Ist der Urknall irgendwann passiert?

Die einfache Antwort lautet: Nein, der Urknall hat nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt stattgefunden. Stattdessen geschah es überall im Universum gleichzeitig. Folgen davon sind:

• Das Universum hat kein Zentrum: Der Urknall ereignete sich nicht an einem Punkt, also gibt es keinen zentralen Punkt im Universum, von dem aus es expandiert.

• Das Universum dehnt sich in nichts aus: Da sich das Universum nicht wie ein Feuerball ausdehnt, gibt es außerhalb des Universums keinen Raum, in den es sich ausdehnt.

Im nächsten Abschnitt werde ich eine grobe Beschreibung skizzieren, wie dies sein kann, gefolgt von einer detaillierteren Beschreibung für die entschlosseneren Leser.

Eine vereinfachte Beschreibung des Urknalls

Stellen Sie sich vor, Sie messen unser aktuelles Universum, indem Sie ein Raster mit einem Abstand von 1 Lichtjahr zeichnen. Obwohl wir das offensichtlich nicht können, können Sie sich leicht vorstellen, die Erde auf (0, 0) und Alpha Centauri auf (4,37, 0) zu setzen und alle Sterne auf diesem Gitter darzustellen. Das Entscheidende ist, dass dieses Gitter unendlich ist$^1$dh es gibt keinen Punkt, an dem Sie das Raster nicht weiter erweitern können.

Winden Sie nun die Zeit zurück auf 7 Milliarden Jahre nach dem Urknall, also etwa auf halbem Weg zurück. Unser Raster hat jetzt einen Abstand von einem halben Lichtjahr, aber es ist immer noch unendlich - es hat immer noch keinen Rand. Der durchschnittliche Abstand zwischen Objekten im Universum hat sich halbiert und die durchschnittliche Dichte ist um einen Faktor gestiegen$2^3$.

Spulen Sie nun auf 0,0000000001 Sekunden nach dem Urknall zurück. Diese Zahl hat keine besondere Bedeutung; es soll nur extrem klein sein. Unser Raster hat jetzt einen sehr kleinen Abstand, aber es ist immer noch unendlich. Egal wie nahe wir dem Urknall kommen, wir haben immer noch ein unendliches Gitter, das den ganzen Raum ausfüllt. Sie haben vielleicht Pop-Science-Programme gehört, in denen beschrieben wird, dass der Urknall überall passiert, und das ist es, was sie meinen. Das Universum ist beim Urknall nicht auf einen Punkt zusammengeschrumpft, es ist nur so, dass der Abstand zwischen zwei beliebigen zufällig ausgewählten Raumzeitpunkten auf Null geschrumpft ist.

Beim Urknall haben wir also eine sehr seltsame Situation, in der der Abstand zwischen jedem Punkt im Universum Null ist, aber das Universum immer noch unendlich ist. Die Gesamtgröße des Universums ist dann$0 \times \infty$, was undefiniert ist. Sie denken wahrscheinlich, dass dies keinen Sinn macht, und tatsächlich stimmen Ihnen die meisten Physiker zu. Der Urknall ist eine Singularität , und die meisten von uns glauben nicht, dass Singularitäten im realen Universum vorkommen. Wir erwarten, dass ein gewisser Quantengravitationseffekt wichtig wird, wenn wir uns dem Urknall nähern. Im Moment haben wir jedoch keine funktionierende Theorie der Quantengravitation, um genau zu erklären, was passiert.

$^1$Wir gehen davon aus, dass das Universum unendlich ist – mehr dazu im nächsten Abschnitt

Nur für entschlossene Leser

Um herauszufinden, wie sich das Universum in der Vergangenheit entwickelt hat und was damit in der Zukunft passieren wird, müssen wir Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie für das gesamte Universum lösen. Die Lösung, die wir erhalten, ist ein Objekt namens metrischer Tensor , der die Raumzeit für das Universum beschreibt.

