Einleitung
Unser Universum hat einen Anfang. Und irgendwann wird es auch ein Ende haben – aber welches? Wenn sich der Kosmos ausdehnt und die Sterne und Galaxien schwächer werden, wird alles langsam kälter und isolierter? Könnte die dunkle Energie, die die Expansion des Universums beschleunigt, letztendlich die Raumzeit auseinanderreißen? Wäre es möglich, dass unsere Welt und der Rest des Universums eines Tages ohne Vorwarnung einfach aufhören zu existieren? In dieser Folge diskutiert Steven Strogatz das ultimative große Finale mit Katie Mack, theoretischer Kosmologe am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada. Mack ist auch der Autor von Das Ende von allem (Astrophysikalisch gesehen), veröffentlicht im August 2020, in dem sie die fünf Szenarien beschrieb, für die Wissenschaftler ermittelt haben wie das Universum enden könnte.
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Abschrift
Steven Strogatz (00:03): Ich bin Steve Strogatz, und das ist Die Freude am Warum, ein Podcast von Quanta Magazine Das führt Sie zu einigen der größten unbeantworteten Fragen in Mathematik und Naturwissenschaften von heute. In dieser Folge fragen wir uns: Wie wird das alles enden?
(00:18) Stellen Sie sich vor, Sie gehen eines Tages in der Stadt spazieren. Sie schlängeln sich zwischen anderen Fußgängern auf dem Bürgersteig hindurch und wieder heraus. Du hörst Autos hupen, leise Gespräche sickern aus Cafés in der Nähe. Das ist unsere Alltagswelt, wie wir sie kennen. Aber was passiert, wenn diese Welt eines Tages einfach implodiert und aufhört zu existieren? Wie wäre es, wenn plötzlich alles vorbei wäre? Wir wissen, dass Sterne, einschließlich unserer eigenen Sonne, eine begrenzte Lebensdauer haben. Sie werden eines Tages ausbrennen, auch wenn es nicht zu unseren Lebzeiten ist. Aber was ist mit unserer Galaxie? Oder das ganze Universum? Wie wird das Ende von allem aussehen? Und wie konnte es passieren?
(01:00) Das ist nicht das Zeug zu einem Superheldenfilm. Das ist die Art der theoretischen Physik, über die Dr. Katie Mack oft nachdenkt. Dr. Mack ist theoretischer Kosmologe am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada, etwa eine Stunde außerhalb von Toronto. Sie ist Inhaberin des Stephen-Hawking-Lehrstuhls für Kosmologie und Wissenschaftskommunikation, wo eines ihrer Ziele darin besteht, die Physik der Öffentlichkeit zugänglicher zu machen. Dr. Mack ist auch der Autor des gut aufgenommenen Buches, Das Ende von allem (Astrophysikalisch gesehen), veröffentlicht im August 2020. Es beschreibt die fünf Haupttheorien darüber, wie Wissenschaftler glauben, dass das Universum enden wird. Katie, danke, dass du heute dabei bist.
Katie Mack (01:47): Vielen Dank, dass Sie mich haben.
Strogatz (01:48): Es ist ein echter Leckerbissen für uns. Kann ich mit einer persönlichen Frage beginnen? Was hat Sie zu diesem Thema geführt – über das Ende des Universums nachzudenken? Warum, warum packt dich das?
Mack (01:56): Weißt du, ich denke, das ist nur ein Teil meiner allgemeinen Neugier auf den Kosmos. Als ich aufwuchs, dachte ich viel über den Anfang des Universums nach, über den Urknall. Weißt du, all diese großen Fragen darüber, woher wir kommen. Und irgendwann bin ich durch mein Studium der Kosmologie immer wieder auf diese Frage des Endes gestoßen. Ich erinnere mich also, dass ich über den Big Rip gelesen habe – eine dieser Möglichkeiten, bei denen sich das Universum irgendwie selbst auseinanderreißt – als ich in der Graduiertenschule war, und einfach fasziniert war von der Vorstellung, dass das Universum auf diese wirklich gewalttätige Weise enden könnte. Und dann, als ich weiter in Kosmologie forschte, stieß ich auf Vakuumzerfall – wissen Sie, diese Art von plötzlichem Ende des Universums – und war einfach fasziniert von der Vorstellung, dass das Universum scheinbar ohne Grund aus der Existenz verschwinden könnte .
(02:46) Und all diese Themen tauchten irgendwie immer wieder in der Lektüre auf, die ich in meiner beruflichen Arbeit machte. Und das wollte ich einfach noch etwas genauer untersuchen. Und ich wollte diese Geschichte erzählen, von der ich glaube, dass sie im öffentlichen Diskurs über Kosmologie nicht sehr oft erzählt wird. Es wird viel über den Anfang gesprochen, über den Urknall, aber sehr wenig über das Ende.
(03:05) Und ich denke, es ist einfach etwas, das mich jedes Mal fasziniert, wenn ich ihm begegnet bin. Ich sehe nur die Diskussionen darüber, wie die ultimative Evolution unseres Universums abgeschlossen werden könnte und was das über das aussagt, was jetzt passiert. Über die Struktur des Kosmos, über das Gesamtformat der Existenz. Es ist eine faszinierende Frage für mich.
Strogatz (03:27): Ja, ich meine, es ist – ich denke, es ist ziemlich natürlich, sich darüber Gedanken zu machen. Ich denke, die meisten von uns, die sich für Wissenschaft interessieren oder einfach nur große Fragen zum Leben haben, wundern sich darüber.
(03:38) Hier ist eines, von dem ich denke, dass wir wahrscheinlich damit beginnen sollten: der Hitzetod, das Szenario, das wir den Hitzetod des Universums nennen, das gibt es schon seit langer Zeit. Erzählen Sie uns davon, weil ich verstehe, dass Sie denken, dass dies die wahrscheinlichste ist.
Mack (03:50): Ja, also der Hitzetod gilt in der Physik als am akzeptiertesten. Es wird manchmal umgangssprachlich Big Freeze genannt. Die Idee hinter dem Hitzetod ist, dass wir wissen, dass sich das Universum ausdehnt, und wir wissen, dass sich die Ausdehnung beschleunigt. Die Galaxien im fernen Universum entfernen sich also immer weiter von uns. Sie entfernen sich immer weiter voneinander. Und diese Expansion geht weiter und wird mit der Zeit immer schneller. Wir wissen nicht, warum es beschleunigt – ich werde nur darauf hinweisen. Im Moment ist es vermutlich auf etwas zurückzuführen, das wir dunkle Energie nennen. Wir wissen nicht, was dunkle Energie ist, aber es ist etwas, das ist damit sich das Universum schneller ausdehnt.
(04:23) Unsere Vorstellungen über dunkle Energie beinhalten die Möglichkeit, dass dunkle Energie nur eine Art Eigenschaft des Universums ist, die als kosmologische Konstante bezeichnet wird, wo jedes kleine Stückchen Raum eine Art Dehnbarkeit hat, die einfach darin eingebaut ist. Und wenn wir mehr Platz haben, wenn sich das Universum ausdehnt, haben wir auch mehr Dehnbarkeit, weil wir mehr von dieser dunklen Energie haben, mehr von dieser kosmologischen Konstante. Und so dehnt sich das Universum einfach aus und dehnt sich aus und dehnt sich aus.
