In den letzten zehn Jahren haben wir Fotos von Schwarzen Löchern gemacht, in das Herz von Atomen geblickt und auf die Geburt des Universums zurückgeblickt. Und doch gibt es gähnende Lücken in unserem Verständnis des Universums und der Gesetze, die es regieren. Dies sind die Geheimnisse, die Physiker und Astronomen im nächsten Jahrzehnt und darüber hinaus beunruhigen werden.
Warum gibt es eher etwas als nichts?
Am Anfang war nach dem Standardbild der Kosmologie das „inflationäre Vakuum“. Es hatte eine superhohe Energiedichte und eine abstoßende Schwerkraft, wodurch es sich ausdehnte. Je mehr davon vorhanden war, desto größer war die Abstoßung und desto schneller breitete sie sich aus.
Wie alle „Quanten“-Dinge war dieses Vakuum unvorhersehbar. An zufälligen Orten zerfiel es in gewöhnliches, alltägliches Vakuum. Irgendwo musste die ungeheure Energie des inflationären Vakuums hin.
Und es ging darum, Materie zu erschaffen und sie auf eine glühend hohe Temperatur zu erhitzen – um einen großen Knall zu erzeugen. Unser Universum ist nur eine solche Big-Bang-Blase im sich ständig erweiternden Inflationsvakuum.
Bemerkenswerterweise hätte dieser ganze Prozess mit einem Stück Inflationsvakuum beginnen können, dessen Masse einer Tüte Zucker entspricht. Und praktischerweise erlauben es die Gesetze der Physik – insbesondere der Quantenphysik –, dass solche Materie aus dem Nichts entsteht. Die nächste offensichtliche Frage ist jetzt natürlich:Woher kommen die Gesetze der Physik?
1918 brachte die deutsche Mathematikerin Emmy Noether Licht ins Dunkel. Sie fand heraus, dass die großen Erhaltungsgesetze bloße Folgen tiefer Symmetrien von Raum und Zeit sind – Dinge, die gleich bleiben, wenn sich unsere Sichtweise ändert.
Eine bemerkenswerte Eigenschaft solcher Symmetrien ist, dass sie auch Symmetrien der Leere sind – eines völlig leeren Universums. Vielleicht war der Übergang von nichts zu etwas also keine so große Sache. Vielleicht war es einfach ein Wechsel vom Nichts zum „strukturierten“ Nichts unseres mit Galaxien gefüllten Universums.
Aber warum kam es zu der Änderung? Der amerikanische Physiker Victor Stenger wies darauf hin, dass sich Wasser mit sinkender Temperatur in strukturiertes Wasser oder Eis verwandelt, weil Eis stabiler ist. Könnte es sein, spekulierte er, dass das Universum von nichts zu „strukturiertem Nichts“ wurde, weil strukturiertes Nichts stabiler ist?
Warum gibt es im Herzen jeder Galaxie ein schwarzes Monsterloch?
Es gibt ungefähr zwei Billionen Galaxien in unserem Universum, und soweit wir wissen, enthält fast jede ein zentrales supermassereiches Schwarzes Loch. Ihre Größe reicht von Monstern mit einem Gewicht von fast 50 Milliarden Sonnenmassen bis hin zu dem 4,3 Millionen Sonnenmassen-Tiddler, bekannt als Schütze A * im Kern unserer Milchstraße (eine Sonnenmasse =Masse unserer Sonne). . Aber wie sie dorthin gelangten, ist eines der großen ungelösten Geheimnisse der Kosmologie.
Wir wissen, dass ein stellares Schwarzes Loch bei einer Supernova-Explosion entsteht, bei der der Kern eines Sterns implodiert. Aber niemand weiß, wie ein supermassereiches Schwarzes Loch entsteht.
