Von fast jedem Standpunkt aus ist die Existenz ziemlich funky und seltsam. Aber wenn man sich auf die grundlegende Physik von allem konzentriert, wird es noch seltsamer! Während viele Leute denken, dass im Bereich der Wissenschaft alles klar ist -schneiden und bestellen. Aber funktioniert das wirklich so?
Im Laufe der Jahrtausende haben Wissenschaftler und Philosophen endlos darüber diskutiert, ob das Leben und der Kosmos geordnet oder chaotisch sind. Die Wissenschaften waren gegen diese Debatte nicht immun, und viele bedeutende Entdeckungen wurden entweder von der einen oder der anderen Denkschule aufgegriffen.
Das Erlernen der Bewegungen der Planeten, der Schwerkraft, der Atomtheorie, der Relativitätstheorie, der Quantenmechanik und der großräumigen Struktur des Universums wurde manchmal verwendet, um Ideen sowohl der Ordnung als auch des Chaos Gewicht zu verleihen.
Gegenwärtig gibt es viele Unklarheiten in Bezug auf diese Frage, und zukünftige Entdeckungen können helfen, sie zu lösen. In der Zwischenzeit ist es jedoch gut, eine Bestandsaufnahme dessen zu machen, was wir gelernt haben und was es uns über das Leben erzählen kannwie wir wissen.
Was ist das Universum?
Das Wort „Universum“ stammt aus dem lateinischen „Universum“, das von römischen Autoren verwendet wurde, um sich auf den Kosmos zu beziehen, wie sie ihn kannten. Dies bestand aus der Erde und allem Leben sowie dem Mond, der Sonne, den Planetendass sie wussten Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn und die Sterne.
Der Begriff „Kosmos“ leitet sich dagegen vom griechischen Wort ab. Kosmos was "Ordnung" oder "die Welt" bedeutet. Andere Wörter, die üblicherweise verwendet werden, um die gesamte bekannte Existenz zu definieren, umfassen "Natur" vom germanischen Wort Natur und das englische Wort "alles" selbsterklärend.
Heute wird das Wort Universum von Wissenschaftlern verwendet, um sich auf alle existierenden Materien und Räume zu beziehen. Dies schließt das Sonnensystem, die Milchstraße, alle bekannten Galaxien und Aufbauten ein. In Bezug auf die moderne Wissenschaft und Astrophysik umfasst es auch alle Zeiten, Raum, Materie, Energie und die fundamentalen Kräfte, die sie binden.
Kosmologie hingegen wird verwendet, um das Studium des Universums oder des Kosmos und der Kräfte, die es binden, zu beschreiben. Dank Tausenden von Jahren der Wissenschaft ist das, was wir über das physische Universum wissen, sprunghaft gewachsenUnd doch gibt es noch so viel, was wir nicht verstehen.
Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wo wir heute sind, müssen wir zuerst zurückblicken ...
Geschichte der Kosmologie
Die Menschen haben die Natur der Existenz ziemlich genau studiert, seit sie aufrecht gehen und sprechen konnten. Das meiste, was wir über das Studium des Kosmos wissen, geht jedoch nur bis zur Existenz schriftlicher Aufzeichnungen zurück.
Glücklicherweise stammen viele dieser Aufzeichnungen aus mündlichen Überlieferungen, die vor dem Schreiben entstanden sind. Daher gibt es eine allgemeine Vorstellung davon, was unsere Vorfahren glaubten. Was wir wissen, deutet darauf hin, dass die frühesten Berichte über die Erschaffung des Universums eher symbolischer und metaphorischer Natur waren.
Soweit wir das beurteilen können, hat jede existierende Kultur ihre eigene Version einer Schöpfungsgeschichte. In vielen Fällen begann alles Leben mit einem einzigen Ereignis, bei dem ein Gott oder Götter für die Erschaffung der Welt verantwortlich warenHimmel und alles dazwischen. Die meisten Schöpfungsgeschichten enthielten oder gipfelten in der Geburt der Menschheit.
Archäologische Beweise deuten darauf hin, dass Menschen bereits 8000 v. Chr. Himmlische Ereignisse wie die Bewegung des Mondes verfolgten, um Kalender zu erstellen. Ab dem 2. Jahrtausend v. Chr. Begann sich die Astronomie als Untersuchungsgebiet zu entwickeln.
Einige der frühesten aufgezeichneten Beobachtungen des Himmels werden den alten Babyloniern zugeschrieben. Diese würden die kosmologischen und astrologischen Traditionen der Kulturen im Nahen Osten und im Mittelmeerraum für Tausende von Jahren prägen.
