Welche Beweise widerlegen ein „vor ewig existierendes kosmisches Ei“?

Als die Physik nur eine beschreibende Wissenschaft war, gab es noch nicht einmal eine strenge Definition von Energie.

Als Beobachtungen quantifiziert wurden, begann die Mathematik als Werkzeug, Beobachtungsdaten mit Genauigkeit zu modellieren und Vorhersagen für noch nicht gesehene Beobachtungen zu treffen.

Damit haben wir den Erfolg von Newton et al. bei der Beschreibung unseres Planetensystems.

Die mathematischen Modelle haben jedoch einen Gültigkeitsbereich. Die Gültigkeit der Newtonschen Mechanik endet bei Genauigkeiten, bei denen die Spezielle Relativitätstheorie oder sogar die Allgemeine Relativitätstheorie gilt.

Die Gültigkeit der statistischen Mechanik und Thermodynamik endet dort, wo Quantendimensionen wichtig werden. Ein relevantes Beispiel ist Schwarzkörperstrahlung :

Die in einem bestimmten Frequenzbereich emittierte Strahlungsmenge sollte proportional zur Anzahl der Moden in diesem Bereich sein. Das Beste der klassischen Physik legte nahe, dass alle Moden die gleiche Wahrscheinlichkeit hatten, erzeugt zu werden, und dass die Anzahl der Moden proportional zum Quadrat der Frequenz zunahm.

Aber der vorhergesagte kontinuierliche Anstieg der abgestrahlten Energie mit der Frequenz (als „Ultraviolett-Katastrophe“ bezeichnet) trat nicht ein. Die Natur wusste es besser.

Die Quantenlinie wurde überschritten und die UV-Katastrophe ist nur eine Unendlichkeit, die aus einer Extrapolation eines Modells stammt, das für dieses Regime ungültig ist.

Ein Gedankenexperiment: Das Potential einer Punktladung ist 1/r. Wenn wir zu r=0 gehen, wird das Potential unendlich. Wieder macht die Quantennatur der Natur aus dieser Extrapolation Unsinn, obwohl sie extrem gut funktioniert, bis wir Quantendimensionen erreichen, wo die Quantenfeldtheorie übernimmt.

Der Urknall ist eine Extrapolation eines erfolgreichen Modells des Universums, in dessen Kern, Zeit = 0, eine riesige Singularität liegt. Üblicherweise bedeutet dies in der Physik, dass der Gültigkeitsbereich des Modells für die reale Welt nicht mehr relevant ist.

Das Problem ist, dass es nicht möglich ist, Experimente in der Nähe von t=0 des Urknalls durchzuführen. Wenn wir davon ausgehen, dass die Natur das Problem auf anderen Unendlichkeiten gelöst hat, könnten wir erwarten, dass die Quantenmechanik zur Rettung kommt. Wir haben noch keinen einheitlichen Rahmen für GR und QM.

Vor einer als Planck-Zeit klassifizierten Zeit von 10^-43 Sekunden wird angenommen, dass alle vier Grundkräfte zu einer Kraft vereint wurden. Es wird angenommen, dass alle Materie, Energie, Raum und Zeit von der ursprünglichen Singularität nach außen explodiert sind. Aus dieser Zeit ist nichts bekannt.

In Zukunft könnten wir genauere Beobachtungsdaten erhalten, die verschiedene Modelle unterscheiden könnten (vielleicht sagen sie ein Klingeln oder spezielle Konzentrationen von Materie voraus, die in einigen Jahrhunderten überprüft werden könnten usw.). Wir sind jetzt nahe an der Science-Fiction-Phase. Das Ideal wäre, dass das alle vier Kräfte quantenmechanisch vereinende Modell auch die Zeit t<0 löst oder zumindest einen befriedigenden Einblick gibt, aber ich würde nicht die Luft anhalten.

Wenn Sie darauf warten, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft zu einem Konsens darüber kommt, was vor dem Urknall existierte, dann werden Sie enttäuscht sein.

Wie andere angedeutet haben, ist der Urknall nicht ganz die Schöpfungsgeschichte des Universums. Vielmehr ist es das Ergebnis einer Extrapolation, von der wir wissen, dass wir sie nicht unendlich fortsetzen können.

