Wenn sich das Universum ausdehnt, wohin dehnt es sich aus? [abgeschlossen]

1. Wenn sich das Universum ausdehnt, wohin dehnt es sich aus?

Das Universum dehnt sich in nichts aus. Die Raumzeit krümmt sich nicht in einen höherdimensionalen Raum. Was meinen wir also mit "gekrümmt" und "ausdehnend", Wörter, die normalerweise nur für Objekte im Raum eine Bedeutung haben?

Die Antwort ist, es ist nur eine Analogie. Mathematiker haben Eigenschaften des Raums gefunden, die eine Ameise auf einer Oberfläche in ihrer Welt sehen würde, und sie auf höhere Dimensionen verallgemeinert. Zum Beispiel könnte eine Ameise drei entfernte Punkte auf einer Kugel auswählen und sie durch Linien verbinden, von denen sie glaubt, dass sie an jedem Punkt gerade und nicht gekrümmt sind, und herausfinden, dass die Summe der Winkel innerhalb eines solchen Dreiecks größer ist als $180^\circ$. Wenn wir dies in unserem Raum tun und herausfinden, erhalten wir auch ein Dreieck mit mehr als$180^\circ$Im Inneren würden wir sagen, dass wir in einem Raum mit positiver Krümmung leben. Wir definieren es einfach so, nur durch Analogie. Und wir brauchen nicht zu glauben, dass es einen anderen Raum gibt, der unseren einbettet.

Bei expandierendem Raum ist die Sache ähnlich. Auf einer expandierenden Sphäre würde die Ameise Orte umrunden und feststellen, dass sie immer weiter voneinander entfernt sind. Durch diese Analogie definieren wir einen expandierenden Raum als einen Raum, in dem alle Entfernungen mit der Zeit wachsen. Auch hier brauchen wir unseren Raum nicht in etwas anderes einzutauchen, um uns in diesem Sinne auszudehnen. Für die Erforschung des frühen Universums hat die "Kleinheit" des Universums eine sehr klare Bedeutung - es bedeutet, dass Dinge, die jetzt weit entfernt sind, durch physikalische Interaktion sehr dicht gepackt waren und sich leicht erreichen konnten.

Dies hat jedoch einige Feinheiten, zum Beispiel, weil Galaxien und andere Gravitationsobjekte im Grunde wie ein Stift wirken, der einen Teil der Kugel vor der Expansion hält. Sie können sehen, dass dieser Gravitations-"Pin-Down" im Grunde von der Newtonschen Gravitationskraft gehalten wird.

Wie können Sie dann einfach zwischen Galaxien unterscheiden, die durch Trägheit voneinander wegfliegen, und einer abstoßenden Kraft und einem Raum, der sich zwischen ihnen ausdehnt? Die Antwort ist, dass Sie es nicht tun. Man könnte die Metrik, den Begriff der Raum-Zeit-„Distanz“ der Allgemeinen Relativitätstheorie als ein eigentümliches Feld verstehen, das auf die gesamte Physik in einem flachen Raum einwirkt, zB Signale und Teilchen schneller fliegen lässt, und alle Beobachtungen wären unverändert. "Wenn sich die Physik nicht ändert, ist es dem Physiker egal."

Die Allgemeine Relativitätstheorie beinhaltet nicht-triviale Topologie, aber sie "vorhersagt" sie in keinem lokalen Sinne aus der Konfiguration von Quellen - das Feld kann nur manchmal nicht mit der Konfiguration und Topologie übereinstimmen. Man könnte also sagen, dass die ganze "gekrümmte Raumzeit" nur ein Wort ist, das wir in Analogie zu einigen formalen Strukturen auf tatsächlich gekrümmten Objekten verwenden. Es ist nur ein Griff, um zur realen Physik zu gelangen, und solange kein umgebender Raum mit zusätzlichen Dimensionen zur Physik beiträgt, sagen wir, dass es physisch nicht existiert.

