Es gibt Hinweise darauf, dass das Universum vor 10 bis 15 Milliarden Jahren begann, sich auszudehnen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigte der amerikanische Astronom V. M. Slifer anhand seiner Forschungen, dass in den Spektren einiger schwacher Galaxien, die er Nebel nannte, merkliche Linienverschiebungen zum roten Ende hin beobachtet werden. Wenn wir davon ausgehen, dass diese Rotverschiebungen durch die radiale Rückzugsgeschwindigkeit verursacht werden, schlussfolgert Slipher, dass sich einige seiner Nebel mit Geschwindigkeiten von mehr als 1000 km/s von der Sonne entfernen. Als Anfang der 1930er Jahre klar wurde, dass die Slipher-Nebel nichts weiter als Galaxien waren, weiteten Hubble und Humason die Slipher-Messungen auf schwächere Galaxien aus. Da sie die ungefähren Entfernungen zu diesen Galaxien bestimmen konnten, konnten sie die Universalität der Rotverschiebungs-Entfernungsbeziehung belegen, die sich aus diesen Studien ergibt.
Seit Hubble und Humason ihre bahnbrechende Arbeit geleistet haben, wurden erhebliche Änderungen an der Entfernungsskala von Galaxien vorgenommen. Die Studien von Allan Sandage, die hauptsächlich auf Daten basieren, die mit dem 200-Zoll-Hale-Reflektor gewonnen wurden, weisen auf eine nahezu lineare Natur der Beziehung zwischen Rotverschiebung und Entfernung hin. Wenn wir davon ausgehen, dass Rotverschiebungen die Entfernung entlang der Sichtlinie anzeigen, dann wird die Beziehung zwischen Rotverschiebung und Entfernung zu einem grundlegenden Gesetz, das die Geschwindigkeit der Entfernung und die Entfernung in Beziehung setzt.
Mit welcher Geschwindigkeit expandiert das Universum?
Das gesamte beobachtbare Universum scheint sich auszudehnen, und die Geschwindigkeit dieser Expansion wird durch die Tatsache bestimmt, dass sich zwei Galaxien, die sich in einem Abstand von 10 Millionen Prozent voneinander befinden, mit einer Geschwindigkeit von etwa 550 km/s voneinander entfernen. Bei gewöhnlichen Galaxien wurden Rotverschiebungen beobachtet, die einer Bewegung mit halber Lichtgeschwindigkeit entsprechen, während bei entfernten Galaxien Rotverschiebungen auf Rückzugsgeschwindigkeiten von mehr als 0,8 der Lichtgeschwindigkeit hinweisen. Auf dieser Grundlage können wir sagen, dass die allgemeine Expansion des Universums im Großen und Ganzen eine fest etablierte Tatsache ist. Wenn wir davon ausgehen, dass sich die oben genannte Expansionsrate des Universums in der Vergangenheit kaum verändert hat, dann kommen wir mit sehr einfachen Berechnungen zu folgendem Schluss: Vor 17 Milliarden Jahren waren alle an der Expansion Beteiligten nahe beieinander. Dieses „Alter“ passt recht gut zu Astronomen, die unsere Galaxie studieren.
Reis. Mögliche Szenarien für die Expansion des Universums
Es ist überhaupt nicht notwendig, dass die Ausdehnung des Universums gleichmäßig ist. Es ist beispielsweise sehr gut möglich, dass der Anfang des Universums durch einen kolossalen Explosionsprozess gelegt wurde und die anfänglich sehr hohe Expansionsrate allmählich abzunehmen begann. Naturgemäß wäre dann die seit Beginn der Expansion verstrichene Zeit, ermittelt aus den aktuell beobachteten Expansionsraten, geringer als der oben genannte Wert von 17 Milliarden Jahren. Es ist auch sehr gut möglich, dass unser Universum ein pulsierendes System ist, das sich derzeit ausdehnt und anschließend beginnt, sich zusammenzuziehen.
Viele Beobachtungen stützen die Hypothese eines expandierenden Universums. Dies sind mit ziemlicher Sicherheit Galaxien, die wir so beobachten, wie sie vor fünf Milliarden Jahren oder mehr waren. Die über weite Entfernungen beobachtete Anzahl von ihnen zeigt, wie viel aktiver das Universum vor 5 bis 10 Milliarden Jahren war als heute. Eine weitere Bestätigung der Hypothese, dass es vor etwa 10 Milliarden Jahren zu einer kolossalen kosmischen Explosion kam, wurde dank der Beobachtungen von Penzias und Wilson, interpretiert von Dicke, erhalten. Als Ergebnis dieser Beobachtungen wurden Überreste der Energie entdeckt, die ursprünglich mit dem explosiven Beginn der Expansion in Form von Mikrowellen-Hintergrundstrahlung mit einer effektiven Temperatur von 3 K verbunden war und das gesamte Universum durchdrang. Die genauesten modernen Beobachtungen ermöglichen die Registrierung von Galaxien und entfernten Quasaren in Entfernungen von bis zu 8 – 10 Milliarden Lichtjahren, also etwa 3 Milliarden pc. Diese Beobachtungen geben uns die Möglichkeit, in die Vergangenheit zu blicken und Himmelsobjekte so zu sehen, wie sie vor 8 bis 10 Milliarden Jahren waren.
Wie ist unsere Galaxie entstanden?
Die Antwort auf diese Frage kann gegeben werden, wenn man bedenkt, dass sich die ältesten und isoliertesten Sterne in großer Entfernung von der Zentralebene der Milchstraße befinden. Dies bedeutet wahrscheinlich, dass unsere Galaxie kurz nach dem explosiven Beginn der Expansion wie ein separater riesiger, fast kugelförmiger Gasklumpen aussah. Der anfängliche Prozess der Gaskondensation zu Sternen und Sternhaufen scheint sich über die gesamte Wolke ausgebreitet zu haben. Mit der Zeit konzentrierte sich das Gas immer mehr in Richtung der Zentralebene der Galaxie, die dann ihre heutige Rotation erhielt. Jüngere Sterne und Sternhaufen entstanden, als der ursprüngliche Gasklumpen weitgehend komprimiert wurde, und im gegenwärtigen Stadium ist die zentrale Gas- (und Staub-)Wolke auffallend dünn.
Reis. Verteilung der Sterne in der Galaxie
Die Sternentstehung scheint nun vollständig auf Regionen mit interstellarem Gas und Staub beschränkt zu sein, die einige hundert Parsec von der Zentralebene der Milchstraße entfernt sind. Nach diesem attraktiven Bild bildeten sich zuerst die ältesten Kugel- und Offensternhaufen. In der Korona unserer Galaxie und Sternhaufen hat es schon lange aufgehört. Wir können uns jedoch glücklich schätzen, denn diese Prozesse laufen in der Nähe der Zentralebene der Galaxie ab, wobei sich Sonne und Erde einerseits in der Nähe dieser Ebene und andererseits am Rande der Galaxie befinden, d. h. wo alles noch in vollem Gange ist. Die Evolutionskessel brodeln!
Erst vor hundert Jahren entdeckten Wissenschaftler, dass unser Universum rapide an Größe zunimmt.
Noch vor hundert Jahren basierten die Vorstellungen über das Universum auf der Newtonschen Mechanik und der euklidischen Geometrie. Sogar einige Wissenschaftler, wie Lobatschewski und Gauß, die die physikalische Realität der nichteuklidischen Geometrie (nur als Hypothese!) akzeptierten, hielten den Weltraum für ewig und unveränderlich
Alexey Levin
Im Jahr 1870 kam der englische Mathematiker William Clifford zu der sehr tiefgreifenden Idee, dass der Raum gekrümmt sein kann, und zwar an verschiedenen Punkten ungleichmäßig, und dass sich seine Krümmung im Laufe der Zeit ändern kann. Er gab sogar zu, dass solche Veränderungen irgendwie mit der Bewegung der Materie zusammenhängen. Beide Ideen bildeten viele Jahre später die Grundlage der Allgemeinen Relativitätstheorie. Clifford selbst erlebte dies nicht mehr – er starb im Alter von 34 Jahren an Tuberkulose, 11 Tage vor Albert Einsteins Geburt.
