Welche Beweise haben wir dafür, dass CMB das Ergebnis des Urknalls ist?

Das erste, woran man denken muss, ist, was man genau unter einem Urknall versteht. Eine schwache Version der Urknall-Hypothese wäre einfach die Aussage, dass das Universum irgendwann in der Vergangenheit extrem heiß und dicht war – so heiß und dicht wie eine Atomexplosion. Eine stärkere Aussage wäre, dass es irgendwann in der Vergangenheit eine Singularität gab, die in nichttechnischer Hinsicht ein Beginn der Zeit selbst ist.

Wir haben eine Vielzahl von Beweisen dafür, dass sich die Existenz des Universums nicht unendlich lange in die Vergangenheit erstreckt. Ein Beispiel ist, dass Sterne im heutigen Universum Deuteriumkerne verbrauchen, aber es sind keine Prozesse bekannt, die ihren Vorrat wieder auffüllen könnten. Wir erwarten daher, dass die Häufigkeit von Deuterium im Universum mit der Zeit abnehmen sollte. Wenn das Universum unendlich lange existiert hätte, würden wir erwarten, dass sein gesamtes Deuterium verloren gegangen wäre, und doch beobachten wir, dass Deuterium in Sternen und im interstellaren Medium existiert.

Wir beobachten auch, dass sich das Universum ausdehnt. Es gibt Singularitätstheoreme wie das Hawking-Singularitätstheorem und das Borde-Guth-Vilenkin-Singularitätstheorem ( http://arxiv.org/abs/gr-qc/0110012 ), die uns sagen, dass es unter den gegebenen Bedingungen eine Singularität geben muss in der Vergangenheit. Diese Theoreme hängen von der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR) ab, die zu diesem Zeitpunkt eine gut getestete grundlegende Theorie der Physik mit wenig brauchbarer Konkurrenz ist. Obwohl es konkurrierende Theorien gibt, wie z. B. Skalar-Tensor-Theorien, zwingen Beobachtungen sie dazu, unter einer Vielzahl von Bedingungen nahezu dieselben Vorhersagen wie GR zu machen.

Hier gibt es ein wenig Spielraum, da der Singularitätssatz von Hawking eine Art von Annahme erfordert, die als Energiebedingung bezeichnet wird (insbesondere die Bedingung der starken Energie oder die Bedingung der Nullenergie), und BGV ist eher ein modellabhängiges Argument, das ausreichen muss mit inflationären Raumzeiten (die eine Energiebedingung während der inflationären Epoche verletzen). Ein Energiezustand ist im Grunde eine Beschreibung des Verhaltens von Materie, was ungefähr bedeutet, dass sie eine positive Masse hat und positiven Druck ausübt.

Dunkle Energie verstößt gegen die Standardenergiebedingungen. Wenn also die dunkle Energie stark genug ist, kann man der Existenz einer Urknall-Singularität entgehen. Sie können stattdessen einen "großen Sprung" bekommen. Wir haben jedoch drei verschiedene Methoden zur Messung der Dunklen Energie (Supernovae, CMB und BAO), und diese beschränken sie darauf, etwa um den Faktor zwei zu schwach zu sein, um einen großen Sprung zu erzeugen. Die folgende Abbildung zeigt die kosmologischen Parameter unseres Universums nach Perlmutter, 1998, arxiv.org/abs/astro-ph/9812133, und Kowalski, 2008, arxiv.org/abs/0804.4142. Die drei schattierten Bereiche stellen die 95 %-Konfidenzbereiche für die drei Arten von Beobachtungen dar. Wenn Sie den Schnittpunkt der drei schattierten Regionen nehmen, ist es meiner Meinung nach ziemlich klar, dass wir uns bei weitem nicht in der Nähe der Region des Parameterraums befinden, die zu einem großen Sprung führt.

Es gibt verschiedene andere Beobachtungen, die Vorhersagen des Urknallmodells bestätigen. Beispielsweise stimmen die Häufigkeiten leichter Elemente in etwa mit Berechnungen der Urknall-Nukleosynthese überein (obwohl es einige Unstimmigkeiten gibt, die nicht verstanden werden). Es wird beobachtet, dass das CMB nahezu ein perfektes Schwarzkörperspektrum ist, was von Urknallmodellen vorhergesagt wird. Dies ist in Modellen ohne Urknall schwer zu erklären.

Historisch gesehen wurde eine kosmologische Expansion beobachtet, und es wurden kosmologische Modelle konstruiert, die zu dieser Expansion passen. Es gab einen Wettbewerb zwischen dem Urknallmodell und stationären Modellen. Das Steady-State-Modell begann gegensätzliche Beweise zu erliegen, als Ryle und Mitarbeiter Radioquellen zählten und feststellten, dass sie nicht das vom Modell vorhergesagte statistische Verhalten zeigten. Der CMB war der Gnadenstreich, und das Big-Bang-Modell gewann. Wenn Sie den CMB beobachten, schauen Sie im Grunde in den Himmel und sehen direkt den Urknall.

Beachten Sie, dass, obwohl in historischen kosmologischen Modellen ursprünglich perfekte Symmetrie in Form von Homogenität und Isotropie angenommen wurde, um Modelle einfach zu berechnen, dies keine notwendigen Annahmen sind. Die Singularitätssätze setzen keine besondere Symmetrie voraus. Für das Hawking-Singularitätstheorem brauchen Sie nur eine positive untere Grenze für den lokalen Wert der Hubble-Konstante, und diese Grenze muss überall im Universum auf einer raumähnlichen Oberfläche gelten. Natürlich können wir nicht das gesamte Universum beobachten, und man könnte sagen, dass unser Grund, an eine solche globale Grenze zu glauben, die Homogenität ist. Die Existenz einer solchen Grenze wäre jedoch nur eine sehr, sehr schwache Art von Homogenitätsannahme – viel schwächer als die Art von Symmetrieannahmen, die in bestimmten Modellen wie ΛCDM gemacht werden.

