Was die Wissenschaft sonst noch an Zeit braucht
Dieser Artikel ist eine der beiden Ergänzungen des Hauptartikels von Time. Die andere ist „Häufig gestellte Fragen zur Zeit“.
Inhaltsverzeichnis
Was sind Theorien der Physik?
Die Kerntheorie
Relativitätstheorie
Quantentheorie
Das Standardmodell
Urknall
Kosmische Inflation
Ewige Inflation und das Multiversum
Unendliche Zeit
1. Was sind Theorien der Physik?
Die Antwort auf diese Frage ist philosophisch umstritten, und es gibt eine riesige Literatur zu diesem Thema. Hier einige kurze Bemerkungen.
Physikalische Theorien gehören zu den wertvollsten Erklärungswerkzeugen unserer Zivilisation, vorhersagen, und Verständnis. Unterschiedliche Theorien könnten die Zeit unterschiedlich behandeln. In unseren grundlegenden Theorien der Physik, Die philosophische Standardposition ist, dass ein Zustand unseres physikalischen Systems beschreibt, was zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden ist, und ein Gesetz beschreibt, wie sich die Dinge im Laufe der Zeit ändern. Ein Gesetz ist, zumindest, ein Muster, eine, die beschreibt, wie sich ein Zustand in einen anderen Zustand entwickelt. Eine Theorie ist eine Menge dieser Gesetze. Die Gesetze der fundamentalen Theorien lassen sich als mathematische Gleichungen formulieren. Die Gesetze sind in dem Sinne lokal, dass sie das Hier sind, aber nicht das ferne Universum erwähnen müssen, noch die Vergangenheit oder Zukunft. Diese Gesetze sind überall und zu jeder Zeit gleich. Wir haben a priori keinen Grund zu der Annahme, dass physikalische Theorien so sein müssen, aber die Annahme war sehr fruchtbar. Wir haben das Glück, dass wir in einer Welt leben, die so erklärbar ist, vorhersehbar und nachvollziehbar, und das wird von so wenigen Gesetzen geregelt.
Der Begriff Theorie wird in diesem Artikel in einem technischen Sinne verwendet, nicht im Sinne einer Erklärung wie in der Bemerkung, „Meine Theorie ist, dass die Maus den Käse gestohlen hat,“ noch im Sinne einer Vorhersage wie in der Bemerkung, „Meine Theorie ist, dass die Maus den Käse stiehlt.“ Die allgemeine Relativitätstheorie ist ein Beispiel für unseren beabsichtigten Sinn des Begriffs „Theorie“. Theorien in der Wissenschaft sind darauf ausgelegt, Erklärungen zu produzieren, um nicht alle spezifischen Fakten zu erfassen. Deshalb gibt es keine wissenschaftliche Theorie, die Ihre Telefonnummer angibt. Einige Theorien werden ziemlich genau ausgedrückt, und einige werden weniger genau ausgedrückt. Die ziemlich genauen werden oft Modelle genannt, und in der Physik werden die Gesetze in diesen Modellen in der Sprache der Mathematik ausgedrückt. Dies sind die Theorien der mathematischen Physik, die unten diskutiert werden. Die meisten Forscher würden sagen, dass das Modell uns sagen sollte, wie sich das modellierte System verhalten würde, wenn bestimmte Bedingungen auf eine bestimmte Weise geändert würden, Zum Beispiel, wenn die Dichte verdoppelt würde oder der Mond nicht vorhanden wäre. Dadurch erfahren wir etwas über die kausale Struktur des zu modellierenden Systems.
Die Gesetze sind das Wichtigste, Allgemeine Behauptungen einer Theorie. Die Behauptung, der Mars sei weiter von der Sonne entfernt als die Erde, gilt nicht als Gesetz, weil sie nicht allgemein genug ist. Aufgrund des Einflusses von Isaac Newton, Spätere Physiker haben angenommen, dass die Gesetze der Physik zeittranslationsinvariant sind. Diese Invarianz über die Zeit impliziert, dass die Gesetze der Physik, die wir jetzt haben, dieselben Gesetze sind, die in der Vergangenheit galten und in Zukunft gelten werden. Das Gesetz, dass sich die Gesetze der Naturwissenschaft nicht von einem Zeitpunkt zum anderen ändern und somit zeitübersetzungsinvariant sind, ist selbst nicht zeitübersetzungsinvariant, daher wird das Gesetz eher als Metagesetz denn als Gesetz betrachtet. Ob es stimmt, ist eine andere Sache.
An. Die Kerntheorie
Einige physikalische Theorien sind grundlegend, und einige sind es nicht. Fundamentale Theorien sind insofern grundlegend, als ihre Gesetze nicht einmal im Prinzip aus den Gesetzen anderer physikalischer Theorien abgeleitet werden können. Zum Beispiel, der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist nicht grundlegend, Auch die Gesetze der Plattentektonik gehören nicht zur Geophysik. Die folgenden zwei Theorien sind grundlegend: (Ich) die Allgemeine Relativitätstheorie, und (Ii) Quantenmechanik, einschließlich des Standardmodells der Teilchenphysik. Ihre Verschmelzung ist das, was der Nobelpreisträger Frank Wilczek die Kerntheorie nannte, die Theorie von fast allem Physischen. Wissenschaftler glauben, dass es nicht nur in unserem Sonnensystem gilt, sondern im ganzen Universum. behauptete Wilczek:
[T]Der Core hat sich in einem enormen Anwendungsbereich so bewährt, dass ich mir nicht vorstellen kann, dass die Leute ihn jemals wegwerfen wollen. Ich gehe weiter: Ich denke, der Kern bietet eine vollständige Grundlage für die Biologie, Chemie, und stellare Astrophysik, die niemals modifiziert werden muss. (Also, „nie“ ist eine lange Zeit. Sagen wir für ein paar Milliarden Jahre.)
Diese Behauptung, dass der Kern uns alle grundlegenden Gesetze gibt, die wir jemals brauchen werden, um die Phänomene unseres gewöhnlichen Lebens zu erklären, impliziert, dass es alles ist, was nötig ist, um die Todesursache Ihres zukünftigen Urenkels zu erklären und warum dieses bestimmte Blatt jetzt ist auf der Straße liegen. Die Kerntheorie beinhaltet nicht die Urknalltheorie, und es verwendet nicht die Begriffe Zeitpfeil oder jetzt oder sogar Mittag. Das Konzept der Zeit in der Kerntheorie ist primitiv oder „roh“. Es wird verwendet, um andere zeitliche Konzepte wie gleichzeitig und früher zu definieren und zu erklären.
Die Kerntheorie enthält nicht die Konzepte der Kartoffel, Planet, oder Person; Dies sind emergente Konzepte, die für gute Erklärungen auf den höheren Skalen benötigt werden. Kartoffeln, Planeten und Personen wurden von einer Reihe von Philosophen des 20. Jahrhunderts nur als verschiedene mereologische Summen von Teilchen betrachtet, Aber die Mehrheit im 21. Jahrhundert sieht Kartoffeln, Planeten und Personen sind, stattdessen, stabile zeitliche Muster der relevanten Quantenfelder.
Der Core wurde unter vielen extremen Bedingungen und mit großer Sensibilität getestet, Physiker haben also großes Vertrauen in sie. Es besteht kein Zweifel, dass die Core-Theorie für die Zwecke der Physik eine nachweislich bessere Darstellung der Realität als ihre Alternativen bietet, einschließlich des manifesten Bildes. Aber alle Physiker wissen, dass der Kern nicht wahr ist, und sie wissen, dass all ihre grundlegenden Theorien einer Überarbeitung bedürfen. Physiker sind motiviert, herauszufinden, wo sie versagt, weil eine solche Entdeckung zu großem Lob vom Rest der Physikgemeinschaft führen kann. Wilczek sagt, dass der Kern niemals modifiziert werden muss, um die speziellen Wissenschaften der Biologie zu verstehen, Chemie, stellare Astrophysik, Informatik und Technik, aber er würde zustimmen, dass der Kern für esoterischere Probleme wie Neutrinos, die ihre Identität im Laufe der Zeit ändern, überarbeitet werden muss, das Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie, die Inkompatibilität der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik, und warum die Energie des leeren Raums so gering ist wie sie ist.
Die Core-Theorie setzt voraus, dass Zeit existiert, dass es aus der Raumzeit hervorgeht, und dass die Raumzeit fundamental und nicht emergent ist. Innerhalb der Core-Theorie, Die Relativitätstheorie lässt den Raum sich krümmen, Welligkeit, und erweitern; und die Krümmung, plätschern, und Erweiterung können sich im Laufe der Zeit ändern. Die Quantentheorie lässt all das nicht zu, obwohl eine zukünftige Überarbeitung der Core-Theorie durch eine Theorie der Quantengravitation sicherlich all diese Merkmale der Relativitätstheorie zulassen wird.
Die Core-Theorie beruht auf einer anderen Annahme, das allgemein akzeptierte Laplace-Paradigma, das impliziert, dass Physiker nach Gesetzen suchen sollten, die beschreiben, wie ein Zustand eines Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt in einen anderen Zustand zu einem anderen Zeitpunkt übergeht. David Deutsch, Klara Marletto, und ihre Unterstützer (Deutsch 2013) haben dieses Paradigma herausgefordert und ihre Alternative vorgeschlagen, Konstruktortheorie, welche, unter anderem, erfordert Zeit, um ein emergentes Merkmal der Natur aus einem nicht-zeitlichen Substrat zu sein. Die Annahme, dass die Raumzeit grundlegend ist, wurde auch durch den Vorschlag in Frage gestellt, dass die Raumzeit möglicherweise aus der Quantenverschränkung in einem niederdimensionalen System hervorgeht.
2. Relativitätstheorie
Zeit ist grundlegend in der Relativitätstheorie, und die Theorie hat viel über die Natur der Zeit zu sagen. Wenn der Begriff Relativitätstheorie verwendet wird, it usually means the general theory of relativity of 1915, but sometimes it means the special theory of relativity of 1905. Sowohl die speziellen als auch die allgemeinen Theorien wurden gut getestet; und sie werden weiterhin getestet. Sie werden fast überall akzeptiert, und die heutigen Physiker verstehen sie besser als Einstein.
Die Beziehung zwischen der speziellen und der allgemeinen Theorie ist etwas kompliziert. Beide Theorien beziehen sich auf die Bewegung von Objekten und beide nähern sich der Newtonschen Theorie an, je langsamer die Geschwindigkeit von Objekten ist, desto schwächer die Gravitationskräfte, und je niedriger die Energie dieser Objekte ist. Die spezielle Relativitätstheorie impliziert, dass die Gesetze der Physik für alle Trägheitsbeobachter gleich sind, das ist, Beobachter, die sich relativ zueinander mit konstanter Geschwindigkeit bewegen, werden feststellen, dass alle Phänomene denselben Gesetzen gehorchen. Die Allgemeine Relativitätstheorie impliziert, dass die Gesetze auch für Beobachter gleich sind, die relativ zueinander beschleunigen, wie z. B. die Änderung ihrer Geschwindigkeit aufgrund des Einflusses der Gravitation. Die Allgemeine Relativitätstheorie gilt in allen Bezugsrahmen, aber die spezielle Relativitätstheorie gilt nur für Trägheitsreferenzrahmen, nämlich nicht beschleunigende Frames.
Die spezielle Relativitätstheorie erlaubt es, dass Objekte Masse haben, aber keine Schwerkraft. Es erfordert immer eine flache Geometrie – das heißt, eine euklidische Geometrie für den Raum und eine Minkowski-Geometrie für die Raumzeit. Die Allgemeine Relativitätstheorie hat diese Einschränkungen nicht. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist eine spezielle Gravitationstheorie, Angenommen, die Theorie wird irgendwann durch eine Spezifikation der Verteilung von Materie-Energie ergänzt. Die spezielle Relativitätstheorie ist keine spezifische Theorie, sondern ein allgemeiner Rahmen für Theorien, und es ist keine spezifische Version der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist auch keine Verallgemeinerung der Speziellen Relativitätstheorie. Der Hauptunterschied zwischen den beiden ist das, in der allgemeinen Relativitätstheorie, Raumzeit existiert nicht einfach passiv als Hintergrundarena für Ereignisse. Stattdessen, Raumzeit ist dynamisch in dem Sinne, dass Änderungen in der Verteilung von Materie und Energie Änderungen in der Krümmung der Raumzeit sind (wenn auch nicht unbedingt umgekehrt).
Die Relativitätstheorie wird allgemein als eine Theorie betrachtet, die auf Kausalität basiert:
Man kann die allgemeine Relativitätstheorie nehmen, und wenn Sie fragen, was in dieser hochentwickelten Mathematik wirklich über die Natur von Raum und Zeit behauptet wird, Was es über Raum und Zeit aussagt, ist, dass die grundlegendsten Beziehungen Kausalitätsbeziehungen sind. Dies ist die moderne Art, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu verstehen … Wenn Sie eine Liste aller kausalen Beziehungen zwischen allen Ereignissen im Universum aufschreiben, Sie beschreiben die Geometrie der Raumzeit fast vollständig. Es gibt noch ein paar Informationen, die Sie eingeben müssen, was zählt, So viele Veranstaltungen finden statt…. Kausalität ist der grundlegende Aspekt der Zeit. (Lee Smolin)
In den Core-Theorien, the word time is a theoretical term, und die Zeitdimension wird gewissermaßen wie eine einzelne Raumdimension behandelt. Der Raum ist eine Menge aller möglichen Punktorte. Die Zeit ist eine Menge aller möglichen Zeitpunkte. Die Raumzeit ist eine Menge aller möglichen Punktereignisse. Es wird angenommen, dass die Raumzeit vierdimensional und auch glatt ist, mit der Zeit ein ausgezeichneter, eindimensionaler Unterraum der Raumzeit. Weil die Zeitdimension so verschieden von einer Raumdimension ist, Physiker sprechen sehr oft von (3+1)-dimensional spacetime rather than 4-dimensional spacetime. Technisch, jede Raumzeit, egal wie viele Dimensionen es hat, muss eine differenzierbare Mannigfaltigkeit mit einem darauf definierten metrischen Tensorfeld sein, das angibt, welche Geometrie es an jedem Punkt hat. Sowohl die Relativitätstheorie als auch die Quantentheorie gehen davon aus, dass der dreidimensionale Raum isotrop ist (Rotationssymmetrisch) und homogen (Übersetzung symmetrisch) und dass es zeitliche Translationssymmetrie gibt. Although physical laws determine the totality of physically allowed situations and processes, bestimmte physikalische Systeme innerhalb der Raumzeit müssen diese Symmetrien nicht aufweisen; nur die physikalischen Gesetze müssen.