Rotverschiebung
Die ersten Informationen über die Ausdehnung des Universums lieferte die Astrospektrographie. Im Jahr 1886 bemerkte der englische Astronom William Huggins, dass die Wellenlängen des Sternenlichts im Vergleich zu den terrestrischen Spektren derselben Elemente leicht verschoben waren. Basierend auf der Formel für die optische Version des Doppler-Effekts, die 1848 vom französischen Physiker Armand Fizeau abgeleitet wurde, lässt sich die Radialgeschwindigkeit eines Sterns berechnen. Solche Beobachtungen ermöglichen es, die Bewegung eines Weltraumobjekts zu verfolgen.
Noch vor hundert Jahren basierten die Vorstellungen über das Universum auf der Newtonschen Mechanik und der euklidischen Geometrie. Sogar einige Wissenschaftler wie Lobatschewski und Gauß, die (nur als Hypothese!) von der physikalischen Realität der nichteuklidischen Geometrie ausgingen, hielten den Weltraum für ewig und unveränderlich. Aufgrund der Ausdehnung des Universums ist es nicht einfach, die Entfernung zu entfernten Galaxien abzuschätzen. Das Licht, das 13 Milliarden Jahre später von der 3,35 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie A1689-zD1 eintraf (A), „rötet“ und wird schwächer, während es durch den expandierenden Raum wandert, und die Galaxie selbst entfernt sich (B). Es wird Informationen über die Entfernung in Rotverschiebung (13 Milliarden Lichtjahre), Winkelgröße (3,5 Milliarden Lichtjahre) und Intensität (263 Milliarden Lichtjahre) enthalten, während die tatsächliche Entfernung 30 Milliarden Lichtjahre beträgt. Jahre.
Ein Vierteljahrhundert später nutzte Vesto Slifer, ein Mitarbeiter des Observatoriums in Flagstaff in Arizona, diese Gelegenheit auf neue Weise, der seit 1912 mit einem 24-Zoll-Teleskop die Spektren von Spiralnebeln untersuchte guter Spektrograph. Um ein qualitativ hochwertiges Bild zu erhalten, wurde dieselbe Fotoplatte mehrere Nächte lang belichtet, sodass das Projekt langsam voranschritt. Von September bis Dezember 1913 untersuchte Slipher den Andromeda-Nebel und kam mithilfe der Doppler-Fizeau-Formel zu dem Schluss, dass er sich der Erde jede Sekunde um 300 km näherte.
Im Jahr 1917 veröffentlichte er Daten über die Radialgeschwindigkeiten von 25 Nebeln, die erhebliche Asymmetrien in ihren Richtungen aufwiesen. Nur vier Nebel näherten sich der Sonne, der Rest rannte davon (und einige sehr schnell).
Slifer strebte nicht nach Ruhm und machte keine Werbung für seine Ergebnisse. Daher wurden sie in astronomischen Kreisen erst bekannt, als der berühmte britische Astrophysiker Arthur Eddington auf sie aufmerksam machte.
1924 veröffentlichte er eine Monographie über die Relativitätstheorie, die eine Liste der Radialgeschwindigkeiten von 41 von Slipher gefundenen Nebeln enthielt. Dort waren die gleichen vier blauverschobenen Nebel vorhanden, während die übrigen 37 rotverschobene Spektrallinien aufwiesen. Ihre Radialgeschwindigkeiten schwankten zwischen 150 und 1800 km/s und waren im Durchschnitt 25-mal höher als die damals bekannten Geschwindigkeiten der Milchstraßensterne. Dies deutete darauf hin, dass Nebel an anderen Bewegungen teilnehmen als „klassische“ Leuchten.
Weltrauminseln
In den frühen 1920er Jahren glaubten die meisten Astronomen, dass sich Spiralnebel am Rande der Milchstraße befanden und dass sich dahinter nichts als leerer, dunkler Raum befand. Zwar sahen einige Wissenschaftler im 18. Jahrhundert riesige Sternhaufen in Nebeln (Immanuel Kant nannte sie Inseluniversen). Allerdings war diese Hypothese nicht populär, da es unmöglich war, die Entfernungen zu den Nebeln zuverlässig zu bestimmen.
Dieses Problem wurde von Edwin Hubble gelöst, der am 100-Zoll-Spiegelteleskop am Mount Wilson Observatory in Kalifornien arbeitete. In den Jahren 1923–1924 entdeckte er, dass der Andromeda-Nebel aus vielen leuchtenden Objekten besteht, darunter veränderliche Sterne der Familie der Cepheiden. Schon damals war bekannt, dass die Änderungsdauer ihrer scheinbaren Helligkeit mit der absoluten Leuchtkraft zusammenhängt und sich Cepheiden daher zur Kalibrierung kosmischer Entfernungen eignen. Mit ihrer Hilfe schätzte Hubble die Entfernung zu Andromeda auf 285.000 Parsec (nach modernen Daten sind es 800.000 Parsec). Der Durchmesser der Milchstraße wurde damals auf etwa 100.000 Parsec geschätzt (in Wirklichkeit ist er dreimal kleiner). Daraus folgte, dass Andromeda und die Milchstraße als unabhängige Sternhaufen betrachtet werden müssen. Hubble identifizierte bald zwei weitere unabhängige Galaxien, was schließlich die Hypothese der „Inseluniversen“ bestätigte.
Der Fairness halber ist anzumerken, dass zwei Jahre vor Hubble die Entfernung zu Andromeda vom estnischen Astronomen Ernst Opik berechnet wurde, dessen Ergebnis – 450.000 Parsec – näher am korrekten Wert lag. Allerdings nutzte er eine Reihe theoretischer Überlegungen, die nicht so überzeugend waren wie Hubbles direkte Beobachtungen.
Bis 1926 hatte Hubble eine statistische Analyse der Beobachtungen von vierhundert „extragalaktischen Nebeln“ (einen Begriff, den er lange Zeit verwendete, ohne sie Galaxien zu nennen) durchgeführt und eine Formel vorgeschlagen, um die Entfernung zu einem Nebel mit seiner scheinbaren Helligkeit in Beziehung zu setzen. Trotz der enormen Fehler dieser Methode bestätigten neue Daten, dass Nebel mehr oder weniger gleichmäßig im Raum verteilt sind und sich weit außerhalb der Grenzen der Milchstraße befinden. Nun bestand kein Zweifel mehr daran, dass der Weltraum nicht auf unsere Galaxie und ihre nächsten Nachbarn beschränkt ist.
Weltraum-Modedesigner
Eddington interessierte sich für Sliphers Ergebnisse, noch bevor die Natur der Spiralnebel endgültig geklärt war. Zu diesem Zeitpunkt existierte bereits ein kosmologisches Modell, das in gewisser Weise den von Slipher identifizierten Effekt vorhersagte. Eddington dachte lange darüber nach und ließ es sich natürlich nicht nehmen, den Beobachtungen des Astronomen aus Arizona einen kosmologischen Klang zu verleihen.
Die moderne theoretische Kosmologie begann 1917 mit zwei revolutionären Arbeiten, in denen auf der Allgemeinen Relativitätstheorie basierende Modelle des Universums vorgestellt wurden. Eine davon wurde von Einstein selbst geschrieben, die andere vom niederländischen Astronomen Willem de Sitter.
Hubbles Gesetze
Edwin Hubble entdeckte empirisch die ungefähre Proportionalität von Rotverschiebungen und galaktischen Entfernungen, die er mithilfe der Doppler-Fizeau-Formel in eine Proportionalität zwischen Geschwindigkeiten und Entfernungen umwandelte. Wir haben es hier also mit zwei unterschiedlichen Mustern zu tun.
Hubble wusste nicht, in welcher Beziehung sie zueinander standen, aber was sagt die heutige Wissenschaft dazu?