Der Begriff der endlichen Zeit wird manchmal auf diese Zeit und möglicherweise auf die zorastrische Religion zurückgeführt. Im Mittelpunkt steht der Glaube, dass das Universum geschaffen wurde, die Entfaltung eines göttlichen Plans darstellt und ein Ende hat.
Spätere Lehren, die besagten, dass die Zeit mit der Schöpfung oder Selbstschöpfung begann und mit einem Triumph der Ordnung über das Chaos und einer Version des Tages des Gerichts enden wird, an dem die gesamte Schöpfung mit dem Schöpfer wiedervereinigt wird. Diese Konzepte sind wahrscheinlichum das 6. Jahrhundert v. Chr. mit der persischen Eroberung Babylons auf das Judentum übertragen worden zu sein.
Die Idee der Zeit als linearer Verlauf prägt die westliche Kosmologie seit Tausenden von Jahren und existiert noch heute zum Beispiel mit den Theorien "Urknall" und "Pfeil der Zeit".
Zwischen dem 8. Jahrhundert v. Chr. Und 6. Jahrhundert n. Chr. Die Zeit, die oft als "klassische Antike" bezeichnet wird, das Konzept, dass physikalische Gesetze das Universum regierten, gewann zunehmend an Bedeutung. Zu dieser Zeit begannen Wissenschaftler sowohl in Indien als auch in Griechenland, Erklärungen für Naturphänomene anzubieten, bei denen Ursache und Wirkung im Vordergrund standen.
Geburt des Atoms
Im 5. Jahrhundert v. Chr. Theoretisierte der griechische Philosoph Empedokles, dass das Universum aus den vier Elementen Erde, Luft, Wasser und Feuer besteht. Etwa zur gleichen Zeit entstand in China ein ähnliches System, das aus den fünf Elementen der Erde bestand, Wasser, Feuer, Holz und Metall.
Diese Idee würde einflussreich werden, würde aber bald vom griechischen Philosophen Leucippus konterkariert werden, der die Idee theoretisierte, dass das Universum aus unteilbaren Teilchen besteht, die als "Atomos" bekannt sind griechisch für "nicht schneidbar".
Das Konzept wurde von seinem Schüler Demokrit 460 - 370 v. Chr. Popularisiert, der argumentierte, Atome seien unzerstörbar, ewig und bestimmten die Eigenschaften aller Materie.
Der griechische Philosoph Epikur 341–270 v. Chr. Würde diese Idee verfeinern und näher erläutern. Aus diesem Grund würde sie mit der von ihm inspirierten Philosophieschule in Verbindung gebracht werden Epikuräismus.
Der indische Philosoph Kanada, von dem angenommen wird, dass er zwischen dem 6. und 2. Jahrhundert v. Chr. Gelebt hat, schlug eine ähnliche Idee vor. In seiner Philosophie bestand die gesamte Materie aus "paramanu" - unteilbaren und unzerstörbaren Teilchen. Er schlug auch dieses Licht und vorWärme war die gleiche Substanz in einer anderen Form.
Der indische Philosoph Dignana 480 - 540 n. Chr., Der einer der buddhistischen Begründer der indischen Logikschule war, ging noch weiter und schlug vor, dass alle Materie aus Energie besteht.
Diese Theorien wurden im Westen weitgehend vergessen, blieben aber bei islamischen und asiatischen Gelehrten beliebt, die sie ins Arabische und in andere Sprachen übersetzten. Um das 14. Jahrhundert würde das Interesse am "Atomismus" im Westen dank der Übersetzung wieder auftauchenvon klassischen Werken zurück ins Lateinische.
Platz der Erde im Sonnensystem
Zwischen dem 2. Jahrtausend v. Chr. Und dem 2. Jahrhundert n. Chr. Entwickelten sich Astronomie und Astrologie weiter und entwickelten sich weiter. Während dieser Zeit überwachten Astronomen die richtigen Bewegungen der Planeten und die Bewegung der Sternbilder durch den Tierkreis.
In dieser Zeit artikulierten griechische Astronomen auch das geozentrische Modell des Universums, in dem sich Sonne, Planeten und Sterne um die Erde drehen.
Diese Traditionen wurden in der mathematischen und astronomischen Abhandlung des 2. Jahrhunderts n. Chr. Zusammengefasst. Almagest geschrieben von dem griechisch-ägyptischen Astronomen Claudius Ptolemaeus alias Ptolemäus.
Diese Abhandlung und das darin enthaltene kosmologische Modell würden von vielen mittelalterlichen europäischen und islamischen Gelehrten als Kanon angesehen und würden über tausend Jahre lang die maßgebliche Quelle für die Astronomie bleiben.