Während des größten Teils der kosmischen Geschichte waren die Zentren von Galaxien dort, wo viel Materie auf ein kleines Volumen beschränkt war. Es könnte sein, dass supermassereiche Schwarze Löcher in einem dichten Sternhaufen aus stellaren Schwarzen Löchern entstehen, die immer wieder miteinander verschmelzen.
Vorläufige Beweise dafür stammen aus einer Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher, die durch die Detektion von Gravitationswellen aufgedeckt wurde. Ein Loch war zu groß, um ein Supernova-Relikt zu sein, und könnte daher von einer früheren Fusion stammen.
Ein alternativer Weg zur Bildung eines supermassiven Schwarzen Lochs ist das direkte Schrumpfen einer dichten Gaswolke. Es könnte sein, dass sie aus einer Kombination von Wolkenkollaps und der Verschmelzung von Schwarzen Löchern entstehen.
Es ist auch möglich, dass beim Urknall supermassereiche Schwarze Löcher entstanden sind. Dies würde eine neuartige Antwort auf die kosmische Henne-Ei-Frage liefern:Was war zuerst da – Galaxien oder supermassive Schwarze Löcher? Anstatt sich zuerst Galaxien zu bilden und dann solche Monster hervorzubringen, würden sich zuerst supermassive Schwarze Löcher bilden und die Keime liefern, um die herum sich Galaxien von Sternen bilden.
Trotz ihrer Masse sind selbst die größten supermassereichen Schwarzen Löcher kaum größer als das Sonnensystem. Dennoch projizieren sie ihre Kraft über Millionen von Lichtjahren durch entgegengesetzt gerichtete, superschnelle Materiestrahlen. Wo solche Jets schnell sind – in den inneren Regionen einer Galaxie – vertreiben sie Gas und ersticken die Sternentstehung; wo sie langsamer geworden sind – in den äußeren Regionen – komprimieren sie Gas und lösen Sternentstehung aus.
Tatsächlich scheinen mächtige Jets aus den größten Löchern die Massen der sich bildenden Sterne zu kontrollieren, mit einer Tendenz zu kleineren, kühleren Sternen wie unserer Sonne. Wer weiß, vielleicht können wir Schütze A* für unsere Sonne danken, ohne die Sie diese Seite wahrscheinlich nicht lesen würden.
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Was ist dunkle Materie?
Dunkle Materie gibt kein Licht oder zu wenig Licht ab, als dass wir es erkennen könnten. Wir wissen, dass es existiert, weil wir die Wirkung seiner Schwerkraft auf die sichtbaren Sterne und Galaxien sehen. Zum Beispiel hätte die Milchstraße in den 13,82 Milliarden Jahren seit dem Urknall nicht genug Materie hineinziehen können, um ihre Sterne zu bilden, ohne dass es eine Menge unsichtbarer Materie gäbe, deren zusätzliche Schwerkraft die Dinge beschleunigt.
Der Planck-Satellit der Europäischen Weltraumorganisation fand heraus, dass dunkle Materie 26,8 Prozent der Masse-Energie des Universums ausmacht, verglichen mit 4,5 Prozent normaler „atomarer“ Materie. Er übertrifft damit die sichtbaren Sterne und Galaxien etwa um den Faktor sechs.
Die bevorzugten Kandidaten für Teilchen der Dunklen Materie waren lange Zeit Weakly Interacting Massive Particles oder WIMPs. Aber obwohl diese Partikel ins Bild passen, sind sie am Large Hadron Collider in der Nähe von Genf in der Schweiz nicht aufgetaucht. Ein Kandidat, der Gunst gewinnt, ist das superleichte „Axion“, ein hypothetisches subatomares Teilchen. Ein absoluter Außenseiter bleiben die ursprünglichen Schwarzen Löcher, die vom Urknall übriggeblieben sind.