Wie Lemaître auch zeigte, ist die lineare Korrelation zwischen kosmologischen (durch die Expansion des Universums verursachten) Rotverschiebungen und Entfernungen keineswegs absolut. In der Praxis wird dies nur bei Verschiebungen von weniger als 0,1 gut beobachtet. Das empirische Hubble-Gesetz ist also nicht exakt, sondern näherungsweise, und die Doppler-Fizeau-Formel gilt nur für kleine Verschiebungen des Spektrums.
Aber das theoretische Gesetz, das die Radialgeschwindigkeit entfernter Objekte mit der Entfernung zu ihnen verknüpft (mit einem Proportionalitätskoeffizienten in Form des Hubble-Parameters V=Hd), gilt für jede Rotverschiebung. Die darin auftretende Geschwindigkeit V entspricht jedoch keineswegs der Geschwindigkeit physischer Signale oder realer Körper im physischen Raum. Dabei handelt es sich um die Geschwindigkeit der Vergrößerung der Abstände zwischen Galaxien und Galaxienhaufen, die durch die Expansion des Universums verursacht wird. Wir könnten es nur messen, wenn wir die Expansion des Universums stoppen, sofort Maßbänder zwischen Galaxien spannen, die Abstände zwischen ihnen ablesen und sie in Zeitintervalle zwischen den Messungen aufteilen könnten. Die Gesetze der Physik lassen dies natürlich nicht zu. Daher bevorzugen Kosmologen die Verwendung des Hubble-Parameters H in einer anderen Formel, die den Skalierungsfaktor des Universums enthält, der den Grad seiner Expansion in verschiedenen kosmischen Epochen genau beschreibt (da sich dieser Parameter im Laufe der Zeit ändert, wird sein moderner Wert mit H0 bezeichnet ). Das Universum dehnt sich jetzt immer schneller aus, sodass der Wert des Hubble-Parameters zunimmt.
Durch die Messung kosmologischer Rotverschiebungen erhalten wir Informationen über das Ausmaß der Ausdehnung des Weltraums. Das Licht der Galaxie, das mit einer kosmologischen Rotverschiebung z zu uns kam, verließ sie, als alle kosmologischen Abstände 1+z-mal kleiner waren als in unserer Zeitrechnung. Zusätzliche Informationen über diese Galaxie, etwa ihre aktuelle Entfernung oder die Geschwindigkeit ihrer Entfernung von der Milchstraße, können nur mit einem bestimmten kosmologischen Modell gewonnen werden. Beispielsweise bewegt sich im Einstein-de-Sitter-Modell eine Galaxie mit z = 5 mit einer Geschwindigkeit von 1,1 s (Lichtgeschwindigkeit) von uns weg. Wenn Sie jedoch einen häufigen Fehler machen und einfach V/c und z angleichen, ist diese Geschwindigkeit fünfmal größer als die Lichtgeschwindigkeit. Die Diskrepanz ist, wie wir sehen, gravierend.
Abhängigkeit der Geschwindigkeit entfernter Objekte von der Rotverschiebung nach STR, GTR (modell- und zeitabhängig, die Kurve zeigt die aktuelle Zeit und das aktuelle Modell). Bei kleinen Verschiebungen ist die Abhängigkeit linear.
Einstein glaubte im Geiste seiner Zeit, dass das Universum als Ganzes statisch sei (er versuchte, es auch im Raum unendlich zu machen, konnte aber nicht die richtigen Randbedingungen für seine Gleichungen finden). Als Ergebnis konstruierte er ein Modell eines geschlossenen Universums, dessen Raum eine konstante positive Krümmung (und daher einen konstanten endlichen Radius) aufweist. Die Zeit in diesem Universum hingegen fließt wie Newton, in eine Richtung und mit der gleichen Geschwindigkeit. Die Raumzeit dieses Modells ist aufgrund der räumlichen Komponente gekrümmt, während die Zeitkomponente in keiner Weise deformiert wird. Die statische Natur dieser Welt stellt einen besonderen „Einsatz“ in die Hauptgleichung dar, der den Gravitationskollaps verhindert und dadurch als allgegenwärtiges Antigravitationsfeld fungiert. Seine Intensität ist proportional zu einer speziellen Konstante, die Einstein universell nannte (heute kosmologische Konstante genannt).
Lemaîtres kosmologisches Modell der Expansion des Universums war seiner Zeit weit voraus. Lemaîtres Universum beginnt mit dem Urknall, nach dem sich die Expansion zunächst verlangsamt und dann zu beschleunigen beginnt.
Einsteins Modell ermöglichte es, die Größe des Universums, die Gesamtmenge an Materie und sogar den Wert der kosmologischen Konstante zu berechnen. Dazu benötigen wir lediglich die mittlere Dichte der kosmischen Materie, die sich im Prinzip aus Beobachtungen ermitteln lässt. Es ist kein Zufall, dass Eddington dieses Modell bewunderte und es von Hubble in die Praxis umgesetzt wurde. Es wird jedoch durch Instabilität zerstört, die Einstein einfach nicht bemerkt hat: Bei der geringsten Abweichung des Radius vom Gleichgewichtswert dehnt sich Einsteins Welt entweder aus oder erleidet einen Gravitationskollaps. Daher hat dieses Modell keinen Bezug zum realen Universum.
Leere Welt
De Sitter baute auch, wie er selbst glaubte, eine statische Welt mit konstanter Krümmung auf, jedoch nicht positiv, sondern negativ. Es enthält Einsteins kosmologische Konstante, aber es fehlt völlig die Materie. Wenn Testteilchen beliebig kleiner Masse eingeführt werden, streuen sie und gehen ins Unendliche. Darüber hinaus fließt die Zeit an der Peripherie des de Sitter-Universums langsamer als in seinem Zentrum. Aus diesem Grund treffen Lichtwellen aus großen Entfernungen mit einer Rotverschiebung ein, selbst wenn ihre Quelle relativ zum Beobachter stationär ist. In den 1920er Jahren fragten sich Eddington und andere Astronomen, ob de Sitters Modell irgendetwas mit der Realität zu tun hatte, die sich in Sliphers Beobachtungen widerspiegelte.
Dieser Verdacht wurde bestätigt, wenn auch auf andere Weise. Die statische Natur des de Sitter-Universums erwies sich als imaginär, da sie mit einer erfolglosen Wahl des Koordinatensystems verbunden war. Nach der Korrektur dieses Fehlers stellte sich heraus, dass der de Sitter-Raum flach, euklidisch, aber nicht statisch war. Dank der antigravitativen kosmologischen Konstante dehnt es sich aus und behält dabei die Krümmung Null bei. Aufgrund dieser Ausdehnung nehmen die Wellenlängen der Photonen zu, was die von de Sitter vorhergesagte Verschiebung der Spektrallinien zur Folge hat. Es ist erwähnenswert, dass die kosmologische Rotverschiebung entfernter Galaxien heute auf diese Weise erklärt wird.
Von der Statistik zur Dynamik
Die Geschichte offen nicht-statischer kosmologischer Theorien beginnt mit zwei Aufsätzen des sowjetischen Physikers Alexander Friedman, die 1922 und 1924 in der deutschen Zeitschrift für Physik veröffentlicht wurden. Friedman berechnete Modelle von Universen mit zeitlich variierender positiver und negativer Krümmung, die zum goldenen Fundus der theoretischen Kosmologie wurden. Allerdings wurden diese Werke von den Zeitgenossen kaum wahrgenommen (Einstein hielt Friedmans erste Arbeit zunächst sogar für mathematisch fehlerhaft). Friedman selbst glaubte, dass die Astronomie noch nicht über ein Arsenal an Beobachtungen verfüge, das es erlauben würde, zu entscheiden, welches der kosmologischen Modelle besser mit der Realität übereinstimme, und beschränkte sich daher auf die reine Mathematik. Vielleicht hätte er anders gehandelt, wenn er Slifers Ergebnisse gelesen hätte, aber das geschah nicht.