(04:48) Und wenn das der Fall ist, wenn das wirklich passieren wird, dann wird jede Galaxie oder jeder Galaxienhaufen immer mehr von allen anderen isoliert, und das Universum wird immer mehr und leerer, immer diffuser, mit der Zeit kälter. Denn wir wissen, dass das Universum ganz am Anfang sehr heiß und dicht war. Seitdem wird es immer weiter ausgebaut. Es kühlt ab, es wird diffuser. Das geht also quasi endlos weiter. Und wenn Sie sich in einer Galaxie befinden, die plötzlich isoliert ist, weil alle anderen Galaxien so weit entfernt sind, dann gibt es keine Wechselwirkungen, keine Galaxien kommen herein und bringen neues Gas, um neue Sterne zu bilden. Du als Galaxie verbrennst alle Sterne, die du hast. Du verbrennst den ganzen Wasserstoff, also kannst du keine neuen Sterne machen. Die Sterne sterben und brennen aus und werden dunkel.
(05:36) Da ist ein Haufen schwarzer Löcher. Wenn Sie ein Schwarzes Loch lange genug in Ruhe lassen, strahlt es schließlich seine Energie ab – die Schwarzen Löcher verdampfen, alles zerfällt in diese ungeordnete Energie. Also strahlt alles, was in dieser Galaxie war, aus. Die Materie zerfällt und zerfällt. Und du hättest nur diese ungeordnete Energie, eine Art Abwärme, wenn du so darüber nachdenkst, von all den Dingen, die existierten.
(06:01) Und wenn Sie das Stadium erreichen, wo alles zerfallen ist, erreichen Sie die sogenannte maximale Entropie. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sagt uns also, dass die Entropie oder Unordnung in die Zukunft zunimmt. Und weißt du, aus dem gleichen Grund kannst du kein Perpetuum Mobile haben, denn wenn du versuchst, etwas für immer drehen zu lassen, wird es kaputt gehen, es wird etwas Energie durch Reibung und Hitze verlieren, und es ' werde auseinanderfallen. In ähnlicher Weise zerfällt im Universum alles irgendwie in diese Abwärme. Und deshalb nennt man es den Hitzetod. Es ist so, dass alles, was man haben muss, in ungeordnete Energie zerfällt, und man erreicht diesen maximalen Entropiezustand, wo keine Unordnung mehr passieren kann, wo alles irgendwie völlig bedeutungslos ist. Im Wesentlichen ist es völlig, völlig strukturlos.
(06:49) Das ist der ultimative Hitzetod des Universums. Und die Leute halten es für einen deprimierenden Weg, weil am Ende alles sehr kalt und dunkel und leer und isoliert ist und für immer verfällt.
Strogatz (07:03): Ich verstehe, warum du ihm den Namen Big Freeze gibst, denn Hitzetod lässt es so klingen, als würde es heiß werden. Wenn ich Sie richtig höre, wird dies eher lauwarm oder schlimmer sein.
Mack (07:11): Genau. Ja. Und in diesem Fall ist „Wärme“ im technischen, physikalischen Sinne des Wortes eine Art Abwärme der gesamten Schöpfung.
(07:19) Aber die gute Seite ist, dass es wirklich lange dauert, bis das passiert. Es wird also erst in etwa 100 Milliarden Jahren dauern, bis wir andere Galaxien nicht mehr sehen können, weil sie zu weit entfernt sind und sich zu schnell entfernen. Sie wissen also, dass einige der masseärmsten Sterne in unserer Galaxie möglicherweise eine Billion Jahre oder so überdauern können. Wir haben also etwas Zeit, bevor es in unserem Universum kalt und dunkel und leer wird, wenn wir diesen Weg gehen.
Strogatz (07:41): Die Leere ist ein weiterer interessanter Aspekt davon, wegen der Raumdehnung. Das ist nicht nur sehr langweilig und homogen und ungeordnet, sondern auch sehr einsam. Als wäre alles so weit von allem anderen entfernt.
Mack (07:56): Richtig. Und ein wirklich interessanter Aspekt dabei ist, dass Sie an einen bestimmten Punkt kommen, an dem wir keine Beweise dafür haben, dass andere Galaxien überhaupt existieren. Es wird keine direkten Beobachtungsbeweise dafür geben, dass der Urknall passiert ist, weil wir dieses expandierende Universum nicht sehen können. Und wir werden nicht sagen können: „Nun, wenn das Universum jetzt größer wird, muss es früher kleiner gewesen sein.“ Wir werden nicht in der Lage sein, die Art von Restlicht vom Urknall zu sehen, den kosmischen Mikrowellenhintergrund, der es uns ermöglicht, das sehr, sehr frühe Universum zu studieren. Es wird nicht nur ein kaltes und dunkles und leeres Universum sein, es wird ein Universum sein, in dem es sehr wenig zu lernen gibt, weil wir nicht in der Lage sein werden, Dinge außerhalb unserer unmittelbaren Umgebung zu sehen.
Strogatz (08:34): Ich denke, nur für den Fall, dass irgendjemand verwirrt ist – ich glaube nicht, dass irgendjemand es wäre – der Hinweis auf „wir“, das meinen Sie nicht wirklich, oder? Wir sind nicht hier, wir sind nicht da, um an diesem Punkt irgendetwas zu sehen. Wir sind auch aufgelöst.
Mack (08:45): Wir sind schon lange weg. Ich meine, die Sonne wird irgendwann so hell, dass sie die Ozeane der Erde verkocht. Und das dauert nur etwa eine Milliarde Jahre. Wir haben also zwischen einer halben Milliarde und einer Milliarde Jahre Zeit, bevor die Erde völlig unbewohnbar ist. Also, ja, das ist lange vorbei. Was auch immer nach uns kommt, oder ob wir es schaffen, kleine intelligente Maschinen zu erschaffen, die unser Bewusstsein weiterführen können, oder, oder wenn wir uns in die Sterne ausbreiten und an anderen Orten leben und das wenige Energie nutzen, das dort noch vorhanden ist sterbende Sterne. Irgendwann, wissen Sie, werden uns die Dinge ausgehen, die wir tun können, weil es nicht genug Energie gibt, die auf die richtige Weise konzentriert ist, um sie zu nutzen.
Strogatz (09:26): Tun wir so, als würden wir das glauben Raum und Zeit sind quantisiert wie, a la Quantengravitation in Dinge auf der Skala der Planck-Länge. Wenn es nur eine endliche Anzahl von Raum- und Zeitpaketen gibt, eine große Anzahl, aber eine endliche Anzahl, selbst unter dem Hitzetodesszenario, würde es nicht eine Wiederholung geben, bei der jeder Zustand irgendwann – ich meine, unter wirklich, wirklich langen Zeitskalen – Komm zurück? Es wäre nicht das Ende, auch nach dem Hitzetod.
Mack (09:54): Ich spreche darüber im Buch im Hitzetod-Kapitel, die Idee der ewigen Wiederkehr. Ja, es gibt also eine Sichtweise auf den Hitzetod, bei der man sich gewissermaßen in diesem ewigen Hitzetodzustand befindet, in dem die Entropie maximiert ist. Aber selbst in einem Zustand maximaler Entropie kann es zu zufälligen Schwankungen kommen, bei denen etwas zusammenkommen kann. Und es gab interessante Berechnungen, bei denen Sie auf der Grundlage eines vollständig homogenen, ungeordneten Universums berechnen können, wie lange es dauern wird, bis sich ein Flügel zufällig in der Mitte des Universums zusammensetzt, genau in der Mitte der Leere.