Erstaunlicherweise hat trotz jahrzehntelanger Suche kein erdbasiertes Experiment Hinweise auf dunkle Materie gefunden. Es ist denkbar, dass nicht unsere Materietheorie modifiziert werden muss, sondern unsere Gravitationstheorie. Oder dass dunkle Materie keine Flüssigkeit ist, die aus einem einzelnen Teilchen besteht, sondern komplex ist wie die atomare Materie, die wir um uns herum sehen. Vielleicht ist das Universum voller dunkler Sterne und dunkler Planeten und dunklem Leben!
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Existiert Zeit?
Zeit ist das, was verhindert, dass alles gleichzeitig passiert“, sagte der amerikanische Physiker John Wheeler. Aber Zeit ist ein schlüpfriger Begriff. Das meiste, was wir zu wissen glauben, ist falsch.
Zum Beispiel stellen wir uns vor, dass die Zeit fließt. Damit etwas fließt, muss es jedoch in Bezug auf etwas anderes fließen, so wie ein Fluss in Bezug auf ein Flussufer fließt. Fließt die Zeit in Bezug auf etwas anderes – eine zweite Art von Zeit? Die Idee scheint unsinnig. Höchstwahrscheinlich ist der Zeitfluss eine Illusion, die von unserem Gehirn geschaffen wurde, um die Informationen zu organisieren, die ständig durch unsere Sinne einströmen.
Wir haben auch ein starkes Gefühl für eine gemeinsame Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft. Die Idee einer gemeinsamen Gegenwart taucht jedoch nirgends in unserer grundlegenden Beschreibung der Realität auf:Relativität. Wie sich die Zeit eines anderen genau aufteilt, hängt davon ab, wie schnell er sich relativ zu Ihnen bewegt oder wie stark die Schwerkraft ist, die er erfährt.
Diese Effekte machen sich nur bei relativen Geschwindigkeiten nahe dem Licht oder in ultrastarker Schwerkraft bemerkbar, weshalb sie in der Alltagswelt nicht offensichtlich sind. Trotzdem führen sie zu der Vorstellung, dass das Zeitintervall einer Person nicht dasselbe ist wie das einer anderen Person, und dass das Raumintervall einer Person nicht dasselbe ist wie das einer anderen Person.
Eigentlich ist es schlimmer. Raum und Zeit sind untrennbar miteinander verbunden. In unserem Universum sind alle Ereignisse – vom Urknall bis zum Tod des Universums – in einer bereits bestehenden vierdimensionalen Raum-Zeit-Karte dargestellt. Nichts „bewegt“ sich tatsächlich durch die Zeit.
Wie Einstein nach dem Tod seines Freundes Michele Besso schrieb:„Jetzt hat er diese fremde Welt ein wenig vor mir verlassen. Das bedeutet nichts. Menschen wie wir, die an die Physik glauben, wissen, dass die Unterscheidung zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft nur eine hartnäckige Illusion ist.“
Wenn man sich vorstellt, dass die Expansion des Universums wie ein Film rückwärts läuft, werden in ihren frühesten Momenten sowohl Raum als auch Zeit auseinandergerissen. Physiker vermuten daher, dass in der Urknallzeit etwas Grundlegenderes entstanden ist. Bisher weiß niemand, was das sein könnte.
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Was ist dunkle Energie?
Es ist unsichtbar, füllt den gesamten Raum aus und seine abstoßende Schwerkraft beschleunigt die Expansion des Universums. „Dunkle Energie“ wurde 1998 von Astrophysikern entdeckt. Sie untersuchten Supernovae vom Typ 1A – Sternexplosionen, von denen angenommen wird, dass sie eine festgelegte Energiemenge freisetzen und mit einer Standardhelligkeit wie eine kosmische 100-W-Glühbirne brennen.
Das Problem war, dass die am weitesten entfernten Supernovae schwächer waren als erwartet. Die kosmische Expansion hatte sich beschleunigt und sie weiter weggedrängt.