Der größte Kosmologe der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, Georges Lemaitre, dachte anders. Zu Hause in Belgien verteidigte er seine Dissertation in Mathematik und studierte dann Mitte der 1920er Jahre Astronomie – in Cambridge unter der Leitung von Eddington und am Harvard Observatory unter Harlow Shapley (in den USA, wo er eine zweite vorbereitete). Während seiner Dissertation am MIT lernte er Slifer und Hubble kennen. Bereits 1925 zeigte Lemaître als erster, dass die statische Natur von de Sitters Modell imaginär war. Nach seiner Rückkehr in seine Heimat als Professor an der Universität Löwen baute Lemaitre das erste Modell eines expandierenden Universums auf einer klaren astronomischen Grundlage. Ohne Übertreibung war diese Arbeit ein revolutionärer Durchbruch in der Weltraumwissenschaft.
Universelle Revolution
In seinem Modell behielt Lemaitre eine kosmologische Konstante mit einem Einsteinschen Zahlenwert bei. Daher beginnt sein Universum in einem statischen Zustand, schlägt jedoch im Laufe der Zeit aufgrund von Schwankungen einen Weg der ständigen Expansion mit zunehmender Geschwindigkeit ein. In diesem Stadium behält es eine positive Krümmung bei, die mit zunehmendem Radius abnimmt. Lemaitre bezog in sein Universum nicht nur Materie, sondern auch elektromagnetische Strahlung ein. Weder Einstein noch de Sitter, deren Werk Lemaitre kannte, noch Friedman, über den er damals etwas wusste, taten dies.
Zugehörige Koordinaten
Bei kosmologischen Berechnungen ist es zweckmäßig, begleitende Koordinatensysteme zu verwenden, die sich im Einklang mit der Expansion des Universums ausdehnen. In einem idealisierten Modell, in dem Galaxien und Galaxienhaufen an keiner Eigenbewegung teilnehmen, ändern sich ihre begleitenden Koordinaten nicht. Aber der Abstand zwischen zwei Objekten zu einem bestimmten Zeitpunkt ist gleich ihrem konstanten Abstand in den zugehörigen Koordinaten, multipliziert mit dem Wert des Skalierungsfaktors für diesen Moment. Diese Situation lässt sich leicht an einem aufblasbaren Globus veranschaulichen: Der Breiten- und Längengrad jedes Punktes ändert sich nicht und der Abstand zwischen jedem Punktpaar nimmt mit zunehmendem Radius zu.
Die Verwendung sich mitbewegender Koordinaten hilft uns, die tiefgreifenden Unterschiede zwischen der Kosmologie des expandierenden Universums, der speziellen Relativitätstheorie und der Newtonschen Physik zu verstehen. Daher sind in der Newtonschen Mechanik alle Bewegungen relativ und absolute Unbeweglichkeit hat keine physikalische Bedeutung. Im Gegenteil, in der Kosmologie ist die Unbeweglichkeit in mitbewegten Koordinaten absolut und kann im Prinzip durch Beobachtungen bestätigt werden. Die Spezielle Relativitätstheorie beschreibt Vorgänge in der Raumzeit, aus denen sich räumliche und zeitliche Komponenten mithilfe von Lorentz-Transformationen auf unendlich viele Arten isolieren lassen. Im Gegensatz dazu zerfällt die kosmologische Raumzeit auf natürliche Weise in einen gekrümmten, sich ausdehnenden Raum und eine einzige kosmische Zeit. In diesem Fall kann die Rückzugsgeschwindigkeit entfernter Galaxien um ein Vielfaches höher sein als die Lichtgeschwindigkeit.
Zurück in den USA vermutete Lemaitre, dass die Rotverschiebungen entfernter Galaxien durch die Ausdehnung des Weltraums entstehen, die Lichtwellen „ausdehnt“. Jetzt hat er es mathematisch bewiesen. Er zeigte auch, dass kleine (viel kleinere Einheiten) Rotverschiebungen proportional zu den Abständen zur Lichtquelle sind und der Proportionalitätskoeffizient nur von der Zeit abhängt und Informationen über die aktuelle Expansionsrate des Universums enthält. Da die Doppler-Fizeau-Formel implizierte, dass die Radialgeschwindigkeit einer Galaxie proportional zu ihrer Rotverschiebung ist, kam Lemaître zu dem Schluss, dass diese Geschwindigkeit auch proportional zu ihrer Entfernung ist. Nachdem er die Geschwindigkeiten und Entfernungen von 42 Galaxien aus Hubbles Liste analysiert und die intragalaktische Geschwindigkeit der Sonne berücksichtigt hatte, ermittelte er die Werte der Proportionalitätskoeffizienten.
Unbesungenes Werk
Lemaitre veröffentlichte seine Arbeit 1927 auf Französisch in der wenig gelesenen Zeitschrift Annals of the Brussels Scientific Society. Es wird vermutet, dass dies der Hauptgrund dafür war, dass sie zunächst praktisch unbemerkt blieb (sogar von seinem Lehrer Eddington). Zwar konnte Lemaitre im Herbst desselben Jahres seine Erkenntnisse mit Einstein besprechen und erfuhr von ihm von Friedmans Ergebnissen. Der Schöpfer der Allgemeinen Relativitätstheorie hatte keine technischen Einwände, aber er glaubte entschieden nicht an die physikalische Realität von Lemetres Modell (ebenso wie er zuvor Friedmans Schlussfolgerungen nicht akzeptiert hatte).
Hubble-Diagramme
Unterdessen entdeckten Hubble und Humason Ende der 1920er Jahre eine lineare Korrelation zwischen den Abständen von 24 Galaxien und ihren Radialgeschwindigkeiten, die (hauptsächlich von Slipher) aus Rotverschiebungen berechnet wurden. Hubble schloss daraus, dass die Radialgeschwindigkeit einer Galaxie direkt proportional zu ihrer Entfernung ist. Der Koeffizient dieser Proportionalität wird jetzt mit H0 bezeichnet und Hubble-Parameter genannt (nach neuesten Daten liegt er leicht über 70 (km/s)/Megaparsec).
Hubbles Aufsatz über die lineare Beziehung zwischen galaktischen Geschwindigkeiten und Entfernungen wurde Anfang 1929 veröffentlicht. Ein Jahr zuvor leitete der junge amerikanische Mathematiker Howard Robertson in Anlehnung an Lemaitre diese Abhängigkeit aus dem Modell eines expandierenden Universums ab, von dem Hubble möglicherweise wusste. In seinem berühmten Artikel wurde dieses Modell jedoch weder direkt noch indirekt erwähnt. Hubble äußerte später Zweifel daran, dass die in seiner Formel auftauchenden Geschwindigkeiten tatsächlich die Bewegungen von Galaxien im Weltraum beschreiben, verzichtete jedoch stets auf deren konkrete Interpretation. Er sah die Bedeutung seiner Entdeckung darin, die Proportionalität galaktischer Entfernungen und Rotverschiebungen zu demonstrieren, und überließ den Rest den Theoretikern. Daher gibt es bei allem Respekt vor Hubble keinen Grund, ihn als Entdecker der Expansion des Universums zu betrachten.
Und doch expandiert es!
Dennoch ebnete Hubble den Weg für die Anerkennung der Expansion des Universums und des Lemaître-Modells. Bereits 1930 würdigten Meister der Kosmologie wie Eddington und de Sitter sie; Wenig später bemerkten und schätzten Wissenschaftler Friedmans Arbeit. Im Jahr 1931 übersetzte Lemaitre auf Betreiben von Eddington seinen Artikel ins Englische (mit kleinen Kürzungen) für die Monthly News der Royal Astronomical Society. Im selben Jahr stimmte Einstein den Schlussfolgerungen von Lemaître zu und ein Jahr später erstellte er zusammen mit de Sitter ein Modell eines expandierenden Universums mit flachem Raum und gekrümmter Zeit. Aufgrund seiner Einfachheit erfreut sich dieses Modell seit langem großer Beliebtheit bei Kosmologen.