Aber Einsteins Gleichungen sind partielle Differentialgleichungen und haben daher eine ganze Familie von Lösungen. Um die unserem Universum entsprechende Lösung zu erhalten, müssen wir einige Anfangsbedingungen angeben . Die Frage ist dann, welche Anfangsbedingungen zu verwenden sind. Nun, wenn wir das Universum um uns herum betrachten, stellen wir zwei Dinge fest:

1. Wenn wir über große Skalen mitteln, sieht das Universum in allen Richtungen gleich aus, das heißt, es ist isotrop

2. gemittelt über große Skalen ist das Universum überall gleich, also homogen

Sie könnten vernünftigerweise darauf hinweisen, dass das Universum nicht sehr homogen aussieht, da es Galaxien mit einer hohen Dichte hat, die zufällig im Raum mit einer sehr geringen Dichte verstreut sind. Wenn wir jedoch auf Skalen mitteln, die größer als die Größe von Galaxien-Superhaufen sind, erhalten wir eine konstante durchschnittliche Dichte. Wenn wir auf die Zeit zurückblicken, zu der der kosmische Mikrowellenhintergrund emittiert wurde (380.000 Jahre nach dem Urknall und lange bevor sich Galaxien zu bilden begannen), stellen wir fest, dass das Universum ungefähr homogen ist$1$Teil von$10^5$, was ziemlich homogen ist.

Nehmen wir also als Anfangsbedingungen an, dass das Universum homogen und isotrop ist, und mit diesen Annahmen hat die Einstein-Gleichung eine (relativ!) einfache Lösung. Tatsächlich wurde diese Lösung gefunden, kurz nachdem Einstein die allgemeine Relativitätstheorie formuliert hatte, und wurde unabhängig voneinander von mehreren verschiedenen Personen entdeckt. Infolgedessen trägt die Lösung den Namen Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik , obwohl Sie dies normalerweise als FLRW-Metrik oder manchmal als FRW-Metrik abgekürzt sehen (warum Lemaître auslässt, bin ich mir nicht sicher).

Erinnern Sie sich an das Gitter, das ich beschrieben habe, um das Universum im ersten Abschnitt dieser Antwort auszumessen, und wie ich das Schrumpfen des Gitters beschrieben habe, als wir in der Zeit zurück zum Urknall gingen? Nun, die FLRW-Metrik macht dies quantitativ. Wenn$(x, y, z)$ein Punkt auf unserem Gitter ist, dann ist die aktuelle Entfernung zu diesem Punkt nur durch den Satz des Pythagoras gegeben:

Was uns die FLRW-Metrik sagt, ist, dass sich die Entfernung mit der Zeit gemäß der Gleichung ändert:

wo$a(t)$ist eine Funktion namens [Skalierungsfaktor]. Wir erhalten die Funktion für den Skalierungsfaktor, wenn wir die Einstein-Gleichungen lösen. Leider hat es keine einfache analytische Form, aber es wurde als Antwort auf die vorherigen Fragen berechnet. Wie groß war die Dichte des Universums, als es nur die Größe unseres Sonnensystems hatte? und Wie ändert sich der Hubble-Parameter mit dem Alter des Universums? . Das Ergebnis ist:

Der Wert des Skalierungsfaktors wird herkömmlicherweise als Eins zum gegenwärtigen Zeitpunkt angenommen, wenn wir also in der Zeit zurückgehen und das Universum schrumpft, haben wir$a(t) < 1$, und umgekehrt in der Zukunft, wenn sich das Universum ausdehnt, haben wir$a(t) > 1$. Der Urknall passiert denn, wenn wir in der Zeit zurückgehen$t = 0$der Skalierungsfaktor$a(0)$ist Null. Dies gibt uns das bemerkenswerte Ergebnis, dass die Entfernung zu jedem Punkt im Universum$(x, y, z)$ist:

Die Entfernung zwischen jedem Punkt im Universum ist also Null. Die Dichte der Materie (die Dichte der Strahlung verhält sich anders, aber lassen Sie uns das beschönigen) ist gegeben durch:

wo$\rho_0$die Dichte zum aktuellen Zeitpunkt ist, also ist die Dichte zum Zeitpunkt Null unendlich groß. Damals$t = 0$die FLRW-Metrik wird singulär.

Niemand, den ich kenne, glaubt, dass das Universum beim Urknall einzigartig geworden ist. Dies ist keine moderne Meinung: Die erste Person, von der ich weiß, dass sie öffentlich Einwände erhoben hat, war Fred Hoyle , und er schlug die Steady-State-Theorie vor, um die Singularität zu vermeiden. Heutzutage wird allgemein angenommen, dass ein Quantengravitationseffekt verhindern wird, dass die Geometrie singulär wird, obwohl, da wir keine funktionierende Theorie der Quantengravitation haben, niemand weiß, wie dies funktionieren könnte.