Das alles begann im frühen 20. Jahrhundert, als Astronomen wie Hubble erkannten, dass sich das Universum auszudehnen schien. Gleichzeitig erkannten Theoretiker, die an der Entwicklung der Allgemeinen Relativitätstheorie arbeiteten, dass die Idee eines expandierenden Universums sehr gut in ihre Modelle passen könnte.

An diesem Punkt war es kein großer Sprung zu fragen: "Nun, wenn sich das Universum ausdehnt, was passiert, wenn wir in der Zeit zurückgehen? Es muss damals kleiner gewesen sein." Und tatsächlich haben diese Theoretiker erkannt, dass die "Größe" des Universums vor einer endlichen Zeit in der Vergangenheit auf Null geht. Gleichzeitig müssen Temperatur und Dichte zwangsläufig gegen unendlich gehen.

Nun, niemand hat wirklich jemals gedacht, dass diese Nullen und Unendlichkeiten tatsächlich die Natur beschreiben. Vielmehr waren sie entweder:

• (1) Ein Zeichen dafür, dass die Theorie völlig daneben lag. Dies war die Position der Befürworter der Steady-State-Kosmologie , von denen einer den Begriff „Urknall“ prägte, nur um zu betonen, wie lächerlich dieser Begriff war.
• (2) Ein Zeichen dafür, dass die Theorie unvollständig war. Früh genug, mit Temperaturen und Dichten, die unergründlich groß waren, würde neue Physik ins Spiel kommen. Der einzige Grund, warum die Theorie Unendlichkeiten zu liefern schien, war unsere Unkenntnis einiger physikalischer Zusammenhänge. Dies ist vergleichbar damit, wie grundlegende Theorien vorhersagten, dass ein Flugzeug einen unendlichen Luftwiderstand erfahren würde, wenn es sich der Schallgeschwindigkeit näherte, und daher konnte die Schallmauer nur durch die Einbeziehung besserer physikalischer Modelle in das Regime durchbrochen werden.

Die wissenschaftliche Gemeinschaft hat einen Konsens erzielt, dass Option (2) richtig ist, und Option (1) aufgegeben. ¹

Woher wissen wir? Nun, auch wenn die Theorie nicht zuverlässig bis zum Anfang aller Dinge reicht, macht sie dennoch quantitative Vorhersagen auf der Grundlage von Fällen, in denen wir zuverlässig in die Vergangenheit extrapolieren können. Insbesondere können wir mit unserem Wissen über Teilchenphysik fragen: „Wenn das Universum ursprünglich zu heiß wäre, um Kerne zu bilden (es spielt keine Rolle, wie viel heißer), und es sich dann ausdehnt und abkühlt, welche Verteilung der Kerne würden wir dann haben Erwarten Sie, dass es auskondensiert?" Diese vorhergesagte Verteilung stimmt ziemlich gut mit der beobachteten Verteilung überein. Mehr über die Urknall-Nukleosynthese können Sie zum Beispiel in dieser Antwort auf Was wurde über den Urknall bewiesen und was nicht?

Aber irgendwann in der Extrapolation endet der Konsens. Wenn Sie fragen: "Wie war das Universum im ersten$10^{-50}\ \mathrm{s}$?" wird Ihnen gesagt: "Wir haben Ideen, aber wir brauchen eher einen theoretischen Rahmen, bevor wir etwas Definitives sagen können."

Wenn Sie noch weiter gehen und fragen: "Was war vor dem Urknall?" von zehn Kosmologen erhalten Sie mindestens ein Dutzend verschiedene Antworten. Einige der populäreren (oder zumindest am meisten diskutierten) Theorien sind:

• Diese Frage ist nicht einmal gut definiert. In diesem traditionellen, reinen Standpunkt der allgemeinen Relativitätstheorie fragen Sie: "Ist dieses Modell für die Existenz von Dingen, bevor Dinge existierten, korrekt?" ist purer Blödsinn. Es ist wie zu sagen: „Sei ☢ die größte positive ganze Zahl kleiner als 0. Ist ☢ eine Primzahl?“ Nach Eigenschaften von Dingen zu fragen, die nicht existieren, macht nicht einmal Sinn, und es gibt nicht mehr "vor dem Urknall", als es eine positive ganze Zahl kleiner als 0 oder eine reelle Zahl kleiner als gibt$-\infty$.
• Ewige Inflation : Grob die Idee, dass sich alles nur ausdehnt, und hin und wieder verlangsamt eine Quantenfluktuation die Expansion in einem kleinen Fleck, der zum sichtbaren Universum wird.
• Ein zyklisches Universum : Ein kontrahierendes Universum wird sehr klein und durchläuft einen „Big Crunch“, und sobald es eine extrem hohe, aber mathematisch nicht unendliche Dichte hat, „prallt“ es in einem Urknall zurück und hinterlässt kaum Spuren der vorherigen Inkarnation des Universums .
• Das ekpyrotische Universum : Zwei Stringtheorie-ähnliche Branes kollidieren in einem „vorher existierenden“ Hintergrund, mit dem Ergebnis, dass das Universum, wie wir es kennen, geboren wird.

Es gibt also viele wissenschaftliche Vorstellungen darüber, was vor dem Urknall geschah, aber Sie können nicht auf eine Sammlung widersprüchlicher Theorien als Beweis dafür verweisen, dass eine einzelne Theorie falsch ist. ²

¹ Ich fühle mich verpflichtet, darauf hinzuweisen, dass die Befürworter der Steady-State-Theorie, obwohl sie noch populär war, letztendlich dennoch große Beiträge zur Physik leisteten. Insbesondere leisteten sie Pionierarbeit auf dem Gebiet der stellaren Nukleosynthese, um zu erklären, wie Sterne Wasserstoff in schwere Elemente umwandeln können. Damit trieben sie auch das Gebiet der allgemeinen Kernphysik erheblich voran.

² Wenn Sie eine Theorie in Frage stellen wollen, können Sie sie wie folgt auf die Probe stellen. Zunächst muss die Theorie gut definiert werden. Es darf keine baumelnden poetischen Phrasen haben, die nichts anderes bedeuten, als „wissenschaftlich“ zu klingen. Zweitens muss es intern selbstkonsistent sein, zumindest innerhalb seines angeblichen Anwendungsbereichs. Die meisten Theorien, die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf Anhieb abgelehnt werden, bestehen diese Tests nicht. Wenn die Theorie besteht, besteht der dritte Schritt darin, zu fragen, ob sie Beobachtungen erklären kann, die bereits durch die Theorien erklärt wurden, die sie zu ersetzen behauptet. Wenn nicht, dann ist es ein netter Versuch, aber nicht im Einklang mit der Natur. Endlich, wenn die Theorie die ersten drei Tests besteht, bitten Sie sie, etwas Neues so vorherzusagen, dass ihre Konkurrenten damit nicht einverstanden sind. Wenn dies nicht möglich ist, ist die Theorie nicht neu, sondern nur eine Umformulierung einer alten Theorie (die nützlich sein kann oder nicht). Wenn es geht, aber das anschließende Experiment die neue Theorie widerlegt, dann gilt es als sehr schöner Versuch, der mit der Natur einfach nicht funktioniert. Nur wenn sie diesen vierten Test besteht, wird sie als neue funktionierende wissenschaftliche Theorie akzeptiert, aber selbst dann kann sie in Zukunft durch bessere Theorien ersetzt werden.

Bevor ich in die Physik komme, muss ich sagen, dass diese spezielle Argumentationslinie von YECs ziemlich ironisch ist. Die Urknall-Kosmologie wurde von einem belgischen katholischen Priester und Astronomen, Lemaitre, entwickelt. Bereits vor Lemaitres Werk war die katholische Kirche aufgrund theologischer Argumente zu dem Schluss gekommen, dass die Zeit einen Anfang gehabt haben muss. Ich nehme an, die YECs kennen diese Geschichte entweder nicht oder behandeln sie mit Misstrauen, weil ihre fundamentalistische protestantische Sichtweise sich so sehr von der Art von nicht wörtlicher, intellektuell anspruchsvoller Tradition unterscheidet, zu der Lemaitre gehörte (seine frühe Ausbildung war Jesuiten).

Wie auch immer, es gibt ernsthafte Probleme mit dieser Interpretation.