Während des Mittelalters ca. 5. - 15. Jahrhundert n. Chr. Behielten indische, persische und arabische Gelehrte die klassischen astronomischen Traditionen bei und erweiterten sie. Gleichzeitig fügten sie ihnen einige revolutionäre Ideen hinzu - wie die Rotation vondie Erde.
Einige Wissenschaftler gingen noch weiter und schlugen heliozentrische Modelle des Universums vor - wie der indische Astronom Aryabhata 476–550 n. Chr., Der persische Astronom Albumasar 787 - 886 CE, und Al-Sijzi 945 - 1020 CE.
Es ist möglich, dass ihre Werke von den früheren Werken von inspiriert wurden Aristarchos von Samos 310-230 v. Chr., Seleukus von Seleukia 190 v. Chr. - 150 v. Chr. Und bestimmte pythagoreische Philosophen aus dem 4. und 5. Jahrhundert v. Chr.
Bis zum 16. Jahrhundert Nicolaus Copernicus veröffentlichte ein vollständiges Modell eines heliozentrischen Universums. Er schlug dieses Modell zunächst in einem 40-seitigen Manuskript mit dem Titel vor Commentariolus „Kleiner Kommentar“, der 1514 veröffentlicht wurde.
Seine Theorie löste die verbleibenden Probleme, die frühere heliozentrische Modelle plagten, und basierte auf sieben allgemeinen Prinzipien. Diese postulierten das :
- Es gibt kein einziges Zentrum aller Himmelskugeln oder Kugeln.
- Der Erdmittelpunkt ist der Mittelpunkt, nicht des Universums, sondern nur der Schwerkraft und der Mondkugel.
- Alle Kugeln umkreisen die Sonne, sozusagen in der Mitte, so dass sich das Zentrum des Universums in der Nähe der Sonne befindet.
- Das Verhältnis der Entfernung der Erde von der Sonne zur Höhe des Firmaments ist so viel kleiner als das Verhältnis des Radius der Erde zur Entfernung von der Sonne, dass die Entfernung zwischen der Erde und der Sonne im Vergleich zur Höhe nicht wahrnehmbar istdes Firmaments.
- Welche Bewegung auch immer am Firmament erscheint, ist nicht darauf zurückzuführen, sondern auf die Erde. Dementsprechend führt die Erde zusammen mit den umgebenden Elementen in einer täglichen Bewegung eine vollständige Rotation an ihren festen Polen durch, während das Firmament und der höchste Himmel unverändert bleiben.
- Was uns als Bewegungen der Sonne erscheint, ist nicht auf ihre Bewegung zurückzuführen, sondern auf die Bewegung der Erde und unserer Sphäre, mit der wir uns wie jeder andere Planet um die Sonne drehen. Die Erde hatdann mehr als eine Bewegung.
- Was auf den Planeten als [Wechsel von] retrograder und direkter Bewegung erscheint, ist nicht auf ihre Bewegung zurückzuführen, sondern auf die der Erde. Die Bewegung der Erde allein reicht daher aus, um so viele offensichtliche Unregelmäßigkeiten zu erklären. der Himmel .
Copernicus würde diese Ideen in seinem Magnum Opus erweitern - De revolutionibus orbium coelestium Über die Revolutionen der himmlischen Sphären - das er 1532 beendete. Aus Angst vor Verfolgung ließ Copernicus es jedoch erst kurz vor seinem Tod 1534 veröffentlichen.
In dieser Arbeit wiederholte Copernicus seine sieben Hauptargumente und lieferte detaillierte Berechnungen, um sie zu stützen. Seine Ideen würden den italienischen Astronomen, Mathematiker und Erfinder inspirieren. Galileo Galilei 1564 - 1642.
Galileo würde ein Teleskop seiner eigenen Schöpfung, sein Verständnis von Physik und Mathematik und die konsequente Anwendung der wissenschaftlichen Methode verwenden, um die Beobachtungen und Berechnungen von Copernicus zu verfeinern.
Galileos Beobachtungen des Mondes, der Sonne und des Jupiter würden sich als sehr einflussreich erweisen und dazu beitragen, Fehler im geozentrischen Modell aufzudecken. Seine Beobachtungen des Mondes zeigten beispielsweise eine pockennarbige und kraterartige Oberfläche, während seine Beobachtungen des MondesSonne enthüllte Sonnenflecken.