2. Wann ereignete sich der Urknall und wo ereignete er sich?

"Wann" wissen wir nicht. Die Physik des sehr sehr frühen Universums ist unklar und so wissen wir nicht, ob der Urknall im Sinne von „das Universum entsteht“ überhaupt stattgefunden hat. Wir wissen jedoch, dass wir, wenn wir die allgemeine Relativitätstheorie zeitlich rückwärts extrapolieren, einen Punkt erreichen, an dem sich alle Orte im Universum extrem nah aneinander (im Sinne der "Metrik") und nur ein bisschen tiefer in die Vergangenheit der Gleichungen annähern abbauen. Dieser Punkt wäre vor etwa 13,8 Milliarden Jahren.

Im alten Sinne der Allgemeinen Relativitätstheorie wäre der Urknall überall passiert . Alle Orte wären einfach so dicht beieinander, dass der Abstand zwischen ihnen schließlich Null ist. Sie mögen immer noch unterschiedliche Punkte im Raum sein, aber sie stehen alle in nahtlosem physischen Kontakt. Die Gleichungen erlauben es nicht, weiter in die Vergangenheit zu gehen, also könnte man sagen, es ist ein "Anfang der Zeit".

Man könnte aber auch vorschnell den Schluss ziehen, dass das ganze Universum „aus einem Ort“ oder aus einem „Uratom“ gewachsen ist – aber das ist genau eine Extrapolation auf den Zusammenbruch, der eher religiös als physikalisch erfolgt, wie es teilweise der Fall gewesen sein mag der katholische Priester Georges Lemaître , der Pionier der Urknall-Kosmologie. Es funktioniert ziemlich gut für ein endliches Universum, weil sein Volumen in diesem Prozess auf Null schrumpft, aber für ein unendliches (das könnte das sein, in dem wir uns befinden) ist das Universum an jedem Punkt vor dem Zusammenbruch unendlich - neben anderen Eigenschaften es hat immer ein unendliches Volumen. Wie würde es von dort zu einem Punkt springen? Die Gleichungen geben einfach keine klare Erklärung und wir können es nicht erwarten,

Heute sind wir uns sehr sicher, dass es nicht so passiert ist, wie es die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt. Wir verschieben nur die Grenzen unseres Wissens immer weiter in die Vergangenheit und erwarten, dass das Universum immer mehr schrumpft, aber ohne zu wissen, wohin uns das führen wird. Wir sprechen eher von „kosmologischen Modellen“ als von „Kosmologien“, weil wir wissen, dass es ein törichter Ehrgeiz ist, eine endgültige „Kosmologie“ zu formulieren. Wir wissen einfach nicht, was sich hinter der Ecke verstecken könnte.

Der Urknall ist jetzt eher ein Hinweis auf den Punkt, an dem wir wissen, dass die Entfernungen zwischen Orten am geringsten sind, oder auf den Zeitpunkt, an dem die Allgemeine Relativitätstheorie ursprünglich den Zusammenbruch vorhergesagt hat. In gewissem Sinne ist es heutzutage also ein Hinweis auf eine Ära des gesamten Universums - der Urknall bezieht sich jetzt auf "überall" im Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren.

3. Wie kam es zum Urknall? Woher hat es seine Energie?

Wieder einmal haben wir keine Ahnung. Die aktuelle Physik kann Ihnen anhand der Anfangsbedingungen sagen, was passiert. Es kann Ihnen nicht sagen, warum ein bestimmter Satz von Anfangsbedingungen realisiert wird, abgesehen davon, dass Sie immer weiter in die Vergangenheit extrapolieren. Bestimmte Forschungsgebiete versuchen eine ganzheitliche Beschreibung zu geben, die beispielsweise besagt, dass die Gesetze nach einigen sehr grundlegenden Prinzipien so gewesen sein müssen und nur eine Reihe von Anfangsbedingungen zulässig ist. Dh die Gesamtenergie im Universum wäre nicht Teil der Konfiguration, sondern des Gesetzes. Aber soweit ich weiß, hat keines davon bisher zu befriedigenden Ergebnissen in dieser Frage geführt.