Zu dieser Zeit war die einzige Kraft, von der angenommen wurde, dass sie im großen Universum wirkt, die Schwerkraft, die wie ein unsichtbares Netz zwischen den Galaxien wirkt und die kosmische Expansion bremst.
Die Entdeckung, dass die Ausdehnung des Weltraums verblüffte Kosmologen beschleunigte, die gezwungen waren, die Existenz einer Substanz zu postulieren, die erstaunliche zwei Drittel der Massenenergie des Universums ausmacht. Diese „dunkle Energie“ überwältigte die Schwerkraft und erlangte vor etwa fünf Milliarden Jahren die Kontrolle über das Universum.
Eine Möglichkeit ist, dass dunkle Energie eine kosmologische Konstante ist, eine intrinsische Abstoßung des Weltraums. Eine solche Abstoßung könnte durch Quantenenergiefluktuationen im Vakuum entstehen.
Wenn jedoch die Quantentheorie, unsere beste Theorie der submikroskopischen Welt, auf das Vakuum angewendet wird, sagen Theoretiker eine Energiedichte voraus, die um 10 gefolgt von 120 Nullen größer ist als die der Dunklen Energie:die größte Diskrepanz zwischen einer Vorhersage und einer Beobachtung in Geschichte der Wissenschaft.
Denkbarerweise verschwindet die Diskrepanz, wenn es uns endlich gelingt, die Quantentheorie mit Einsteins Gravitationstheorie zu kombinieren. In der Zwischenzeit könnten Weltraumexperimente helfen. Im Jahr 2022 wird die Europäische Weltraumorganisation Euclid starten, das messen wird, wie sich dunkle Energie mit der kosmischen Zeit verändert, und hoffentlich einen wichtigen Hinweis zur Lösung des größten Rätsels der Wissenschaft liefern wird.
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Warum haben wir keine Anzeichen von Außerirdischen gesehen?
1950 aß Enrico Fermi, der Mann, der den ersten Kernreaktor baute, in der Kantine des Bombenlabors von Los Alamos in New Mexico zu Mittag, als er plötzlich sagte:„Wo sind alle?“ Jeder am Tisch wusste genau, was er meinte.
Jahrzehnte später wurde Fermis Frage unabhängig von den amerikanischen Physikern Michael Hart und Frank Tipler untersucht. Hart betrachtete Außerirdische, die sich in unserer Milchstraße ausbreiten, und Tipler betrachtete selbstreplizierende Maschinen, die bei der Ankunft in einem Planetensystem die Ressourcen ausnutzen, um zwei Kopien von sich selbst zu erstellen, die ihre Reise fortsetzen.
Beide kamen zu dem Schluss, dass jeder Stern in der Galaxie selbst bei bescheidener Reisegeschwindigkeit in einem Bruchteil des Alters der Milchstraße besucht werden würde. Wie Fermi erkannte, sollten die Außerirdischen hier auf der Erde sein. Sie scheinen es nicht zu sein. Dies wurde zum „Fermi-Paradoxon“.
Hunderte von Erklärungen wurden vorgeschlagen. Sie beinhalten die Vorstellung, dass wir die erste Intelligenz sind, die in der Galaxie auftaucht und daher völlig allein sind, und dass wir eine Kinderwelt sind, die für fortgeschrittene Zivilisationen gesperrt ist, die unsere Entwicklung beeinträchtigen könnten.
Eine banalere Möglichkeit ist, dass es kein Paradoxon gibt, da alle Anzeichen eines Besuchs in der fernen Vergangenheit durch Wind, Regen und geologische Prozesse gelöscht würden. Kürzlich hat jedoch ein Team unter der Leitung von Dr. Jonathan Carroll-Nellenback von der University of Rochester, New York, vorgeschlagen, dass unsere Sonne möglicherweise einfach von einer Welle außerirdischer Expansion umgangen wurde.
