Ein neues Paradigma zum Verständnis der frühesten Epochen in der Geschichte des Universums wurde entwickelt.
Ein neues Paradigma zum Verständnis der frühesten Epochen in der Geschichte des Universums wurde von Wissenschaftlern der Penn State University entwickelt. Mit Techniken aus einem Bereich der modernen Physik, der sogenannten Loop-Quantenkosmologie, die am Penn State entwickelt wurden, haben die Wissenschaftler nun Analysen erweitert, die die Quantenphysik früher als je zuvor umfassen - bis zum Beginn. Das neue Paradigma der Schleifenquantenursprünge zeigt zum ersten Mal, dass die großräumigen Strukturen, die wir jetzt im Universum sehen, aus fundamentalen Schwankungen der essentiellen Quantennatur der „Raum-Zeit“ entstanden sind, die schon zu Beginn existierten das Universum vor über 14 Milliarden Jahren. Die Errungenschaft bietet auch neue Möglichkeiten, konkurrierende Theorien der modernen Kosmologie gegen bahnbrechende Beobachtungen zu testen, die von Teleskopen der nächsten Generation erwartet werden. Die Studie wird am 11. Dezember 2012 als "Editor's Suggestion" -Papier in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Gemäß der Urknalltheorie, wie unser Universum begann, dehnte sich unser gesamter Kosmos von einem extrem dichten und heißen Zustand aus und expandiert bis heute weiter. Das obige Grafikschema ist ein Künstlerkonzept, das die Ausdehnung eines Teils eines flachen Universums veranschaulicht. Bild über Wikimedia Commons.
"Wir Menschen haben uns immer danach gesehnt, mehr über den Ursprung und die Entwicklung unseres Universums zu erfahren", sagte Abhay Ashtekar, der leitende Autor der Zeitung. "Es ist eine aufregende Zeit in unserer Gruppe, in der wir beginnen, unser neues Paradigma zu nutzen, um die Dynamik, die Materie und Geometrie in den frühesten Epochen des Universums erlebt haben, genauer zu verstehen, auch zu Beginn." Ashtekar ist Inhaber des Eberly Family Lehrstuhls für Physik am Penn State und Direktor des Instituts für Gravitation und Kosmos der Universität. Mitautoren der Arbeit sind neben Ashtekar die Postdoc-Stipendiaten Ivan Agullo und William Nelson.
Das neue Paradigma bietet einen konzeptuellen und mathematischen Rahmen für die Beschreibung der exotischen „quantenmechanischen Geometrie der Raumzeit“ im sehr frühen Universum. Das Paradigma zeigt, dass das Universum in dieser frühen Ära auf solch unvorstellbare Dichten komprimiert war, dass sein Verhalten nicht von der klassischen Physik von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bestimmt wurde, sondern von einer noch grundlegenderen Theorie, die auch die seltsame Dynamik des Quanten einbezieht Mechanik. Die Materiedichte war damals riesig - 1094 Gramm pro Kubikzentimeter, verglichen mit der Dichte eines Atomkerns heute, die nur 1014 Gramm beträgt.
In dieser bizarren quantenmechanischen Umgebung, in der man eher von Wahrscheinlichkeiten als von Gewissheiten sprechen kann, würden sich die physikalischen Eigenschaften natürlich erheblich von der Art und Weise unterscheiden, wie wir sie heute erleben. Zu diesen Unterschieden, so Ashtekar, gehöre das Konzept der "Zeit" sowie die sich im Laufe der Zeit ändernde Dynamik verschiedener Systeme, wenn sie das Gefüge der Quantengeometrie selbst erfahren.
Kein Weltraumobservatorium hat vor langer Zeit und in größerer Entfernung etwas entdeckt als die sehr frühen Epochen des Universums, die durch das neue Paradigma beschrieben werden. Aber ein paar Observatorien sind nahe gekommen. Die kosmische Hintergrundstrahlung wurde in einer Ära entdeckt, in der das Universum erst 380.000 Jahre alt war. Zu diesem Zeitpunkt war das Universum nach einer schnellen Expansion, die als „Inflation“ bezeichnet wurde, in eine stark verdünnte Version seines früheren überkomprimierten Selbst ausgebrochen. Zu Beginn der Inflation war die Dichte des Universums eine Billion Mal kleiner als in den Kinderschuhen, weshalb Quantenfaktoren für die Regelung der Dynamik von Materie und Geometrie im großen Maßstab heute weitaus weniger wichtig sind.
Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung zeigen, dass das Universum nach dem Aufblasen eine überwiegend gleichmäßige Konsistenz aufwies, mit Ausnahme einer leichten Besprengung einiger Regionen, die dichter waren, und anderer, die weniger dicht waren. Das übliche inflationäre Paradigma zur Beschreibung des frühen Universums, das die klassisch-physikalischen Gleichungen von Einstein verwendet, behandelt Raum-Zeit als ein glattes Kontinuum. „Das inflationäre Paradigma hat bemerkenswerte Erfolge bei der Erklärung der beobachteten Merkmale der kosmischen Hintergrundstrahlung. Dieses Modell ist jedoch unvollständig. Es behält die Idee bei, dass das Universum bei einem Urknall aus dem Nichts ausbricht, was natürlich auf die Unfähigkeit der Physik der allgemeinen Relativitätstheorie des Paradigmas zurückzuführen ist, extreme quantenmechanische Situationen zu beschreiben “, sagte Agullo. "Man braucht eine Quantentheorie der Schwerkraft wie die Schleifenquantenkosmologie, um über Einstein hinauszugehen und die wahre Physik nahe dem Ursprung des Universums einzufangen."
Das Hubble eXtreme Deep Field zeigt den entferntesten Teil des Weltraums, den wir bisher bei optischem Licht gesehen haben. Es ist unser bisher tiefster Blick zurück in die Zeit des sehr frühen Universums. Das am 25. September 2012 veröffentlichte Bild hat 10 Jahre früherer Bilder zusammengetragen und zeigt Galaxien von vor 13,2 Milliarden Jahren. Bildnachweis: NASA; ESA; G. Illingworth, D. Magee und P. Oesch, Universität von Kalifornien, Santa Cruz; R. Bouwens, Universität Leiden; und das HUDF09 Team.
Frühere Arbeiten mit der Schleifenquantenkosmologie in Ashtekars Gruppe hatten das Konzept des Urknalls mit dem faszinierenden Konzept eines Big Bounce aktualisiert, das die Möglichkeit eröffnet, dass unser Universum nicht aus nichts hervorgegangen ist, sondern aus einer überkomprimierten Masse von Materie, die zuvor möglicherweise vorhanden war hatte eine eigene Geschichte.
Obwohl sich die quantenmechanischen Bedingungen am Anfang des Universums stark von den Bedingungen der klassischen Physik nach der Inflation unterschieden, zeigt die neue Leistung der Physiker des Penn State einen überraschenden Zusammenhang zwischen den beiden verschiedenen Paradigmen, die diese Epochen beschreiben. Wenn Wissenschaftler das Inflationsparadigma zusammen mit Einsteins Gleichungen verwenden, um die Entwicklung der durch die kosmische Hintergrundstrahlung gestreuten kernartigen Bereiche zu modellieren, stellen sie fest, dass die Unregelmäßigkeiten als Keime dienen, die sich im Laufe der Zeit in Galaxienhaufen und anderen großräumigen Strukturen entwickeln Wir sehen heute im Universum. Erstaunlicherweise stellten die Wissenschaftler des Penn State, als sie ihr neues Schleifen-Quanten-Ursprungs-Paradigma mit seinen Quanten-Kosmologie-Gleichungen verwendeten, fest, dass sich fundamentale Schwankungen in der Natur des Raumes im Moment des Big Bounce zu den beobachteten kernartigen Strukturen entwickeln im kosmischen Mikrowellenhintergrund.
"Unsere neue Arbeit zeigt, dass die Anfangsbedingungen am Anfang des Universums natürlich zu der großräumigen Struktur des Universums führen, die wir heute beobachten", sagte Ashtekar. "In menschlicher Hinsicht ist es so, als würde man gleich bei der Geburt einen Schnappschuss von einem Baby machen und dann ein genaues Profil davon erstellen, wie diese Person im Alter von 100 Jahren sein wird."
"Dieses Papier schiebt die Entstehung der kosmischen Struktur unseres Universums von der inflationären Epoche bis zum Big Bounce zurück und deckt etwa 11 Größenordnungen in der Dichte der Materie und der Krümmung der Raum-Zeit ab", sagte Nelson. "Wir haben jetzt die Anfangsbedingungen eingegrenzt, die am Big Bounce existieren könnten, und wir stellen fest, dass die Entwicklung dieser Anfangsbedingungen mit den Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung übereinstimmt."
Die Ergebnisse des Teams zeigen auch einen engeren Bereich von Parametern auf, für die das neue Paradigma neue Effekte vorhersagt, wodurch es sich von der Standardinflation unterscheidet. Ashtekar sagte: „Es ist aufregend, dass wir bald in der Lage sein werden, unterschiedliche Vorhersagen dieser beiden Theorien mit zukünftigen Entdeckungen bei Beobachtungsmissionen der nächsten Generation zu testen. Solche Experimente werden uns helfen, das sehr, sehr frühe Universum weiter zu verstehen. “
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