Er war auch verantwortlich für die Entdeckung von Jupiters größten Monden - Io, Europa, Ganymed und Callisto - die später zu seinen Ehren als "Galiläische Monde" bezeichnet wurden.
Diese Entdeckungen widersprachen den lang gehegten Vorstellungen, dass der Himmel perfekte Sphären seien im Einklang mit der christlichen Theologie und dass keine anderen Planeten als die Erde Satelliten hätten.
Seine Beobachtungen der Planeten zeigten, dass ihre Erscheinungen und Positionen am Himmel mit der Theorie übereinstimmten, dass sie die Sonne umkreisten.
Er teilte diese Beobachtungen in Abhandlungen wie dem Sidereus Nuncius Der Sternenbote und die An den in der Sonne beobachteten Stellen beide wurden 1610 veröffentlicht.
Aber es war seine Abhandlung von 1632 Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo Dialog über die beiden Hauptsysteme der Welt wo er sich für das heliozentrische Modell des Universums einsetzte.
Johannes Kepler 1571-1630 verfeinerte das Modell mit seinem Gesetze der Planetenbewegung was zeigte, dass die Umlaufbahnen der Planeten eher elliptisch als perfekte Kreise waren wie Galileo und frühere Astronomen behauptet hatten.
Dies hat die "Große Debatte" über die Natur des Sonnensystems effektiv beigelegt und den Heliozentrismus ab dem späten 17. Jahrhundert zum wissenschaftlichen Konsens gemacht.
Vom Sonnensystem zur Milchstraße
Eine weitere revolutionäre Entdeckung, die im 17. und 18. Jahrhundert gemacht wurde, war die Erkenntnis, dass unser Sonnensystem nicht einzigartig ist. Dank der Erfindung des Teleskops hat sich unser Verständnis der Milchstraße drastisch verändert.
Anstatt wie vorher angenommen eine riesige Wolke in Form eines Bandes zu sein, begannen die Astronomen zu verstehen, dass die nebulöse Struktur, die sie seit Jahrtausenden am Nachthimmel beobachtet hatten, tatsächlich Milliarden entfernter Sterne waren.
Zugegeben, die Idee war nicht ganz neu. Im 13. Jahrhundert Der persische Astronom und Polymath Nasir al-Din al-Tusi 1201 - 1274 schlug genau diese Möglichkeit in seinem Buch vor. Tadhkira :
„Die Milchstraße, dh die Galaxie, besteht aus einer sehr großen Anzahl kleiner, dicht gebündelter Sterne, die aufgrund ihrer Konzentration und Kleinheit trübe Flecken zu sein scheinen. Aus diesem Grund wurde sie mit denen verglichenMilch in Farbe. ”
Erst mit der wissenschaftlichen Revolution ca. 16. - 18. Jahrhundert konnten Astronomen dies direkt beobachten. In Der Sternenbote Galileo beschrieb die Beobachtung der "nebulösen Sterne", die im Sternenkatalog von Almagest enthalten waren.
Diese Beobachtungen führten ihn zu dem Schluss, dass die "nebulösen" Abschnitte der Milchstraße tatsächlich "Kongerien unzähliger Sterne waren, die in Clustern zusammengefasst waren". Diese Entdeckung unterstützte den Fall des Heliozentrismus weiter, da sie zeigte, dass das Universum viel größer warals bisher angenommen.
1755 theoretisierte der deutsche Philosoph Immanuel Kant, dass die Milchstraße eine massive Ansammlung von Sternen sei, die durch die Kraft ihrer gegenseitigen Schwerkraft zusammengehalten würden. Er sagte ferner voraus, dass diese Sterne zusammen mit dem Sonnensystem Teil einer Abflachung warenScheibe, die sich um ein gemeinsames Zentrum drehte - ähnlich wie die Planeten um die Sonne.
1785 versuchte der Astronom William Herschel, die erste Karte der Milchstraße zu erstellen. Seine Schätzungen zu Größe und Form wurden durch die Tatsache verworfen, dass ein Großteil unserer Galaxie durch Staub und Gas verdeckt ist, aber sein Versuch war ein Hinweisder Fortschritte, die gemacht wurden.
Bis zum 19. Jahrhundert ermöglichten verbesserte Optiken und Teleskope den Astronomen, mehr vom Nachthimmel abzubilden, was viele zu dem Schluss führte, dass unser Sonnensystem nur eines von Milliarden in der Milchstraße war.
Bis zum 20. Jahrhundert würden sie feststellen, dass die Milchstraße nur eine von Milliarden im Universum war. Aber eins nach dem anderen ...