Ich weiß, das ist nicht ganz das, was Sie fragen, aber es ist wichtig, weil die Frage sonst nicht beantwortet werden kann. Ich würde sagen, diese Frage weist einen subtilen, aber wissenschaftlich wichtigen Fehler in der Art und Weise auf, wie sie formuliert ist. Die wichtigste Art und Weise, wie Wissenschaft funktioniert, besteht darin, Hypothesen zu entwickeln, die spezifische und oft quantitative Vorhersagen machen, und dann gehen wir los und testen diese Vorhersagen mit der höchstmöglichen Genauigkeit. Aber wenn die Vorhersagen funktionieren, sollten wir niemals sagen „das vorhergesagte Phänomen war das Ergebnis unserer Theorie“, denn Phänomene resultieren nicht aus Theorien, sie resultieren aus der Natur. Die Aufgabe einer Theorie besteht nicht darin, ein Phänomen hervorzubringen, sondern es zu erklären und vorherzusagen. Wenn eine Theorie erfolgreich ist, sagen wir, dass sie eine gute Theorie ist. Manchmal rutschen wir ein wenig aus und sagen, die Theorie sei "richtig", aber was der Wissenschaftler meint, ist einfach, dass es erfolgreich ist – das ist alles, was wir jemals in der Wissenschaft bekommen, erfolgreiche Theorien, keine korrekten. Wir gewöhnen uns einfach daran, diese Begriffe austauschbar zu verwenden, aber das führt zu grundlegender Verwirrung darüber, was Wissenschaft ist.

Die wissenschaftliche Art, die Frage hier zu stellen, lautet also: "Welche Beweise haben wir dafür, dass das Urknallmodell nicht nur die Existenz des CMB erfolgreich vorhersagt, sondern auch seine quantitativen Elemente mit hoher Genauigkeit?" Wir haben keine Beweise dafür, dass der CMB vom Urknall herrührt, es ist nicht möglich, dass ein beobachtetes Phänomen aus einer Theorie stammt, Theorien sind Wege, Phänomene zu verstehen und vorherzusagen, nicht Wege, sie zu verwirklichen. Aber richtig formuliert ist die Frage leicht zu beantworten – der Beweis dafür, dass die Urknalltheorie die einzige Theorie ist, die erfolgreich die Existenz und die quantitativen Aspekte des CMB vorhersagen kann, ist einfach, dass die Existenz des CMB vorhergesagt wurde, bevor sie existierte beobachtet, durch nur eine Theorie, und das ist der Urknall. Auch seine quantitativen Elemente wurden getestet, um mit der Urknalltheorie konsistent zu sein, mit immer höherer Genauigkeit mit mehreren Generationen fortgeschrittenerer Beobachtungen.

Beobachtungen werden jedoch nicht nur zum Testen von Theorien verwendet, sondern auch zum Modifizieren und Verbessern von Theorien. Dies ist ein weiterer Grund, warum es wichtig ist zu erkennen, dass Theorien keine Beobachtungen hervorbringen. Wenn Sie das dachten, könnten Sie nicht verstehen, dass Theorien im Allgemeinen modifiziert und korrigiert werden müssen, sobald die Beobachtungen abgeschlossen sind. Der Urknall ist keine Ausnahme, da drei Schlüsselelemente hinzugefügt wurden, die der ursprünglichen Urknall-Theorie völlig fehlten: dunkle Materie, dunkle Energie und das Zeitalter der Inflation. Das passiert nicht, wenn man sich vorstellt, dass Beobachtungen aus Theorien "kommen"!

Wir machen Theorien, um Beobachtungen erfolgreich vorhersagen zu können, bevor wir sie haben, was die Urknalltheorie für den CMB tat, und um diese Beobachtungen quantitativ verstehen zu können, was die Urknalltheorie für den CMB tut. Darüber hinaus ist es die einzige Theorie, die wir haben, die diese Dinge tut. Das ist eigentlich alles, was man dazu sagen kann. Wir können keine Beweise dafür finden, dass der CMB aus dem Urknall-Modell "stammt", das ist ein Kategoriefehler: Das Urknall-Modell, mit allen Modifikationen, die es dazu braucht, lässt uns verstehendas CMB, und kein anderes Modell tut das. Zu sagen, dass das CMB vom Urknall kommt, wäre so, als würde man sagen, dass die zusätzliche Geschwindigkeit, die eine Kugel hat, wenn sie aus einem fahrenden Auto abgefeuert wird, aus der galiläischen Relativitätstheorie stammt. Natürlich nicht, da es keine galiläische Relativitätstheorie gibt, die Dinge geschehen lassen könnte, ist die galiläische Relativitätstheorie eine Art zu verstehen, was passiert, die niemals genau ist und in einigen Grenzen vollständig zusammenbricht, und kann daher nicht der Grund dafür sein , dass Dinge geschehen. Sie ist eine erfolgreiche wissenschaftliche Theorie, wenn sie richtig angewendet wird, das ist alles, was gesagt werden kann, ohne zu vergessen, was wissenschaftliches Denken von fast allem anderen unterscheidet.