Wenn es einen Moment der „Erschaffung des Universums“ gibt, kann dies nicht durch irgendetwas Äußeres erklärt werden, da eine Arbeitsdefinition von „dem Universum“ „alles, was ist“ ist. Dh wenn etwas die Entstehung des Universums erklären würde, wäre es ein Teil des Universums und könnte selbst nicht erklärt werden. Sie können einen geschlossenen Kreis von Ursachen erstellen, aber Sie können dann nicht erklären, warum dieser Kreis eher verwirklicht wird als nicht. Das wird philosophisch und ist nur ein Vorgeschmack, warum die Physik wirklich keine Antwort geben kann.

Das heißt, wenn Sie fragen "Energie kann nicht erzeugt oder zerstört werden, bedeutet das, dass Energie existiert hat, bevor das Universum hier war?" Sie geraten in Konflikt mit der Definition, dass das Universum alles ist, was es gibt. Wenn es Energie vor dem Universum gab, dann existierte etwas vor dem Universum. Aber da das Universum die Summe aller Existenzen ist, existierte das Universum zu diesem Zeitpunkt – es existierte, bevor es existierte. Das ist offensichtlich eine unsinnige Schlussfolgerung. Wenn es also einen "Schöpfungspunkt" des Universums gibt, gibt es nichts darüber hinaus, nur per Definition. Eine Aussage über die Erschaffung des Universums beinhaltet die Aussage, dass Energie tatsächlich an einem solchen Punkt erschaffen wurde .

Eine halbe Antwort auf Ihre Frage könnte in einigen der zyklischen kosmologischen Modelle liegen , die den Urknall als aus einem Samen eines früheren Stadiums des Universums geformt modellieren. Viele dieser Modelle sprechen von einem „Abprallen“ des vorherigen Universums, das fast zusammenbricht und dann aufhört, sich wieder auszudehnen – dies wird normalerweise durch Quantengravitationseffekte verursacht. Die Energie, die es hat, würde vom vorherigen Universum bereitgestellt, und der Knall wäre ein "Bounce", der von den physikalischen Gesetzen vollständig verstanden wird.

Nichtsdestotrotz beantwortet nichts davon Fragen der Art: Wie hat das vorherige Universum seine Energie gewonnen? , Warum gibt es eher etwas als nichts? , Warum wurde dieses Universum mit seinen Gesetzen und Anfangsbedingungen ausgewählt und nicht ein anderes? Die Mainstream-Physik gibt auf diese Fragen einfach keine Antwort. Diese Fragen gehen über den Rahmen der üblichen wissenschaftlichen Methode hinaus und es kann nur "zufällig" sein, dass wir Teilantworten darauf finden - es gibt keine Garantie dafür, dass wir sie jemals finden werden.

Es gibt viel bessere Leute, um diese Frage zu beantworten, aber ich werde sie aus der Sicht eines experimentellen Teilchenphysikers beantworten, so wie ich dieses Wissen in meinem Kopf abgelegt habe.

Wenn sich das Universum ausdehnt, wohin dehnt es sich aus?

Astronomische Beobachtungen zeigen, dass sich alle Galaxienhaufen voneinander entfernen, ein Verhalten, das auf die Wirkung einer Explosion hinweist.

Die Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie, die die Schwerkraft als eine Verformung der Raumzeit um massive Körper herum behandelt, wurde verwendet, um diese Beobachtung mathematisch zu modellieren. Der Urknall ist eine besondere Lösung innerhalb von GR.

Der BB in dieser Theorie geschieht von einem Punkt aus, als Explosion, wie in den obigen Links gezeigt. Alle Punkte in unserem Universum sind dieser Punkt. Praktisch metaphysisch, aber wahr. Es gibt also keine Bedeutung dafür, "wozu es sich ausdehnt", außer mathematisch: Die Funktionen, die zur Beschreibung der Daten erforderlich sind, zeigen die Ausdehnung des Raums. Es ist die Ausdehnung der Punkte innerhalb des Universums, die gemessen und modelliert wurde, ohne Bezug auf ein "Außen".