(10:29): Und es ist eine wirklich, wirklich große Zahl, richtig? Aber wenn du diesen wirklich ewigen Zustand hast, dann wird das passieren. Es wird unendlich oft auf einer wiederkehrenden Zeitskala passieren. Und Sie können das erweitern und sagen, nun, wenn ein Flügel sich selbst zusammenbauen kann, kann die Erde das auch, die Galaxie kann es auch, das kann die Gesamtheit aller Zustände, die jemals im Universum existiert haben. Wenn Sie also an diesen Punkt kommen, können Sie sagen, nun, in diesem Moment, genau jetzt, die spezifische Verteilung von Atomen und Molekülen im Universum jetzt, an diesem Punkt, es muss möglich sein, dass das wieder passiert – wirklich , wirklich langer Zeitraum, aber es muss möglich sein, dass sich dies wiederholt. Und dann wird sich das Universum von diesem Punkt an einfach wieder zum Tod hin entwickeln.
(11:13) Und so kommt man zu dieser Idee, dass jeder Moment, der sich jemals in der Geschichte des Universums ereignet hat, unendlich oft wiederholt werden kann. Und es ist ein wirklich umwerfendes Konzept. Nun gibt es in der Literatur Streit darüber, ob dies eine vernünftige Berechnung ist oder nicht. Aber es bringt irgendwie zurück – es gibt ein Albtraumszenario, das Nietzsche aufgeschrieben hat und das auf dieser Idee basiert. Dass du, du lebst für immer und ewig denselben Moment. Und wäre das nicht schrecklich? Und wissen Sie, vielleicht ist das physikalisch möglich, vielleicht ist das eine Sache, die passieren kann. Die Literatur geht hin und her darüber, ob man so darüber nachdenken sollte oder nicht. Aber es ist interessant. Und es verbindet sich auch mit dieser Möglichkeit, dass, lasst uns –. Wenn ein Flügel sich im Universum zusammensetzen kann, kann es ein einzelnes Gehirn, das glaubt, den gesamten Kosmos erlebt zu haben, auch? Dies wird als Boltzmann-Gehirnhypothese bezeichnet.
Strogatz: Oh, davon habe ich gehört. Ich wusste nicht, was das war. OK Cool.
Mack (12:12): Also gibt es vielleicht anstelle von allem, was existiert, ein Gehirn, das in diesem Moment denkt, dass es dieses Gespräch führt und ein ganzes Leben in einem 13.8 Milliarden Jahre alten Universum gelebt hat. Und dann wird dieses Gehirn irgendwann wieder einfach verschwinden, weil es eine zufällige Ansammlung von Partikeln in einem leeren Universum nach dem Hitzetod war.
Strogatz: OK...
Mack (12:33): Sie können also auch diese Berechnung durchführen. Und wenn Sie diese Berechnung auf eine bestimmte Weise durchführen, stellen Sie fest, dass dies viel wahrscheinlicher ist, als dass das Universum überhaupt existiert.
Strogatz: Äh huh.
Mack (12:42): Es ist viel wahrscheinlicher, ein einzelnes Gehirn hervorzubringen, das glaubt, es sei im Universum, als einen neuen Urknall und dann einen tatsächlichen Kosmos hervorzubringen. Aber auch hier gibt es verschiedene Berechnungsmethoden, bei denen Sie unterschiedliche Antworten erhalten. Das ist also ein weiterer Teil der Frage, macht es überhaupt Sinn, diese Berechnungen durchzuführen? Und wenn Sie diese Berechnung durchführen, stellen Sie fest, dass wir eher ein zufälliger Gedanke in einem zufälligen Gehirn sind, das einfach in der Leere existiert. Es sagt Ihnen nicht unbedingt, dass dies das wahrscheinliche Szenario des Universums ist, es sagt Ihnen, dass diese Berechnungen nicht nützlich sind und im Kontext des Kosmos keinen wirklichen Sinn ergeben, und dass etwas an unseren Annahmen falsch sein muss. Aber wie geht man mit dieser Möglichkeit eines unendlichen Universums um, in dem alles unendlich oft passieren könnte, ist eine wirklich interessante Frage in der Kosmologie, wenn man zu diesen wirklich, wirklich riesigen Zeitskalen kommt.
Strogatz (13:36): In Ordnung, gut, danke, dass Sie mir das nachsichtig gemacht haben. OK. Aber ich möchte sicherstellen, dass wir uns mit einigen dieser anderen befassen.
Das war Szenario Nr. 1, der Hitzetod, der große Frost und diese nette Fußnote über die ewige Wiederkehr in der Wildnis – ich möchte nicht Paradoxien sagen, aber wirklich umwerfende Überlegungen, die es mit sich bringt hoch. OK, kommen wir zu #2. Was ist der große Riss?
Mack (13:58): Der Big Rip ist also eine Idee, die auf diese Frage der dunklen Energie zurückkommt. Wir wissen nicht, was das Universum schneller expandieren lässt. Wir nennen es „dunkle“ Energie, weil wir nicht wissen, was es ist. Aber es gibt etwas, das die Expansion des Universums beschleunigt. Nun, wenn es nur eine kosmologische Konstante ist, wenn es nur eine Eigenschaft des Kosmos ist, dann wissen wir, wie das geht. Weißt du, es führt uns zum Hitzetod, wo alle Galaxien maximal isoliert sind und dann verblassen.
(14:23): Aber es gibt andere hypothetische Möglichkeiten für Dunkle Energie. Es gibt einige, bei denen es nicht nur ein konstanter Hintergrund im Kosmos ist, sondern etwas, das dynamisch ist. Es ist etwas, das sich im Laufe der Zeit ändern könnte. Und insbesondere können Sie Gleichungen für etwas aufschreiben, bei dem es mit der Zeit mächtiger wird. Was auch immer das ist, das ist die Art von Dehnbarkeit, die in den Kosmos eingebaut ist, es ist ein dynamisches Feld, ein Energiefeld, und es wird mit der Zeit stärker. Und damit es anfängt, das Universum immer schneller zu dehnen. Nicht nur Beschleunigung verursachen, sondern sich innerhalb von Objekten aufbauen.
(14:57) Also eine Sache über eine kosmologische Konstante. Wenn eine kosmologische Konstante existiert, ist ihre Dichte im Universum konstant. Das bedeutet, wenn Sie eine Kugel um eine bestimmte Region zeichnen, gibt es in dieser Kugel eine bestimmte Menge an kosmologischer Konstante. Und selbst wenn sich das Universum ausdehnt, gibt es immer noch die gleiche Menge in dieser Sphäre, richtig? Die kosmologische Konstante bleibt gleich. In einem Universum mit dem, was wir „Phantom“-Dunkle Energie nennen, würde die Menge an Dunkler Energie innerhalb dieser Sphäre mit der Zeit zunehmen. Wenn Sie zum Beispiel eine Galaxie in dieser Sphäre hätten und diese Galaxie gravitativ gebunden wäre und alles irgendwie durch die Schwerkraft zusammengehalten wird, in einem kosmologischen konstanten Universum, dann ist das in Ordnung. Die Bahnen ändern sich nicht. Die Galaxie bleibt, wie sie ist. In einem Universum mit dunkler Phantomenergie baut sich die Dehnbarkeit innerhalb dieser Sphäre auf. Die dunkle Energie baut sich auf und kann die Galaxie auseinanderreißen. Es könnte die Sterne von der Galaxie wegziehen, es könnte Planeten von Sternen wegziehen, und es würde sich einfach innerhalb von Objekten aufbauen und aufbauen.
(15:55) Anstelle einer Situation, in der die gesamte dunkle Energie nur entfernte Dinge voneinander wegbewegt, nur irgendwie mehr leeren Raum schafft, würde sie tatsächlich Dinge von innen strecken. Ich sage den Leuten oft: „Oh, weißt du, das Universum dehnt sich aus, was passiert, ist, dass entfernte Galaxien immer weiter voneinander entfernt sind. Aber dieser Raum dehnt sich nicht aus.“ In einem Universum mit dunkler Phantomenergie würde sich dieser Raum schließlich ausdehnen.