Im selben Jahr 1931 veröffentlichte Lemaitre eine kurze (und ohne jegliche Mathematik) Beschreibung eines anderen Modells des Universums, das Kosmologie und Quantenmechanik kombinierte. In diesem Modell ist der Anfangsmoment die Explosion des Primäratoms (Lemaitre nannte es auch ein Quantum), aus der sowohl Raum als auch Zeit entstanden sind. Da die Schwerkraft die Expansion des neugeborenen Universums verlangsamt, nimmt seine Geschwindigkeit ab – möglicherweise fast auf Null. Lemaitre führte später eine kosmologische Konstante in sein Modell ein, die das Universum zwang, schließlich in ein stabiles Regime beschleunigter Expansion einzutreten. Damit nahm er sowohl die Idee des Urknalls als auch moderne kosmologische Modelle vorweg, die das Vorhandensein dunkler Energie berücksichtigen. Und 1933 identifizierte er die kosmologische Konstante mit der Energiedichte des Vakuums, woran zuvor noch niemand gedacht hatte. Es ist einfach erstaunlich, wie weit dieser Wissenschaftler, der den Titel eines Entdeckers der Expansion des Universums verdient, seiner Zeit voraus war!
Auf die Frage: Wie wird die Expansion des Universums bestätigt? vom Autor gegeben Alena Sokolovskaya Die beste Antwort ist Dies wird vermutlich durch die Verschiebung der Spektrallinien entfernter Objekte zu langen Wellenlängen gemäß dem Doppler-Effekt bestätigt. (Unter der Nummer eins)
Eine internationale Wissenschaftlergruppe unter der Leitung von Alexey Vikhlinin vom Weltraumforschungsinstitut der Russischen Akademie der Wissenschaften bestätigte experimentell die beschleunigte Expansion des Universums mit einer neuen unabhängigen Methode und stellte das Bild seiner Entwicklung im Laufe der Zeit wieder her.
Alexey Vikhlinin sagte auf der Konferenz „High Energy Astrophysics Today and Tomorrow“, die am Institut für Weltraumforschung der Russischen Akademie der Wissenschaften stattfand, dass Beobachtungen entfernter Supernovae im letzten Jahrhundert gezeigt hätten, dass sich unser Universum immer schneller ausdehne Rate.
Um diese Beschleunigung zu erklären, wurde der Begriff der „dunklen Energie“ („unsichtbare Energie“) eingeführt. Seine Eigenschaften erwiesen sich als sehr ungewöhnlich – zum Beispiel muss dunkle Energie einen Unterdruck haben, um das Universum „anzuschieben“.
Die Arbeit des internationalen Wissenschaftlerteams basierte auf der Untersuchung der Verteilung massiver Galaxienhaufen im Weltraum – den Hauptelementen der großräumigen Struktur des Universums. (Die großräumige Struktur kann man sich als Galaxienhaufen vorstellen, die durch Filamente verbunden sind.
Der Galaxienhaufen Abel85, der etwa 740 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt liegt, wurde vom Röntgenobservatorium Chandra entdeckt. Das violette Leuchten ist auf mehrere Millionen Grad erhitztes Gas.
Illustration für ein Modell des Wachstums kosmischer Strukturen des Universums. Dargestellt sind drei Zeitalter des Universums: 0,9 Milliarden, 3,2 Milliarden und 13,7 Milliarden Jahre (aktueller Zustand).
86 der massereichsten Galaxienhaufen im Universum, die sich in einer Entfernung von mehreren hundert Millionen bis mehreren Milliarden Lichtjahren von der Milchstraße befinden, wurden experimentell entdeckt und im Detail untersucht.
Basierend auf den gewonnenen Ergebnissen rekonstruierten Astrophysiker ein Bild der Entwicklung des Universums von etwa 2/3 seines Alters bis zur Gegenwart, also über die letzten 5,5 Milliarden Jahre (was ungefähr dem Alter der Sonne entspricht). Die Ergebnisse dieser Studie zeigten, dass sich das Wachstum großräumiger Strukturen in dieser Zeit deutlich verlangsamte.
Die Kraft, mit der dunkle Energie Materie „antreibt“, wird durch einen Parameter der Zustandsgleichung der dunklen Energie beschrieben, der eine physikalische Bedeutung ähnlich der Steifigkeit einer Feder hat.
Astrophysiker glauben, dass die Untersuchung der Natur der Dunklen Energie eine neue Theorie des Vakuums hervorbringen wird, die auf andere physikalische Phänomene ausgeweitet werden könnte. Es ist möglich, dass sich im Rahmen der neuen Theorie herausstellt, dass unser Raum nicht vier, sondern fünf Dimensionen hat.
Wikipedia (nicht immer korrekt)) sagt:
Quelle: Link
Antwort von 22 Antworten[Guru]
Hallo! Hier finden Sie eine Auswahl an Themen mit Antworten auf Ihre Frage: Wie wird die Expansion des Universums bestätigt?
Antwort von Gastfreundschaft[Guru]
All dies sind Konsequenzen nur einer Theorie 🙂 derjenigen, die sie in der Schule lehren.
Es gibt zuverlässigere Theorien mit interessanteren und wahrheitsgemäßeren „Beweisen“.
Antwort von Michail Levin[Guru]
3. - Blödsinn, die Dichte ist selbst auf Auftragsebene unbekannt. Nachdem die Dunkle Materie nun entdeckt wurde, scheint die Dichte auf mindestens das Zehnfache geschätzt zu werden
4. Ganz im Gegenteil – es riecht nicht nach Homogenität oder Isotropie.
Aber die wichtigsten Zeichen fehlten. Zum Beispiel das Fehlen von Sternen mit einer Masse von 0,7–0,8 Sonnenmassen in späteren Entwicklungsstadien.
Antwort von Angststörung[Guru]
Das expandierende Universum wird anhand des Doppler-Effekts durch eine Rotverschiebung der Wellenlängen des von Galaxien emittierten Lichts aufgrund ihrer Entfernung vom Beobachter nachgewiesen.
Die ersten, die dies bemerkten, waren V. M. Slifer und E. P. Hubble (amerikanische Astronomen). Sie sind
untersuchte die Bewegungsgeschwindigkeit von Galaxien (von mehreren hundert bis tausenden km/s).
Aber auch alle anderen Phänomene, die Sie aufgelistet haben, bestätigen indirekt die Hypothese
"Urknall"
Antwort von Hinauswerfen[Guru]
Verschiebung der Leuchtkraft zur roten Seite des Spektrums.
Antwort von OOO ALLIANZ[Neuling]
"Доплеровское смещение" показывает нам как удалялись (не удаляются в данный момент времени) от нас объекты (галактики, скопления галактик и т. д) в далёком прошлом, а в настоящее время эти объекты тормозят, а быть может и уже давным-давно двигаются zu uns!
Das Modell eines homogenen, isotropen, instationären, heiß expandierenden Universums, das auf der allgemeinen Relativitätstheorie und der relativistischen Gravitationstheorie von A. Einstein aus dem Jahr 1916 basiert, gilt derzeit als das wichtigste Modell der Kosmologie. Dieses Modell basiert auf zwei Annahmen: Die Eigenschaften des Universums sind an allen seinen Punkten (Homogenität) und Richtungen (Isotropie) gleich; Die bekannteste Beschreibung des Gravitationsfeldes sind Einsteins Gleichungen. Daraus folgt die sogenannte Raumkrümmung und der Zusammenhang zwischen Krümmung und Massen(energie)dichte. Die auf diesen Postulaten basierende Kosmologie ist relativistisch.
Ein wichtiges Merkmal dieses Modells ist seine Nichtstationarität. Dies wird durch zwei Postulate der Relativitätstheorie bestimmt: 1) das Relativitätsprinzip, das besagt, dass in allen Inertialsystemen alle Gesetze erhalten bleiben, unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich diese Systeme gleichmäßig und geradlinig relativ zueinander bewegen; 2) experimentell bestätigte Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.