(Für die Experten: Allgemeine relativistische Raumzeiten sind Mannigfaltigkeiten, die aus Diagrammen mit offenen Teilmengen von R4 erstellt wurden. Die Allgemeine Relativitätstheorie betrachtet eine Zeit nicht als eine Reihe gleichzeitiger Ereignisse, die zu dieser Zeit eintreten oder eintreten könnten; das ist eine Newtonsche Vorstellung. Stattdessen definiert die Allgemeine Relativitätstheorie die Zeit anhand der Lichtkegelstrukturen an jedem Ort. Die Theorie verlangt, dass die Raumzeit mindestens vier Dimensionen hat, nicht genau vier Dimensionen.)
Die Relativitätstheorie impliziert, dass die Zeit glatt ist, kontinuierlich, und lückenlos, wie eine mathematische Linie. Dieses Merkmal wurde erstmals im späten 17. Jahrhundert vom Philosophen John Locke betont, aber es ist hier ausführlicher gemeint, technischer Sinn, der gegen Ende des 19. Jahrhunderts für die Infinitesimalrechnung entwickelt wurde.
Sowohl nach der Relativitätstheorie als auch nach der Quantenmechanik, Zeit ist nicht diskret oder quantisiert oder atomistisch. Stattdessen, Die Struktur der Zeitpunkte ist ein lineares Kontinuum mit der gleichen Struktur wie die mathematische Linie oder wie die reellen Zahlen in ihrer natürlichen Ordnung. Für jeden Zeitpunkt, es gibt kein nächstes mal, weil die zeiten so dicht gepackt sind. Dass die Zeit ein Kontinuum ist, impliziert, dass es eine nicht abzählbar unendliche Anzahl von Zeitpunkten zwischen zwei beliebigen nicht gleichzeitigen Zeitpunkten gibt. Einige Wissenschaftsphilosophen haben eingewendet, dass diese Zahl zu groß ist, und wir sollten Aristoteles’ Begriff der potentiellen Unendlichkeit verwenden und nicht den Begriff einer vollendeten Unendlichkeit aus dem späten 19. Jahrhundert. Dennoch, Die Annahme der Vorstellung einer tatsächlichen nicht mit Worten fassbaren Unendlichkeit ist die Schlüsselidee, die verwendet wird, um Zenos Paradoxien zu lösen und Inkonsistenzen in der Infinitesimalrechnung zu beseitigen.
Die grundlegenden Gesetze der Physik gehen davon aus, dass das Universum eine Ansammlung von Punktereignissen ist, die ein vierdimensionales Kontinuum bilden, und die Gesetze sagen uns, was passiert, nachdem etwas anderes passiert oder weil es passiert. Diese Gesetze beschreiben den Wandel, ändern sich aber selbst nicht. So sind zumindest Gesetze im ersten Viertel des 21. Jahrhunderts, aber man kann nicht a priori wissen, dass Gesetze immer so sein müssen.
Obwohl die Relativitätstheorie die Zeit so behandelt, als hätte sie die gleiche exotische Struktur wie die mathematische Linie, da sie aus einem Kontinuum zeitlicher Punkte besteht, Kein Experiment ist so feinkörnig, dass es zeigen könnte, dass die Zeiten so nahe beieinander liegen, obwohl es mögliche Experimente gibt, die zeigen könnten, dass die Annahme falsch ist, wenn sie falsch wäre und wenn die Zeitkörnigkeit groß genug wäre.
Im einundzwanzigsten Jahrhundert, Eines der wichtigsten Ziele der Physik ist die Entdeckung/Erfindung einer Theorie der Quantengravitation, die die besten Teile der Quantentheorie und der Relativitätstheorie vereint. Einstein claimed in 1916 that his general theory of relativity needed to be replaced by a theory of quantum gravity. Sehr viele Physiker des 21. Jahrhunderts glauben, dass eine erfolgreiche Theorie der Quantengravitation die Quantisierung der Zeit erfordern wird, damit es Zeitatome gibt.
Wenn es so etwas wie ein Zeitatom gibt und somit so etwas wie einen nächsten und einen vorherigen Augenblick, dann kann die Zeit nicht wie der reelle Zahlenstrahl sein, weil keine reelle Zahl eine nächste Zahl hat. Es wird spekuliert, dass wenn die Zeit diskret wäre, a good estimate for the duration of an atom of time is 10-44 seconds, die sogenannte Planck-Zeit. Kein Physiker kann bisher ein praktisches Experiment vorschlagen, das für diese winzige Skala von Phänomenen empfindlich ist. Für weitere Diskussionen, sehen (Tegmark 2017).
Die speziellen und allgemeinen Relativitätstheorien implizieren, dass das Setzen eines Referenzrahmens auf die Raumzeit bedeutet, eine Wahl darüber zu treffen, welcher Teil der Raumzeit der Raumteil und welcher der Zeitteil ist. Keine Wahl ist objektiv richtig, obwohl einige Auswahlmöglichkeiten für einige Zwecke sehr viel bequemer sind. Diese Relativität der Zeit, nämlich die Abhängigkeit der Zeit von der Wahl des Bezugssystems, ist eine der wichtigsten Implikationen sowohl der speziellen als auch der allgemeinen Relativitätstheorie.
Seit der Entdeckung der Relativitätstheorie, Wissenschaftler sind zu der Überzeugung gelangt, dass eine objektive Beschreibung der Welt nur mit Aussagen gemacht werden kann, die unter Änderungen des Bezugsrahmens unveränderlich sind. Sprichwort, “It is 8:00“ hat keinen Wahrheitswert, es sei denn, es wird ein bestimmter Referenzrahmen impliziert, wie eine, die auf der Erde befestigt ist, wobei die Zeit die Zeit ist, die von der Standarduhr unserer Zivilisation gemessen wird. Diese Relativität der Zeit zu Referenzrahmen steht hinter der Bemerkung, dass Einsteins Relativitätstheorien implizieren, dass die Zeit selbst nicht objektiv real ist, aber die Raumzeit real ist.
In Bezug auf die Idee der Relativität zum Rahmen, Newton würde das sagen, wenn Sie in einem Fahrzeug sitzen, das sich entlang einer Straße bewegt, dann ist Ihre Geschwindigkeit relativ zum Fahrzeug null, aber Ihre Geschwindigkeit relativ zur Straße ist nicht Null. Einstein würde zustimmen. Aber, Er würde Newton überraschen, indem er sagte, dass die Länge Ihres Fahrzeugs in den beiden Referenzrahmen leicht unterschiedlich ist, diejenige, in der das Fahrzeug steht, und diejenige, in der die Straße stillsteht. Ebenso überraschend für Newton, die Dauer des Ereignisses, dass Sie im Fahrzeug eine Tasse Kaffee trinken, unterscheidet sich in diesen beiden Referenzrahmen geringfügig. Diese relativistischen Effekte werden Raumkontraktion und Zeitdilatation genannt, bzw.. Also, Sowohl die Länge als auch die Dauer sind rahmenabhängig und, aus diesem Grund, sagen Physiker, sie sind keine objektiv realen Eigenschaften von Objekten. Geschwindigkeiten sind auch relativ zum Referenzrahmen, mit einer Ausnahme. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum hat in allen Systemen den gleichen Wert c. Und Raumkontraktion und Zeitdilatation ändern sich gemeinsam, sodass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum immer gleich groß ist.
Die Relativitätstheorie erlaubt einen großen Spielraum bei der Auswahl der Klassen simultaner Ereignisse, wie in diesem Diagramm gezeigt. Da es keinen einzigen objektiv korrekten Rahmen gibt, um zu spezifizieren, welche Ereignisse gegenwärtig und welche vergangen sind – sondern nur mehr oder weniger passende – ist eine philosophische Implikation der Relativität der Zeit, dass es schwieriger zu sein scheint, McTaggarts A -Theorie, die die zeitlichen Eigenschaften von Ereignissen wie „geschieht jetzt“ oder „in der Vergangenheit passiert“ impliziert, sind den Ereignissen inhärent und objektiv, framefreie Eigenschaften dieser Ereignisse. In Kürze, the relativity to frame makes it difficult to defend absolute time.
Die Relativitätstheorie fordert andere Bestandteile des manifesten Zeitbildes heraus. Für zwei Ereignisse A und B, die am selben Ort, aber zu unterschiedlichen Zeiten stattfinden, Die Relativitätstheorie impliziert, dass ihre zeitliche Ordnung absolut im Sinne einer Unabhängigkeit vom Bezugsrahmen ist, und das stimmt mit dem gesunden Menschenverstand und damit dem manifesten Zeitbild überein, aber wenn sie weit voneinander entfernt sind und zeitlich nahe genug auftreten, um anderswo innerhalb des Absoluten des anderen zu sein, dann impliziert die Relativitätstheorie, dass Ereignis A in einem Bezugssystem vor Ereignis B eintreten kann, aber nach B in einem anderen Frame, und gleichzeitig mit B in einem weiteren Rahmen. Niemand vor Einstein hat sich jemals vorgestellt, dass die Zeit eine so seltsame Eigenschaft hat.
Die spezielle und allgemeine Relativitätstheorie liefern genaue Beschreibungen der Welt, wenn ihre Annahmen erfüllt sind. Beide wurden sorgfältig getestet. Die spezielle Theorie erwähnt die Schwerkraft nicht, and it assumes there is no curvature to spacetime, aber die allgemeine Theorie erfordert Krümmung in Gegenwart von Masse und Energie, und es erfordert, dass sich die Krümmung ändert, wenn sich ihre Verteilung ändert. Das Vorhandensein der Schwerkraft in der allgemeinen Theorie hat es ermöglicht, dass die Theorie verwendet werden kann, um Phänomene zu erklären, die nicht mit der speziellen Relativitätstheorie und Newtons Gravitationstheorie und Maxwells Theorie des Elektromagnetismus erklärt werden können.
Wegen der Beziehung zwischen Raumzeit und Schwerkraft, Die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie sind viel komplizierter als die der speziellen Relativitätstheorie. Aber die allgemeine Relativitätstheorie geht davon aus, dass die Gleichungen der speziellen Relativitätstheorie zumindest in allen infinitesimalen Regionen der Raumzeit gelten.
Um nur ein Beispiel für die eben erwähnte Komplexität zu geben, the special theory clearly implies there is no time travel to events in one’s own past. Experts do not agree on whether the general theory has this same implication because the equations involving the phenomena are too complex to solve directly. Es müssen Näherungslösungen verwendet werden, Dennoch gibt es Meinungsverschiedenheiten über Zeitreisen.
Über die Krümmung von Zeit und Raum, Das Vorhandensein von Masse an einem Punkt impliziert eine intrinsische Raumzeitkrümmung an diesem Punkt, aber nicht jede Raumzeitkrümmung impliziert das Vorhandensein von Masse. Leere Raumzeit kann immer noch Krümmung haben, nach der Relativitätstheorie. Dieser Punkt wurde von vielen Philosophen als guter Grund interpretiert, den klassischen Relationismus von Leibniz abzulehnen. Der Punkt wurde erstmals von Arthur Eddington erwähnt.
Zwei genau, synchronisierte Uhren bleiben nicht synchronisiert, wenn sie unterschiedlichen Gravitationskräften ausgesetzt sind. Dies ist eine zweite Art der Zeitdilatation, zusätzlich zur Dilatation aufgrund der Geschwindigkeit. Also, Die richtige Uhrzeit einer Uhr hängt von der Geschwindigkeits- und Gravitationsgeschichte der Uhr ab. Die Gravitationszeitdilatation würde besonders deutlich, wenn sich eine Uhr einem Schwarzen Loch nähern würde. Die Tickerrate einer Uhr, die sich dem Schwarzen Loch nähert, verlangsamt sich radikal, wenn sie sich dem Horizont des Lochs nähert, gemessen an der Rate einer Uhr, die sicher auf der Erde bleibt. Diese Verlangsamung wird manchmal irreführend als Verlangsamung der Zeit beschrieben. Nachdem eine Uhr durch den Ereignishorizont fällt, es kann seine Werte nicht mehr an die Erde melden, und wenn es die Mitte des Lochs erreicht, hört es nicht nur auf zu ticken, aber es erreicht auch das Ende der Zeit, das Ende seiner eigentlichen Zeit.
Die allgemeine Relativitätstheorie hat zusätzliche Implikationen für die Zeit. In 1948-9, der Logiker Kurt Gödel entdeckte radikale Lösungen für Einsteins Gleichungen, Lösungen, bei denen es geschlossene zeitähnliche Kurven in grafischen Darstellungen der Raumzeit gibt. Die ungewöhnliche Krümmung ist auf die Rotation aller Materie in Gödels möglichem Universum zurückzuführen. Wenn man entlang einer dieser Kurven in der Zeit voranschreitet, man kommt wieder am ausgangspunkt an. Glücklicherweise, Es gibt keinen empirischen Beweis dafür, dass unser eigenes Universum diese Rotation hat. Hier ist Einsteins Reaktion auf Gödels Arbeit über Zeitreisen:
Kurt Gödels Essay konstituiert, Meiner Meinung nach, ein wichtiger Beitrag zur allgemeinen Relativitätstheorie, insbesondere zur Analyse des Zeitbegriffs. Das Problem, um das es hier geht, hat mich schon zur Zeit des Aufbaus der allgemeinen Relativitätstheorie beunruhigt, ohne dass es mir gelungen wäre, es zu klären.
In der mathematischen Physik, die Reihenfolge der Augenblicke nach der Vorher-Ereignisse-Beziehung der zeitlichen Vorrangigkeit ist vollständig in dem Sinne, dass es keine Lücken in der Folge der Augenblicke gibt. Jedes Zeitintervall ist glatt, die Zeitpunkte bilden also ein lineares Kontinuum. Im Gegensatz zu physischen Objekten, Es wird angenommen, dass die physische Zeit unendlich teilbar ist – das heißt, teilbar im Sinne des eigentlich Unendlichen, nicht nur im Sinne von Aristoteles von potentiell unendlich. In Bezug auf die Dichte der Augenblicke, die geordneten Augenblicke sind so dicht gepackt, dass zwischen je zwei ein dritter liegt, sodass kein Augenblick einen nächsten Augenblick hat. Apropos Kontinuität, Dass die Zeit ein lineares Kontinuum ist, impliziert, dass es zwischen zwei beliebigen nicht gleichzeitigen Zeitpunkten eine nicht abzählbare Unendlichkeit von Augenblicken gibt. Der rationale Zahlenstrahl hat nicht so viele Punkte zwischen zwei verschiedenen Punkten; er ist nicht stetig wie der reelle Zahlenstrahl, sondern enthält viele Lücken. Die reellen Zahlen wie Pi, was keine rationale Zahl ist, fülle die Lücken.