Strogatz: Ich verstehe.
Mack (16:19): Es würde also damit beginnen, in wirklich großem Maßstab aufzubauen. Es würde also alte Galaxienhaufen auseinanderziehen. Es würde die Sterne vom Rand der Galaxie wegziehen. Aber es würde immer mächtiger werden, so dass es anfangen würde, Planeten von Sternen wegzuziehen, Monde von Planeten wegzunehmen und sich innerhalb von Planeten aufzubauen und schließlich selbst einen Planeten explodieren zu lassen. Und dann wird es immer mächtiger, je weiter es nach unten geht, und Sie reißen schließlich Moleküle auseinander, reißen Atome auseinander und reißen schließlich das Universum selbst auseinander.
Strogatz (16:50): Ist es also wirklich so, dass es unter diesem Bild, das Sie beschrieben haben, so ist, als würde es durch die Längenskalen von den größten bis zu den kleinsten absteigen? Es wird in dieser Reihenfolge gehen?
Mack (17:00): Nun, was es ist, es wird immer mächtiger. Also werden die am schwächsten gebundenen Dinge zuerst gelöst, die größten Dinge sind am schwächsten gebunden. Und wenn Sie dann zu immer kleineren Maßstäben gelangen, werden Sie atomare Bindungen mögen, nukleare Bindungen. Also nur stärkere Bindungen.
Strogatz: Ich verstehe. Ich verstehe.
Mack: In diesem Sinne baut es sich auf.
Strogatz (17:18): Wow, das ist interessant, die Dinge werden irgendwie von innen zerrissen, im Gegensatz zu nur … Wie ich mir das Szenario mit dem Hitzetod und der kosmologischen Konstante vorgestellt hatte, fast wie wenn wir darüber reden wie sich das Universum ausdehnt, und die Leute fragen: "Nun, wohin dehnt es sich aus?" Und dann sagt jemand: „Nein, malen Sie Punkte auf der Oberfläche eines dehnbaren Gummiballons“, wissen Sie, oder so ähnlich. Das ist sozusagen die kosmologische Konstante. Es hört sich so an, als ob die Punkte auf dem Ballon weiter auseinander gehen. Das sind, sagen wir, die Galaxien, die sich weiter voneinander entfernen. Gibt es ein Bild, das den Ballon für den Big Rip ersetzt? Es klingt viel heftiger.
Mack (17:55): Nun, wenn ich eine Ballonmetapher verwende, sage ich normalerweise, wie, stell dir vor, wie kleine Ameisen auf der Oberfläche des Mondes. Und je größer der Ballon wird, desto weiter entfernen sich die Ameisen. Aber die Ameisen selbst achten nicht wirklich darauf. Sie sind sozusagen ihre eigenen kleinen Objekte. Im Big Rip-Szenario wird es eher so sein, als würdest du eine Galaxie auf den Ballon zeichnen und den Ballon dann erweitern. Sogar die Galaxie selbst wird in diesem Bild größer. Und so werden die Objekte selbst größer. Und irgendwann kommt man an den Punkt, an dem der Ballon selbst explodiert. Das hast du nicht herausgefunden.
(18:26) Es gibt Probleme mit der Ballonanalogie in Bezug auf die Details, aber das ist eine Art Bild, das man haben kann.
(18:53): Nun, ich sollte sagen, dass die meisten Kosmologen nicht glauben, dass der Big Rip passieren wird. Es bricht bestimmte Regeln über die Energiebedingungen im Universum. Dinge, von denen wir glauben, dass sie wahr sein sollten, wie sich Energie durch den Kosmos bewegt, Phantom-Dunkle Energie bricht diese Regeln. Und so ist es wahrscheinlich nicht als Szenario realisierbar. Aber das heißt, wir können Beobachtungen nicht ganz ausschließen, alles, was wir sagen können, ist, wenn wir uns ansehen, wie sich das Universum jetzt entwickelt, können wir sagen, dass der Big Rip mit ziemlicher Sicherheit nicht innerhalb des nächsten passieren wird, sagen wir , 200 Milliarden Jahre. Denn man kann nie sagen, dass es zu 100% nicht passieren wird. Aber basierend auf unseren Messungen können wir eine Art Zeitlimit festlegen und wir können sagen, dass es innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens mit ziemlicher Sicherheit nicht passieren wird.
Strogatz (19:15): Hm. Nun, sollen wir zu Nr. 3 übergehen? Ich habe gehört, dass dieser aus Dingen entstanden ist, die wir beim Large Hadron Collider gelernt haben, und es heißt, dass dies Ihr Favorit sein könnte, auch wenn Sie nicht glauben, dass er der wahrscheinlichste ist. Sie trägt den Namen Vakuumzerfallstheorie.
Mack (19:33): Ja. Vakuumzerfall ist also etwas, von dem ich erst ungefähr zu der Zeit erfahren habe, als der Large Hadron Collider das Higgs-Boson entdeckte. Und der Grund, warum ich damals davon hörte, war, dass die Leute als Reaktion auf die Entdeckung des Higgs-Bosons anfingen, Artikel über den Vakuumzerfall zu schreiben. Weil die Eigenschaften des Higgs-Bosons darauf hindeuteten, dass Vakuumzerfall tatsächlich eine Möglichkeit sein könnte.
(19:56) Die Idee dahinter ist folgende. Es ist eine ziemlich technische Geschichte, aber ich werde versuchen, sie zu vereinfachen. Die Idee ist also, dass das Interessante am Higgs-Boson nicht das Teilchen selbst ist. Es ist die Tatsache, dass das Higgs-Boson die Existenz des Higgs-Feldes impliziert. Nun, das Higgs-Feld ist eine Art Energiefeld, das den ganzen Raum durchdringt. Und im Wesentlichen, was der Large Hadron Collider tat, war, dass er dieses Energiefeld irgendwie anregte, ein Teilchen aus diesem Energiefeld heraus anregte und das Teilchen war das Ding, das identifiziert wurde. Aber es bedeutet, dass es dieses Energiefeld gibt, das durch das Universum existiert. Und dieses Energiefeld hat einen gewissen Wert. Und wir nennen dieses Energiefeld das Higgs-Feld. Und es gibt eine ganze Geschichte darüber, wie Teilchen, die mit diesem Energiefeld interagieren, wie bestimmte Teilchen eine Masse haben. Und es ist in das ganze Bild eingebunden.
(20:43) Aber aus physikalischer Sicht ist das Wichtige am Higgs-Feld, dass es im sehr, sehr frühen Universum einen Prozess gab, bei dem sich das Higgs-Feld veränderte. Im sehr, sehr frühen Universum hatte das Higgs-Feld also einen anderen Wert. Es ist so etwas wie ein Feld, das einen ähnlichen Wert hat, in dem Sinne, dass die Temperatur in diesem Raum überall einen Wert hat. Sie können ein Temperaturfeld definieren, und es hat unterschiedliche Werte, egal ob Sie sich in der Nähe des Fensters, der Tür oder was auch immer befinden. Das Higgs-Feld wäre ein Feld, in dem es überall denselben Wert hat, aber es ist ein Feld mit einem bestimmten Wert im gesamten Raum. Damit ist eine gewisse Energie verbunden.