Newton und Einstein revolutionieren alles
Das Verständnis der Menschheit für das Universum würde im späten 17. Jahrhundert durch die Arbeit des britischen Polymath erneut revolutioniert werden. Sir Isaac Newton 1642/43 - 1727. Unter Verwendung von Keplers Bewegungstheorie entwickelte er eine Gravitationstheorie auch bekannt als Universal Gravitation.
Dies wurde in seiner Hauptarbeit zusammengefasst Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica "Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie", das 1687 veröffentlicht wurde und Newtons enthielt Drei Bewegungsgesetze . Diese Gesetze besagten, dass :
- Bei Betrachtung in einem Trägheitsreferenzrahmen bleibt ein Objekt entweder in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter, es sei denn, es wird von einer externen Kraft beaufschlagt.
- Die Vektorsumme der äußeren Kräfte F auf ein Objekt ist gleich der Masse m dieses Objekts multipliziert mit dem Beschleunigungsvektor a des Objekts. In mathematischer Form wird dies ausgedrückt als F = ma
- Wenn ein Körper eine Kraft auf einen zweiten Körper ausübt, übt der zweite Körper gleichzeitig eine Kraft aus, die gleich groß und entgegengesetzt in Richtung des ersten Körpers ist.
Diese Gesetze beschreiben, wie Objekte Kräfte aufeinander ausüben und wie dadurch Bewegung auftritt. Aus seiner Arbeit konnte Newton die Masse der Planeten berechnen, feststellen, dass die Erde keine perfekte Kugel ist und wie die Wechselwirkung der Erde mit Sonne und Mond die Gezeiten des Ozeans beeinflusst.
Diese und andere detaillierte Berechnungen hätten einen tiefgreifenden Einfluss auf die Wissenschaften und würden die Grundlage der klassischen Physik auch bekannt als Newtonsche Physik bilden, die für die nächsten 200 Jahre der akzeptierte Kanon bleiben würde.
Dies würde sich im frühen 20. Jahrhundert ändern, als ein junger theoretischer Physiker namens Albert Einstein begann, eine Reihe von Artikeln zu veröffentlichen, in denen seine Theorien diskutiert wurden. Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie .
Diese Theorien waren teilweise das Ergebnis des Versuchs, die Inkonsistenzen zwischen der Newtonschen Physik und den kürzlich entdeckten Gesetzen des Elektromagnetismus zu lösen - am besten zusammengefasst durch Maxwellsche Gleichungen und die Lorentz-Kraftgesetz .
Einstein würde diese Inkonsistenz in einem der Artikel ansprechen, die er 1905 während seiner Arbeit in einem Patentamt in Bern, Schweiz, schrieb. Titel: “ Zur Elektrodynamik bewegter Körper ", dieses Papier wurde zur Grundlage der Speziellen Relativitätstheorie Special Relativity, SR.
Einsteins Theorie stellte den zuvor vertretenen Arbeitskonsens in Frage, dass Licht, das sich durch ein Medium bewegt, von diesem Medium mitgerissen wird. Dies bedeutete, dass die Lichtgeschwindigkeit die bereits bestimmt worden war die Summe seiner Geschwindigkeit war. durch ein Medium plus die Geschwindigkeit von dieses Medium.
Dies führte zu allen Arten von theoretischen Komplikationen, und Experimente, die versuchten, sie alle zu lösen, ergaben Nullergebnisse. Stattdessen stellte Einstein fest, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Trägheitsreferenzrahmen gleich ist, eine Theorie, die den Bedarf an Medien beseitigteoder fremde Erklärungen.
Theoretisch vereinfachte SR nicht nur die mathematischen Berechnungen und löste Probleme zwischen Elektromagnetismus und Physik, sondern stimmte auch eng mit der Lichtgeschwindigkeit überein und erklärte Aberrationen, die in Experimenten aufgetreten waren.
Zwischen 1907 und 1911 begann Einstein, seine SR-Theorie auf Gravitationsfelder anzuwenden, ein weiterer Bereich, in dem die Newtonsche Physik Schwierigkeiten hatte. Bis 1911 gipfelten diese Bemühungen in der Veröffentlichung von „ Über den Einfluss der Gravitation auf die Lichtausbreitung “.
Dieses Papier legte den Grundstein für die Allgemeine Relativitätstheorie GR. Darin sagte Einstein voraus, dass die Zeit relativ zum Beobachter ist und von seiner Position innerhalb eines Schwerefelds abhängt und dass die Gravitationsmasse mit der Trägheitsmasse auch bekannt als Äquivalenzprinzip .