Aus der Relativitätstheorie folgte, dass der gekrümmte Raum nicht stationär sein kann: Er muss sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen. Dies wurde erstmals 1922 vom St. Petersburger Physiker und Mathematiker A. A. Friedman bemerkt. In den Jahren 1922-1924. er stellte die Hypothese der Expansion des Universums auf. Eine empirische Bestätigung dieser Hypothese war die Entdeckung des sogenannten. durch den amerikanischen Astronomen E. Hubble im Jahr 1929 Rotverschiebung.
Astronomen untersuchen Himmelskörper anhand der Strahlung, die sie von ihnen erhalten. Diese Strahlung wird mit Hilfe spezieller Prismen aufgespalten, wodurch das sogenannte Spektrum, bestehend aus sieben Grundfarben, entsteht. Manchmal sehen wir ein natürlich vorkommendes Spektrum am Himmel – einen Regenbogen. Es entsteht, weil Wassertröpfchen den Sonnenstrahl in seine Bestandteile zerlegen. Wissenschaftler gewinnen das Spektrum künstlich. Jeder Körper hat sein eigenes spezielles Spektrum, d.h. eine bestimmte Beziehung zwischen Farben. Durch das Studium können wir Rückschlüsse auf die Zusammensetzung von Körpern, die Geschwindigkeit und Richtung ihrer Bewegung ziehen.
Bei der Rotverschiebung handelt es sich um eine Abnahme der Frequenzen elektromagnetischer Strahlung: Im sichtbaren Teil des Spektrums werden Linien in Richtung des roten Endes verschoben. Nach dem zuvor entdeckten Doppler-Effekt nimmt die wahrgenommene Schwingungsfrequenz ab und die Wellenlänge nimmt entsprechend zu, wenn sich eine Schwingungsquelle von uns entfernt. Bei der Bestrahlung kommt es zu „Rötungen“, d.h. Die Spektrallinien verschieben sich zu längeren roten Wellenlängen.
Der Nachweis einer Rotverschiebung wird durch die Tatsache erleichtert, dass Licht, das ein Medium durchdringt, von den chemischen Elementen dieses Mediums absorbiert wird. Da die Energieniveaus, auf denen sich die Elektronen, aus denen chemische Elemente bestehen, befinden, unterschiedlich sind, absorbiert jedes chemische Element einen bestimmten Teil des Lichts und hinterlässt dunkle Linien im Spektrum des durchtretenden Strahls. Aus dem absorbierten Teil des Spektrums kann man die Zusammensetzung des Mediums, das das Licht durchquert hat, sowie die Bewegungsgeschwindigkeit des lichtemittierenden Objekts bestimmen. Dunkle Linien verschieben sich, wenn sich das Objekt von uns weg in Richtung des roten Teils des Spektrums bewegt.
Für alle entfernten Lichtquellen wurde also die Rotverschiebung aufgezeichnet, und je weiter die Quelle entfernt war, desto größer war der Grad. Es stellte sich heraus, dass die Rotverschiebung proportional zur Entfernung zur Quelle war, was die Hypothese bestätigte, dass sie sich entfernten, d. h. über die Ausdehnung der Metagalaxie des sichtbaren Teils des Universums. Die Entdeckung der Rotverschiebung ließ uns den Schluss ziehen, dass sich Galaxien entfernen und das Universum expandiert. Die Rotverschiebung bestätigt zuverlässig die theoretische Schlussfolgerung über die instationäre Natur unseres Universums.
Wenn sich das Universum ausdehnt, bedeutet das, dass es zu einem bestimmten Zeitpunkt entstanden ist. Wie ist das passiert? Ein wesentlicher Bestandteil des Modells des expandierenden Universums ist die Vorstellung eines Urknalls, der vor etwa 13,7 plus oder minus 0,2 Milliarden Jahren stattfand. Der Autor des Urknallmodells ist G. A. Gamov, ein Schüler von A. A. Friedman, und der Begriff „Urknall“ selbst gehört dem englischen Astronomen F. Hoyle. „Zuerst gab es eine Explosion. Nicht die Art von Explosion, die wir auf der Erde kennen, die von einem bestimmten Zentrum ausgeht, sich dann ausbreitet und immer mehr Raum einnimmt, sondern eine Explosion, die überall gleichzeitig stattfand und den gesamten Raum von Anfang an mit jedem Materieteilchen füllte sich von allen anderen Teilchen entfernen.“
Der Anfangszustand des Universums (der sogenannte Singularitätspunkt- aus dem Englischen „single“ – das Einzige) zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus: unendliche Massendichte, punktförmiger Raum und explosive Ausdehnung 1
Rhenium Das Urknallmodell wurde durch die Entdeckung im Jahr 1965 bestätigt. kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung Photonen und Neutrinos entstanden im frühen Stadium der Expansion des Universums. Die Vorhersage der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung war eine Folge des Urknallmodells und des expandierenden Universums, und ihre Entdeckung war eine Bestätigung dieser Folge. Das Wort „Relikt“ kommt hier nicht von ungefähr – Relikttiere werden auch Arten genannt, die in der Antike auftauchten und bis heute existieren.
Es stellt sich die Frage: Woraus ist das Universum entstanden? In der Bibel heißt es, dass Gott „alle Dinge aus dem Nichts“ erschaffen hat. Nachdem in der klassischen Wissenschaft die Gesetze zur Erhaltung von Materie und Energie formuliert wurden, gingen einige Philosophen davon aus, dass „nichts“ das ursprüngliche materielle Chaos bedeute, das Gott angeordnet hatte.
Überraschenderweise gibt die moderne Wissenschaft zu, dass alles aus dem Nichts hätte erschaffen werden können. „Nichts“ heißt in der wissenschaftlichen Terminologie Vakuum. Vakuum, welche Physik des 19. Jahrhunderts. Als Leerheit betrachtet, handelt es sich nach modernen wissenschaftlichen Konzepten um eine einzigartige Form der Materie, die unter bestimmten Bedingungen in der Lage ist, ihre anderen Formen „zu gebären“. Die Quantenmechanik erlaubt, dass ein Vakuum in einen „angeregten Zustand“ gelangen kann, wodurch sich darin ein Feld und daraus (was durch moderne physikalische Experimente bestätigt wird) Materie bilden kann.
Die Geburt des Universums aus dem „Nichts“ bedeutet aus moderner wissenschaftlicher Sicht sein spontanes Entstehen aus einem Vakuum, wenn in Abwesenheit von Teilchen das spontane Entstehen von Energiepotential stattfindet, d. h. Feld als eine der Arten der physischen Materie. Die Feldstärke hat keinen eindeutigen Wert (gemäß Heisenbergs „Unschärfeprinzip“): Das Feld unterliegt ständigen Schwankungen, obwohl der durchschnittliche (beobachtete) Wert der Stärke Null ist.
Durch Schwankungen erhält das Vakuum besondere Eigenschaften. Im Vakuum „werden Teilchen als Energiefluktuationen ständig aus dem Nichts erzeugt und dann wieder zerstört, verschwinden aber so schnell, dass sie nie direkt beobachtet werden können.“ Solche Teilchen nennt man „virtuell“ 1 .
Fluktuation stellt das Erscheinen virtueller Teilchen dar, die kontinuierlich geboren und sofort zerstört werden, aber auch wie reale Teilchen an Wechselwirkungen teilnehmen. „Wir können sagen, dass jedes der kollidierenden Teilchen von einer Wolke virtueller Teilchen umgeben ist. Wenn sich Teilchen mit den Rändern ihrer Wolken berühren, werden virtuelle Teilchen zu echten.“
Das Universum könnte also aus „nichts“ entstanden sein, d. h. aus dem „erregten Vakuum“. Eine solche Hypothese bestätigt natürlich nicht die künstliche Erschaffung der Welt. All dies hätte in Übereinstimmung mit den Gesetzen der Physik auf natürliche Weise geschehen können, ohne Einmischung idealer Wesenheiten von außen. Und in diesem Fall bestätigen oder widerlegen wissenschaftliche Hypothesen keine religiösen Dogmen, die auf der anderen Seite der empirisch bestätigten und widerlegten Naturwissenschaft liegen.