(21:15) Nun, welcher Wert dieses Higgs-Feld annimmt, hat eine Beziehung dazu, wie Teilchenphysik im Universum funktioniert. Im sehr, sehr frühen Universum war das Higgs-Feld also anders. Die Teilchen interagierten unterschiedlich damit, und es gab eine andere Gruppe von Teilchen im Universum. Keiner von ihnen hatte Masse. Und es gab verschiedene Wechselwirkungen im Universum. Wir hatten, wissen Sie, Elektrizität und Magnetismus und die starken und schwachen Kernkräfte, wir hatten eine andere Gruppe von Kräften. Es gab eine Art Kombination von Kräften, und verschiedene Teilchen existierten, und keines von ihnen hatte eine Masse. Und dann gab es ein Ereignis namens Symmetriebruch, bei dem sich das Higgs-Feld änderte und einen anderen Wert annahm. Und als dies geschah, ermöglichte dies die Existenz aller Teilchen und Brennstoffe, die wir heute im Universum verstehen. Sie wissen also, Elektronen und Quarks, und es ermöglichte die Existenz der elektromagnetischen Kraft und der starken und schwachen Kernkräfte. Alles fügte sich irgendwie in die Art von Physik ein, die wir heute erleben. Und das war gut, denn das bedeutet, dass wir Atome und Moleküle haben und existieren könnten.
Strogatz (22:16): Tut mir leid, da musste ich pausieren, denn das klang sehr biblisch. „Und das war gut“, oder? So steht es, oder? "Es werde Licht. Und Gott sah, dass es gut war.“
Mack (22:26): Nun, ich meine, in diesem Fall sind wir sehr froh, dass sich das Higgs-Feld verändert hat, dass dieses symmetriebrechende Ereignis aufgetreten ist, weil es uns erlaubt hat zu existieren. Ich meine, man kann darüber reden, wenn es nicht passiert wäre, würden wir nicht existieren, um uns darüber zu freuen. Da gibt es einen ganzen Streit. Aber auf jeden Fall ist es passiert; jetzt existieren wir.
(22:41) Das Problem ist, dass, als das Higgs-Boson entdeckt wurde, Messungen der Masse des Higgs-Felds und der Massen anderer Teilchen uns Hinweise darauf geben, was das Higgs-Feld über die Entwicklung des Higgs-Felds macht. Und diese Hinweise scheinen auf die Möglichkeit hinzudeuten, dass sich das Higgs-Feld erneut verändern könnte. Das wäre genauso schlecht, wie zum ersten Mal die Veränderung gut war. Wenn es sich wieder ändern würde, würde es uns in eine Situation bringen, in der wir nicht existieren können, in der unsere Teilchen nicht zusammenhalten. Die Konstanten der Natur würden sich ändern. Es gäbe unterschiedliche Kräfte und unterschiedliche Teilchen. Es würde uns in das verwandeln, was genannt wird ein echter Vakuumzustand. Ich meine „Vakuum“ nicht in dem Sinne, dass nichts existiert. Vakuumzustände sind im Wesentlichen verschiedene Zustände der Funktionsweise der Physik. Wir sprechen also davon, dass wir uns in einem bestimmten Vakuumzustand befinden. Es könnte ein anderer Vakuumzustand vorliegen. Wenn also das Higgs-Feld wirklich diese Möglichkeit der Veränderung hat, dann bedeutet das, dass der Vakuumzustand, in dem wir uns befinden, das falsche Vakuum genannt wird. Und das wahre Vakuum wäre der Vakuumzustand, in dem sich das Universum eher befinden würde, in dem sich das Higgs-Feld eher befinden würde. Und es wäre so, dass sich das Higgs-Feld schließlich, wenn Sie lange genug warten, in diesen Zustand ändern würde anderen Wert und wird sich irgendwie in den wahren Vakuumzustand entwickeln.
(24:01) Und die Art und Weise, wie es passiert, ist irgendwie … dramatisch. Sie können sich also vorstellen, dass das Universum irgendwie metastabil ist, was „nicht ganz stabil“ bedeutet, genauso wie, wenn Sie eine Kaffeetasse auf die Kante eines Tisches stellen, sie dort stehen bleibt, aber etwas klopfen könnte es ab, und es könnte herunterfallen, und es wäre wirklich lieber auf dem Boden. Und Sie können sich vorstellen, dass sich unser Higgs-Feld möglicherweise in diesem Zustand befindet, wo alles, was Sie brauchen würden, um es in diesen anderen Zustand zu versetzen, Sie entweder das Higgs-Feld direkt auf die gleiche Weise wie Sie stören müssten könnte, wissen Sie, eine Kaffeetasse vom Tisch stoßen. Oder Sie müssten sich einfach auf die Idee verlassen, dass all diese Teilchen und Felder auf der Quantenmechanik beruhen, den Regeln der Quantenmechanik, und die Quantenmechanik besagt, dass Ihre Kaffeetasse manchmal sowieso einfach auf den Boden fällt, richtig? Die quantenmechanische Ungewissheit besagt, dass hin und wieder, wenn man ein Teilchen auf eine Seite einer Wand bringt, es einfach auf der anderen Seite auftaucht. Das nennt man Quantentunneln. Das ist eine Sache, die wir ständig auf subatomarer Ebene beobachten. Und das gilt auch für das Higgs-Feld.
(25:03) Und so gibt es eine Art Abklingzeit, die mit dem Higgs-Feld in dem Zustand verbunden ist, in dem, wenn Sie das Higgs-Feld lange genug in Ruhe lassen, schließlich ein Bit dieses Higgs-Felds irgendwo im Universum in diesen anderen Zustand quantentunneln wird . Und das dürfte als Staat im subatomaren Maßstab kein Problem sein. Aber leider, wenn ein Teil des Higgs-Feldes in diesen neuen Zustand übergeht, geht es in das wahre Vakuum über, dass das gesamte Higgs-Feld um ihn herum ebenfalls in das wahre Vakuum fällt.
Strogatz (24:33): Ach, wirklich? Es gibt also eine Art Kettenreaktion, die das Ganze entzündet.
Mack: Exakt. Exakt.
Strogatz: Ich weiß nicht, ob das das richtige Wort ist. Aber ja.
Mack (25:35): Ja, ja, es wäre so, wenn du eine Kette auf einem Tisch hättest und du – und ein Glied fällt vom Tisch, es würde alle anderen Glieder herunterziehen, wenn es fällt. Und dir würde so etwas passieren. Sie hätten diese Kaskade, bei der, sobald das Ereignis an einem Punkt passiert, es überall um ihn herum passiert, und es würde diese Blase des wahren Vakuumzustands erzeugen, die sich mit etwa Lichtgeschwindigkeit durch das Universum ausdehnen würde.
Strogatz: Oh.
Mack (25:58): Das ist aus mehreren Gründen schlecht. Einer ist, dass die Art von Rand der Blase, die Blasenwand, eine gewisse Energie damit verbunden hat, wo, wenn die Blasenwand dich treffen würde, sie dich sofort verbrennen würde. Wenn Sie in die Blase eintreten, befinden Sie sich außerdem in diesem wahren Vakuumzustand, in dem die Gesetze der Physik anders sind und Ihre Partikel nicht mehr zusammenhalten. Und außerdem wurde in den 1980er Jahren eine Berechnung durchgeführt, die darauf hindeutete, dass der Raum dort grundsätzlich gravitationsinstabil ist, sobald Sie sich im wahren Vakuumzustand befinden. Und so würdest du sofort in ein schwarzes Loch kollabieren.
Strogatz: Mann, du bekommst es aus allen Richtungen.
Mack (26:34): Genau, genau. Und wenn das passiert, wenn dieses Quantenereignis an einem Punkt im Universum passiert, dann dehnt sich diese Blase mit etwa Lichtgeschwindigkeit aus und zerstört einfach alles im Universum. Und weil es passiert, war es Lichtgeschwindigkeit, man sieht es nicht kommen. Zu dem Zeitpunkt, an dem Sie das Signal erhalten, ist es bereits über Ihnen. Aber andererseits würden Sie es nicht spüren, weil Sie wissen, dass Ihre Nervenimpulse nicht so schnell reisen, Sie würden nicht wirklich bemerken, dass es passiert ist. Aber du würdest einfach aus der Existenz verschwinden.