Also zum Schluss: Der Urknall ist die Nullzeitgrenze der FLRW-Metrik, und es ist eine Zeit, in der der Abstand zwischen jedem Punkt im Universum Null wird und die Dichte ins Unendliche geht. Es sollte klar sein, dass wir den Urknall nicht mit einem einzigen räumlichen Punkt in Verbindung bringen können, da der Abstand zwischen allen Punkten Null war, sodass der Urknall an allen Punkten im Raum stattfand. Deshalb wird allgemein gesagt, dass der Urknall überall passiert ist.

In der obigen Diskussion habe ich das Universum mehrmals beiläufig als unendlich bezeichnet, aber was ich wirklich meine, ist, dass es keinen Vorteil haben kann. Denken Sie daran, dass unsere Ausgangsannahme ist, dass das Universum homogen ist, dh es ist überall gleich. Wenn dies zutrifft, kann das Universum keinen Rand haben, da sich Punkte am Rand von Punkten außerhalb des Rands unterscheiden würden. Ein homogenes Universum muss entweder unendlich sein oder es muss geschlossen sein, dh die räumliche Topologie einer 3-Sphäre haben. Die jüngsten Planck-Ergebnisse zeigen, dass die Krümmung innerhalb des experimentellen Fehlers null ist. Wenn das Universum also geschlossen ist, muss der Maßstab viel größer sein als das beobachtbare Universum.

Meine Ansicht ist einfacher und beobachtend.

Beobachtungen sagen, dass sich der gegenwärtige Zustand des beobachtbaren Universums ausdehnt: dh Galaxienhaufen entfernen sich alle von unserer Galaxie und voneinander.

Die einfachste Funktion, die zu dieser Beobachtung passt, ist eine Funktion, die eine Explosion im vierdimensionalen Raum beschreibt, wie der Urknall in unsere Welt kam.

Es gibt Sprengstoffexperten, die den Ort der Explosion in einer dreidimensionalen Explosion rekonstruieren können. In vier Dimensionen lässt die Funktion, die die Raumausdehnung beschreibt, auch den Schluss zu, dass es einen Anfang des Universums gibt, von dem aus wir die Zeit nach dem Urknall zählen.

Das BB-Modell hat überlebt, modifiziert, um der Beobachtung der Homogenität (Quantenfluktuationen vor 10 ^-32 Sekunden) und der Beobachtung, dass die von uns gemessene Expansion zu beschleunigen scheint (die Öffnung des Kegels im Bild), zu entsprechen.

^Quelle

Beachten Sie, dass auf dem Bild die "Urknall"-Nullpunkte "unscharf" sind. Denn vor 10 ^-32 Sekunden, wo erwartet wird, dass quantenmechanische Effekte dominieren, gibt es keine endgültige Theorie, die die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik verbindet. Es gibt eine effektive Quantisierung der Schwerkraft, aber die Theorie hat kein solides Modell hervorgebracht.

Daher ist eine Extrapolation mit einem mathematischen Modell – abgeleitet von völlig klassischen Gleichungen – in die Region, wo der „Ursprung“ des Universums war, wo wir wissen , dass eine quantenmechanische Lösung notwendig ist, nicht gerechtfertigt.

Nehmen Sie das Beispiel des Potentials um eine Punktladung. Das klassische elektrodynamische Potential geht als$\frac{1}{r}$, was bedeutet, dass bei$r=0$das Potenzial ist unendlich. Wir wissen jedoch, dass bei Abständen kleiner als ein Fermi quantenmechanische Effekte überhand nehmen: Obwohl das Elektron eine Punktladung ist, existieren keine Unendlichkeiten. In ähnlicher Weise erwartet man, dass eine endgültige quantisierte Schwerkraft, die mit dem anderen Kräftemodell vereint ist, Unendlichkeiten vermeiden wird, was die Unschärfe am Ursprung rechtfertigt, die im Bild des BB gezeigt wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es in der Lösung der klassischen relativistischen Mechanik des Urknalls eine „Startpunkt-Singularität“ gab, die, als sich das Universum von der vierdimensionalen Explosion ausdehnte, der Vorfahr in der Zeitachse jedes Punktes in unserem heutigen Universum ist . Die Analogie zur Oberfläche eines Ballons ist nützlich: Die Punkte der zweidimensionalen Oberfläche können auf einen ursprünglichen "Punkt" extrapoliert werden, wenn die blasende Expansion beginnt, aber alle Punkte waren am Anfang vorhanden.

