf die Urknall-Kosmologie zu einem Sprung führen kann, der nicht zyklisch sein muss.

2010 entwickelte Roger Penrose eine allgemeine Relativitätstheorie, die er die „ konforme zyklische Kosmologie “ nennt . Die Theorie erklärt, dass sich das Universum ausdehnt, bis alle Materie zerfällt und schließlich zu Licht wird damit verbundene Entfernungsskala wird mit dem Urknall identisch, was wiederum zu einer Art Big Crunch führt, der zum nächsten Urknall wird und so den nächsten Zyklus fortsetzt.

Im Jahr 2011 zeigte Nikodem Popławski , dass ein nicht singulärer Big Bounce in der Einstein-Cartan- Sciama-Kibble-Theorie der Schwerkraft natürlich auftritt . Diese Theorie erweitert die allgemeine Relativitätstheorie, indem sie eine Beschränkung der Symmetrie der affinen Verbindung aufhebt und ihren antisymmetrischen Teil, den Torsionstensor , als dynamische Variable betrachtet. Die minimale Kopplung zwischen Torsions- und Dirac-Spinoren erzeugt eine Spin-Spin-Wechselwirkung, die in fermionischer Materie bei extrem hohen Dichten signifikant ist. Eine solche Wechselwirkung verhindert die unphysikalische Urknall-Singularität und ersetzt sie durch einen spitzenartigen Sprung bei einem endlichen minimalen Skalenfaktor, vor dem sich das Universum zusammenzog. Dieses Szenario erklärt auch, warum das gegenwärtige Universum auf den größten Skalen räumlich flach, homogen und isotrop erscheint und eine physikalische Alternative zur kosmischen Inflation darstellt.

Im Jahr 2012 wurde eine neue Theorie des nicht singulären Big Bounce erfolgreich im Rahmen der Einstein-Standardgravitation konstruiert. Diese Theorie kombiniert die Vorteile des Materiesprungs und der ekpyrotischen Kosmologie . Insbesondere die berühmte BKL-Instabilität, dass die homogene und isotrope kosmologische Hintergrundlösung instabil gegenüber dem Wachstum anisotroper Spannungen ist, wird in dieser Theorie gelöst. Darüber hinaus können Krümmungsstörungen, die in der Materiekontraktion eingesät werden, ein nahezu skaleninvariantes ursprüngliches Leistungsspektrum bilden und bieten somit einen konsistenten Mechanismus zur Erklärung der kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB)-Beobachtungen.

Einige Quellen argumentieren, dass entfernte supermassereiche Schwarze Löcher, deren Größe so kurz nach dem Urknall schwer zu erklären ist, wie ULAS J1342+0928 , ein Beweis für einen Big Bounce sein könnten, wobei diese supermassiven Schwarzen Löcher vor dem Big Bounce gebildet wurden.

Siehe auch

Verweise

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Externe Links