Die tatsächliche zeitliche Struktur von Ereignissen kann in die reellen Zahlen eingebettet werden, zumindest lokal, aber wie wäre es mit dem umgekehrten? Das heißt, inwieweit ist bekannt, dass sich die reellen Zahlen adäquat in die Struktur der Augenblicke einbetten lassen, zumindest lokal? Diese Frage fragt nach der Rechtfertigung dafür, dass Zeit nicht diskret oder atomistisch ist. The problem here is that the shortest duration ever measured is about 250 zeptoseconds. Eine Zeptosekunde sind 10−21 Sekunden. For times shorter than about 10-43 second, das ist der Lieblingskandidat der Physiker für die Dauer eines Zeitatoms, Die Wissenschaft hat keine experimentellen Gründe für die Behauptung, dass es zwischen zwei Ereignissen ein drittes gibt. Stattdessen, Die Rechtfertigung dafür, dass die Realzahlen in ein Intervall von Augenblicken eingebettet werden können, ist folgende (Ich) Die Kontinuitätsannahme ist sehr nützlich, weil sie es ermöglicht, die mathematischen Methoden der Analysis in der Physik der Zeit anzuwenden; (Ii) Es gibt keine bekannten Inkonsistenzen aufgrund dieser Annahme; und (iii) Es gibt keine besseren Theorien. Die Einschränkung weiter oben in diesem Abschnitt über „zumindest lokal“ gilt für den Fall, dass es Zeitreisen in die Vergangenheit gibt, sodass die Gesamtdauer der Zeitschleife endlich ist. Ein Kreis ist durchgehend, und eindimensional, aber es ist endlich, und es ist wie bei den reellen zahlen nur lokal.
Man kann sich zwei empirische Tests vorstellen, die die Diskretheit der Zeit aufzeigen würden, wenn sie diskret wäre –(1) trotz wiederholter Versuche nicht in der Lage zu sein, eine Dauer zu messen, die kürzer als ein experimentelles Minimum ist, es wird jedoch erwartet, dass eine kürzere Dauer mit gegenwärtiger Ausrüstung nachweisbar sein sollte, wenn es wirklich eine kürzere Dauer gibt, und (2) Erkennen eines kleinen Zusammenbruchs der Lorentz-Invarianz. Aber wenn irgendein experimentelles Ergebnis, das angeblich Diskretion zeigt, sich weigert, als bloße Anomalie behandelt zu werden, vielleicht wegen Fehler in der Messapparatur, dann sollte es mit einer bestätigten Theorie untermauert werden, die den Wert für die Dauer des Zeitatoms impliziert. Diese Situation ist ein Beispiel für den Wahrheitskern des Physikwitzes, dass keiner Beobachtung zu trauen ist, bis sie durch Theorie gestützt wird.
Das wird gemeinhin angemerkt, nach der Relativitätstheorie, Nichts kann schneller sein als das Licht. Die Bemerkung bedarf einer Klarstellung, sonst ist es falsch. Hier sind drei Möglichkeiten, schneller als das Licht zu sein. (1) Erste, das Medium muss angegeben werden. Die Lichtgeschwindigkeit in bestimmten Kristallen kann viel kleiner als c sein, say 40 miles per hour, und ein Pferd außerhalb des Kristalls könnte dem Lichtstrahl entkommen. (2) Zweite, die Grenze c gilt nur lokal für Objekte im Raum relativ zu anderen nahegelegenen Objekten im Raum, und es erfordert, dass kein Objekt ein anderes Objekt lokal schneller als c passiert. Aber, global legt die allgemeine relativitätstheorie keine einschränkungen dafür fest, wie schnell sich der raum selbst ausdehnen kann. Also, zwei entfernte Galaxien können schneller als mit Lichtgeschwindigkeit auseinanderdriften, einfach weil sich der dazwischen liegende Raum ausdehnt. (3) Stellen Sie sich vor, Sie stehen still draußen auf dem flachen Boden und richten Ihren Laserpointer nach vorne auf eine extrem entfernte Galaxie. Richten Sie den Zeiger nun auf Ihre Füße. Während dieses Prozesses, Der Schnittpunkt des Zeigers und der Tangentialebene des Bodens bewegt sich schneller als die Geschwindigkeit c auf Ihre Füße zu. Dies verstößt nicht gegen die Relativitätstheorie, da der Schnittpunkt lediglich ein geometrisches Objekt ist, kein physisches Objekt, seine Geschwindigkeit wird also nicht durch die Relativitätstheorie eingeschränkt.
3. Quantentheorie
Quantum theory is a special relativistic theory of quantum mechanics that includes the Standard Model of particle physics. Quantenmechanik und Quantentheorie haben ihre Namen, weil sie verschiedene Phänomene implizieren, wie Energie und Ladung, sind in dem Sinne quantisiert, dass sie sich nicht kontinuierlich ändern, sondern nur in Vielfachen minimaler diskreter Schritte, sogenannte Quantenschritte. Wenn im populären Diskurs ein Quantensprung als groß bezeichnet wird, bedeutender Sprung, das ist eine fehlerhafte Beschreibung. Ein Quantensprung ist eigentlich ein kleinstmöglicher Sprung. Stellen Sie sich einen Quantensprung als abrupte Veränderung vor. Die Relativitätstheorie quantisiert Energie nicht, die Quantentheorie schon, Dies ist also eine der verschiedenen Möglichkeiten, in denen die beiden Theorien nicht miteinander übereinstimmen. Aber nicht alles ist in der Quantenmechanik quantisiert; das ist, Einige Observables haben eher ein Kontinuum von Ergebnissen als diskrete mögliche Ergebnisse. Die Zeit ist sowohl in der Quantenmechanik als auch in der Quantentheorie ein Kontinuum, ebenso wie in der Relativitätstheorie und der Newtonschen Mechanik.
Die Quantentheorie ist unsere erfolgreichste Theorie in der gesamten Wissenschaft. Die Bandbreite und Vielfalt der Phänomene, die es erfolgreich erklären kann, ist bemerkenswert. Für zwei Beispiele, es erklärt, warum man durch ein Glasfenster sehen kann, aber nicht durch eine Kartoffel, und warum ein Glasfenster hart ist, unlike light which is extremely soft. Before quantum theory, diese wurden als rohe Tatsachen der Natur angesehen.
Für Philosophen, Die wichtigste Auswirkung der Quantentheorie auf unser Verständnis des Universums ist die von beiden (1) Das Universum ist nicht lokal (weil es Verstrickungen in jedem zusammengesetzten System gibt oder was Einstein „gruselige Fernwirkung“ nannte), oder aber (2) Messungen haben keine eindeutigen Ergebnisse (weil jedes mögliche Ergebnis in einer der vielen alternativen Welten eintritt). Beide Disjunkte implizieren Nichtseparierbarkeit. Das heißt, sie implizieren, dass, wenn es eine Verstrickung innerhalb eines zusammengesetzten Systems innerhalb der tatsächlichen Welt gibt, dann selbst wenn man alles Mögliche über ein Verbundsystem wüsste, Sie werden immer noch nichts über das Verhalten seiner einzelnen Teile wissen, seine Teile können also nicht wirklich vom Ganzen „getrennt“ werden. ==Dies ist der größte Einfluss der Wissenschaft auf unser manifestes Image.
Überraschenderweise, Über die genaue Formulierung der Quantentheorie sind sich die Physiker noch nicht einig. Seine vielen sogenannten „Interpretationen“ sind wirklich konkurrierende Versionen der Theorie. Deshalb gibt es keine Einigung darüber, was die Axiome der Quantentheorie sind. There is a disagreement among philosophers of physics regarding whether the competing interpretations are (1) empirisch äquivalent und durch die Evidenz unterbestimmt und muss daher anhand von Merkmalen wie ihrer mathematischen Eleganz und Einfachheit entschieden werden, oder (2) sind nicht empirisch äquivalente Theorien und, stattdessen, sie haben den Status, noch nicht durch experimentelle Beweise widerlegt worden zu sein.
Trotz der Tatsache, dass sich die Schrödinger-Gleichung des Universums deterministisch entwickelt, für jeden menschlichen Beobachter, der nicht Laplaces Dämon ist, die Gleichungen der Quantenmechanik sagen uns nicht genau, wo sich ein Teilchen zu einem späteren Zeitpunkt befindet, sondern nur die Wahrscheinlichkeiten, es an verschiedenen Orten zu finden, wenn man dort messen würde. Stellen Sie sich Ihre eigene Situation so vor. In jedem Moment sind Sie mit einer Wahrscheinlichkeitsverteilung dessen konfrontiert, was in möglichen nächsten Momenten passieren wird. Im nächsten Augenblick, Sie könnten mit gleicher Wahrscheinlichkeit nach links oder rechts gehen, Die Sonne könnte weiter scheinen (mit großer Wahrscheinlichkeit) oder aufhören zu leuchten (mit geringer Wahrscheinlichkeit), und so weiter. Sie sind jederzeit mit einer Wahrscheinlichkeitsverteilung konfrontiert, was passieren könnte. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung entwickelt sich gemäß der Quantentheorie deterministisch, aber das beseitigt nicht die Wahrscheinlichkeit.
Physicists assume the universe’s information is preserved from one time to the next. All the information was present at the Big Bang and persists today. Laut Georg Musser:
Informationserhaltung ist ein Synonym für Determinismus…. Dies kommt mit der wichtigen Einschränkung, dass die Information, über die wir sprechen, der globale Quantenzustand ist, die sich nach der Schrödinger-Gleichung entwickelt. Denn jedes Subsystem des Universums wird Informationen erzeugen oder zerstören. Wissenschaft. Bin., Jan. 2023, P. 6.
Und wir können Wahrscheinlichkeiten nicht entkommen. Denn die Quantentheorie beschreibt Objekte mit Wahrscheinlichkeiten und Wellen, Quantenobjekte sind anders als Objekte, die von der Newtonschen und relativistischen Physik beschrieben werden. Diese letzteren, Klassische Theorien implizieren, dass Objekte gleichzeitig bestimmte Positionen und Geschwindigkeiten haben, aber diese Implikation scheint mit Heisenbergs Unbestimmtheitsprinzip in der Quantentheorie nicht vereinbar zu sein.
Auch, in der Quantenfeldtheorie, two particles with the same quantum values are absolutely identical except for location, genauso wie zwei Instanzen der Zahl Sieben vollkommen gleich sind, während unsere am besten konstruierten Instanzen von zwei Kugeln nicht ganz gleich sind.
The famous two-slit experiment is usually interpreted as showing that a particle can be in two places at once. Bedauerlicherweise, Philosophen der Physik sind sich nicht einig darüber, was die Quantentheorie darüber impliziert, was ein Objekt ist, was es bedeutet, einen Standort zu haben, nor on how an object maintains its identity over time before and after passing through a slit. Nor do they agree on what happens during a measurement, insbesondere ob die Quantenwellenfunktion auf einen bestimmten Wert kollabiert oder nicht („Dekohärenz“ genannt). Angenommen, es bricht während der Messung zusammen, Wissenschaftler sind sich nicht einig, ob der Zusammenbruch sofort oder nur kurz ist. Georg Ellis, Co-Autor mit Stephen Hawking des maßgeblichen Buches The Large-Scale Structure of Space-Time, identifiziert eine Schlüsselschwierigkeit unseres Verständnisses der Quantenmessung in jenen Theorien, die besagen, dass die Wellenfunktion während der Messung zusammenbricht: "Normalerweise, es wird angenommen, dass die Messapparatur nicht den Regeln der Quantentheorie gehorcht, aber dies widerspricht der Annahme, dass alle Materie in ihrer Grundlage quantenmechanischer Natur ist.“
Apropos Wahrscheinlichkeit, Physiker sind sich uneins darüber, ob die Wahrscheinlichkeit objektiv oder subjektiv ist. Befürworter der relationalen Interpretation der Quantentheorie bestehen darauf, dass der Quantenzustand eines Systems vom Beobachter abhängt. Befürworter der Viele-Welten- oder Multiversum-Interpretation der Quantentheorie sagen, dass Schrödingers Katze in der Hälfte der Universen lebt, die vom Beginn des Katzenexperiments abzweigen, und es gibt keine fundamentalen Wahrscheinlichkeiten in der Natur, weil die Natur deterministisch ist, oder zumindest ist es so, wenn alle Universen ins Bild gebracht werden. In Bezug auf unser einziges tatsächliches Universum, the 50% probability is a product of our lack of knowledge of what is going on; Wir sind kein Gott, also können wir das Multiversum und seine Wellenfunktion nicht aus der göttlichen Perspektive sehen, und daher können wir nicht wissen, wie sich unser spezielles Universum mit der Zeit weiterentwickeln wird, aber ein allwissendes Wesen ist nicht durch die Verwendung von Wahrscheinlichkeiten belastet.
Der Zustand eines Systems in der Quantentheorie ist ganz anders als in der Newtonschen Theorie, die das Universum als deterministisch behandelt, Uhrwerkuniversum, in dem es wohldefinierte materielle Entitäten in Raum und Zeit gibt. Wegen Überlagerung, Subatomare Teilchen können gleichzeitig in mehreren Zuständen und sogar an mehreren Orten gleichzeitig existieren.