Eine andere Sache, die Einstein in diesem Artikel vorausgesagt hat, war die Idee, dass zwei Beobachter, die sich in unterschiedlichen Abständen von einer Gravitationsmasse befinden, den Zeitfluss unterschiedlich wahrnehmen würden aka. Gravitationszeitdilatation .Diese Theorien bleiben ein fester Bestandteil der modernen Physik.
Das Universum ist dunkel
Einsteins Theorien, die breite Akzeptanz fanden, hatten viele Konsequenzen für die Wissenschaften. Insbesondere sagten seine Feldgleichungen für die Relativitätstheorie auch die Existenz von Schwarzen Löchern und eines Universums voraus, das sich entweder in einem Zustand ständiger Expansion oder Kontraktion befand.
1915, wenige Monate nach der Verbreitung von GR, fand der deutsche Physiker und Astronom Karl Schwarzschild eine Lösung für Einsteins Feldgleichungen, aus der Jahrzehnte vor der Beobachtung die Theorie der Schwarzen Löcher hervorging.
auch bekannt als a Schwarzschild-Radius , diese Lösung beschrieben, wie die Masse einer Kugel so werden könnte komprimiert, dass die Fluchtgeschwindigkeit von der Oberfläche der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Der "Radius" bezieht sich in diesem Fall auf die Größe, unter der Die Anziehungskraft zwischen den Partikeln eines Körpers muss dazu führen, dass er einen irreversiblen Gravitationskollaps erleidet.
1931 erweiterte der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar dies, indem er mithilfe von SR berechnete, wie massiv ein Körper werden müsste, bevor er in sich zusammenbricht - später als der bezeichnet. Chandrasekhar-Grenze .
Bis 1939 stützte die Entdeckung von Neutronensternen Chandrasekhars Theorien, indem sie zeigte, dass weiße Zwerge mit einer Masse unterhalb dieser Grenze tatsächlich zusammenbrechen. Das resultierende Objekt ein Neutronenstern ist daher sehr dicht und hat eine unglaublich starke WirkungMagnetfeld.
Aus diesem Grund argumentierten Physiker wie Robert Oppenheimer, dass ein weißer Zwerg mit ausreichender Masse weiterhin zusammenbrechen und ein Schwarzes Loch bilden würde. Dies war zwar eine weitere Massengrenze bekannt als Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze , es stimmte mit Chandrasekhars Theorie überein.
In den 1960er und 1970er Jahren führten Astrophysiker viele GR-Tests mit Schwarzen Löchern und großräumigen Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen durch. Dies wurde als "Goldenes Zeitalter der Allgemeinen Relativitätstheorie" 1960 - 1975 bekannt.da es Einsteins Theorie ermöglichte, wie nie zuvor getestet zu werden.
Astrophysiker bemerkten jedoch auch bei diesen Tests etwas besonders Beunruhigendes. Bei der Betrachtung von Galaxien und größeren Konzentrationen von Materie im Universum stellten sie fest, dass die beobachteten Gravitationseffekte dieser Objekte nicht mit ihrer scheinbaren Masse übereinstimmten.
Dies führte die wissenschaftliche Gemeinschaft zu dem Schluss, dass es in Galaxien eine ganze Menge Masse gab, die sie nicht sehen konnten. Daraus entstand die Theorie von Dunkle Materie eine mysteriöse Masse, die nicht über die elektromagnetische Kraft mit "normaler Materie" auch bekannt als sichtbare oder baryonische Materie interagiert.
Dies bedeutet, dass es kein Licht absorbiert, reflektiert oder emittiert, was es extrem schwer zu erkennen macht. interagiert nur durch seine Gravitationskraft mit Materie. Es wird angenommen, dass dunkle Materie überwiegen die sichtbare Materie ungefähr sechs zu eins und machen ungefähr 27% des Universums aus. Es wird auch angenommen, dass es einen tiefgreifenden Einfluss auf seine Entwicklung hatte.
Das Universum dehnt sich aus
Eine weitere Konsequenz von GR war die Vorhersage, dass sich das Universum entweder in einem ständigen Expansions- oder Kontraktionszustand befindet. Von 1927 bis 1929 bestätigten der belgische Physiker und römisch-katholische Priester Georges Lemaître und der amerikanische Astronom Edwin Hubble, dass es das erstere war.
Zu der Zeit suchte Einstein noch nach einer Möglichkeit, die Idee eines statischen Universums zu rationalisieren. Zu diesem Zweck schlug er das " Kosmologische Konstante ", eine noch unentdeckte Kraft, die" die Schwerkraft zurückhielt ", um sicherzustellen, dass die Verteilung der Materie im Kosmos über die Zeit gleichmäßig war.