In den 1930er Jahren arbeitete Richard Chace Tolman an zyklischen Kosmologien, in denen sich das Universum endlos ausdehnt und wieder zusammenzieht. Seine Schlussfolgerungen, zusammengefasst in einem Buch (Tolman 1934), arbeiteten systematisch die gesamte Thermodynamik dieser Modelle aus und kamen zu dem Schluss, dass sie auf der Grundlage des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik nicht realisierbar waren. Obwohl verschiedene spätere Leute theoretische Tricks entwickelten, um diese Probleme zu umgehen, ist die allgemeine und sehr klare Erwartung, dass, wenn das Universum vergangene Ewigkeit gewesen wäre und während dieser unendlichen Zeitspanne nach den bekannten Gesetzen der Physik funktioniert hätte, es wäre haben vor unendlich langer Zeit ein thermodynamisches Gleichgewicht erreicht. Das bedeutet, dass, wenn diese speziellen YECs wollen, dass diese spezielle Idee ernst genommen wird, die Beweislast liegt bei ihnen, zu sagen, welchen theoretischen Trick sie vorschlagen, um dieser Frage auszuweichen. Aber natürlich haben sie (1) eher eine übernatürliche als eine naturalistische Beschreibung der Zeit vor dem Urknall im Sinn, und (2) YEC ist kein logisch kohärenter Rahmen, sondern eine zufällige Sammlung von Ideen, die die YECs vorschlagen können und dann später ablehnen, wenn es bequem ist.

Ein weiteres Problem bei diesem Vorschlag ist, dass er im Gegensatz zu den zyklischen Kosmologien, an denen Tolman arbeitete, auf einem weit verbreiteten Missverständnis des Urknalls als einer Explosion zu beruhen scheint, die an einem bestimmten Ausgangspunkt (ihrem „Ei“) in a stattfand bereits vorhandener Raum. Ein solches Bild stimmt nicht mit der Allgemeinen Relativitätstheorie überein, die zu diesem Zeitpunkt eine sehr gut getestete und erfolgreiche Theorie ist. Die moderne Kosmologie ist eine Hochpräzisionswissenschaft, daher gibt es hier enge Einschränkungen. Messungen der räumlichen Krümmung des Universums zeigen, dass sie sehr nahe bei Null liegt, und dies impliziert eine untere Grenze der Größe des Universums, wenn man von ungefährer Homogenität und Isotropie ausgeht. Diese Größe ist zu groß, um zu ermöglichen, dass die gesamte Materie vom selben Punkt dorthin gelangt ist, wo sie beginnt. Der einzige Ausweg wäre, Isotropie und Homogenität aufzugeben, aber es gibt starke Beobachtungsbeweise für Isotropie und Homogenität. Leute haben Dinge wie Modelle mit großen Hohlräumen vorgeschlagen, aber ich erinnere mich, dass diese nach den neuesten Beobachtungen nicht wirklich realisierbar waren. Auch hier besteht das Problem darin, dass YECs sich nicht an die Regeln halten. Wenn sie eine Art inhomogene Kosmologie vorschlagen wollen, müssen sie ihr Modell spezifizieren und zeigen, dass es mit der Beobachtung kompatibel ist.

Tolman, 1934, Relativitätstheorie, Thermodynamik und Kosmologie, http://books.google.com/books?id=1ZOgD9qlWtsC&lpg=PP1&pg=PP1#v=onepage&q&f=true

Die Urknalltheorie selbst sagt nichts darüber aus, was „vor“ dem Urknall war. Es gibt verschiedene Vermutungen, die meistens mit der Idee zu tun haben, dass Vakuum instabil ist, was eine akzeptierte Tatsache ist: Ein vollständiges Vakuum würde gegen das Unschärfeprinzip verstoßen, und als Ergebnis tauchen ständig Teilchen auf und verschwinden. Dies wurde mit der Demonstration des Casimir-Effekts bewiesen .

Ein interessantes Buch zum Lesen ist „ A Universe from Nothing “ von Lawrence Krauss.

Der Moment des Urknalls war eine Singularität , was (zeitlich jedenfalls) bedeutet, dass die Kette von Ursache und Wirkung an diesem Punkt unterbrochen ist. Das bedeutet nicht unbedingt, dass nichts den Urknall verursacht hat oder dass davor nichts war. Es bedeutet lediglich, dass es keine Möglichkeit gibt, die Auswirkungen, die nach diesem Moment eingetreten sind, auf eine bestimmte Ursache zurückzuverfolgen, die davor eingetreten ist. Dies wird (natürlich) in Stephen Hawkings A Brief History Of Time erklärt und untersucht .