In der Quantenmechanik, Der Zustand eines Systems ist eine Überlagerung aller möglichen Messergebnisse, bekannt als die „Wellenfunktion“ des Systems. Die Wellenfunktion ist eine Kombination aller Ergebnisse, die Sie durch eine Beobachtung erhalten könnten, mit unterschiedlichen Gewichten für jede Möglichkeit. Der Zustand eines Elektrons in einem Atom, Zum Beispiel, wird eine Überlagerung aller erlaubten Umlaufbahnen mit festen Energien sein. Die Überlagerung, die einen bestimmten Quantenzustand darstellt, könnte stark auf ein bestimmtes Ergebnis konzentriert sein – das Elektron könnte fast perfekt in einer Umlaufbahn mit einer bestimmten Energie lokalisiert sein – aber im Prinzip können alle möglichen Messergebnisse Teil des Quantenzustands sein …. Wenn wir sagen, dass ein Quantenzustand eine Überlagerung ist, we don’t mean “it could be any one of various possibilities, wir sind uns nicht sicher, welche.“ Wir meinen „es ist eine gewichtete Kombination all dieser Möglichkeiten gleichzeitig.“ Wenn Sie irgendwie „Quantenpoker“ spielen könnten,„Ihr Gegner hätte wirklich eine Kombination aus allen möglichen Händen auf einmal, und ihre Hand würde erst dann zu einer bestimmten Alternative werden, wenn sie die Karten umgedreht haben, damit Sie sie sich ansehen können. (Caroll, 2016, P. 163)
Die Wellenfunktion ist ein Vektor, der den Zustand eines Systems beschreibt. Die Wellenfunktion eines Systems entwickelt sich glatt und zeitumkehrbar und deterministisch, zumindest dann, wenn keine Messung am System erfolgt. Aber Philosophen sind sich uneins darüber, ob ein Staat realistisch oder instrumentell interpretiert werden sollte. Obwohl die Quantentheorie die erfolgreichste Theorie in der Geschichte der Physik ist, Philosophen der Physik sind sich nicht einig darüber, ob die Quantentheorie eine Theorie über die Realität oder lediglich ein Werkzeug zur Durchführung von Messungen ist. Sie sind sich auch nicht einig darüber, ob die Quantenwellenfunktion eine Repräsentation der Realität oder stattdessen eine Repräsentation unseres Wissens über die Realität ist. Physiker sind sich nicht einig, ob wir derzeit die Grundgesetze der Quantentheorie besitzen, wie Everett glaubte, oder stattdessen nur eine unvollständige Version der Gesetze, wie Einstein glaubte.
Es gibt viele konkurrierende Interpretationen der Quantentheorie. David Alpert sagt, dass die Viele-Welten-Theorie am wenigsten wahr ist, und Sean Carroll sagt, dass es am ehesten wahr ist. Die früheste Theorie wurde von Niels Bohr in den 1920er Jahren entwickelt. Es wird die Kopenhagener Interpretation genannt. Bohrs Komplementaritätsidee zur Interpretation der Quantenmechanik ist, dass alle Teilchen sowohl Wellen- als auch Teilchenaspekte haben. Eine vollständige Beschreibung des Partikels erfordert die Angabe sowohl seines Wellencharakters als auch seines Partikelcharakters. Die Implikation ist, dass es kein Experiment gibt, das gleichzeitig ein präzises Ergebnis für den Wert der Geschwindigkeit und Position eines Elektrons liefern kann. Die Implikation hat keine praktischen Auswirkungen auf die Messung Ihrer Küchenarbeitsplatte.
Betrachten Sie ein Proton. Als Teilchen untersucht, ein Proton hat eine bestimmte Breite. Als Welle untersucht, das Proton ist eine relativ stabile „Beule“ in einem Protonenfeld. Die Beule hat keine bestimmte Breite. Also, im unvollkommenen Sinn, ein Proton hat und hat keine bestimmte Breite. Die Amplitude des Stoßes wird quantisiert; die Amplitude kann sich nicht kontinuierlich ändern, sondern nur in quantisierten Schritten.
Das sagt die Kopenhagener Deutung, wenn jemand eine Messung an einem System durchführt, Dieser Prozess kollabiert die Wellenfunktion, die das System beschreibt, und die Wahrscheinlichkeit des Zusammenbruchs auf einen bestimmten Wert der Messung ist das Quadrat der Amplitude der Wellenfunktion. Aber, wenn keine Messung durchgeführt wird, dann kollabiert das System nicht, sondern wird vollständig durch die Wellenfunktion beschrieben, die der Schrödinger-Gleichung gehorcht. Bohr gibt dieser Situation eine antirealistische Interpretation: Die Welt ist auf keinen Fall, wenn sie nicht beobachtet wird. „Es ist falsch zu glauben, dass die Aufgabe der Physik darin besteht, herauszufinden, wie die Natur ist," er sagte. Die Physik ist lediglich ein Instrument, um uns zu sagen, was wir über die Natur sagen können. Viele Physiker wenden sich gegen diese antirealistische Interpretation der Quantentheorie. Die Everett-Interpretation, Zum Beispiel, ist realistisch, Universal-, und lässt keinen Kollaps der Wellenfunktion zu.
Der Philosoph David Chalmers hat eine radikale Theorie der Quantentheorie propagiert, eine, die Eigentumsdualismus fördert. Diese Theorie impliziert, dass Bewusstsein ein grundlegendes Merkmal der Natur ist. Er spekuliert, dass es intrinsische Eigenschaften des Bewusstseins gibt, die mit gewöhnlichen physikalischen Eigenschaften interagieren können, und er schlägt vor, dass das Bewusstsein die Wellenfunktion auf ähnliche Weise kollabiert wie die Messung in der Kopenhagener Interpretation.
Das Problem des Determinismus spielt in der Quantentheorie eine große Rolle. Die Kopenhagener Interpretation impliziert, dass ein einzelner Kern radioaktiven Urans zu einem bestimmten Zeitpunkt zerfällt, es gibt keine entscheidende Ursache für den Verfall; Das Beste, was unsere Quantentheorie sagen kann, ist, dass es eine bestimmte Wahrscheinlichkeit gab, dass der Zerfall zu diesem Zeitpunkt stattfand, und dass es bestimmte Wahrscheinlichkeiten für andere mögliche experimentelle Ergebnisse gab. Nach der Kopenhagener Interpretation, der statistische Schleier der Quantentheorie kann nicht durchdrungen werden. Also, Die Quantenmechanik ist indeterministisch. Gleiche Messsituationen müssen nicht zum gleichen Ergebnis führen. Und unter der Annahme, dass Gründe Ursachen sind, die Kopenhagener Deutung widerspricht auch Leibniz’ Prinzip des hinreichenden Grundes.
Aber, Es gibt deterministische Interpretationen der Quantentheorie, die eine ganz andere Art von statistischem Schleier implizieren. Die Viele-Welten-Interpretation oder Everettsche Interpretation der Quantentheorie ist deterministisch über die Gesamtheit der Welten, wenn auch nicht innerhalb einer einzigen Welt wie der wirklichen Welt. Die Viele-Welten-Theorie impliziert zum Beispiel, dass wir nicht wissen können, welche Welt als nächstes passieren wird, eine Welt, in der Schrödingers Katze lebt, oder eine Welt, in der die Katze tot ist. Was wir im Voraus wissen können, sind nur die Wahrscheinlichkeiten dafür, dass wir uns in verschiedenen Welten befinden .
Die Wellenfunktion von Schrödinger beschreibt, wie sich Zustände eines Quantensystems im Laufe der Zeit entwickeln. Diese Quantenwellenfunktion bestimmt einmal die Wellenfunktion zu allen anderen Zeiten. Also, wenn Laplace’s Demon die Wellenfunktion kennen würde, es könnte die Funktion zu allen späteren und allen früheren Zeiten berechnen. Aber, eher paradox, Das impliziert die Heisenbergsche Unschärferelation der Quantentheorie, wenn genauere Informationen über den Zeitpunkt des Eintritts eines Ereignisses vorliegen, dann muss es nur weniger genaue Informationen über die beteiligte Energie geben. Aufgrund dieser prinzipiellen Ungenauigkeit, Daraus folgt, dass die Wahrscheinlichkeit nicht eliminierbar ist. Aber die philosophische Debatte geht weiter darüber, ob die Existenz dieser Wahrscheinlichkeit eine erkenntnistheoretische Beschränkung oder ein Zeichen von physikalischem Indeterminismus ist.
Das Unsicherheitsprinzip impliziert, dass die Unsicherheiten in den gleichzeitigen Messungen von Zeit und Energieemission oder Energieabsorption der Ungleichung ΔE gehorchen müssen ∙ Δt ≥ h/4π, wobei ΔE die ist (Standardabweichung der) Unsicherheit in der Energie, Δt ist die Unsicherheit in der Zeit, und h ist die Plancksche Konstante. Je nach Versuchsaufbau, Δt könnte die Dauer für die Durchführung der Energiemessung sein, oder es könnte die Dauer sein, die ein gemessener Teilchenzustand existiert. Diese Unsicherheiten werden über eine Sammlung von Messungen erzeugt, weil jede einzelne Messung dies hat, grundsätzlich, einen genauen Wert und ist nicht „unscharf“. Wiederholte Messungen erzeugen eine Streuung der Werte, die die wellenförmigen Eigenschaften des gemessenen Phänomens offenbaren. Normalerweise wird die Streuung als Varianz oder Standardabweichung der Messungen definiert. Philosophen der Physik sind sich nicht einig, ob Δt ein Mangel an Präzision in der Natur selbst oder ein Mangel an Wissen über genaue Messergebnisse oder eine unvermeidliche Störung während des Messens ist. Heisenberg selbst dachte an seine Unschärferelation darüber, wie es zu Störungen bei Messungen kommen muss. Trotzdem, Δt ist ein Maß für die Streuung von Werten für mehrere Dauermessungen, und man kann sich die Unschärferelation als Einschränkung der Statistik von Messungen vorstellen.
Eine wichtige Implikation dieser Bemerkungen über die Unschärferelation für Zeit und Energie ist, dass es Verletzungen des klassischen Energieerhaltungssatzes geben kann. The classical law can be violated by ΔE for a time Δt. Die Quantentheorie enthält ein Energieerhaltungsgesetz, aber dieses Gesetz wird häufig nachlässig so beschrieben, dass es dies verlangt, in einer isolierten Region des Weltraums, Die Gesamtenergiemenge kann sich nicht ändern, egal was in der Region passiert; die Energie kann nur ihre Form ändern. Diese Erklärung ist nicht ganz korrekt. Diese Version des Gesetzes wird häufig für sehr kurze Zeitintervalle verletzt und wird weniger wahrscheinlich verletzt, wenn das Zeitintervall zunimmt. Auf lange Sicht, obwohl, Energie bleibt immer erhalten.
Überlegen Sie, was während einer dieser Verletzungen passiert. In einem isolierten System, quantum theory allows so-called virtual particles to be created out of the quantum vacuum. These particles are real, aber sie leihen sich Energie aus dem Vakuum und zahlen sie sehr schnell zurück. Was passiert, ist das, wenn ein Paar energetischer virtueller Teilchen – sagen wir, ein Elektron und ein Antielektron – werden aus dem Vakuum erzeugt, die beiden existieren nur für sehr kurze Zeit, bevor sie vernichtet oder resorbiert werden und dadurch ihre geliehene Energie zurückgeben. Je größer die Energie des virtuellen Paares ist, desto kürzer ist das Zeitintervall, in dem die beiden bestehen, bevor sie resorbiert werden, wie durch die Heisenbergsche Unschärferelation beschrieben. In kürzesten Abständen, black holes would be continually created and the microscopic structure of spacetime would become a turbulent sea, der sogenannte Quantenschaum. Wenn ja, die glatte Struktur der Raumzeit ist nur eine Annäherung, die oberhalb der Planck-Skala funktioniert. Es ist eine offene Frage, ob Wheelers Quantenschaum existiert. Also, genau genommen, Die Quantentheorie erlaubt es, etwas aus dem Nichts zu erschaffen. Einige Theologen waren über diese Schlussfolgerung empört, was darauf hindeutet, dass nur Gott die Macht hat, etwas aus dem Nichts zu erschaffen.
Virtuelle Teilchen bewirken, dass sich die Raumzeit um sie herum krümmt, und dann zu entzerren, da die Partikel sehr schnell verschwinden. This coming in and out of existence creates all sorts of ultra-microscopic fluctuations known collectively as the quantum foam or space-time foam. The existence of this foam is why quantum mechanics implies there is turbulence at the smallest scales.
Die Wirkung all dieser Partikel, die sich in und aus dem Dasein winden, ist eine dröhnende „Vakuumenergie“, die den Kosmos füllt und den Raum selbst nach außen drückt. Diese Aktivität ist die wahrscheinlichste Erklärung für dunkle Energie – der Grund des Universums, anstatt statisch zu bleiben oder sogar stetig zu expandieren, beschleunigt jeden Moment schneller und schneller nach außen (Moskowitz 2021, P. 26).
Apropos Quantenschaum, John Wheeler schlug vor, dass die ultramikroskopische Struktur der Raumzeit Perioden in der Größenordnung der Planck-Zeit aufweist (about 5.4 x 10-44 seconds) in Regionen etwa in der Größe der Planck-Länge (about 1.6 x 10-35 meters) ist wahrscheinlich ein Quantenschaum mit sich schnell ändernder Krümmung der Raumzeit, mit schwarzen Löchern und virtuellen Teilchenpaaren und vielleicht Wurmlöchern, die sich schnell bilden und auflösen.
Die Planck-Zeit ist die Zeit, die das Licht benötigt, um eine Plankenlänge zurückzulegen. Die Begriffe Planck-Länge und Planck-Zeit waren Erfindungen von Max Planck im frühen 20. Jahrhundert während seiner Suche nach grundlegenden Längen- und Zeiteinheiten, die nur durch universelle Konstanten ausgedrückt werden konnten. Er definierte die Planck-Zeiteinheit algebraisch als
√(hG/c5).
√ ist das Quadratwurzelsymbol. ħ ist die Plancksche Konstante in der Quantentheorie geteilt durch 2π; G ist die Gravitationskonstante in der Newtonschen Mechanik; c ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in der Relativitätstheorie. Drei verschiedene Theorien der Physik sind in diesem einen Ausdruck miteinander verbunden. The Planck time is a theoretically interesting unit of time, aber keine praktische. Kein bekanntes experimentelles Verfahren kann Ereignisse erkennen, die so kurz sind.
Gemäß der Quantenmechanik gibt es keine isolierten Teilchen. Jedes Teilchen ist von vielen anderen Teilchen umgeben, mostly virtual particles. Bis jetzt, Dieser Artikel hat von virtuellen Teilchen gesprochen, als ob sie gewöhnliche, aber kurzlebige Teilchen wären. Das ist nicht ganz richtig. Virtuelle Teilchen sind nicht genau Teilchen wie die anderen Teilchen der Quantenfelder. Beides sind Erregungen dieser Felder, und sie haben beide Gravitationseffekte und somit Auswirkungen auf die Zeit, aber virtuelle Teilchen sind nicht äquivalent zu gewöhnlichen Quantenteilchen, obwohl die langlebigeren eher gewöhnlichen Teilchenanregungen ähneln als die kurzlebigen.
Virtuelle Teilchen sind nur eine Möglichkeit, das Verhalten von Quantenfeldern zu berechnen, indem man vorgibt, dass sich gewöhnliche Teilchen in seltsame Teilchen mit unmöglichen Energien verwandeln, und solche Teilchen untereinander hin und her zu werfen. Ein echtes Photon hat genau die Masse Null, aber die Masse eines virtuellen Photons kann absolut alles sein. Was wir mit „virtuellen Teilchen“ meinen, sind subtile Verzerrungen in der Wellenfunktion einer Ansammlung von Quantenfeldern … aber alle nennen sie Teilchen [um ihre Namen einfach zu halten] (Carroll 2019, P. 316).