Die Notwendigkeit einer quantenmechanischen Lösung für Entfernungen kleiner als 10^-32, die von der extremen Homogenität der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung gefordert wird, bestätigt, dass für den Anfang quantenmechanische Effekte benötigt werden, die den Anfang unscharf machen werden. Physiker arbeiten immer noch an der Quantisierung der Schwerkraft, um auf das zu extrapolieren, was „wirklich passiert“ ist .

Nachtrag von Gerold Broser

Es gibt zwei weitere Abbildungen:

• Nature Research: Box: Timeline of the inflationary Universe , nature.com, 15. April 2009

_{(Quelle: nature.com )}

• Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC): Inflation , Stanford University, 31. Juli 2012

Bearbeiten, da eine Frage zu einem Duplikat der obigen gemacht wurde:

War die Singularität beim Urknall ein Schwarzes Loch? [Duplikat]

Singularitäten von Schwarzen Löchern stammen aus den Lösungen der allgemeinen Relativitätstheorie und beschreiben im Allgemeinen sehr große Massen, die die Raumzeit verzerren und einen Horizont haben, nach dem nichts herauskommt und alles auf der Singularität endet, wobei die Details von der verwendeten Metrik abhängen. Sie sehen oben in der Geschichte des Universumsbildes, dass die Beschreibung im vorherigen Satz nicht auf das Universum passt. Galaxien und Galaxienhaufen entfernen sich voneinander, was zum Urknallmodell führte, und außerdem beschleunigt sich die Expansion, wie auf dem Bild zu sehen ist.

Die Urknall-Mathematik folgt also nicht der Schwarzloch-Mathematik.

Die Antwort ist, dass wir es nicht wissen. Wieso den? Weil die Gravitationstheorie, die wir haben und benutzen, GR, eine Singularität hat. Dinge, die in einer physikalischen Theorie endlich sein sollten, wie die Dichte, werden unendlich. Und Theorien mit einer Singularität sind einfach falsch, sie brauchen eine Modifikation, und diese Modifikation ist nicht nur an der Singularität selbst notwendig, sondern schon in irgendeiner Umgebung dieser Singularität.

Außerdem wissen wir schon aus unabhängigen Gründen, dass ein Umbau nötig ist: Denn wenn man mal hinschaut$10^{-44}$Nach der Singularität wird die Quantengravitation wichtig, die eine unbekannte Theorie ist.

Und wir haben auch empirische Beweise dafür, dass das trivialste Modell auf der Grundlage etablierter Theorien (GR mit SM für Materie) versagt: Es ist das sogenannte Horizontproblem. Es erfordert zu seiner Lösung eine beschleunigte Expansion im sehr frühen Universum. Man kann Modelle vorschlagen, die zu einer solchen Expansion auf der Grundlage der Teilchentheorie führen, Theorien, die normalerweise "Inflation" genannt werden (imho sehr irreführend, wie ich hier erkläre ), aber sie verwenden normalerweise spekulative Erweiterungen des SM wie GUTs, Supersymmetrie, Strings und so weiter . So sind selbst die Details einer Teilchentheorie, die eine Inflation ergeben würde, unbekannt.

Obwohl die Urknalltheorie gut etabliert ist, haben wir, wenn man bedenkt, dass alles so dicht wie im Inneren der Sonne war, und ich würde sagen, zuverlässig, wenn so dicht wie im Inneren eines Neutronensterns, keinen Grund zu der Annahme, dass die Theorien weiterhin anwendbar sind für viel höhere Dichten und schon gar nicht dafür, dass die Dichte unendlich wird.

Auch über die Singularität selbst kann rein mathematisch nichts gesagt werden. Betrachtet man beispielsweise die Metrik in den gängigsten FLRW-Koordinaten$ds^2=d\tau^2-a^2(\tau)(dx^2+dy^2+dz^2)$, dann wäre die Singularität ein Ganzes$\mathbb{R}^3$. Die Grenze des Abstands zwischen den Punkten wäre Null (weshalb man normalerweise das Bild mit einer Punktsingularität bevorzugt). Andererseits bleibt die Grenze dessen, was ein Punkt, der sich auf die Singularität zubewegt, in seiner Zukunft kausal beeinflussen kann (ohne Inflation), ein kleiner Bereich, der keineswegs dazu neigt, das ganze Universum zu überdecken, was viel besser mit einem Ganzen korrespondiert$\mathbb{R}^3$Raum Singularität.