Strogatz (27:04): Ich meine, die Lichtgeschwindigkeit macht es zu einer interessanten Sache, da das Universum sehr groß ist, sogar relativ zur Lichtgeschwindigkeit. Es könnte also irgendwo weit weg passieren, 13 Milliarden Lichtjahre entfernt, oder?
Mack (27:16): Sicher, sicher. Es ist sicherlich richtig, dass es Teile des Universums gibt, die durch die Expansion des Universums schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns weggezogen werden. Wenn also die Blase in einer dieser entfernten Regionen auftritt, wird uns diese Blase nicht erreichen. Aber da es sich um ein zufälliges Ereignis mit überall derselben Zerfallsrate handelt, ist es genauso wahrscheinlich, dass eine Blase, wenn sie wirklich weit entfernt auftritt, in der Nähe auftritt.
Strogatz: Aha. Okay, guter Punkt.
Mack (27:40): Glücklicherweise beträgt die Zerfallszeit, die wir aus unseren aktuellen Daten abschätzen können, etwa 10 hoch 100 Jahre. Es ist also nichts, von dem wir glauben, dass es in absehbarer Zeit passieren würde. Wenn wir glauben, dass es passieren wird, dann wird es mit ziemlicher Sicherheit sehr, sehr lange dauern. Aber weil es ein Quantenereignis ist, ist es im Grunde unvorhersehbar, wann genau es passieren würde, genauso wie man nicht vorhersagen kann, wann ein bestimmtes Atom in einem radioaktiven Zerfallsprozess zerfallen wird. Sie können nur eine Art Halbwertszeit für einen Brocken des Zeugs angeben. Ebenso können wir beim Universum nicht mit Sicherheit sagen, dass es nicht genau hier in den nächsten fünf Minuten passieren wird. Wir können einfach sagen, dass es in unserem beobachtbaren Universum höchstwahrscheinlich nicht in den nächsten 10 hoch 100 oder 10 hoch 500 Jahren passieren wird.
(28:25) Die andere zu beachtende Einschränkung ist, dass diese Berechnungen darauf beruhen, dass wir das, was wir über das Standardmodell der Teilchenphysik wissen, extrem ernst nehmen. Und das Standardmodell der Teilchenphysik, das unser Verständnis dafür darstellt, wie Teilchen in diesem Universum funktionieren, ist unserer Meinung nach unvollständig. Es enthält keine dunkle Materie; es enthält keine dunkle Energie. Wir sind uns ziemlich sicher, dass es Löcher gibt. Und wenn wir wirklich ein vollständigeres Bild der Teilchenphysik hätten, würde es die Möglichkeit des Vakuumzerfalls vielleicht gar nicht einschließen.
Strogatz: IN ORDNUNG.
Mack (28:58): Der Vakuumzerfall ist also eine Idee, die entsteht, wenn wir gewissermaßen über das hinaus extrapolieren, was wir für die Gültigkeitsgrenze unserer Theorien halten. Aber es ist eine faszinierende Möglichkeit. Der Grund, warum ich es als Idee so genieße, ist, dass es diese sehr, sehr tiefgreifende Verbindung zwischen den kleinsten Skalen, dem sehr, sehr frühen Universum und der Zerstörung des gesamten Kosmos ist.
Strogatz (29:21): Schön. Rechts. Ich meine, es ist, es ist sehr…. Es ist nur so, dass dieser Mechanismus etwas so Grundlegendes an sich hat, dass sich die ganzen Gesetze der Physik im Handumdrehen ändern. Aber auch das, was für ein Bild diese Vorstellung vom Rand der Vakuumblase oder wie auch immer Sie es genannt haben, auf Sie zukommt…. Huch.
Mack: Ja.
Strogatz (29:42): Theorie Nr. 4, es ist Zeit für Theorie Nr. 4, hier das Feld zu betreten. Dies ist das als Big Crunch bekannte Szenario, das sicherlich heftig und interessant klingt. Was, was ist der Big Crunch?
Mack (29:56): Nun, der Big Crunch ist eine Idee, die es wirklich schon lange gibt. Es war die Idee, die in den 1960er Jahren am wahrscheinlichsten akzeptiert wurde. Die Idee hinter dem Big Crunch ist, dass wir beobachtet haben, dass sich das Universum ausdehnt. Und da ist die Frage, die wir uns stellen müssen: Wird sich das Universum ewig ausdehnen? Oder wird es irgendwann wieder zusammenbrechen? Wir wissen also, dass das Universum ganz am Anfang klein und heiß und dicht war. Und seitdem wird es immer weiter ausgebaut. Und es sollte in dieser ganzen Geschichte ein gewisses Zusammenspiel zwischen der Expansion und der Schwerkraft geben, richtig? Wenn also die Galaxien durch die Ausdehnung des Weltraums auseinander gezogen werden, ziehen sie auch durch die Schwerkraft aufeinander zu. Und so sollte die Existenz von Materie im Universum die Expansion nur dadurch verlangsamen, dass alles von allem anderen angezogen wird.
(30:41) Im Laufe der Jahre wurde versucht herauszufinden, ob die Erweiterung gewinnen wird? Oder gewinnt die Schwerkraft? Und wir wissen jetzt, dass die Expansion sehr wahrscheinlich gewinnen wird, weil wir sehen, dass sich die Expansion tatsächlich beschleunigt, weil dunkle Energie die Expansion beschleunigt. Und so sehen wir keinen klaren Weg, wo das Universum anhalten und wieder zusammenbrechen könnte. Aber damals in den 1960er Jahren wussten wir es nicht, und die vorläufigen Daten schienen darauf hinzudeuten, dass es mehr Schwerkraft als Expansion gab, in dem Sinne, dass das Universum aufhören würde zu expandieren und schließlich wieder zusammenbrechen würde.
(31:13) Und ich sollte auch sagen, wissen Sie, wir denken nicht, dass dies jetzt eine Lieblingsidee ist. Aber weil wir nicht wissen, was dunkle Energie ist, wissen wir nicht sicher, dass es nicht etwas ist, das sich umkehren könnte. Weißt du, wir wissen, dass es jetzt eine Expansion verursacht. Wir wissen nicht, dass es nichts ist, was sich ändern könnte, das könnte ein dynamisches Feld sein, wo es irgendwann eine Kompression anstelle einer Expansion verursachen würde.
(31:34) Wir wissen es also nicht genau, aber ich denke, es ist das Szenario, das ich am erschreckendsten finde, auch wenn es in gewisser Weise eines der unwahrscheinlichsten ist, weil es den aktuellen Daten zu widersprechen scheint. Die Vorstellung, dass das Universum anfangen könnte, alles zu komprimieren, ist wirklich sehr beunruhigend. Denn, wissen Sie, im Moment sehen wir, wie die Galaxien weiter entfernt werden. Wir sehen, wie das Universum abkühlt und sich entleert. Wenn das Universum anfangen würde, sich zusammenzuziehen, dann würden wir sehen, wie all diese fernen Galaxien auf uns zu stürmen. Und Galaxien würden die ganze Zeit miteinander kollidieren, aber entfernte Galaxien würden auf uns zukommen und das Universum würde sehr, sehr dicht und überfüllt werden.