Um die obige Diskussion über virtuelle Teilchen und Quantenschaum zusammenzufassen, das könnte man sagen, wenn man den fundamentalen Theorien trauen könnte, dann ist die Zeit ein glattes Kontinuum. Aber, Es gibt Grund, den fundamentalen Theorien nicht zu vertrauen. A great many physicists believe time might be required to not be smooth and to break up for durations around the Planck interval of 10-43 seconds. Die Argumentation beinhaltet die Quantenmechanik, insbesondere Heisenbergs Unschärferelation. Für diese sehr kurze Dauer, Sehr große Strahlungsmengen können „ausgeliehen“ werden. Für Planck-Intervalle in vergleichbar kleinen Volumina, John Wheeler vermutete, dass die Schwerkraft dieser großen Energiemenge so stark werden würde, dass schwarze Löcher entstehen und die mikroskopische Struktur der Raumzeit zu einem aufgewühlten Meer werden würde, der sogenannte Quantenschaum. Wenn ja, die glatte Struktur der Raumzeit ist nur eine Annäherung, die oberhalb der Planck-Skala funktioniert. Es ist eine offene Frage, ob Wheelers Quantenschaum existiert.
Verschränkung ist ein ungewöhnliches Merkmal der Quantentheorie, das Zeit beinhaltet. Ontologisch, Die Schlüsselidee ist, wenn ein Teilchen mit einem oder mehreren anderen Teilchen verschränkt wird, dann verliert es etwas von seiner Individualität. Obwohl sowohl die spezielle als auch die allgemeine Relativitätstheorie die Geschwindigkeitsbegrenzung c darauf setzen, wie schnell sich ein kausaler Einfluss durch den Raum ausbreiten kann, die klassische Quantenmechanik hat diese Grenze nicht. Eine Quantenmessung eines Mitglieds eines verschränkten Teilchenpaars bestimmt sofort den Wert jeder ähnlichen Messung, die an dem anderen Mitglied des Paars durchgeführt werden könnte. Der Begriff der Wertbestimmung ist nicht ganz der Begriff der Verursachung, und Verschränkung kann nicht verwendet werden, um zu bewirken, dass Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von einem Ort zum anderen übertragen werden.
Speaking about entanglement in 1935, sagte Erwin Schrödinger:
Messungen an (räumlich) Getrennte Systeme können sich nicht direkt beeinflussen – das wäre Zauberei.
Einstein stimmte zu. Doch die Magie scheint zu existieren. Mit verschränkten Paaren, es gibt sofort, coordinated behavior across great distances. Here is an example. Betrachten Sie die Erzeugung zweier verschränkter Elektronen mit korrelierten Spins. Stellen Sie sich den Spin als die Trägheit der Orientierung vor, die Art von Dingen, die einen Kreisel in die gleiche Richtung zeigen lassen. Das Spannende und Besondere ist das, obwohl die beiden verschränkten Elektronen so geschaffen wurden, dass sie nachgeben, let’s say, die gleichen Werte, wenn ihre Spins gemessen werden, es kann gezeigt werden, dass sie nicht mit demselben Spin erzeugt wurden. Es ist nicht so, dass beide mit Spin Up oder beide mit Spin Down begonnen haben, sondern nur, dass später festgestellt werden muss, dass sie den gleichen Spin haben. Um diesen „magischen“ Punkt zu schätzen, trennen die beiden durch eine große Distanz. Führen Sie nun eine Messung des Spins an einem der beiden verschränkten Elektronen durch. Angenommen, der Spin dieses Elektrons wird als oben gemessen. Wenn eine ähnliche Messung an dem sehr entfernten Elektron durchgeführt werden würde, sein Spin würde sich ebenfalls oben befinden. Und diese zweite Messung kann durchgeführt werden, bevor ein Teilchen, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, Zeit hat, Informationen in die Ferne zu tragen, zweites Teilchen darüber, was beim ersten Teilchen passiert ist. The transmission of coordinated behavior happens in zero time. It is hard for us who are influenced by the manifest image to believe that the two electrons did not start out with the spins that they were later found to have. Das manifeste Bild setzt diese Lokalität voraus. Die Quantentheorie impliziert, dass Verschränkung oder Nicht-Lokalität fast überall auftritt, also ist dies die Standardeinstellung, und was erklärt werden muss, ist jedes Auftreten von Lokalität – oder die Multiversum-Theorie ist richtig und Messungen haben keine eindeutigen Ergebnisse.
Einige Physiker, darunter der Philosoph David Albert, schlagen vor, dass die Erklärung nichtlokaler Phänomene wie Verschränkung eine Vorstellung von absoluter Gleichzeitigkeit erfordert, und damit eine Überarbeitung der Annahme der allgemeinen Relativitätstheorie, dass alle Referenzrahmen legitim sind (eine Annahme namens Lorentz-Invarianz).
Alle Physiker glauben, dass Relativitätstheorie und Quantentheorie logisch gegensätzlich sind. Also, Die beiden Theorien müssen durch eine Theorie ersetzt werden, die üblicherweise als Quantengravitation bezeichnet wird und „fundamentaler“ ist. Es wird gewöhnlich nicht klargestellt, was eine fundamentale Theorie fundamental macht, aber insgesamt, vage Idee ist, dass eine fundamentale Theorie nichts eindeutig Erklärungsbedürftiges übrig lassen sollte, das einer Erklärung gegeben werden könnte. Für weitere Diskussion darüber, was mit den Begriffen Fundamentaltheorie gemeint ist oder gemeint sein sollte, mehr grundlegende Theorie, und endgültige Theorie, sehen (Crowther 2019).
An. Standardmodell
Das Standardmodell der Teilchenphysik wurde in den 1970er Jahren vorgeschlagen, und es wurde anschließend perfektioniert und sehr gut getestet. Es ist die präziseste und mächtigste physikalische Theorie unserer Zivilisation. Zum Beispiel, Es kann verwendet werden, um zu erklären, warum das Periodensystem die Werte hat, die es hat, und es erklärt, warum Glas steif und transparent ist, aber Trauben sind nicht steif und nicht durchsichtig.
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist eigentlich eine lose Sammlung von Theorien über verschiedene Teilchenfelder. Es beschreibt alle bekannten Felder und Kräfte und Teilchen mit einigen Ausnahmen, die am Ende dieses Artikels beschrieben werden. Die Hauptausnahme ist die Schwerkraft.
Die Theorie setzt Grenzen dessen, was existiert und was passieren kann. Es impliziert, Zum Beispiel, dass ein Photon nicht in zwei Photonen zerfallen kann. Es impliziert, dass Protonen Elektronen anziehen und sie niemals abstoßen. Es impliziert auch, dass jedes Proton teilweise aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark besteht, die durch den Austausch von Gluonen miteinander wechselwirken. Die Gluonen kleben die Teilchen durch die starke Kernkraft zusammen, so wie Photonen durch die elektromagnetische Kraft Elektronen an Protonen kleben. Gravitonen, die Trägerpartikel für die Schwerkraft, Klebe einen Mond auf einen Planeten und einen Planeten auf einen Stern. Anders als Isaac Newton sich Kräfte vorgestellt hat, Alle Kräfte werden von Teilchen übertragen. Das heißt, alle Kräfte haben Trägerteilchen, die die Kraft von einem Ort zum anderen „tragen“.. Die Gluonen sind masselos und übertragen die starke Kraft; diese Kraft „klebt“ die Quarks innerhalb eines Protons zusammen. More than 90% of the mass of the proton consists in virtual quarks, virtuelle Antiquarks und virtuelle Gluonen. Weil sie nur über sehr kurze Zeitskalen existieren, sie sind zu schwierig durch irgendein praktisches Experiment zu entdecken, daher werden sie „virtuelle Teilchen“ genannt. Jedoch, Dieses Wort „virtuell“ bedeutet nicht „nicht real“.
Die Eigenschaften von Raumzeitpunkten, die dazu dienen, jedes Teilchen von jedem anderen zu unterscheiden, sind die Massewerte eines Raumzeitpunkts, drehen, und an diesem Punkt aufladen. Es gibt keine weiteren Unterschiede zwischen den Punkten, In diesem Sinne ist die Grundlagenphysik also einfach. Aufladung, obwohl, ist nicht einfach elektromagnetische Ladung. Es gibt drei Arten von Farbladungen für die starke Kernkraft, und zwei Arten von Ladungen für die schwache Kernkraft.
Außer Schwerkraft, das Standardmodell beschreibt alle Kräfte und Wechselwirkungen des Universums, aber streng genommen, Bei diesen Theorien geht es eher um Wechselwirkungen als um Kräfte. Eine Kraft ist nur eine Art von Wechselwirkung. Einige Wechselwirkungen beinhalten keine Kräfte, sondern wandeln eine Teilchensorte in eine andere um. Das Proton, Zum Beispiel, ändert sein Aussehen je nachdem, wie es untersucht wird. Die schwache Wechselwirkung kann ein Neutron in ein Proton umwandeln. Aufgrund solcher Transformationen werden die Vorstellungen von etwas, das aus etwas anderem gemacht ist, und von einem Ding, das Teil eines Ganzen ist, für sehr kurze Zeiträume und kurze Entfernungen ungenau. Die klassische Mereologie versagt; es ist das formale Studium der Teile und der Ganzheiten, die sie bilden.
Most every kind of event and process in the universe is produced by one or more of the four interactions. When any particle interacts, sagen wir mit einem anderen Teilchen, die beiden Teilchen tauschen andere Teilchen aus, die sogenannten Träger der Wechselwirkungen. Also, wenn Milch auf den Boden verschüttet wird, was passiert ist, dass die Partikel der Milch und die Partikel im Boden und die Partikel in der Umgebungsluft sehr viele Trägerpartikel miteinander austauschen, und der Austausch ist das, was man „Milch auf den Boden verschütten“ nennt. Doch all diese unterschiedlichen Teilchen sind nur winzige Schwankungen von Feldern. Das wissenschaftliche Bild hat sich hier sehr weit vom manifesten Bild entfernt.
Nach dem Standardmodell, aber nicht nach der Allgemeinen Relativitätstheorie, Alle Teilchen müssen sich mit der Geschwindigkeit c bewegen, es sei denn, sie interagieren mit anderen Feldern. Alle Teilchen in Ihrem Körper wie seine Protonen und Elektronen würden sich mit der Geschwindigkeit c bewegen, wenn sie nicht ständig mit dem Higgs-Feld interagieren würden. Das Higgs-Feld kann man sich wie ein Melassemeer vorstellen, das alle Protonen und Elektronen verlangsamt und ihnen die Masse und Trägheit verleiht, die sie haben. Neutrinos werden vom Higgs-Feld nicht beeinflusst, aber sie bewegen sich etwas weniger als c, weil sie leicht von der schwachen Wechselwirkung beeinflusst werden.
Ab dem ersten Viertel des einundzwanzigsten Jahrhunderts, das Standardmodell ist unvollständig, weil es die Schwerkraft nicht berücksichtigen kann, Dunkle Materie, dunkle Energie, und die Tatsache, dass es mehr Materie als Antimaterie gibt. Wenn eine neue Version des Standardmodells all dies tut, dann wird es vielleicht die lang ersehnte „Theorie von allem“.
4. Urknall
Die klassische Urknalltheorie impliziert, dass das beobachtbare Universum einst extrem klein war, dicht, heiß, nahezu einheitlich, und erweitern; und es hatte eine extrem hohe Energiedichte und eine starke Krümmung seiner Raumzeit. Jetzt hat es all diese Eigenschaften verloren, außer dass es sich immer noch ausdehnt und im größten Maßstab nahezu gleichförmig ist.
Dafür gibt es viele Beweise, aber der beste Beweis ist, dass wir dies aus unseren Beobachtungen der Bewegungen von Galaxien bemerken, wenn die Zeit umgekehrt wäre, Alle Galaxien würden gleichzeitig zusammenkommen.
Die Urknallexplosion war ein Anschwellen des Weltraums, not an explosion in a pre-existing void. Es geschah überall und nicht im Zentrum von irgendetwas.
Es ist nicht bekannt, ob das Universum vor dem Urknall existierte, und die klassische Urknalltheorie sagt nichts darüber aus, wie der Knall begann.
In den 1960ern, Die Urknalltheorie löste die Steady-State-Theorie als dominierende Theorie der Kosmologie ab, und die Theorie ging von einer Spekulation zu einer Tatsache über. Die Steady-State-Theorie erlaubte es dem Raum, sich im Volumen auszudehnen, aber es kompensierte dies, indem es für eine spontane Schöpfung von Materie sorgte, um die Dichte des Universums konstant zu halten, verstößt damit gegen den Energieerhaltungssatz. Vor den 1960er Jahren, physicists were unsure whether proposals about cosmic origins were pseudoscientific and so should not be discussed in a well-respected physics journal. The term “big bang” was a derisive term coined by proponents of the steady state theory to emphasize that the big bang theory is incorrect, aber aufgrund der anschließenden breiten Akzeptanz der Theorie hat der Begriff keine negativen Konnotationen mehr.
Gemessen in erster Linie an der heutigen räumlichen Ausdehnung des Universums und der Annahme, dass die Schwerkraft die Hauptkraft war, die die Veränderung der Größe des Universums beeinflusst hat, it is estimated the explosion began 13.8 billion years ago. Damals, das Universum hätte ein ultramikroskopisches Volumen gehabt. Der explosive Prozess schuf neuen Raum, und es schafft immer noch neuen Raum. Tatsächlich, in 1998, Die klassische Theorie des Urknalls wurde dahingehend revidiert, dass die Expansionsrate nicht konstant ist, sondern sich in den letzten fünf Milliarden Jahren aufgrund der allgegenwärtigen Präsenz dunkler Energie beschleunigt hat. Dunkle Energie hat diesen Namen, weil so wenig über sie bekannt ist, außer dass ihre Menge pro Volumeneinheit konstant bleibt, wenn sich der Weltraum ausdehnt. Das heißt, es verdünnt nicht.
Hier ist ein radiales Diagramm, das zeigt, wie das Universum für einen Beobachter bei der Sonne aussieht. Entfernungen von der Sonne sind auf einer logarithmischen Skala zurück zum Beginn des Urknalls, was als äußerer Kreis dargestellt wird. Das Diagramm zeigt umgekehrt, wie stark sich das Universum seit seiner ultramikroskopischen Größe ausgedehnt hat:
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Die Darstellung ist umgekehrt, da der Strom, Das große Volumen des Universums wird als kleines Zentrum des Diagramms und das alte angezeigt, tiny volume is displayed as the large outer ring.