Die erstaunlichen Dinge der modernen Physik enden hier jedoch nicht. Auf die Bitte eines Journalisten, das Wesen der Relativitätstheorie in einem Satz darzulegen, antwortete A. Einstein: „Früher glaubte man, dass Raum und Zeit erhalten bleiben würden, wenn alle Materie aus dem Universum verschwinden würde; Die Relativitätstheorie besagt, dass mit der Materie auch Raum und Zeit verschwinden würden.“ Wenn wir diese Schlussfolgerung auf das Modell eines expandierenden Universums übertragen, können wir daraus schließen, dass es vor der Entstehung des Universums (sofern unser Universum einzigartig ist) weder Raum noch Zeit gab.
Beachten Sie, dass die Relativitätstheorie zwei Arten des Modells des expandierenden Universums entspricht. Im ersten Fall ist die Krümmung der Raumzeit negativ oder im Grenzfall gleich Null; Bei dieser Option erhöhen sich alle Distanzen im Laufe der Zeit unbegrenzt. In der zweiten Version des Modells ist die Krümmung positiv, der Raum endlich und in diesem Fall wird die Expansion im Laufe der Zeit durch Kompression ersetzt. In beiden Versionen steht die Relativitätstheorie im Einklang mit der aktuellen empirisch bestätigten Expansion des Universums.
Der menschliche Geist stellt unweigerlich Fragen: Was war da, als es nichts gab, und was ist jenseits der Expansion? Die erste Frage ist offensichtlich in sich widersprüchlich, die zweite geht über den Rahmen der spezifischen Wissenschaft hinaus.
Ein Astronom mag sagen, dass er als Wissenschaftler kein Recht hat, solche Fragen zu beantworten. Da sie aber dennoch auftreten, werden mögliche Begründungen für die Antworten formuliert, die weniger wissenschaftlicher als vielmehr naturphilosophischer Natur sind.
Daher wird zwischen den Begriffen „unendlich“ und „grenzenlos“ unterschieden. Ein Beispiel für eine Unendlichkeit, die nicht grenzenlos ist, ist die Erdoberfläche: Wir können auf ihr unbegrenzt laufen, dennoch ist sie durch die Atmosphäre oben und die Erdkruste unten begrenzt. Das Universum kann auch unendlich, aber begrenzt sein. Andererseits gibt es eine bekannte Sichtweise, nach der es in der materiellen Welt nichts Unendliches geben kann, weil sie sich in Form endlicher Systeme mit Rückkopplungsschleifen entwickelt, durch die diese Systeme im Prozess der Transformation entstehen die Umgebung. Überlassen wir diese Überlegungen der Naturphilosophie, denn in der Naturwissenschaft ist das Kriterium der Wahrheit letztlich nicht das abstrakte Denken, sondern die empirische Überprüfung von Hypothesen.
Was geschah im Anfangsstadium der Entwicklung des Universums, dem sogenannten Urknall? Die vorherrschende Hypothese in der Kosmologie ist die allmähliche Entwicklung der physischen Materie und die Bildung bestehender physischer Kräfte aus der ursprünglichen einzelnen Superkraft. Folgende Stadien des Urknalls werden unterschieden: inflationär, Superstring, große Vereinigungsphase, elektroschwach, Quark, Stufe der Nukleosynthese.
Als das Alter des Universums weniger als 10–43 Sekunden betrug, kam es zu seiner intensiven Expansion (Inflation), die als Inflation bezeichnet wird (ein bekanntes Wort, das hier in einem ganz spezifischen Sinne verwendet wird). „Inflation bietet einen natürlichen Mechanismus zur Schaffung großer räumlicher Dimensionen im Universum“ 1.
Was dehnte sich aus, wenn es keine Materie im Raum gab? Der Raum selbst, nämlich drei räumliche Dimensionen (im Allgemeinen räumliche Dimensionen in den frühen Stadien der Entwicklung des Universums und derzeit bis zu 10). Das Inflationsphase.„Als die Inflation endete, gab es einen enormen Energietransfer. Die Energie, die die inflationäre Expansion vorangetrieben hat, wurde in Elementarteilchen und Strahlung umgewandelt, was zu einem dramatischen Anstieg der Temperatur im Universum führte
Als das Alter des Universums 10 -43 s erreichte, erschienen die ersten materiellen Objekte, sogenannte Superstrings, da sie in Analogie zu gewöhnlichen Strings eine Länge und die Eigenschaft haben, zu schwingen. Die Saiten haben keine Dicke und die Länge beträgt ca. 10 33 cm Superstring-Bühne. Man geht davon aus, dass Saitenschwingungen alle möglichen Teilchen und physikalischen Felder erzeugen können. Gleichzeitig leben „gewöhnliche“ Teilchen und physikalische Felder nur in der realen Welt mit der Anzahl der Dimensionen 3+1 (drei räumliche plus Zeit). „Das Reizvolle an einem solchen Bild ist, dass es es ermöglicht, alle Teilchen als dasselbe grundlegende Objekt zu betrachten – einen Superstring … Die Eigenschaften eines Superstrings, wie etwa Dehnung und Schwingungsenergie, können variieren, und diese Variationen erscheinen als …“ Teilchen mit unterschiedlichen Eigenschaften ... Ein weiteres attraktives Merkmal der Superstringtheorie besteht darin, dass Teilchenwechselwirkungen auf natürliche Weise dadurch erklärt werden, dass der String auseinanderbricht oder einzelne Teile miteinander verbindet.“
In jedem weiteren Stadium, in dem sich das Universum ausdehnt, sinkt die Temperatur allmählich und bestimmt so die laufenden physikalischen Prozesse. Die nächste Stufe wird benannt Phase der großen Vereinigung, da sich die einzelne Supermacht zu Beginn in die Schwerkraft und die Kraft der großen Vereinigung spaltete. Zu diesem Zeitpunkt dehnten sich nur drei Raumdimensionen, die wir als Länge, Breite und Höhe kennen, weiter aus. Der Temperaturabfall führte dazu, dass sich die Fäden zusammenzogen und sie begannen, punktförmigen Objekten zu ähneln, die heute als Elementarteilchen und Antiteilchen bekannt sind. In dieser Zeit tauschten Elementarteilchen Teilchen aus, die für die Übertragung der Kraft der großen Vereinigung verantwortlich waren und nicht voneinander zu unterscheiden waren.
Im Alter des Universums von 10 35 s spaltete sich die Kraft der großen Vereinigung in starke und elektroschwache Kräfte. Hat begonnen elektroschwache Stufe. Elementarteilchen verloren durch die große Vereinigungskraft die Fähigkeit, miteinander zu interagieren und spalteten sich in Quarks und Leptonen auf, aber dank der elektroschwachen Kraft interagierten sie mit Strahlung und waren von dieser nicht mehr zu unterscheiden.
Im Alter des Universums K) -10 s kam es zur Aufspaltung elektroschwacher Kräfte in schwache und elektromagnetische Kräfte. Hat begonnen Quark-Stadium. Zu Beginn, in Abwesenheit der elektroschwachen Kraft, gewann die starke Kraft an Einfluss, die Quarks zu Protonen und Neutronen vereinte.
Im Alter des Universums von 10 4 s und bei einer Temperatur von einer Milliarde Grad begann der Prozess der Bildung von Kernen aus Wasserstoff- und Heliumatomen (Nukleosynthese). Dementsprechend dies Bühne habe den Namen bekommen Nukleosynthese. Dieser Vorgang war in etwa drei Minuten vollständig abgeschlossen.
In den nächsten 300.000 Jahren dehnte sich das Universum weiter aus und die Temperatur sank auf 3000 Grad. Aus den Kernen von Atomen und Elektronen begannen sich Atome zu bilden und begannen Zeitalter der Materie. Das Erscheinen der Atome kann als das Ende des Urknalls angesehen werden.