(32:12) Und schlimmer noch, die gesamte Strahlung im Universum würde auch komprimiert werden. Das heißt, es würde nicht nur heißer werden, nur weil sich mehr Strahlung auf kleinerem Raum befindet. Aber auch die gesamte Strahlung würde irgendwie zu energiereicherer Strahlung, höherfrequenter Strahlung verhärtet werden. Es gibt also einen Prozess, der im Universum während der Expansion stattfindet, Rotverschiebung genannt, bei dem Strahlung auf längere Wellenlängen ausgedehnt wird. Sie wissen also, sichtbares Licht wird zu Infrarot, wird zu Radio. Wenn Sie Kompression hätten, dann würde all das sichtbare Licht von allen Sternen, die sich jemals im Universum gezeigt haben, zu ultraviolettem, zu Röntgen-, zu Gammastrahlenlicht komprimiert werden. Und es würde anfangen, das Universum auf diese sehr tiefgreifende Weise zu kochen.
(32:57) Und es gab eine wirklich faszinierende Arbeit von, glaube ich, 1969 des Astronomen Martin Rees, wo er berechnete, dass in diesem Big-Crunch-Szenario irgendwann die Umgebungstemperatur des Weltraums die Strahlung im Weltraum einfach alle ausmacht Dieses komprimierte Sternenlicht würde ausreichen, um thermonukleare Reaktionen auf den Oberflächen von Sternen auszulösen, und würde die Sterne von außen nach innen kochen, nur durch die Strahlung des Weltraums. Und wissen Sie, an diesem Punkt ist nichts überlebensfähig. Es ist also eine Idee, die ich persönlich ziemlich beunruhigend finde, die Vorstellung, dass wir einfach von der Strahlung des Weltraums gekocht werden könnten, während das Universum um uns herum irgendwie zusammenbricht.
Strogatz (33:38): Nun, ja, interessant, dass dich das am meisten nervt, denn ich meine, alle haben ihre eigenen …. Weißt du, willst du plötzlich gehen? Willst du kochen? Willst du einfrieren?
Mack (33:49): Richtig. Rechts. Ich meine, keiner von ihnen endet gut, oder? Aber mit dem Hitzetod hat man echt lange Zeit. Das ist schön. Weißt du, es ist alles irgendwie sanft. Beim Vakuumzerfall sieht man es nicht kommen. Also, was auch immer, du merkst es nicht einmal.
Strogatz: IN ORDNUNG.
Mack (34:04): Es ist eine Art Nicht-Ereignis, aus der Perspektive eines bewussten Wesens. Aber sowohl der Big Rip als auch der Big Crunch würden Sie kommen sehen, und das ist ziemlich beängstigend.
Strogatz (34:13): Äh huh. Ich schätze, wir sind jetzt beim letzten, dem Bounce, oder dem, an das ich mich erinnere, als ich mich als Kind erinnerte, das Pulsating Universe genannt wurde. Ist das die gleiche Idee?
Mack (34:23) Also fasse ich in diesem Fall ein paar verschiedene Ideen in eine breite Kategorie von zyklischem Universum oder hüpfendem Universum. Die Idee dort ist, dass im Wesentlichen versucht wird, den Anfang des Universums zu erklären…. Es gibt also bestimmte Aspekte des frühen Universums, die in unserer gegenwärtigen Kosmologie schwer zu erklären sind, wissen Sie. Wie wurde es so eingerichtet, wie es war? Warum ist unser Universum in Bezug auf die Form des Raums so geformt, wie es ist? Warum war die Entropie unseres Universums in der Vergangenheit niedrig genug, dass die Entropie in die Zukunft auf den Zustand ansteigen kann, in dem sie sich jetzt befindet?
(34:54) Das sind alles tiefgründige Fragen zu den Anfängen. Und es gab einige Versuche, diese Fragen zu beantworten, indem man sagte: „Nun, vielleicht war der Anfang nicht der Anfang. Vielleicht gab es vor dem Anfang etwas, das die Bedingungen für das Universum geschaffen hat, das heute existiert.“ Diese führen zu diesen zyklischen Kosmologien. Entweder eine Idee, wo es ein früheres Universum gab, das sich zu dem Urknall entwickelt hat, den wir erlebt haben, und sich dann zu unserem gegenwärtigen Universum entwickelt. Oder einfach dort, wo Sie einfach einen konstanten Zyklus von Universen haben, wo etwas vor uns war, wird es etwas nach uns geben. Und einige dieser Ideen beinhalten eine Art Komprimierung zum neuen Urknall, andere beinhalten eine Art Hitzetod und daraus entsteht dann ein neuer Urknall. Einige sagen: „Es gab eine vorherige Phase, und die entwickelt sich zu unserer Phase, aber in der Zukunft wird nichts passieren.“ Das sind also alles Arten von Ideen, die nach Möglichkeiten für die Zukunft unseres Universums oder das Ende eines früheren Universums, das in unseres führt, herumgesucht werden.
Strogatz (35:48): Ich schätze, an diesem Punkt setze ich gerne meinen … nicht wirklich meinen Skeptiker-Hut auf, sondern meinen Wissenschaftler-Hut. Es scheint, als steckt viel Wissenschaft in dem, was Sie sagen, indem Sie es mit dem verbinden, was wir über die Quantenfeldtheorie oder die allgemeine Relativitätstheorie wissen. Aber was ist mit Beobachtungen?
Mack (36:05): Ja, ich meine, so grundsätzlich werden wir die Frage „Wie wird das Universum enden?“ nie mit absoluter Sicherheit beantworten können. Denn wenn es passiert, sind wir natürlich nicht da, um die Antwort aufzuschreiben. Aber es gibt ein paar verschiedene Möglichkeiten, wie wir diese Frage angehen, denn im Grunde versuchen wir zu extrapolieren, was wir jetzt über das Universum und seine Entwicklung von der Vergangenheit in die Zukunft wissen. Und da landet man bei dieser Verzweigung verschiedener Möglichkeiten. Weil es mehrere verschiedene Richtungen gibt, die gehen könnten, und wir könnten in die Zukunft gehen, die mit der bisherigen Entwicklung des Universums übereinstimmen.
(36:37) In Bezug auf Beobachtungsdinge, die wir lernen können und die uns mehr darüber sagen können, welcher dieser Wege wahrscheinlicher ist, gibt es ein paar verschiedene Herangehensweisen. Eine besteht darin, zu versuchen, dunkle Energie zu verstehen. Drei dieser Szenarien hängen also stark davon ab, was dunkle Energie ist und wie sie sich verhalten wird. Wenn wir also herausfinden können, ob dunkle Energie wirklich eine kosmologische Konstante ist? Oder ist es etwas, das variiert? Und das könnte an und für sich eine unmögliche Frage sein, weil eine kosmologische Konstante eine Art Sonderfall einer breiteren Klasse von Ideen über dunkle Energie ist, bei der man nie 100% sicher sein kann, dass man sich genau in diesem Zustand befindet.
(37:16) Es ist ein bisschen – beobachtend ist es schwierig, mit vollständiger Gewissheit dort zu sein, aber wir können immer mehr Gewissheit über das Verhalten der dunklen Energie erlangen. Und vielleicht könnten wir eine Art theoretische Grundlage für Dunkle Energie finden. Vielleicht gibt es auf andere Weise ein experimentelles Ergebnis, das uns sagt, dass dies wirklich die Antwort darauf ist, was dunkle Energie ist. Also versuchen, dunkle Energie entweder durch kosmologische Beobachtungen oder durch experimentelle Tests zu verstehen, die zu der möglichen Art von grundlegender Physik der dunklen Energie gelangen können. Das sind alles Möglichkeiten, die wir erkunden und versuchen können, zwischen Hitzetod, Big Rip, Big Crunch zu unterscheiden – diese Art von Ideen, die von der Expansionsdynamik abhängen.