Ich werde mich nur auf den Teil der Frage nach der Theorie des "explodierenden Eies" als Alternative zur Urknalltheorie konzentrieren. In einer Nussschale sagt das explodierende Ei, dass wir keinen Urknall brauchen, wir können einfach davon ausgehen, dass das ganze Zeug vorher sehr nahe beieinander war und dann gab es nur eine Explosion, die die Teile weggeblasen hat. Ohne tief darüber nachzudenken, mag das explodierende Ei möglich erscheinen, aber es gibt einige Probleme damit. Am einfachsten zu erklären ist wohl die in der Online-Vortragsreihe von Paul Francis und Brian Schmidt sehr ausführlich mit Bildern dargestellte, siehe hier - eine Explosion setzt voraus, dass es einen Unterschied in der Dichte gibtder weggeblasenen Materie hättest du entweder schnellere und langsamere Dinge (daher mehr Dichte zum Explosionszentrum hin) oder du hättest alle Teile mit gleicher Geschwindigkeit (also alles mit gleicher Dichte, aber nur in einer Hülle und Außerhalb der Hülle ist nur Dichte=0). Aber das beobachten wir nicht. Wir beobachten, dass das Universum in jeder Richtung homogen und isotrop ist . Und das ist etwas, das das explodierende Ei nicht erklärt, aber Big Bang schon. Wie? Hier kommt, was meiner Meinung nach der Hauptpunkt des Urknalls ist – es besagt, dass es keine Explosion im Weltraum gab, sondern eher einen Beginn der Expansion des Weltraums. Und weil der Raum selbst expandiert und sich immer noch ausdehnt, seitdem Sie sehen, dass sich die Dinge voneinander entfernen (wenn sie weit genug voneinander entfernt sind!), aber die Abnahme der Dichte im Laufe der Zeit in allen Richtungen des Universums gleich ist

Kreationistische Argumente werden so ziemlich immer irgendwo in An Index to Creationist Claims entlarvt . Siehe hier und hier für Bedenken hinsichtlich ursprünglicher Energie. Das gesagt:

Das Ziel der Kosmologie ist es, die Geschichte des Universums so weit wie möglich zurück zu verstehen${}^\dagger$, in einer Weise, die zu Beobachtungen und dem Rest unserer physikalischen Theorie passt. Das Universum hat die letzten etwa 13,8 Gigajahre damit verbracht, sich aus einem sehr dichten Zustand auszudehnen. Diese Tatsache über seine Geschichte sagt verschiedene beobachtbare Tatsachen korrekt voraus. Es wurde zuerst postuliert, ohne eine so genaue Schätzung, wie lange es passiert, um das Hubble-Gesetz zu erklären, aber es hat seitdem andere Fakten, wie CMB-Strahlung und primordiale Nuklidverhältnisse, sinnvoll gemacht.

Wir können derzeit keine konkreten Behauptungen darüber, was das Universum tat, bevor diese Expansion begann, oder ob es vorher existierte, mit Beobachtungsdaten stützen; noch verpflichtet eine andere Theorie zu einer spezifischen Antwort. (Siehe auch hier .) Wir verwenden den Begriff „Alter des Universums“ einfach als Kurzform dafür, wie lange diese Expansion zurückliegt, teilweise weil ein Zustand dieser Dichte jede hypothetische frühere Periode aus Beobachtungen von uns abschirmen würde.

Aber der Urknall ist sowohl mit Beobachtung als auch mit Theorie vereinbar; Tatsächlich ist eine solche Expansion von der allgemeinen Relativitätstheorie erforderlich , wenn das Universum auf großen Längenskalen homogen und isotrop ist. Es gibt keinen theoretischen Grund, warum dies nicht der Fall wäre, und Beobachtungen stellen dies auch nicht in Frage.

${}^\dagger$Und seine Gegenwart und Zukunft so weit wie möglich voraus, aber lassen wir diese beiden Überlegungen vorerst beiseite.