Lassen Sie mich zusätzlich zu dem, was die anderen gesagt haben, eine einfache Analogie für die Expansion des Universums erklären.

Stellen Sie sich einen Ballon vor, dessen Oberfläche als Universum betrachtet wird. Zeichnen wir Punkte auf den Ballon, die Galaxien symbolisieren. Blasen Sie nun den Ballon auf. Alle Galaxien werden beginnen, sich voneinander zu trennen. Nehmen wir nun an, Sie befinden sich auf einer der Galaxien. Sie werden beobachten, wie sich alle Galaxien von Ihnen entfernen, und Sie würden zu dem Schluss kommen, dass Sie sich im Zentrum des Universums befinden. Das würde jede Galaxie beobachten. Deshalb gibt es kein Zentrum für die Expansion des Universums.

Ich hoffe, Ihnen hat meine Analogie gefallen.

Die Explosion, die Sie gesehen haben, ist eigentlich eine 4-dimensionale Darstellung des Universums. Wenn wir das Universum in 4D darstellen, dann ist der Urknall an einem Punkt passiert und dehnt sich als Hohlkugel aus. Aber in 3D hätte der Urknall an jedem Punkt des Universums stattfinden müssen und dehnt sich in alle Richtungen aus. Diese Interpretation verwendet das Friedman-Modell des Universums.

[Anmerkung der Redaktion: Diese Antwort sollte ein Kommentar zu @good_ole_rays Kommentar zu John Rennies Antwort sein, aber die Kommentargrenze von 600 Zeichen ... wissen Sie.]

Re „ Galaxien scheinen sich von einem gemeinsamen Zentrum zu entfernen “

"gemeinsame Mitte" ist treffender, als man auf den ersten Blick vermuten mag.

Sicher, es ist nicht so ein Zentrum, das 99 % der Menschen darunter verstehen: ein einzelner Punkt, umgeben von anderen Punkten, wobei die äußersten Punkte im Idealfall den gleichen Abstand zum Zentrum haben, also Dinge, die als Kugel, Kugel, Kugel, Globus oder Schale bezeichnet werden, hohl oder nicht spielt keine Rolle.

Das Zentrum, von dem ich hier spreche, ist so „gemeinsam“, im Sinne von „gemeinsam“, weil alle existierenden Punkte in unserem Universum dieses Zentrum sind .

Es ist einfacher zu verstehen, wenn man sich das junge Universum vorstellt, eher klein am Anfang. Es sah dann eher wie ein Punkt aus, wie wir ihn aus unserem Alltag kennen.

Aber es entwickelte sich, es dehnte sich aus und es dehnte sich auf eine Weise aus, dass zwischen zwei beliebigen Punkten (oder Raumeinheiten) ein weiterer Punkt (oder eine Raumeinheit) entstand. Ein solches "Schieben" der ersten zwei Punkte (oder Raumeinheiten) auseinander.

Und das passiert seit 13,7 Milliarden Jahren an jedem Punkt des Universums, so dass die Punkte, die einst einer waren , jetzt viele sind. Oder anders gesagt: Jeder der Punkte ist jetzt weit, weit entfernt von jedem der anderen Punkte, die einmal an derselben Position waren. Aber sie sind immer noch das Zentrum, weil sie einmal das Zentrum waren. Diese ihre Eigenschaft hat sich nicht geändert, weil sie sich nicht aufgrund einer Eigenbewegung bewegten, sondern weil zwischen ihnen ein neuer Raum entstand.

Und warum ist das so? Denn der Urknall war keine Explosion im herkömmlichen Sinn. Da es keinen Raum gab, in den etwas hätte explodieren können. Raum und Zeit begannen übrigens erst mit dem Urknall zu existieren.

Es passiert auch langsam im Kleinen. Der neueste Wert des Hubble-Parameters ist$71_{-3.0}^{+2.4} \frac {km}{Mpc \cdot s}$was im kleinen Maßstab eher klein ist (wenn man eine AU [~150m km] für klein hält – aber verglichen mit astronomischen Dimensionen ist das sowieso winzig):

Damit lässt sich die (theoretische) Zunahme des durchschnittlichen Abstands zwischen Sonne und Erde durch die Expansion des Universums berechnen

Da dies aber so lange geschah, wurde aus dem einstigen kleinen Maßstab überall ein großer Maßstab, außer in der Nähe unserer Galaxie (oder, um genau zu sein: in der Nähe irgendeines [subjektiven] Beobachtungspunktes im Universum). Und seien Sie sich bewusst, dass dies nur für den Weltraum selbst gilt. Es bedeutet nicht, dass die Erde tatsächlich von der Sonne wegdriftet oder dass Sie sich ständig von Ihren Lieben entfernen und umgekehrt. Denken Sie daran, dass es die Schwerkraft gibt , die schwächste der vier fundamentalen Wechselwirkungen , je nach ihren Faktoren

aber am unerbittlichsten, wenn es um Massen geht.