Eine für mich nützliche Analogie ist die Oberfläche eines Ballons. Unser Universum ist in kleineren Dimensionen wie die Oberfläche eines sich ausdehnenden Ballons. Alle Punkte auf der Oberfläche entfernen sich voneinander und was die Oberfläche betrifft, dehnt sie sich nur aus. Alle Punkte auf dem Ballon projizieren theoretisch zurück zum Anfangspunkt. Andere mögen die Analogie eines Kuchens mit eingestreuten Früchten. Während es im Ofen aufsteigt, weicht jedes Stück Obst von den anderen zurück, und wenn wir denken könnten, dass alles von einem Punkt stammen könnte, wären alle Punkte im ausgedehnten Kuchen der Anfangspunkt .

Woher kam die Energie? Energie kann nicht erzeugt oder zerstört werden, bedeutet das, dass Energie existiert hat, bevor das Universum hier war?

Die GR-Theorie unterscheidet sich von der Welt der Newtonschen und der speziellen Relativitätstheorie, die wir erforscht haben und mit der wir vertraut sind. Für diese haben wir Definitionen von Energie und auch Energieerhaltung.

Im GR-Rahmen gibt es Energie, aber das Konzept der Energieeinsparung ist nicht gültig. Energie kann gemäß den entsprechenden Gleichungen auftreten. GR ist notwendig bei der Beschreibung von Beobachtungen großer räumlicher und zeitlicher Dimensionen und sehr massiver Körper. Energieeinsparung ist in GR kein allgemeines Gesetz, sondern wird lokal eingehalten.

Als der Urknall geschah, wo ereignete er sich?

Was den Urknall anbelangt, so liest man in den Links, die ich Ihnen gegeben habe, die Messung vor 13,8 Milliarden Jahren ab . Die Astronomie hat dies gemessen. Wo hat im BB-Modell keine Bedeutung, was mit bisherigen Beobachtungen übereinstimmt, weil alle Punkte im Universum nach diesem Modell ein Punkt waren und kein Bezug zu einem übergeordneten höherdimensionalen System enthalten ist (wie in der Ballon-Analogie, wo die dritte Dimension außerhalb der Oberfläche existiert). Es ist alles ein mathematisches Modell.

Wie geschah der Urknall?

Der Raum begann sich gemäß den Erwartungen von GR auszudehnen, jeder Punkt entfernte sich von einem anderen Punkt. Eine detaillierte Darstellung des Modells sollte beinhalten, dass der wirkliche Anfang von quantenmechanischen Effekten verschleiert wird. Die Allgemeine Relativitätstheorie ist eine klassische Theorie. Es wird erwartet , dass an der projizierten hinteren Singularität des BB die Quanteneffekte dominant sind und die Quantenmechanik keine Singularitäten hat . Es gibt effektive Modelle für diesen notwendigerweise quantifizierten Zeitraum des BB, wie in der oben genannten Abbildung gezeigt:

Das BB-Modell passt zu den bisherigen Beobachtungen.

Ihre Annahme, dass es etwas vor, nach, außerhalb oder sogar zwischen einer Abfolge von Ereignissen geben muss, ist zwar für die klassische Physik natürlich, aber nicht notwendig. Google nach „Lucretius Pfeil „Rand des Universums““ findet diverse Webverweise, von denen ich keinen besonders zitieren möchte, darauf, dass Lucretius fragte, was um 100 v. Chr. am Rande des Universums passiert. Mit verschiedenen ähnlichen Suchbegriffen führt Google zu verschiedenen Philosophischen Foren, in denen ähnliche Fragen gestellt wurden.

Ihre Frage hat auch eine leichte Ähnlichkeit mit dem Paradoxon des Pfeils des alten Zeno .