Es wird angenommen, dass ein radiales Diagramm, das auf einem beliebigen anderen Stern oder einem beliebigen Ort im Universum zentriert ist, dem obigen Diagramm sehr ähnlich wäre, vor allem je weiter man sich von seinem Zentrum entfernt. Wenn Sie von der Mitte des Diagramms aus schauen, sehen Sie in der Zeit zurück – je weiter Sie hinausblicken, desto weiter in der Zeit zurück. Immer weiter hinauszuschauen bedeutet, in Zeiten zu blicken, in denen das Universum eine immer geringere Entropie hatte. Wenn Sie sich dieses Diagramm ansehen, sollten Sie sich vor allem daran erinnern, dass je weiter von der Mitte des Diagramms entfernt, je kleiner das Universum; Die äußere Grenze des Diagramms repräsentiert ein ultramikroskopisches Universum zu Beginn des Urknalls. Wissenschaftler sind sich sehr sicher, dass es einen Urknall gab, und sie wissen eine Sekunde nach dem Urknall sehr viel über das Universum, aber weniger als eine Mikrosekunde nach dem Urknall wissen sie sehr wenig darüber.
Die Urknalltheorie in irgendeiner Form (mit oder ohne Inflation) wird von fast allen Kosmologen akzeptiert, Astronomen, Astrophysiker, und Philosophen der Physik, aber sie wird nicht so fest akzeptiert wie die Relativitätstheorie. Die Theorie entstand mit mehreren Personen, although Edwin Hubble’s observations in 1929 were the most influential. In 1922, Der russische Physiker Alexandr Friedmann entdeckte, dass die allgemeine Relativitätstheorie ein expandierendes Universum zulässt. Bedauerlicherweise, Einstein reagierte, indem er sagte, dies sei eine bloße physikalische Möglichkeit, aber sicherlich kein Merkmal des tatsächlichen Universums. Then the Belgian physicist Georges Lemaître suggested in 1927 that there is some evidence the universe is expanding, und er verteidigte seine Behauptung mit zuvor veröffentlichten Messungen, um ein Muster zu zeigen, dass je größer die Entfernung einer Galaxie von der Erde ist, desto größer die Geschwindigkeit der Galaxie von der Erde entfernt ist. Diese Geschwindigkeiten berechnete er aus den Doppler-Verschiebungen ihrer Lichtfrequenz. In 1929, Der amerikanische Astronom Edwin Hubble zeichnete sorgfältig Galaxienhaufen auf, die sich voneinander entfernen, wobei sich die weiter entfernten Cluster mit größerer Geschwindigkeit entfernen, und diese Beobachtungen hatten einen entscheidenden Einfluss darauf, dass Wissenschaftler das akzeptierten, was heute als Urknalltheorie des Universums bezeichnet wird. Sowohl die Berechnungen von Lemaître als auch die Beobachtungen von Hubble legen dies nahe, wenn die Zeit umgekehrt wäre, Alle Galaxien würden sich in einem sehr kleinen Volumen treffen. Momentan, Der Weltraum dehnt sich aus, weil die meisten Galaxienhaufen voneinander wegfliegen, obwohl Moleküle, Planeten, und Galaxien selbst dehnen sich jetzt nicht aus. Letztlich, sogar sie werden sich ausdehnen.
Wenn die Cluster weiter auseinander gehen, die elektromagnetische Strahlung, die sie aussenden, wird auf ihrem Weg zur Erde stärker rotverschoben. Die beste Erklärung für die Rotverschiebung ist, dass sich das Universum ausdehnt. Die Ausdehnung ist auch der Grund, warum der Himmel nachts dunkel ist, anstatt übermäßig hell zu sein.
Die Annahme der Relativitätstheorie hat festgestellt, dass sich der Raum in der Nähe aller Massen krümmt. Aber, Die Theorie hat keine Auswirkungen auf die Krümmung auf kosmischer Ebene. In Bezug auf diese Krümmung, Das obige radiale Bild des Universums kann falsch interpretiert werden, indem das Universum nicht vom beobachtbaren Universum unterschieden wird. Das Diagramm zeigt nur das kugelförmige beobachtbare Universum. Das ist im Prinzip von der Erde aus zu sehen. The sphere with its contents of 350 billion large galaxies is called “our Hubble Bubble” and “our pocket universe.” Its diameter is about 93 billion light years, aber es wächst schnell. Aber, Das Bild sollte nicht dahingehend interpretiert werden, dass das größere Universum selbst jetzt eine sphärische Krümmung hat. Die Urknalltheorie geht davon aus, dass das ultramikroskopische Universum zu einem sehr frühen Zeitpunkt eine extrem große Krümmung aufwies, but most cosmologists believe that the universe has straightened out and now no longer has any spatial curvature on the largest scale of billions of light years. Astronomische Beobachtungen zeigen, dass die aktuelle Verteilung der Materie im Universum mit zunehmendem Maßstab zur Gleichförmigkeit tendiert. Auf sehr großen Skalen ist es homogen und isotrop.
Hier ist ein weiteres Bild, das die gleichen Informationen anders darstellt, mit zunehmender Zeit nach rechts und (zwei Dimensionen unserer dreidimensionalen) Raum zunehmend nach oben, runter, raus und rein ins Bild:
Zuschreibung: NASA/WMAP-Wissenschaftsteam
Durch Klicken auf das Bild wird ein vergrößertes Bild mit mehr Details angezeigt.
Der Begriff Urknall ist nicht genau definiert. Es bezieht sich nicht immer auf eine einzelne, erste Veranstaltung; eher, es bezieht sich häufiger auf eine kurze Dauer früher Ereignisse, als das Universum eine schnelle Expansion durchmachte. Eigentlich, die Urknalltheorie selbst ist keine spezifische Theorie, sondern eher ein Rahmenwerk für spezifischere Urknalltheorien.
Astronomers on Earth detect microwave radiation arriving in all directions from the light produced about 380,000 Jahre nach dem Urknall. Damals wurde das Universum zum ersten Mal transparent. This occurred because the universe had cooled to 3,000 Grad Kelvin, die kühl genug war, um Atome zu bilden und Photonen erstmals die Möglichkeit zu geben, sich frei zu bewegen, ohne sofort von benachbarten Teilchen wieder absorbiert zu werden. Diese ursprüngliche elektromagnetische Strahlung hat nun als ältestes Licht des Universums die Erde erreicht. But it is no longer bright light. Seine Wellenlänge hat zugenommen; es ist jetzt zu Mikrowellenstrahlung geworden, weil seine Wellenlänge ständig gestreckt wurde (rotverschoben) as the universe expanded during the time of its travel toward Earth. Measuring this incoming Cosmic Microwave Background (CMB) Strahlung zeigt, dass es in allen Himmelsrichtungen sehr gleichmäßig ist. The energy or temperature of the radiation once was high but now is only 2.728 degrees Celsius above absolute zero (die kälteste Temperatur). Diese Temperatur ist nicht vollkommen glatt, obwohl. Sie variiert geringfügig mit dem Winkel um ein Zehntausendstel Grad Temperatur. Diese fast gleichmäßige Temperatur impliziert, dass die frühesten Zeiten des Urknalls eine noch größere Gleichmäßigkeit hatten, und es impliziert, dass die Entropie des Urknalls sehr niedrig war. Die winzigen Mikrowellen-Temperaturschwankungen in verschiedene Richtungen sind Spuren von ultramikroskopischen Schwankungen in der Dichte von Urmaterial sehr früh während des Urknalls. Diese früh, kleine Schwankungen, wahrscheinlich sind Quantenfluktuationen, und sie sind wahrscheinlich der Ursprung dessen, was später die ersten Galaxien wurden. Wahrscheinlich wurden alle großräumigen Strukturen im heutigen Universum durch frühe Quantenunsicherheit ausgelöst.
Seit der ersten Sekunde des Urknalls, Die Expansionsrate des Universums war nicht einheitlich, weil es eine andere Expansionsquelle gibt, die Abstoßung dunkler Energie. Der Einfluss der Dunklen Energie war zunächst unbedeutend, aber sein Hauptmerkmal ist, dass es sich nicht verwässert, wenn der Raum, in dem es sich befindet, sich ausdehnt. Also, Endlich, nach etwa sieben Milliarden Jahren der Ausdehnung des Weltraums, die Dunkle Energie wurde zu einem einflussreichen Faktor und begann die Expansion zu beschleunigen. Die Expansionsrate wird immer bedeutender. Dieser Einfluss wird im obigen Diagramm als die Krümmung dargestellt, die direkt unter und vor dem Wort „etc.“ auftritt. Die meisten Kosmologen glauben, dass dunkle Energie die Energie des Weltraums selbst ist.
The initial evidence for this dark energy came from observations in 1998 of Doppler shifts of supernovas. Diese Beobachtungen lassen sich am besten durch die Annahme erklären, dass die Entfernungen zwischen Supernovas immer schneller zunehmen. Wegen dieser Tariferhöhung, it is estimated that the volume of the universe will double every 1010 years. Any galaxy cluster that is now 100 light-years away from our Milky Way will, in another 13.8 billion years, be more than 200 light-years away and will be moving much faster away from us. Letztlich, es wird sich so schnell von uns entfernen, dass es unsichtbar wird. In ausreichender Zeit, alle Galaxien außer der Milchstraße werden unsichtbar. Danach, Alle Sterne in der Milchstraße werden unsichtbar. In diesem Sinne, Astronomen werden nie mehr sehen, als sie jetzt sehen könnten.
Über die Expansion des Universums, Atome expandieren derzeit nicht. Sie werden durch die elektromagnetische Kraft und die starke Kraft fest zusammengehalten (mit ein wenig Hilfe von der schwachen Kraft und der Schwerkraft) die den gegenwärtigen Wert der abstoßenden Kraft der dunklen Energie oder was auch immer es ist, das die Ausdehnung des Raums verursacht, überwältigen. Was sich jetzt ausdehnt, sind die durchschnittlichen Entfernungen zwischen Galaxienhaufen. Es ist, als würden die Cluster auseinander explodieren, und, in der Zukunft, Sie werden sehr viel weiter voneinander entfernt sein. Laut dem Kosmologen Sean Carroll, Derzeit ist die „Idee, dass sich das Universum insgesamt ausdehnt, nur im größten Maßstab wahr. Es ist eine Annäherung, die immer besser wird, wenn man immer weiter entfernte Galaxien betrachtet.“
Letztlich, obwohl, wenn die Expansionsrate eskaliert, Alle Galaxienhaufen werden auseinandergerissen. Dann werden Galaxien selbst auseinandergerissen, dann alle Sonnensysteme, und letztlich sogar Moleküle und Atome und alle anderen Konfigurationen von Elementarteilchen.
Warum sagt die Urknalltheorie, dass der Raum explodiert ist, anstatt zu sagen, dass Materie-Energie in einen bereits existierenden Raum explodiert ist?? Dies ist ein subtiles Problem. Wenn es gesagt hätte, dass Materie-Energie explodiert ist, aber der Raum nicht, dann würde es unbequeme Fragen geben: Wo ist der Punkt im Weltraum, an dem es explodierte?, und warum dieser Punkt? Eine Auswahl wäre willkürlich. Und da wären diese zusätzlichen unbequemen Fragen: Wie groß ist dieser bereits vorhandene Raum?? Wann wurde es erstellt? Experimentelle Beobachtungen weisen eindeutig darauf hin, dass sich einige Galaxienhaufen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit voneinander trennen müssen, aber hinzuzufügen, dass sie dies tun, weil sie sich in einem bereits bestehenden Raum so schnell bewegen, würde eine Ad-hoc-Revision der Relativitätstheorie erfordern, um Ausnahmen von Einsteins Geschwindigkeitsbegrenzung zu machen. Also, Es ist viel „bequemer“, zu sagen, der Urknall sei eine Explosion des Raums oder der Raumzeit, keine Explosion von Materie-Energie innerhalb der Raumzeit.
Der Begriff „unser beobachtbares Universum“ und der synonyme Begriff „unsere Hubble-Blase,“ beziehen sich auf alles, was ein Mensch auf der Erde im Prinzip beobachten könnte. Aber, Es gibt ferne Orte im Universum, an denen ein Astronom mehr Dinge sehen könnte, als von der Erde aus sichtbar sind. Darin sind sich die Physiker einig, wegen dieser Überlegung, Es gibt Objekte, die sich im Universum befinden, aber nicht in unserem beobachtbaren Universum. Denn diese nicht beobachtbaren Objekte sind auch das Produkt unseres Urknalls, Kosmologen gehen davon aus, dass die nicht beobachtbaren Objekte den Objekten ähneln, die wir auf der Erde beobachten – dass diese Objekte Atome und Galaxien bilden, und diese Zeit verhält sich dort wie hier. Aber es gibt keine Garantie dafür, dass diese bequeme Annahme richtig ist.
Because the big bang happened about 14 billion years ago, you might think that no visible object can be more than 14 billion light-years from Earth, aber das wäre ein Fehler, der die Tatsache nicht berücksichtigt, dass sich das Universum die ganze Zeit ausgedehnt hat. The increasing separation of clusters of galaxies over the last 14 billion years is why astronomers can see about 45 billion light-years in any direction and not merely 14 billion light-years.
Einige entfernte Galaxien bewegen sich so schnell von uns weg, dass sie unsichtbar sind. Ihre Rezessionsgeschwindigkeit ist größer als c. Dennoch, Unter der Annahme, dass die allgemeine Relativitätstheorie richtig ist, nichts in unserem Universum vergeht, oder jemals vergangen ist, oder alles schneller passieren als c; So, in diesem Sinne, c ist immer noch unsere kosmische Höchstgeschwindigkeit.