" Galaxien scheinen sich von einem gemeinsamen Zentrum wegzubewegen " gilt auch nicht für alle Galaxien, die von irgendeinem Beobachtungspunkt aus beobachtet werden. Die Spektrallinien der Andromeda-Galaxie beispielsweise sind blauverschoben. Das heißt, es ist nah genug an uns, dass seine Eigenbewegung auf uns zu größer ist als die Drift von uns weg, die durch die Expansion des Universums verursacht wird:

                 Andromeda ($300 ± 4 \frac {km}{s}$)
                ←------------------------------------        ⊙                                                   ␣ ---→                  Expansionsgeschwindigkeit bei 2,5 m Luftlinie, der Entfernung von Andromeda (~


$54.42 \frac {km}{s}$)

Legende: - ≙$10 \frac {km}{s}$

[Letzte Anmerkung der Redaktion: Nun, das waren etwas mehr als 600 Zeichen.]

PS: @good_ole_ray Ich hoffe, Sie haben die Gelegenheit, dies zu lesen, bevor es als nicht angemessen oder noch schlimmer gekennzeichnet wird, weil es die ursprüngliche Frage nicht wirklich beantwortet.

Unsere beste Theorie zur Modellierung der Kosmologie ist GR. Nun unterstützen die Gleichungen von GR entweder ein begrenztes oder ein unbegrenztes Universum. Sich zwischen ihnen zu entscheiden, würde bedeuten, gewisse Randbedingungen zu setzen.

Einstein selbst wählte ursprünglich ein unbegrenztes, statisches Universum, weil es seiner Meinung nach die damaligen kosmologischen Annahmen widerspiegelte: Der Raum ist unendlich und ändert sich kaum. Um dies zu erreichen, führte er 1917, kaum zwei Jahre nachdem er GR entdeckt hatte, einen neuen Begriff in GR ein, die kosmologische Konstante. Dies erzeugte einen kosmologischen Druck, der der Schwerkraft entgegenwirkte, was zu einem statischen Universum führte.

Friedmann jedoch zeigte 1922 unter Annahme der Homogenität und Isotropie des Raums, dass GR damals implizierte, dass die räumliche Metrik eine konstante Krümmung haben muss, und so entweder eine Kugel (die 3D-Oberfläche einer 4D-Kugel), ein hyperbolischer Raum oder eine Ebene war . Die letzten beiden Raumzeiten sind unbeschränkt, aber die erste ist begrenzt. Er zeigte auch, dass diese Raumzeiten dynamisch sind und sich daher in der Zeit entweder zusammenziehen oder ausdehnen, oder eine Kombination aus beidem, und leitete eine Gleichung für den Skalierungsfaktor ab. Einstein war jedoch nicht bereit, Friedmanns Vision eines sich entwickelnden Universums zu akzeptieren, und wies seine Arbeit zurück.

Jetzt, im Jahr 1912, hatte Vesto Slipher entdeckt, dass das Licht von Galaxien rotverschoben war, was darauf hindeutete, dass sie sich alle vom Standpunkt der Erde entfernten und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Zu dieser Zeit waren sie nicht als Galaxien bekannt, und tatsächlich wurde angenommen, dass das gesamte Universum nur aus der Milchstraße besteht. Es gab frühere Vermutungen, dass das Universum viel größer sein könnte als angenommen, hauptsächlich von Kant, der eine solche Vermutung 1755 in seiner Allgemeinen Naturgeschichte und Theorie des Himmels veröffentlichte .