(37:55) In Bezug auf so etwas wie Vakuumzerfall, wenn wir das Higgs-Feld und seine Verbindungen zu anderen Teilchen und anderen Feldern in der Teilchenphysik besser verstehen, dann bekommen wir eine bessere Vorstellung davon, ob das Higgs-Feld gerade ist oder nicht in der Lage, auf diese Weise zu zerfallen. Und ob ein Vakuumzerfall möglich ist, wie sich das Higgs-Potential auf verschiedenen Skalen ändert. Das sind alles Dinge, die mit Experimenten wie dem Large Hadron Collider aktiv erforscht werden.
(38:22) Und wenn wir dann über zyklische Universen sprechen, müssen wir wirklich nur den Anfang verstehen, richtig? Wenn wir mehr Informationen über das sehr, sehr frühe Universum durch Beobachtungen erhalten, durch eine Art clevere Analyse früher Universumsdaten, durch die Suche nach Dingen wie primordialen Gravitationswellen und was uns das darüber sagen könnte, ob die kosmische Inflation am Anfang stattgefunden hat oder nicht , oder durch ein besseres Verständnis der Teilchentheorie durch Dinge wie Teilchenexperimente, die uns sagen könnten, ob das Standardmodell der Teilchenphysik wirklich gültig ist oder was ihm sonst noch zugrunde liegen könnte, wenn es höhere Raumdimensionen geben könnte? Das ist ein weiterer Aspekt dieser Frage.
(38:59) All das sind also Orte, an denen wir suchen können, um zu versuchen zu verstehen, ob zyklische Universen die richtige Richtung sind. Und ob es vor dem Urknall etwas gegeben hat, das die Bedingungen für unser heutiges Universum geschaffen hat.
Strogatz (39:11): Es hört sich also so an, als ob viele verschiedene Wege innerhalb der Grundlagenphysik hier unsere beste Chance sind. Lassen Sie uns einfach über das Webb-Teleskop sprechen, weil ich sicher bin, dass viele Leute darüber nachdenken, denn insbesondere das, was Sie gerade im letzten Fall über das zyklische Universum erwähnt haben, ist, dass es so sehr um die Frage geht, was im frühen Universum passiert . Und das Webb-Teleskop sagt uns etwas über das frühe Universum, aber ich vermute, nicht früh genug. Ist das richtig?
Mack (39:35): Ja. Das Webb-Teleskop kann uns also viel über die früheste Generation von Galaxien erzählen. Und das ist für mich persönlich super spannend, denn als Forscher für Dunkle Materie könnte der Einfluss der Dunklen Materie auf diese ersten Galaxien in verschiedenen Arten von Modellen der Dunklen Materie wirklich unterschiedlich sein. Wir könnten also eine Menge über bestimmte Aspekte der Grundlagenphysik lernen, über Dinge wie dunkle Materie, im Wesentlichen über dunkle Energie, wenn wir sehr weit entfernte Galaxien beobachten. und möglicherweise nur eine bessere Messung der Geometrie des Universums erhalten, wenn wir mehr von diesen Galaxien bekommen. Wir können also sicherlich viel über die Galaxien und über die großräumige Struktur des Universums lernen, wir werden einige Informationen vom JWST aus solchen Beobachtungen erhalten.
Mack (40:15): In Bezug auf das sehr, sehr frühe Universum sind es jedoch wirklich Beobachtungen von Dingen wie dem kosmischen Mikrowellenhintergrund. Also diese Art von Licht aus dem sehr frühen Universum, wo das Universum noch brannte. Aber es ist immer noch in dieser Art heißer Strahlungsphase, es glühte vor Hitze und vor Strahlung aus diesem Urplasma. Und mit Mikrowellenteleskopen können wir dieses Leuchten sehen. Und das kann uns einige wirklich wichtige Informationen über das sehr, sehr, sehr frühe Universum liefern.
Strogatz (40:42): Was denken Sie über das Gebiet der Erforschung des Endes des Universums? Irgendwelche Gedanken darüber, wohin es in den nächsten 10-20 Jahren gehen wird? Ist es nur so, dass wir uns weiterhin mit der Grundlagenphysik beschäftigen werden, und das wird unsere beste Hoffnung sein, hier wirklich Fortschritte zu machen?
Mack (40:58): Ich denke, das stimmt. Ich denke, wenn wir immer mehr über die grundlegende Natur des Kosmos lernen, sowohl im Sinne der Struktur des Kosmos, der Form des Raums als auch des Potenzials für – vielleicht gibt es mehr Dimensionen des Raums. Vielleicht entstehen Raum und Zeit aus einem abstrakteren Phänomen. Vielleicht finden wir das durch Dinge wie Holographie und Schwarze Löcher heraus. Und es gibt noch ein ganz anderes Feld, in das wir gehen können, auf das ich jetzt nicht zu groß werden möchte. Weißt du, also lernen wir vielleicht etwas über die grundlegenden Strukturen der Realität. Vielleicht erfahren wir, was dunkle Energie ist. Vielleicht erfahren wir, was Dunkle Materie ist. Vielleicht werden diese Dinge unser Verständnis der fundamentalen Teilchenphysik erweitern. Vielleicht erhalten wir mehr Informationen über das sehr, sehr frühe Universum, und wir erfahren etwas darüber, wie die Anfangsbedingungen für unser Universum geschaffen wurden.
(41:45) All das ist auf seine Weise super spannend, oder? Jedes Stück davon wäre etwas, das für die Physik enorm wichtig wäre, das unsere Vorstellung vom Universum auf wirklich wichtige Weise revolutionieren würde. Und als Nebeneffekt würden wir ein bisschen darüber lernen, wie unser Universum enden könnte, was unser endgültiges Schicksal sein könnte. Also ich denke, es gibt sehr wenige Leute, die sich wirklich darauf konzentrieren, was mit dem Universum passieren wird? Wie werden wir enden? Wirklich, es sind diese anderen Fragen, die zur grundlegenden Natur der Realität führen, zur Evolution des Kosmos, zu den Ursprüngen des Kosmos. Und das alles fließt in diese großen Fragen ein, wo gehen wir hin? Was wird als nächstes passieren?
Strogatz (42:27): Wunderbar. Nun, wir haben mit der theoretischen Kosmologin Katie Mack gesprochen, der Autorin des Buches Das Ende von allem (Astrophysikalisch gesehen). Vielen Dank, dass Sie heute bei uns sind. Katie,
Mack (42:38): Danke, dass du mich hast. Das war ein wirklich lustiges Gespräch.
Ansager (42: 40)
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Strogatz (42: 57): Die Freude am Warum ist ein Podcast von Quanta Magazine, eine redaktionell unabhängige Publikation, die von der Simons Foundation unterstützt wird. Förderentscheidungen der Simons Foundation haben keinen Einfluss auf die Auswahl von Themen, Gästen oder sonstigen redaktionellen Entscheidungen in diesem Podcast oder in Quanta Magazine. Die Freude am Warum wird von Susan Valot und Polly Stryker produziert. Unsere Herausgeber sind John Rennie und Thomas Lin, mit Unterstützung von Matt Carlstrom, Annie Melchor und Allison Parshall. Unsere Themenmusik wurde von Richie Johnson komponiert. Besonderer Dank geht an Bert Odom-Reed von den Cornell Broadcast Studios. Unser Logo ist von Jaki King. Ich bin Ihr Gastgeber, Steve Strogatz. Wenn Sie Fragen oder Kommentare für uns haben, senden Sie uns bitte eine E-Mail an Danke fürs Zuhören.
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