Wenn zeitgenössische Physiker vom Alter unseres Universums und von der Zeit seit unserem Urknall sprechen, sie beziehen sich implizit auf die im kosmologischen Ruhesystem gemessene kosmische Zeit. Dies ist eine Zeit, die in einem einzigartigen Referenzrahmen gemessen wird, in dem die durchschnittliche Bewegung aller Galaxien stationär ist und die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung so nahe wie möglich daran ist, in alle Richtungen gleich zu sein. Dieser Rahmen ist keiner, in dem die Erde stationär ist. Die kosmische Zeit ist die Zeit, die von einer Uhr gemessen wird, die so still wie möglich stehen würde, während sich das Universum um sie herum ausdehnt. In kosmischer Zeit, t = 0 years is when the big bang occurred, and t = 13.8 billion years is our present. Wenn Sie in diesem Rahmen am räumlichen Ursprung ruhen würden, dann hätte die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung in sehr großem Maßstab in jeder Richtung die gleiche Temperatur. Dies ist der Ring im obigen radialen Diagramm, als das Universum zum ersten Mal für Licht transparent wurde. When the universe was smaller than it is now and it was about 100 million light years across, Die Materie des Universums wäre ungefähr gleichmäßig verteilt. In dieser Größenordnung, es ist, als ob alle Galaxien Staubpartikel wären, die in einem großen Raum schweben, und in der Mitte des Raumes ist die Staubverteilung in einer Richtung die gleiche wie in jeder anderen Richtung, und in jedem Bereich des Zimmers ist so viel Staub wie in jedem anderen Bereich. Auf einer feineren Skala, Die Materie im Universum ist ungleich verteilt.
Der kosmische Ruherahmen ist einzigartig, privilegierter Referenzrahmen für astronomische Bequemlichkeit, aber es gibt keinen Grund anzunehmen, dass es anderweitig privilegiert ist. Es ist nicht der Rahmen, den der A-Theoretiker sucht, der an eine einzigartige Gegenwart glaubt, noch von Isaac Newton, der an absolute Ruhe glaubte, noch von Maxwell, der an seinen Äther aus dem neunzehnten Jahrhundert glaubte.
Der räumliche Ursprungspunkt des kosmischen Rahmens wird wie folgt beschrieben:
Tatsächlich, Es ist nicht ganz richtig, dass die kosmische Hintergrundwärmestrahlung über den Himmel völlig gleichmäßig ist. Es ist ganz leicht heißer (d.h., Intensiver) in Richtung des Sternbildes Löwe als im rechten Winkel dazu…. Obwohl der Blick von der Erde auf ein leicht verzerrtes kosmisches Wärmebad zeigt, es muss eine Bewegung vorliegen, ein Bezugsrahmen, wodurch das Bad in jeder Richtung genau gleich aussehen würde. It would in fact seem perfectly uniform from an imaginary spacecraft traveling at 350 km per second in a direction away from Leo (Richtung Fische, wie es passiert)…. Wir können diese spezielle Uhr verwenden, um eine kosmische Zeit zu definieren …. Glücklicherweise, the Earth is moving at only 350 km per second relative to this hypothetical special clock. This is about 0.1 percent of the speed of light, und der Zeitdilatationsfaktor beträgt nur etwa ein Teil von einer Million. Also in hervorragender Näherung, Die historische Zeit der Erde fällt mit der kosmischen Zeit zusammen, so können wir die Geschichte des Universums gleichzeitig mit der Geschichte der Erde erzählen, Trotz der Relativität der Zeit.
Ähnliche hypothetische Uhren könnten sich überall im Universum befinden, jeweils in einem Bezugssystem, in dem die kosmische Hintergrundwärmestrahlung gleichmäßig aussieht. Beachten Sie, dass ich „hypothetisch“ sage; wir können uns die Uhren da draußen vorstellen, und Legionen von Lebewesen, die sie pflichtbewusst inspizieren. Diese Gruppe imaginärer Beobachter wird sich auf eine gemeinsame Zeitskala und eine gemeinsame Reihe von Daten für wichtige Ereignisse im Universum einigen, obwohl sie sich durch die allgemeine Expansion des Universums relativ zueinander bewegen …. Also, Die kosmische Zeit, gemessen von dieser speziellen Gruppe von Beobachtern, stellt eine Art universelle Zeit dar … (Davies 1995, pp. 128-9).
Es ist eine Konvention, dass sich Kosmologen darauf einigen, die kosmische Zeit dieses speziellen Referenzrahmens zu verwenden, aber es ist eine interessante Tatsache und keine Konvention, dass unser Universum so organisiert ist, dass es eine so nützliche kosmische Zeit gibt, die von den Kosmologen übernommen werden kann. Nicht alle physikalisch möglichen Raumzeiten, die den Gesetzen der allgemeinen Relativitätstheorie gehorchen, können eine solche kosmische Zeit haben.
An. Kosmische Inflation
Laut einer populären Überarbeitung der klassischen Urknalltheorie, Die kosmische Inflationstheorie, the universe underwent an inflationary expansion soon after t = 0. Es war eine plötzliche und hyperschnelle Expansion, ein kosmologischer Phasenübergang, mit einer exponentiell ansteigenden Rate für eine sehr kurze Zeit. Niemand weiß, ob es sich gleichmäßig in alle Richtungen ausdehnte. Es begann zu einem frühen Zeitpunkt aus unbekannten Gründen, und, wieder aus unbekannten Gründen, Es hörte sehr bald auf, sich aufzublasen, nachdem es begonnen hatte.
Die Inflation wurde eingeleitet, kurz nachdem sich die große vereinte Kraft in drei getrennte Kräfte aufgelöst hatte – die starke Kraft, die schwache Kraft, und die elektromagnetische Kraft.
Etwa die Hälfte der Kosmologen glaubt nicht an Inflation; Sie hoffen, dass es eine andere Erklärung für die Phänomene gibt, für die die Inflationstheorie entwickelt wurde. Die Theorie wurde entwickelt, um zu erklären, warum es nicht überall punktförmige magnetische Monopole gibt (das Monopolproblem genannt), warum die Mikrowellenstrahlung, die aus allen Richtungen auf die Erde trifft, so gleichmäßig ist (Das Problem des kosmischen Horizonts), warum wir keinen Protonenzerfall nachweisen konnten (das Problem des Protonenzerfalls), und warum es derzeit so wenig Raumkrümmung gibt (das Flachheitsproblem). Diese Probleme sind sehr schwer zu lösen, ohne Inflation anzunehmen.
Die Urknalltheorie gilt als bestätigt, aber die Theorie der Inflation ist noch unbestätigt. Der Princeton-Kosmologe Paul Steinhardt und der Nobelpreisträger Roger Penrose sind zwei seiner bemerkenswerten Gegner.
Assuming the big bang began at time t = 0, dann die Epoche der Inflation (die Epoche der radikal abstoßenden Schwerkraft) begann vielleicht bei t = 10−36 Sekunden und dauerte bis etwa t = 10−34 oder t = 10−33 Sekunden, during which time the volume of space increased by a factor of at least 1026, und jede anfängliche Ungleichmäßigkeit in der Energieverteilung wurde fast vollständig geglättet, das ist, aus der großräumigen Perspektive geglättet, in Analogie dazu, wie das Aufblasen eines Ballons seine anfänglichen Falten und Knicke beseitigt.
Zu schätzen, wie schnell die anfängliche Inflation war, Betrachten Sie diese Analogie. Although the universe at the beginning of inflation was a lump of repulsive gravity material much smaller than the size of a proton that then expanded to the size of a marble at the end of the inflationary period, Betrachten Sie es stattdessen so, als ob die Inflation damit begann, dass das Universum die Größe einer Murmel hatte. Dann während dieses Zeitraums von t = 10−36 Sekunden bis t = 10−34 Sekunden, Die Murmel dehnte sich zu einer Kugel aus, deren Radius von der Erde bis zum nächsten Supercluster von Galaxien reicht.
Die Geschwindigkeit dieser inflationären Expansion war viel schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Dies verstößt nicht gegen Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, da seine Theorie eine lokale Theorie ist, und lokal während der Inflation ging kein Wesen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit an einem anderen vorbei.
Am Ende dieser inflationären Epoche bei, sagen, t = 10-33 Sekunden oder so, Das explosive Material zerfiel aus unbekannten Gründen und hinterließ nur normale Materie mit anziehender Schwerkraft. Das heißt, Die Schwerkraft wechselte von negativ zu positiv. Mit diesem Verfall begann die Nachinflationszeit der sogenannten Quarksuppe. Zu diesem Zeitpunkt, unser universum dehnte sich weiter aus, wenn auch jetzt mit nahezu konstanter Rate. Es ging in seine „Coasting“-Phase. Unabhängig von einer früheren Krümmung in unserem Universum, bis zum Ende der Inflationsperiode, Die Gesamtstruktur des Raums hatte eine sehr geringe räumliche Krümmung, und sein Raum war äußerst homogen. Heute, Wir sehen, dass das Universum im größten Maßstab homogen ist. Aber ganz am Anfang der Inflationsperiode, Es gab einige sehr kleine Unvollkommenheiten aufgrund von Quantenfluktuationen. Die dichtesten Regionen zogen mehr Material an als die weniger dichten Regionen, und diese dichten Regionen verwandelten sich in das, was schließlich Galaxien werden würde. Die Quantenfluktuationen selbst haben ihre Spuren in den sehr geringen hunderttausendstel Grad Unterschieden in der Temperatur der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung unter verschiedenen Winkeln hinterlassen, wenn man von der Erde aus ins All blickt.
Um der Geschichte der Inflation noch mehr Details hinzuzufügen, bevor die Inflation begann, Aus irgendeinem unbekannten Grund enthielt das Universum ein instabiles Inflationsfeld oder ein falsches Vakuumfeld. Dieses Feld erfuhr einen spontanen Phasenübergang (analog zu überhitztem flüssigem Wasser, das sich plötzlich und spontan zu Dampf ausdehnt). Dieser Phasenübergang führte dazu, dass das hochgradig abstoßende Urmaterial für eine sehr kurze Zeit exponentiell im Volumen aufblähte. Während dieser urzeitlichen inflationären Epoche, das Gravitationsfeld ist gespeichert, Negativ, Gravitationsenergie wurde schnell freigesetzt, und der ganze Raum wild erweitert. Am Ende dieser frühinflationären Epoche, das höchst abstoßende Material zerfiel aus einem noch unbekannten Grund in gewöhnliche Materie und Energie, und die Expansionsrate des Universums pendelte sich knapp unterhalb der heute im Universum beobachteten Expansionsrate ein. Während der inflationären Epoche, die Entropie nahm ständig zu, der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wurde also nicht verletzt.
Alan Guth beschrieb die Zeit der Inflation so:
Es gab eine Periode der Inflation, angetrieben von der abstoßenden Schwerkraft einer besonderen Art von Material, das das frühe Universum erfüllte. Manchmal nenne ich dieses Material ein „falsches Vakuum“.," Aber, auf jeden Fall, es war ein Material, das tatsächlich einen Unterdruck hatte, was es ihm erlaubt, sich so zu verhalten. Unterdruck verursacht abstoßende Schwerkraft. Unsere Teilchenphysik sagt uns, dass wir Unterdruckzustände bei sehr hohen Energien erwarten, Wir nehmen also an, dass zumindest ein kleiner Teil des frühen Universums dieses eigentümliche abstoßende Gravitationsmaterial enthielt, das dann die exponentielle Expansion antreibt. Letztlich, zumindest dort, wo wir leben, diese Expansion stoppte, weil dieses eigentümliche abstoßende Gravitationsmaterial instabil ist; und es verfiel, zu normaler Materie mit normaler anziehender Schwerkraft. Damals, Die dunkle Energie war da, denken die Experten. Es war schon immer da, aber es ist nicht dominant. Es ist ein Winzling, winziger Bruchteil der gesamten Energiedichte, In diesem Stadium am Ende der Inflation fängt das Universum also an, sich nach außen zu bewegen. Es hat einen enormen Schub nach außen durch die Inflation, der es weiter trägt. Also, der Ausbau geht weiter, und während die Ausdehnung stattfindet, wird die gewöhnliche Materie dünner. Die dunkle Energie, wir denken, bleibt annähernd konstant. Wenn es Vakuumenergie ist, sie bleibt exakt konstant. Also, später kommt eine Zeit, wo die Energiedichte von allem anderen auf das Niveau der dunklen Energie abfällt, und wir glauben, dass das vor etwa fünf oder sechs Milliarden Jahren geschah. Danach, da die Energiedichte normaler Materie immer dünner wird, die dunkle Energie [Dichte] bleibt konstant [und] die dunkle Energie beginnt zu dominieren; und das ist die Phase, in der wir uns gerade befinden. Wir denken, dass ungefähr siebzig Prozent der Gesamtenergie unseres Universums dunkle Energie ist, und diese Zahl wird mit der Zeit weiter zunehmen, da die normale Materie immer dünner wird. (World Science U Live-Sitzung: Alan Gut, published November 30, 2016 at https://www.youtube.com/watch?v=IWL-sd6PVtM.)
Before about t = 10-46 seconds, es gab eine einzige Grundkraft statt der vier, die wir jetzt haben. Die vier Grundkräfte sind: die Schwerkraft, die starke Kernkraft, die schwache Kraft, und die elektromagnetische Kraft. At about t = 10-46 seconds, the energy density of the primordial field was down to about 1015 GEV, was eine spontane Symmetriebrechung ermöglichte (analog zum spontanen Phasenwechsel, bei dem Dampf so weit abkühlt, dass er sich spontan in flüssiges Wasser umwandelt); dieser Phasenwechsel schuf die Gravitationskraft als eigene Grundkraft. Die anderen drei Kräfte waren noch nicht als getrennte Kräfte aufgetreten.
Später, nachdem die Inflation begann und dann endete, at t = 10-12 seconds, es gab mehr spontane Symmetriebrüche. Zuerst die starke Kernkraft, dann wurden die schwache Kernkraft und schließlich die elektromagnetischen Kräfte getrennte Kräfte. Zum ersten Mal, Das Universum hatte jetzt genau vier getrennte Kräfte. At t = 10-10 seconds, das Higgs-Feld eingeschaltet (das ist, entstanden). Dies verlangsamte viele Arten von Partikeln, indem es ihnen Masse verlieh, sodass sie sich nicht mehr mit Lichtgeschwindigkeit bewegten.
