Bildnachweis: University of Chicago
Der Urknall könnte ein normales Ereignis in der natürlichen Entwicklung des Universums sein, das sich über unglaublich lange Zeiträume hinweg wiederholt, wenn sich das Universum ausdehnt, sich entleert und abkühlt, so zwei Physiker der University of Chicago.
?Wir sagen gerne, dass der Urknall in der Geschichte unseres Universums nichts Besonderes ist? sagte Sean Carroll, Assistenzprofessor für Physik an der University of Chicago. Carroll und die Doktorandin der University of Chicago, Jennifer Chen, werden auf elektronischem Weg ein Papier veröffentlichen, in dem ihre Ideen beschrieben werden http://arxiv.org/ .
Die Forschung von Carroll und Chen beschäftigt sich mit zwei ehrgeizigen Fragen: Warum fließt die Zeit nur in eine Richtung und könnte der Urknall aus einer Energiefluktuation im leeren Raum entstanden sein, die den bekannten Gesetzen der Physik entspricht?
Die Frage nach dem Zeitpfeil beschäftigt Physiker seit einem Jahrhundert, weil die grundlegenden Gesetze der Physik größtenteils nicht zwischen Vergangenheit und Zukunft unterscheiden. Sie sind zeitsymmetrisch,? sagte Carroll.
Und eng mit der Frage der Zeit verbunden ist der Begriff der Entropie, ein Maß für die Unordnung im Universum. Wie der Physiker Ludwig Boltzmann vor einem Jahrhundert gezeigt hat, nimmt die Entropie natürlich mit der Zeit zu. ?Sie können ein Ei in ein Omelett verwandeln, aber kein Omelett in ein Ei? sagte Carroll.
Aber das Geheimnis bleibt, warum die Entropie im Universum von Anfang an niedrig war. Die Schwierigkeit dieser Frage beschäftigt Wissenschaftler seit langem, die sie in Zukunft meistens einfach als Rätsel belassen.
Carroll und Chen haben jetzt versucht, darauf zu antworten.
Frühere Forscher haben sich den Fragen des Urknalls mit der Annahme genähert, dass die Entropie im Universum endlich ist. Carroll und Chen gehen den umgekehrten Weg. ?Wir postulieren, dass die Entropie des Universums unendlich ist. Es könnte immer zunehmen,? sagte Chen.
Um erfolgreich zu erklären, warum das Universum so aussieht, wie es heute aussieht, müssen beide Ansätze einen Prozess namens Inflation berücksichtigen, der eine Erweiterung der Urknalltheorie ist. Astrophysiker haben die Inflationstheorie erfunden, um das Universum in seiner heutigen Form erklären zu können. Laut Inflation durchlief das Universum in Sekundenbruchteilen nach dem Urknall eine Phase massiver Expansion.
Aber dieses Szenario hat ein Problem: ein ?Skelett im Schrank? sagte Carroll. Um mit der Inflation zu beginnen, hätte das Universum einen mikroskopisch kleinen Fleck in einer extrem unwahrscheinlichen Konfiguration umfasst, nicht das, was Wissenschaftler von einem zufällig gewählten Anfangszustand erwarten würden. Carroll und Chen argumentieren, dass eine generische Anfangsbedingung tatsächlich einem kalten, leeren Raum ähnelt – kein offensichtlich günstiger Ausgangspunkt für den Beginn einer Inflation.
In einem Universum endlicher Entropie haben einige Wissenschaftler vorgeschlagen, dass eine zufällige Fluktuation eine Inflation auslösen könnte. Dies würde jedoch erfordern, dass die Moleküle des Universums von einem Zustand hoher Entropie in einen Zustand niedriger Entropie schwanken – eine statistische Weitsicht.
?Die Voraussetzungen für eine Inflation sind nicht so einfach zu starten? sagte Carroll. ?Es gibt ein Argument, dass es einfacher ist, unser Universum einfach aus einer zufälligen Fluktuation hervorgehen zu lassen, als dass die Inflation aus einer zufälligen Fluktuation hervorgeht.?
Carroll und Chens Szenario der unendlichen Entropie ist inspiriert von der Erkenntnis aus dem Jahr 1998, dass sich das Universum aufgrund einer mysteriösen Kraft namens 'dunkle Energie' für immer ausdehnt. Unter diesen Bedingungen ist die natürliche Konfiguration des Universums eine fast leere. ?In unserem gegenwärtigen Universum wächst die Entropie und das Universum dehnt sich aus und wird leerer? sagte Carroll.
Aber selbst der leere Raum hat schwache Spuren von Energie, die auf der subatomaren Skala schwanken. Wie bereits von Jaume Garriga von der Universitat Autonoma de Barcelona und Alexander Vilenkin von der Tufts University vorgeschlagen, können diese Schwankungen in winzigen Bereichen des Universums, die in Zeit und Raum weit voneinander entfernt sind, ihren eigenen Urknall erzeugen. Carroll und Chen erweitern diese Idee auf dramatische Weise und deuten darauf hin, dass die Inflation 'umgekehrt' beginnen könnte. in der fernen Vergangenheit unseres Universums, so dass die Zeit für Beobachter weit in unserer Vergangenheit (aus unserer Perspektive) rückwärts laufen könnte.
Unabhängig davon, in welche Richtung sie verlaufen, werden die neuen Universen, die in diesen Urknallen geschaffen wurden, den Prozess der zunehmenden Entropie fortsetzen. In diesem nie endenden Kreislauf erreicht das Universum nie ein Gleichgewicht. Wenn es ein Gleichgewicht erreichen würde, würde nie etwas passieren. Es würde keinen Zeitpfeil geben.
?Es gibt keinen Zustand, den Sie erreichen können, der maximale Entropie ist. Sie können die Entropie immer weiter erhöhen, indem Sie ein neues Universum erschaffen und es sich ausdehnen und abkühlen lassen,? Carroll erklärte.
Originalquelle: Pressemitteilung der Universität von Chicago