In den Stadien der Entstehung der Materie bestand das Universum aus einer dichten Mischung von Elementarteilchen, die sich im Plasmazustand (etwas zwischen dem festen und flüssigen Zustand) befanden. Unter dem Einfluss der Druckwelle dehnte sich das Plasma immer weiter aus. Dementsprechend sank seine Temperatur und dadurch änderte sich die Zusammensetzung des Stoffes: „... als die Temperatur über 1 Milliarde Grad lag, hatte die elektromagnetische Strahlung genug Energie, um eventuell entstandene Kerne zu zerstören.“ Wenn es einem Atom irgendwie gelingen würde, sich bei einer Temperatur von mehr als dreitausend Grad zu bilden, würde die Strahlung ebenfalls bald mit ihm kollidieren und die Elektronen herausschlagen und sie freilassen. Unterhalb dieser Temperatur reichte die Strahlungsenergie nicht mehr aus, um Elektronen freizusetzen, und daher überlebten die Atome“ 1.
0,01 s nach Beginn des Urknalls erschien im Universum eine Mischung aus leichten Kernen (/3 Wasserstoff und */3 Helium). Von seiner chemischen Zusammensetzung her besteht das Universum immer noch zu über 90 % aus Wasserstoff und Helium.
„Da es keine freien geladenen Teilchen gab, die mit dem Großteil der Strahlung interagieren könnten, blieb sie während der weiteren Expansion des Universums im Wesentlichen unverzerrt.“ Da Atome neutral sind und die Photonen, aus denen die Strahlung besteht, negativ geladen sind, trennte sich die Strahlung von der Materie, als sich Atome bildeten. Die Entdeckung dieser Strahlung, Reliktstrahlung genannt, war die entscheidende Bestätigung des Urknallmodells.
Genau da. S. 67.
Jedes Schulkind weiß, dass das Universum durch den Urknall entstanden ist. Und jeder Schüler weiß, dass sich das Universum ausdehnt, wie ein sich aufblasender Ballon. Galaxien entfernen sich voneinander, was durch einfachste physikalische Effekte belegt wird.
In der Physik gibt es ein Phänomen, das Doppler-Effekt genannt wird. Jeder Durchschnittsbürger kennt es: Wenn ein Krankenwagen mit eingeschaltetem Tonsignal an einem Beobachter vorbeifährt, scheint das Geräusch zunächst höher zu sein, und wenn sich das Fahrzeug entfernt, wird es immer leiser (die Frequenz des Geräusches ändert sich). Dafür gibt es eine einfache Erklärung: Schall sind Wellen, die einen bestimmten Weg zum menschlichen Ohr zurücklegen. Mit zunehmender Weglänge ändern sich auch die Parameter des eingehenden Signals.
Astrophysiker verlassen sich auch auf den Doppler-Effekt, wenn sie das Universum durch Teleskope betrachten. Bereits in den 1920er Jahren stellten Georges Lemaître und Edwin Hubble fest, dass alle Galaxien einen rötlichen Farbton haben und je weiter die Galaxie entfernt ist, desto deutlicher fällt die Abnahme der Frequenzen der einfallenden Strahlung auf (die sogenannte Rotverschiebung).
Licht kann auch als Welle dargestellt werden, was bedeutet, dass auch hier der Doppler-Effekt gilt. Ohne auf Details einzugehen, erscheinen Objekte, die sich vom Betrachter entfernen, rötlich (Rotverschiebung) und sich nähernde Objekte bläulich (Blauverschiebung). So entstand die Theorie, dass sich das Universum ausdehnt.
Seitdem wurden viele andere wissenschaftliche Hypothesen aufgestellt, aber keine davon erhielt eine angemessene Bestätigung.
Heute schlug der deutsche theoretische Physiker Christof Wetterich von der Universität Heidelberg vor, einen neuen Blick auf die rötliche Färbung entfernter Galaxien zu werfen und den Doppler-Effekt für eine Weile zu vergessen.
Die Atome, aus denen alle Himmelskörper (und nicht nur die Himmelskörper) bestehen, emittieren charakteristisches Licht, abhängig von der Masse der Elementarteilchen, aus denen die Atome bestehen, und insbesondere der Elektronen. Wenn die Masse eines Atoms zunimmt, hat das von ihm emittierte Photon eine höhere Energie. Hohe Energien entsprechen hohen Frequenzen, und die kürzeste Wellenlänge (und höchste Frequenz) findet sich im violetten und blauen Licht. Partikel, die an Masse zunehmen, werden bläulich sein, und solche, die Gewicht verlieren, werden rötlich.
Dies bedeutet jedoch nicht, dass alle Galaxien im Universum an Masse verlieren. Da die Lichtgeschwindigkeit zwar unerreichbar, aber endlich ist (ungefähr 300.000 Kilometer pro Sekunde im Vakuum), sehen wir umso weiter entfernte Ereignisse, je weiter wir schauen. Wenn Astronomen beispielsweise sagen, dass ein Stern 20.000 Lichtjahre von der Erde entfernt ist, bedeutet dies, dass wir ihn so sehen, wie er vor 20.000 Jahren war.
Wenn alle Körper früher weniger Masse gehabt hätten als heute und ständig „schwerer“ geworden wären, dann würden alle Galaxien im Vergleich zu ihrem heutigen Aussehen rötlich aussehen, und der Grad dieser Rotverschiebung wäre proportional zur Entfernung der Galaxien Galaxie von der Erde. Tatsächlich ist es genau das, was wir heute sehen.
Wenn man den Weltraum aus dieser Perspektive betrachtet, wird alles anders aussehen. Wetterichs Hypothese schließt die Existenz des Urknalls und die Expansion des Universums nicht vollständig aus. In seiner frühen Geschichte gab es einen kurzen Zeitraum, der durch das Inflationsmodell beschrieben wird, in dem Elementarteilchen gebildet wurden. Doch davor, so Wetterich, fehlte dem Urknall eine Singularität – die unendliche Dichte des Universums. Stattdessen erstreckte sich der Urknall auf unbestimmte Zeit in die Vergangenheit. Und schon heute ist der Weltraum statisch oder kollabiert sogar.
Diese dürftige Hypothese hat nur einen großen Nachteil: Sie lässt sich experimentell nicht verifizieren. Wenn wir von der konstanten „Gewichtung“ aller Körper im Universum sprechen, müssen wir berücksichtigen, dass die Masse eine dimensionale Größe ist, was bedeutet, dass sie nur relativ zu etwas gemessen werden kann. Und wenn die Masse selbst des im Internationalen Büro für Maß und Gewicht gespeicherten Kilogramm-Standards zunimmt, womit vergleichen wir dann die Massen von Sternen und Galaxien?
Wetterich kann seine Hypothese auf der Preprint-Website arXiv.org nachlesen. Und obwohl es noch einer Expertenbewertung bedarf, haben Astrophysiker bisher im Allgemeinen positiv auf die Idee reagiert. Laut Wetterichs Kollegen wird seine Hypothese den Physikern zumindest dabei helfen, einseitiges Denken zu vermeiden.
„Die gesamte Kosmologie basiert heute auf dem Standardmodell, der Urknalltheorie und der Expansion des Universums. Ich glaube, dass es notwendig ist, alle alternativen Erklärungen physikalischer Phänomene in Betracht zu ziehen, bevor man in den bequemen Rahmen einer wissenschaftlichen Theorie vordringt“, kommentierte er Arjun Berera, ein an der Studie beteiligter Physiker und Professor an der University of Edinburgh.
Wetterich selbst hält seine Hypothese nicht für die einzig richtige Erklärung aller Prozesse im Universum. Er sagt, dass es mit Hilfe seines Modells möglich sein wird, einige Phänomene anders zu betrachten. Beispielsweise verwenden Physiker bereits unterschiedliche Interpretationen der Quantenmechanik, die jeweils mathematisch erklärbar sind. Schließlich erleichtert das Fehlen einer Urknall-Singularität das Verständnis der Ursprünge des Universums erheblich.