Ein Großteil der beträchtlichen Energie, die am Ende der Inflationsperiode übrig blieb, wurde in Materie umgewandelt, Antimaterie, und Strahlung, wie Quarks, Antiquare, und Photonen. Die Temperatur des Universums eskalierte mit dieser neuen Strahlung, und diese Periode wird die Periode der kosmischen Wiedererwärmung genannt. Materie-Antimaterie-Partikelpaare kombiniert und vernichtet, Entfernen aller Antimaterie und fast aller Materie aus dem Universum, und hinterlässt eine kleine Menge Materie und noch mehr Strahlung. At t = 10-6 seconds, Das Universum war so weit abgekühlt, dass sich Quarks zusammenschlossen und Protonen und Neutronen erzeugten. After t = 3 minutes, Das Universum hatte sich ausreichend abgekühlt, um diesen Protonen und Neutronen zu ermöglichen, sich stark zu verbinden, um Wasserstoff zu produzieren, Deuterium, und Heliumkerne. At about t = 379,000 Jahre, Die Temperatur war niedrig genug (around 2,700 degrees C) damit diese Kerne Elektronen einfangen und den anfänglichen Wasserstoff bilden können, Deuterium, und Heliumatome des Universums. Mit der Entstehung dieser ersten Atome, Das Universum wurde in dem Sinne transparent, dass dieses kurzwellige Licht (etwa ein Millionstel Meter) konnte sich nun frei bewegen, ohne immer sehr bald von umgebenden Partikeln absorbiert zu werden. Aufgrund der Expansion des Universums seitdem, this early light is today invisible on Earth because it is at much longer wavelength than it was 379,000 Jahre zuvor. That radiation is now detected on Earth as having a wavelength of 1.9 millimeters, und es wird die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung oder CMB genannt. Diese Energie trifft ständig aus allen Richtungen auf der Erdoberfläche ein. Es ist nahezu homogen und nahezu isotrop.
Wenn sich das Universum ausdehnt, die CMB-Strahlung verliert Energie; aber diese Energie geht dem Universum nicht verloren, Auch wird der Energieerhaltungssatz nicht verletzt. Es gibt eine Erhaltung, weil die gleiche Menge an Energie gewonnen wird, indem man in die Erweiterung des Raums geht.
In der Literatur sowohl in der Physik als auch in der Philosophie, Beschreibungen des Urknalls sprechen oft davon, als wäre es das erste Ereignis, aber die Urknalltheorie verlangt nicht, dass es ein erstes Ereignis gibt, ein Ereignis, das kein vorheriges Ereignis hatte. Diese Beschreibung, die das erste Ereignis erwähnt, ist eine philosophische Position, nicht etwas, das von den wissenschaftlichen Beweisen verlangt wird. Die Physiker James Hartle und Stephen Hawking haben einmal vorgeschlagen, dass ein Rückblick auf den Urknall genauso sei, als würde man den positiven reellen Zahlen zu immer kleineren positiven Zahlen folgen, ohne jemals die kleinste positive zu erreichen. Es gibt keinen Kleinsten. Wenn Hartle und Hawking Recht haben, ist diese Zeit genau analog dazu, dann hatte der Urknall kein Anfangsereignis, keine Anfangszeit.
Die klassische Urknalltheorie basiert auf der Annahme, dass die universelle Expansion von Galaxienhaufen bis zu einer Singularität zurück projiziert werden kann, ein Nullvolumen, at t = 0. Physiker sind sich einig, dass die Projektion für Zeiten unter der Planck-Zeit unzuverlässig werden muss. Falls eine Theorie der Quantengravitation jemals bestätigt wird, Es wird erwartet, dass es zuverlässigere Informationen über die Planck-Epoche von t = 0 bis zur Planck-Zeit liefert, und es kann sogar Physikern ermöglichen, die Fragen zu beantworten, „Was den Urknall verursacht hat?“ und „Ist vorher etwas passiert??”
Für einen kurzen Vortrag von Guth zu diesen Themen, der sich an Studenten richtet, siehe https://www.youtube.com/watch?v=ANCN7vr9FVk.
b. Ewige Inflation und das Multiversum
Obwohl es unter Physikern keinen Konsens darüber gibt, ob es mehr als ein Universum gibt, Viele der Urknall-Inflationstheorien sind Theorien der ewigen Inflation, der ewigen Schöpfung weiterer Urknalle oder multipler Universen. Die Theorie wird auch als chaotische Inflation bezeichnet. Die Schlüsselidee ist, dass die Inflation, sobald sie einmal begonnen hat, nicht einfach abgestellt werden kann. Das Inflationsfeld ist der Treibstoff unseres Urknalls und aller anderen Urknalle. Vermutlich, sagen Verfechter der ewigen Inflation, Nicht der gesamte Inflationstreibstoff wird verbraucht, um nur einen Urknall zu erzeugen, Der verbleibende Brennstoff steht also zur Verfügung, um weitere Urknalle zu erzeugen, die sich selbst aufblähen und zu noch mehr Urknallen führen, mit exponentiell steigender Rate. Der Inflationstreibstoff steigt schneller an, als er verbraucht wird. Vermutlich, Es gibt keinen Grund, warum dieser Prozess jemals enden sollte, es wird also eine potenziell unendliche Anzahl von Universen im Multiversum geben. Auch, Es gibt keinen guten Grund anzunehmen, dass unser tatsächliches Universum das erste war.
Nach jedem einzelnen Urknall, schließlich hört die anfängliche Hyperinflation in einigen Regionen auf. Die Expansion dieser Region hört nicht auf, Jedoch, und es erzeugt das, was Kosmologen ein expandierendes Blasenuniversum nennen. Unsere eigene Blase, die durch unseren Urknall entstanden ist, wird Hubble-Blase genannt. Dieser Begriff ist mehrdeutig, weil Kosmologen oft verlangen, dass die Blase nur unser sichtbares Universum und nicht unser Universum ist. Zu jeder Zeit im Multiversum, Der größte Teil des Raums bläst sich auf.
The original theory of inflation was created by Guth and Linde in about 1980. The theory of eternal inflation with a multiverse was created by Linde in 1983 plus work by Gott and Vilenkin. Die Vielzahl der Universen wird auch Parallelwelten genannt, viele Welten, alternative Universen, und alternative Welten. Jedes Universum des Multiversums muss normalerweise etwas von der gleichen Physik verwenden (es gibt keine Einigkeit darüber, welche „einige“) und die gleiche Mathematik. Diese Einschränkung wird von einem logisch möglichen Universum, wie es der Philosoph David Lewis vorschlägt, nicht verlangt. Diese multiplen Universen im Multiversum sind „anderswo,“, aber es besteht keine Einigung darüber, ob sie über den „Raum“ des Multiversums verstreut sind, mit unserem kleinen, beobachtbares Universum, das seinen eigenen Standort in diesem Raum hat. Jedes Universum hat seinen eigenen Raum, aber es ist besser, sich gar nicht vorzustellen, dass mehrere Universen in einem gemeinsamen Raum existieren, noch eine gemeinsame Zeit. Die Vorstellung, dass Ihr Gegenüber in einem anderen bestimmten Universum einen 21. Geburtstag vor Ihnen hatte, kann noch nicht vernünftig verstanden werden.
Es gibt konkurrierende Versionen der Multiversum-Theorie, aber eine Version, die Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik genannt, impliziert, dass sich das Universum bei jedem Ereignis in verschiedene neue Universen aufteilt, eine für jede Möglichkeit, die hätte passieren können. Es gibt viele Welten, die eine Person wie Sie enthalten, aber das Phosphoratom im rechten Auge Ihres Gegenübers wird nicht dasselbe Phosphoratom sein, das sich in Ihrem rechten Auge befindet.
Neue Energie ist nicht erforderlich, um diese inflationären Universen zu erschaffen, Es gibt also keine Auswirkungen darauf, ob Energie im Multiversum erhalten bleibt oder nicht.
In einigen dieser multiplen Universen, möglicherweise gibt es keine zeitliche Dimension.
Könnte sich die Expansion unseres Universums irgendwann verlangsamen? Ja. Könnte sich die Expansion des Multiversums irgendwann verlangsamen? NEIN. Das ursprüngliche oder frühere explosive Material in jedem einzelnen Universum zerfällt schnell, aber während es zerfällt, nimmt der Teil, der nicht zerfallen ist, weiter zu, und so geht die Expansion des Multiversums weiter. Die Entstehungsrate neuer Blasenuniversen steigt exponentiell.
Normalerweise, Wissenschaftsphilosophen sagen, was eine Theorie wissenschaftlich macht, ist nicht, dass sie falsifiziert werden kann (wie der Philosoph Karl Popper vorschlug), vielmehr kann es experimentelle Beweise dafür oder dagegen geben. Weil es so schwierig ist, Experimente zu entwerfen, die Beweise für oder gegen die Multiversum-Theorien liefern würden, Viele Physiker beschweren sich darüber, dass ihre Kollegen, die diese Theorien entwickeln, technisch metaphysische Spekulationen anstellen, nicht Physik. Aber, Die Antwort von Verteidigern von Multiversum-Theorien ist normalerweise, dass sie sich eines Tages vorstellen können, vielleicht in zukünftigen Jahrhunderten, entscheidende Experimente durchführen, und, neben, Der Begriff Physik lässt sich am besten als alles definieren, was Physiker tun.
Für eine maßgebliche Erklärung des Multiversums, see episode 200 of Sean Carroll’s Mindscape podcast called “Solo: Die Philosophie des Multiversums.“
5. Unendliche Zeit
Ist die Zeit unendlich teilbar? Ja, weil die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie Zeit benötigen, um ein Kontinuum zu sein. Aber diese Antwort wird sich in „Nein“ ändern, wenn diese Theorien schließlich durch eine Kerntheorie ersetzt werden, die die Zeit quantisiert. „Obwohl es Hinweise gegeben hat, dass die Raumzeit eine diskrete Struktur haben könnte,” Stephen Hawking said in 1996, „Ich sehe keinen Grund, die so erfolgreichen Kontinuumstheorien aufzugeben.“ Zwei Jahrzehnte später, er und andere Physiker waren sich viel weniger sicher.
Hat die Zeit mit dem Urknall begonnen?, oder gab es eine endliche oder unendliche Zeitspanne vor unserem Urknall? Die Antwort ist unbekannt.
Stephen Hawking und James Hartle sagten, die Schwierigkeit zu wissen, ob Vergangenheit und Zukunft von unendlicher Dauer sind, beruht auf unserer Unkenntnis darüber, ob die positive Energie des Universums genau durch seine negative Energie aufgehoben wird. Die gesamte Energie der Gravitation und Raumzeitkrümmung ist negativ. Ob die Gesamtenergie des Universums ungleich Null ist und ob der Quantenmechanik zu trauen ist, einschließlich des Energieerhaltungssatzes, dann ist die Zeit in Vergangenheit und Zukunft unendlich. Hier ist das Argument für diese Schlussfolgerung. Das Energieerhaltungsgesetz impliziert, dass Energie ihre Form ändern kann, aber wenn die Summe jemals ungleich Null wäre, then the total energy can never become zero in the future or once have been zero because any change in the total to zero from non-zero or from non-zero to zero would violate the law of conservation of energy. Also, ob die Gesamtenergie des Universums ungleich Null ist und ob der Quantenmechanik zu trauen ist, dann hat es immer Zustände gegeben, deren Gesamtenergie eine Energie ungleich Null ist, und es wird immer Zustände von Nicht-Null-Energie geben. Das impliziert, dass es keinen ersten oder letzten Moment geben kann und dass die Zeit ewig ist.
Es gibt keinen soliden Beweis dafür, dass die Summe nicht Null ist, aber eine knappe Mehrheit der Experten befürwortet eine Gesamtzahl ungleich Null, obwohl ihr Vertrauen darin nicht stark ist. Angenommen, es gibt eine Summe ungleich Null, Die bevorzugte Theorie über die Zukunft des Universums ist die Big-Chill-Theorie. Die Big-Chill-Theorie impliziert, dass die Zukunft niemals endet und das Universum immer kälter wird, wenn sich der Weltraum ausdehnt und verdünnter wird. Leerer Raum ist selbstabstoßend, und vermutlich wird es sich für immer ausdehnen. Also, Es wird immer neue Ereignisse geben, die aus alten Ereignissen hervorgegangen sind.
Hier sind weitere Details der Big-Chill-Theorie. The last star will burn out in 1015 years. Dann werden alle Sterne und Staub in jeder Galaxie in schwarze Löcher fallen. Dann wird das Material zwischen Galaxien auch in Schwarze Löcher fallen, and finally in about 10100 years all the black holes will evaporate, Übrig bleibt nur eine Suppe aus Elementarteilchen, die mit fortschreitender Expansion des Universums weniger dicht und damit „kälter“ wird. Die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung wird mehr und mehr in langwelligere Radiowellen rotverschoben. Der Weltraum der Zukunft wird wie ein Vakuum aussehen. Aber wegen der Vakuumenergie, die Temperatur nähert sich nur, aber nie ganz erreichen, Null auf der Kelvin-Skala. So versinkt das Universum in einer „großen Kälte“.,” mit der gleichen Menge an Gesamtenergie, die es immer hatte.
Die Situation ist ganz anders als die der Big-Chill-Theorie, wenn die Gesamtenergie des Universums jetzt Null ist. In diesem Fall, Zeit ist nicht grundlegend (auch die Raumzeit nicht). Vielleicht entsteht die Zeit aus einer endlichen Ansammlung von Momenten, wie in der zeitlosen Wheeler-DeWitt-Gleichung der Quantenmechanik beschrieben (nämlich die Schrödinger-Wellengleichung, wenn es keine Änderung gibt).
Hier ist mehr Kommentar dazu von Carroll (2016, pp. 197-8):
Es gibt zwei Möglichkeiten: eine, in der das Universum ewig ist, eine, wo es einen Anfang hatte. Das liegt daran, dass die Schrödinger-Gleichung der Quantenmechanik zwei sehr unterschiedliche Arten von Lösungen hat, entspricht zwei verschiedenen Arten von Universen.
Eine Möglichkeit ist, dass Zeit grundlegend ist, und das Universum verändert sich im Laufe der Zeit. In diesem Fall, die Schrödinger-Gleichung ist eindeutig: Zeit ist unendlich. Wenn sich das Universum wirklich entwickelt, es hat sich immer weiterentwickelt und wird sich immer weiterentwickeln. Es gibt kein Starten und Stoppen. Es mag einen Moment gegeben haben, der wie unser Urknall aussieht, aber es wäre nur eine vorübergehende Phase gewesen, und es würde mehr Universum geben, das schon vor dem Ereignis da war.
Die andere Möglichkeit ist, dass die Zeit nicht wirklich grundlegend ist, sondern eher aufstrebend. Dann, Das Universum kann einen Anfang haben. Die Schrödinger-Gleichung hat Lösungen, die Universen beschreiben, die sich überhaupt nicht entwickeln: sie sitzen einfach da, unveränderlich.
…Und ob das stimmt, dann ist es überhaupt kein Problem, dass es einen ersten Moment in der Zeit gibt. Die ganze Vorstellung von „Zeit“ ist sowieso nur eine Annäherung.
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Informationen zum Autor
Bradley Dowden
E-Mail: [email protected]
Staatliche Universität von Kalifornien, Sacramento
U. S. Ein.
