Was geschah vor dem Urknall? Die konventionelle Antwort auf diese Frage lautet normalerweise: „Es gibt kein ‚vor dem Urknall‘.“ Damit begann alles. Aber die richtige Antwort, sagt der Physiker Sean Carroll, ist: „Wir wissen es einfach nicht.“ Carroll sowie viele andere Physiker und Kosmologen haben begonnen, die Möglichkeit der Zeit vor dem Urknall sowie alternative Theorien über die Entstehung unseres Universums in Betracht zu ziehen. Carroll diskutierte diese Art von „spekulativer Forschung“ während eines Vortrags beim Treffen der American Astronomical Society letzte Woche in St. Louis, Missouri.
„Dies ist eine interessante Zeit, um ein Kosmologe zu sein“, sagte Carroll. „Wir sind beide gesegnet und verflucht. Es ist ein goldenes Zeitalter, aber das Problem ist, dass das Modell, das wir vom Universum haben, keinen Sinn ergibt.“
Erstens gibt es ein Inventarproblem, bei dem 95 % des Universums nicht berücksichtigt sind. Kosmologen haben dieses Problem anscheinend gelöst, indem sie dunkle Materie und dunkle Energie zusammengebraut haben. Aber weil wir Materie „erschaffen“ haben, um sie an die Daten anzupassen, heißt das nicht, dass wir die Natur des Universums verstehen.
Eine weitere große Überraschung über unser Universum sind aktuelle Daten der WMAP-Raumsonde (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), die den kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), das „Echo“ des Urknalls, untersucht.
„Der WMAP-Schnappschuss, wie das frühe Universum aussah, zeigt, dass es über einen weiten Raumbereich heiß, dicht und glatt [niedrige Entropie] ist“, sagte Carroll. „Wir verstehen nicht, warum das so ist. Das ist eine noch größere Überraschung als das Inventarproblem. Unser Universum sieht einfach nicht natürlich aus.“ Carroll sagte, Zustände mit niedriger Entropie seien selten, und von allen möglichen Anfangsbedingungen, die sich zu einem Universum wie unserem hätten entwickeln können, habe die überwältigende Mehrheit eine viel höhere, nicht eine niedrigere Entropie.
Aber das überraschendste Phänomen im Universum, sagte Carroll, ist, dass sich die Dinge ändern. Und all dies geschieht in einer konsistenten Richtung von der Vergangenheit zur Zukunft im gesamten Universum.
'Es wird der Pfeil der Zeit genannt', sagte Carroll. Dieser Zeitpfeil stammt aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der auf Entropie beruht. Das Gesetz besagt, dass geschlossene Systeme im Laufe der Zeit von der Ordnung in die Unordnung übergehen. Dieses Gesetz ist grundlegend für Physik und Astronomie.
Eine der großen Fragen zu den Anfangsbedingungen des Universums ist, warum die Entropie so niedrig begann? 'Und die niedrige Entropie in der Nähe des Urknalls ist für alles verantwortlich, was den Zeitpfeil betrifft', sagte Carroll. „Leben und Tod, Erinnerung, der Fluss der Zeit.“ Ereignisse passieren der Reihe nach und können nicht rückgängig gemacht werden.
„Jedes Mal, wenn Sie ein Ei zerbrechen oder ein Glas Wasser verschütten, betreiben Sie Beobachtungskosmologie“, sagte Carroll.
Um unsere Fragen zum Universum und zum Zeitpfeil zu beantworten, müssen wir daher möglicherweise berücksichtigen, was vor dem Urknall geschah.
Carroll bestand darauf, dass dies wichtige Themen sind, über die man nachdenken sollte. „Das ist nicht nur Freizeittheologie“, sagte er. „Wir wollen eine Geschichte des Universums, die Sinn macht. Wenn wir überraschende Dinge haben, suchen wir nach einem zugrunde liegenden Mechanismus, der ein Rätsel verständlich macht. Das Universum mit niedriger Entropie ist ein Hinweis auf etwas und wir sollten daran arbeiten, es zu finden.“
Im Moment haben wir kein gutes Modell des Universums und aktuelle Theorien beantworten die Fragen nicht. Die klassische Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass das Universum mit einer Singularität begann, aber sie kann erst nach dem Urknall etwas beweisen.
Die Inflationstheorie, die eine Phase extrem schneller (exponentieller) Expansion des Universums in den ersten Momenten vorschlägt, ist keine Hilfe, sagte Carroll. „Das macht das Entropieproblem nur noch schlimmer. Inflation erfordert eine Theorie der Anfangsbedingungen.“
Es gibt auch andere Modelle da draußen, aber Carroll schlug vor und schien die Idee von Multi-Universen zu bevorzugen, die immer wieder „Baby“-Universen erschaffen. „Unser beobachtbares Universum ist vielleicht nicht die ganze Geschichte“, sagte er. „Wenn wir Teil eines größeren Multiversums sind, gibt es keinen Gleichgewichtszustand mit maximaler Entropie und Entropie wird durch die Schaffung von Universen wie unserem eigenen erzeugt.“
Carroll sprach auch über neue Forschungen, die er und ein Team von Physikern durchgeführt haben, und betrachteten erneut die Ergebnisse von WMAP. Carroll und sein Team sagen, dass die Daten zeigen, dass das Universum „schief“ ist.
Messungen von WMAP zeigen, dass die Schwankungen des Mikrowellenhintergrunds auf einer Seite des Himmels etwa 10 % stärker sind als auf der anderen.
Eine Erklärung für dieses „einseitig schwere Universum“ wäre, wenn diese Fluktuationen eine Struktur darstellen würden, die von dem Universum übrig geblieben ist, das unser Universum hervorgebracht hat.
Carroll sagte, all dies würde durch ein besseres Verständnis der Quantengravitation unterstützt. „Quantenfluktuationen können neue Universen hervorbringen. Wenn thermische Fluktuation in einem ruhigen Raum zu Babyuniversen führen kann, hätten sie ihre eigene Entropie und könnten weiterhin Universen erschaffen.“
Zugegeben – und Carroll betonte dies – jede Forschung zu diesen Themen wird derzeit allgemein als Spekulation betrachtet. „Nichts davon ist fest etabliert“, sagte er. „Ich würde sogar Geld wetten, dass das falsch ist. Aber hoffentlich kann ich in 10 Jahren wiederkommen und Ihnen sagen, dass wir alles herausgefunden haben.“
Zugegeben, als Autor wird der Versuch, Carrolls Vortrag und Ideen in einem kurzen Artikel zusammenzufassen, ihnen sicherlich nicht gerecht. Schauen Sie sich Carrolls Meinung zu diesen Begriffen und mehr in seinem Blog an. Kosmische Varianz. Lesen Sie auch eine großartige Zusammenfassung von Carrolls Vortrag, geschrieben von Chris Lintott für die BBC. Ich habe jetzt seit mehr als einer Woche über Carrolls Vortrag nachgedacht und über die Anfänge der Zeit nachgedacht – und sogar, dass es Zeit vor der Zeit geben könnte – hat zu einer interessanten und fesselnden Woche geführt. Ob mich diese Zeit in meinem Verständnis vorwärts oder rückwärts gebracht hat, bleibt abzuwarten!