Es war Hubble, der ein Jahrzehnt später durch Kalibrierung von Entfernungen unter Verwendung von Cepheid-Variablen zeigte, dass diese astronomischen Körper viel zu weit entfernt waren, um Teil der Milchstraße zu sein, und eigenständige Galaxien waren. Plötzlich war das Universum sehr viel größer geworden. Und dann, im Jahr 1929, kombinierte er seine Beobachtungen mit denen von Slipher und leitete das ab, was einst als Hubble-Gesetz bezeichnet wurde, heute aber als Hubble-Lemaitre-Gesetz bezeichnet wird und die Entfernung eines Sterns von der Erde mit der Größe der Rotverschiebung seines Lichts verknüpft vorbei verschoben.

Es stellte sich heraus, dass Hubbles Entdeckung bereits zwei Jahre zuvor im Jahr 1927 von einem belgischen Priester und theoretischen Physiker, Lemaitre, in seiner Arbeit A Homogeneous Universe of Constant Mass and Increasing Radius Accounting for the Radial Velocity of Extragalactic Nebulae vorweggenommen worden war . In dieser Arbeit erweiterte Lemaitre Friedmanns Kosmologie, obwohl seine Arbeit unabhängig durchgeführt wurde, im Wesentlichen durch die Wahl der expandierenden sphärischen Friedmann-Metrik. Einstein, der immer noch an seiner Vision eines statischen Universums festhält, lehnte auch diese Arbeit ab und sagte: „Ihre Berechnungen sind korrekt, aber Ihre Physik ist grauenhaft“. Es war Lemaitres Theorie, besonders nachdem er auch theoretisiert hatte, „ein urzeitliches Atom“, aus dem das Universum entsprang, dass Fred Hoyle abfällig „die Urknalltheorie“ nannte,

Jetzt, zur Zeit des Urknalls, schrumpfen alle Entfernungen auf Null und Lemaitres kugelförmiges Universum schrumpft auf einen Punkt, einen Punkt unendlicher Dichte und Temperatur. In diesem Bild ist leicht zu erkennen, dass der Urknall überall auf einmal geschah, einfach weil überall nur ein Punkt ist. Darüber hinaus deutet dies auch darauf hin, dass die Raumzeit selbst „erschaffen“ wird. Während Lemaitre selbst ein geschlossenes Universum – die Oberfläche einer Kugel – wählte, zeigte Friedmann, dass ein offenes Universum möglich ist, entweder flach oder ein hyperbolisches Hyperboloid. Ist auch hier ein Urknall möglich, eine Zeit, in der die Entfernungen zwischen Punkten gegen Null gingen und Dichte und Temperatur gegen unendlich gingen? Nun ja: Man nehme eine unendliche Weite des Raumes mit einer bestimmten festen Massendichte und halbiere die Abstände, dann wird die Dichte zur Kubikzahl. Durch Iteration, wir sehen, wie die Dichte schnell ins Unendliche zunimmt. Selbst in einem offenen Universum, in dem sich die Raumzeit unendlich ausdehnt, ist es also möglich, einen Urknall zu haben. In diesem Fall begann es überall und gleichzeitig.

Aber was bedeutet das für die Topologie der Raumzeit? Haben wir irgendwie eine unendliche Raumzeit in einen Punkt gequetscht? Nein. Es gibt eine topologische Eigenschaft namens Kompaktheit, die nicht auf einer Metrik beruht (manchmal auch als Geometrie bezeichnet, weil Geometrie das Messen von Abständen und Winkeln erfordert, und es ist genau eine Metrik, die dies ermöglicht). Eine Kugel ist kompakt, aber sowohl hyperbolisches Hyperboloid als auch flacher Raum sind nicht kompakt. Zum Zeitpunkt des Urknalls, oder genauer gesagt, während wir uns ihm nähern, nähern sich die Abstände zwischen allen Punkten jedoch Null. Geometrisch sieht es also so aus, als würde sich diese Raumzeit einem Punkt nähern, aber tatsächlich tut sie es nicht. Egal wie nahe die Punkte sind, wenn wir weit genug hinausgehen, was wir in einer offenen Raumzeit können, werden wir feststellen, dass die Abstände zwischen den Punkten beträchtlich werden.

Erst zum Zeitpunkt des Urknalls geht die Metrik auf Null und besagt, dass alle Punkte den Abstand Null haben. Und ist somit geometrisch ein Punkt, während er gleichzeitig nicht kompakt ist. Das ist bizarr. Und worauf es wirklich hindeutet, ist die Wahrscheinlichkeit einer neuen Physik hier. Darüber hinaus sollten wir uns daran erinnern, dass GR sich nicht mit nicht degenerierten Metriken befasst. Tatsächlich sind Metriken per Definition nicht entartet.