Mit Rotverschiebungsmessungen anderer Galaxien bewies Hubble, dass Einstein falsch lag. Diese Messungen zeigten, dass das von diesen Galaxien kommende Licht die Wellenlängen verkürzt hatte - dh zum roten Ende des Spektrums verschoben wurde -, was darauf hinwies, dass sich der dazwischenliegende Raum ausdehnte.
Hubbles Beobachtungen zeigten auch, dass die Galaxien, die am weitesten von unseren entfernt waren, schneller zurückgingen. Dieses Phänomen würde bekannt werden als Hubble-Gesetz und die Geschwindigkeit, mit der dies geschah, würde als bekannt werden Hubble-Konstante .
1931 nutzte Georges Lemaitre die von ihm mitentdeckten Phänomene, um eine Idee zu artikulieren, dass das Universum einen Anfang hatte. Nachdem er unabhängig bestätigt hatte, dass sich das Universum ausdehnte, schlug er vor, dass es mit zunehmender Zeit immer kleiner wurde.
Irgendwann in der Vergangenheit hätte sich die gesamte Masse des Universums auf einen einzigen Punkt konzentriert. Diese Entdeckungen lösten eine Debatte zwischen Physikern aus, die in zwei Denkschulen unterteilt waren.
Die Mehrheit befürwortete immer noch, dass sich das Universum in einem stabilen Zustand befindet dh das Steady-State-Theorie , bei dem Materie kontinuierlich erzeugt wird, wenn sich das Universum ausdehnt, wodurch die Einheitlichkeit über die Zeit gewährleistet wird.
Auf der anderen Seite gab es diejenigen, die glaubten, dass sich das Universum allmählich ausdehnte und die Dichte der Materie infolgedessen langsam abnahm. Diese Idee wurde bekannt als " Urknalltheorie ", ein Spitzname, der von Befürwortern der Steady-State-Theorie scherzhaft vergeben wurde.
Nach mehreren Jahrzehnten tauchten mehrere Beweislinien auf, die die Urknallinterpretation begünstigten. Dies beinhaltete die Entdeckung und Bestätigung der kosmischer Mikrowellenhintergrund CMB im Jahr 1965, das von der Urknalltheorie vorhergesagt worden war.
CMB ist im Grunde genommen "Reliktstrahlung", die vom Urknall übrig geblieben ist und sich seitdem mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. Durch Messung der Entfernung des CMB, die in alle Richtungen etwa 13,8 Milliarden Jahre beträgt, konnten Wissenschaftler sie platzierenEinschränkungen für das Alter des Universums.
In den 1990er Jahren führten Verbesserungen bei bodengestützten Teleskopen und die Einführung von Weltraumteleskopen zu neuen und überraschenden Entdeckungen. Wissenschaftler hatten geglaubt, dass die Schwerkraft die Expansion des Universums verlangsamen würde. Astronomen beobachteten nun, dass sich die kosmische Expansion in den letzten vier Milliarden Jahren tatsächlich beschleunigt hat.
Dies führte zur Theorie von Dunkle Energie eine mysteriöse Kraft, die irgendwie gegen die Schwerkraft wirkt und den Kosmos weiter auseinander drückt. Theoretiker hatten unterschiedliche Erklärungen für die Dunkle Materie. Einige schlugen vor, dass Einsteins "kosmologische Konstante" die ganze Zeit korrekt gewesen sein könnte. Andere meinten, Einsteins Gravitationstheorie sei falsch und es sei eine neue Theorie erforderlich, die eine Art Feld enthält, das erzeugtdiese kosmische Beschleunigung.
Eine führende kosmologische Theorie wird heute von der Lambda Cold Dark Matter λCDM. Es ist derzeit das einfachste Modell, das die meisten beobachteten Eigenschaften des Universums berücksichtigt. Es besagt, dass der größte Teil des Universums aus dunkler Energie, dunkler Materie und gewöhnlicher Materie besteht und auch als bezeichnet wirddas Standardmodell der Urknallkosmologie. Es geht davon aus, dass allgemeine Relativitätstheorie ist die korrekte Gravitationstheorie auf kosmologischen Skalen und erklärt viele der Eigenschaften des Kosmos, einschließlich des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und der Beschleunigung der Expansion des Universums.
Was wissen wir nicht?
Die Antwort auf diese Frage lautet wirklich sehr viel! Um sie effektiv zu beantworten, müssen wir uns jedoch ansehen, wie Wissenschaftler das Universum von oben nach unten untersuchen und notieren, wo die Lücken liegen.