AFAIK, darauf gibt es keine feste Antwort. In der Mathematik ist es oft bequem anzunehmen, dass es ein Kontinuum gibt, und solche Modelle können sehr effektiv sein, aber es gibt keine Notwendigkeit. Dinge als unendlich, unendlich, in endlosen Auf- oder Abstiegen usw. anzunehmen, ist zwar oft nützlich, erfordert aber auch Sorgfalt bei der Konstruktion mathematischer Modelle, denn ohne Sorgfalt können die Dinge schlecht definiert werden.

Um auf die von Ihnen gestellte detaillierte Frage einzugehen, fragen Sie nach dem Vorher, Nachher und Außerhalb, was wir sicher aus der Anpassung experimenteller Daten an Modelle der aktuellen physikalischen Theorie schließen können. Da muss gar nichts sein. Eine andere, vielleicht ebenso beunruhigende Möglichkeit besteht darin, dass wir Modelle der wissenschaftlichen Theorien verwenden, die unserer Meinung nach in der Nähe von Erde und Sonne sehr genau konsistent sind, in einem Bereich, in dem die experimentellen Daten nicht zu einem einzigen konsistenten Modell passen. Insbesondere gibt es keine Garantie dafür, dass es einen konsistenten Atlas des Urknalls gibt (und ja, für diejenigen, die sich mit diesen Dingen auskennen, ich meine das auch technisch, als Mannigfaltigkeit).

Ich fürchte, dass dies ziemlich allgemein ist, aber insofern ich die Frage philosophisch sehe, blase ich.

Energieeinsparung ist lustig mit der Allgemeinen Relativitätstheorie. Um ein Erhaltungsgesetz zu haben, braucht man etwas, das eine Konstante der Bewegung ist. Im Falle von Energie in der Raumzeit erfordert dies einen Killing-Vektor, der entlang aller zeitähnlichen Geodäten konstant ist. Diese Isometrie definiert die Energieerhaltung. Raumzeitmetriken für Kosmologien lassen keinen Killing-Vektor zu, der entlang zeitähnlicher Geodäten konstant ist.

Das Universum dehnt sich als Mannigfaltigkeit aus. Die Raumzeit wird durch räumliche Oberflächen geschichtet, wobei Punkte auf dieser Oberfläche ihren Abstand entlang der Zeitrichtung der Schichtung vergrößern. Wenn das Universum flach ist, sind diese räumlichen Oberflächen eben$R^3$Räume, und die Krümmung der Raumzeit wird durch ihre äußere Krümmung im Raum plus Zeit = Raumzeit definiert. Das Universum dehnt sich nicht besonders in irgendetwas außerhalb seiner selbst aus.

Nur ein Physik-Student hier, also weiß ich von diesem Zeug nur, weil ich ein bisschen extra gelesen habe, es ist durchaus möglich, dass ich es falsch verstanden habe. Aber Sie können Energie/Materie „erschaffen“, der Haken dabei ist, dass Sie auch eine entsprechende Menge Antimaterie/Energie herstellen müssen, was zu einem Nettogewinn von 0 Energie/Materie führt. Etwas, das ich sah, bevor ich davon erfuhr, war dieses Video über Hawking-Strahlung http://www.youtube.com/watch?v=S6srN4idq1E

Wenn ich die Lektüre richtig verstanden habe, ist dies ein möglicher Entstehungsmechanismus des Universums (Teilchen/Antiteilchen-Mechanismus). Dies geschieht anscheinend ständig in der Quantenmechanik, aber in viel kleinerem Maßstab, und anscheinend besteht die einzige Möglichkeit, diesen Effekt zu nutzen, um etwas zu schaffen, das länger als einen Bruchteil einer Sekunde dauert, darin, ein Universum im Wert von Materie / Energie zu schaffen und passende Anti-Materie/Energie. Was es so schwierig macht, ein bestimmtes Verständnis zu erlangen, ist die Tatsache, dass Sie sowohl die allgemeine Relativitätstheorie als auch die Quantenfeldtheorie anwenden müssen und die 2 manchmal unterschiedlicher Meinung sind (ich habe nicht genug Verständnis von beidem, um genau zu sagen, was die Meinungsverschiedenheit ist , ich weiß nur, dass es anscheinend einen gibt)