Es bleibt die Frage, warum wir in unserer Galaxie keine Anzeichen von Außerirdischen gesehen haben, obwohl wir seit mehr als einem halben Jahrhundert mit Teleskopen suchen. Ein Team der Pennsylvania State University unter der Leitung von Dr. Jason Wright sagt jedoch, dass es kein Rätsel gibt:Wir haben nur einen Bruchteil der Galaxie durchsucht, was dem Wasser in einem
Whirlpool im Vergleich zu dem in den Ozeanen der Erde entspricht.
Wie Douglas Adams in Per Anhalter durch die Galaxis so scharfsinnig feststellte:„Der Weltraum ist groß. Sie werden einfach nicht glauben, wie gewaltig, gewaltig, umwerfend groß es ist.“
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Warum hat die Natur ihre Grundbausteine verdreifacht?
Angenommen, Lego hat eine Version seiner Steine auf den Markt gebracht, bei der jeder Stein hundertmal größer war als ein Standardstein. Und sagen wir, es hat dann eine andere Version auf den Markt gebracht, in der die Steine tausendmal größer waren. Es sei Ihnen verziehen, wenn Sie dachten, das Unternehmen sei verrückt geworden. Aber genau das hat die Natur mit ihren Grundbausteinen – den Quarks und Leptonen – getan.
Normale Materie besteht nur aus zwei Arten von Quarks und zwei Arten von Leptonen. Aber es gibt auch eine zweite „Generation“ von Quarks und Leptonen, in der alle Teilchen identisch mit der ersten sind, abgesehen davon, dass sie hundertmal schwerer sind, und eine dritte Generation, in der sie identisch sind, aber tausendmal schwerer.
Die schwereren Generationen brauchen viel Energie, um sie zu erschaffen, und sind daher heute selten zu sehen. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass sie beim Urknall eine entscheidende Rolle gespielt haben. Aber warum die völlig unterschiedlichen Massen der Teilchen in jeder Generation? Dr. Steven Weinberg, ein amerikanischer Physiker und Nobelpreisträger, hat eine interessante Spekulation aufgestellt.
Die Grundbausteine der Materie gewinnen ihre Masse durch die Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld, einer unsichtbaren Flüssigkeit, die den gesamten Raum erfüllt. Sie können sich vorstellen, wie sie mit dem Higgs-Teilchen interagieren, einem lokalisierten Hügel in diesem Energiefeld.
Weinberg weist darauf hin, dass Teilchen, die am stärksten mit dem Higgs-Feld wechselwirken, am Ende Massen nahe der des Higgs-Teilchens haben, und dies sind nicht die Teilchen der ersten, sondern der dritten Generation.
Vielleicht, spekuliert Weinberg, sind sie die einzigen Teilchen, die direkt mit dem Higgs interagieren. Vielleicht erhält die zweite Generation ihre Masse, indem sie mit einem unentdeckten Teilchen interagiert, das direkt mit dem Higgs interagiert. Und vielleicht bekommt die erste Generation ihre, indem sie mit einem zweiten unentdeckten Partikel interagiert, das mit dem ersten interagiert.
Es ist wie bei diesem Spielplatzspiel, bei dem eine Nachricht an eine Reihe von Kindern weitergegeben wird und das, was weitergegeben wird, sich immer weiter von dem entfernt, was ursprünglich gesagt wurde. Vielleicht entfernen sich die Partikel mit jeder niedrigeren Generation weiter davon, das Higgs-Feld zu „fühlen“, so dass seine masseerzeugende Wirkung immer geringer wird.
Weinberg weiß nicht, wie ein solcher Mechanismus im Detail funktionieren könnte. Aber andere Physiker glauben, dass er vielleicht einen Hinweis gegeben hat, wie man das Rätsel der dreifachen Bausteine der Natur löst.
- Dieser Artikel erschien zuerst in Ausgabe 359 des BBC Science Focus Magazine – Erfahren Sie hier, wie Sie sich anmelden können