Für den Anfang verstehen Wissenschaftler, wie sich Materie, Zeit und Raum auf der größten Skala verhalten. Dies lässt sich am besten mit GR zusammenfassen, das genau beschreibt, wie Masse und Schwerkraft zusammenhängen und die Raumzeit beeinflussen.
Seit den 1960er Jahren akzeptieren Astrophysiker jedoch, dass es eine Menge Masse gibt, die sie nicht sehen können. Obwohl dies theoretisch sinnvoll ist, haben Versuche, Dunkle Materie zu finden, bisher nichts aussagekräftiges ergeben.
Obwohl man sagen könnte, dass wir wissen, wie viel Materie da draußen ist, können wir das meiste davon nicht endgültig erklären. Ebenso wissen wir, dass sich das Universum seit den späten 1920er Jahren in einem Expansionszustand befindet. Wir tun es jedoch nicht.Ich weiß nicht warum genau.
Die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, kann durch das Vorhandensein einer Dunklen Energie erklärt werden. Aber genau wie bei Dunkler Materie müssen Untersuchungen erst noch feststellen, was dies wirklich ist.
Und da ist das Ausmaß des Universums selbst. Mit der Entdeckung des CMB konnten Astronomen und Kosmologen die Entwicklung des Kosmos verfolgen und genau einschätzen, wie alt er ist. Die aktuelle Schätzung ist, dass der Kosmosist 13,799 ± 0,021 Milliarden Jahre alt.
Aber wie groß es ist? Das bleibt ein Rätsel. Basierend auf der Geschwindigkeit der kosmischen Expansion schätzen Astrophysiker, dass das "beobachtbare" Universum eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 93 Milliarden Lichtjahren ist. Darüber hinaus jedoch das Universumerstreckt sich wahrscheinlich viel weiter und könnte sogar unendlich sein.
Am anderen Ende der Dinge haben Wissenschaftler festgestellt, dass es vier fundamentale Kräfte auch bekannt als fundamentale Wechselwirkungen gibt, die alle Wechselwirkungen zwischen Materie und Energie im Universum steuern.
Diese Kräfte bestehen aus der Gravitationskraft die der Krümmung der Raumzeit zugeschrieben wird und von GR beschrieben wird und den drei diskreten Feldern der Quantenmechanik - zusammen bekannt als Quantenfeldtheorie QFT.
Diese Felder umfassen die schwache Kernkraft, die starke Kernkraft und den Elektromagnetismus - die sich mit subatomaren Partikeln und ihren Wechselwirkungen befassen, wie in der Standardmodell der Teilchenphysik.
Eine andere Sichtweise besteht darin, diese Wechselwirkungen in ein Drei-Kategorien-System zu gruppieren: Gravitation, elektroschwache Kräfte und starke Kräfte. Diese beiden letztgenannten Kategorien sind in schwache nukleare und elektromagnetische Kräfte sowie in grundlegende und verbleibende nukleare Kräfte unterteilt.
Während die Gravitation Planeten, Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen zusammenhält dh die Makroebene, binden elektroschwache Kräfte Atome und Moleküle, während starke Kräfte Hadronen und Atomkerne binden.
Hier liegt das Problem. Wissenschaftler verstehen, wie die Schwerkraft auf der größten, aber nicht auf der kleinsten Skala funktioniert. Dies unterscheidet sie von allen anderen bekannten Kräften im Universum, die ein entsprechendes subatomares Molekül haben.
Für Elektrizität und Magnetismus gibt es Elektronen und Photonen. Für schwache und starke Kernkräfte gibt es Bosonen, Gluonen und Mesonen. Gegenwärtig gibt es jedoch kein "Graviton", zumindest nicht außerhalb der Hypothese.
Und bis jetzt sind alle Versuche, eine schlüssige Theorie der Quantengravitation zu finden - auch bekannt als "Theory of Everything" ToE - gescheitert. Es wurden mehrere Theorien vorgeschlagen, um dies zu lösen - die Hauptkonkurrenten sind Stringtheorie und Schleifenquantengravitation - aber noch keiner wurde entscheidend bewiesen.
Wie wird alles enden?
Okay, hier ist die Sache ... das wissen wir auch nicht. Zugegeben, die Vorstellung, dass das Universum einen Anfang hatte, lässt natürlich die Idee aufkommen, dass es ein mögliches Ende haben wird. Wenn das Universum als Winzling angefangen hättePunkt in der Raumzeit, der plötzlich zu expandieren begann, bedeutet das, dass er sich für immer weiter ausdehnen wird?
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Weiterführende Literatur :
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