BabyuniversumKann man im Labor ein Universum erzeugen?
Physiker haben untersucht, was nötig wäre, um ein Universum zu erschaffen. Die echte Forschung hinter dem Cosmos-Era-Ende „Babyuniversum“, von Farhi und Guth bis zur Inflation.
Könnte man in einem Labor ein neues Universum erschaffen? Edward Farhi und Alan Guth untersuchten die Frage 1987 ernsthaft, und 1990 gingen Farhi, Guth und Jemal Guven einen Schritt weiter. Das Ergebnis: Die Allgemeine Relativitätstheorie erlaubt, dass ein kleiner Klumpen falsches Vakuum zu einem „Baby-Universum“ anschwillt, das kausal von unserem abgeschnitten ist, doch in der klassischen Physik muss der Ausgangspunkt eine Singularität sein, und Quantentunneln könnte das umgehen. Ein Baby-Universum tatsächlich zu machen und seine Naturkonstanten zu formen, ist erfunden.
Diese Seite erklärt zuerst, wie man das Ende freischaltet, behandelt dann die echte Forschung hinter der „Kosmischen Fabrik“ und danach die Entwicklung von Expansions- und Inflationstheorie, damit du siehst, warum Physiker „ein Universum machen“ überhaupt in Betracht ziehen.
So schaltest du es frei
- Hinweis: Sieh erst zu, wie dieses Universum stirbt, und entscheide dann, ob du ein neues machst.
- Bedingung: Erlebe zuerst das Ende „Protonenzerfall“. Schalte dann „Kosmische Fabrik“ frei und erlebe das Ende des Universums.
- Belohnung: Du kannst für das nächste Universum einen Eröffnungssatz schreiben und kostenlos eine Naturkonstante umschreiben (nur für das nächste Universum).
Der Knoten „Kosmische Fabrik“ sagt, dass ein Universum sterben muss, bevor ein neues an der Reihe ist.
Echte Forschung: die Bedingungen, ein Universum zu machen
- 1987: Farhi und Guth untersuchten, ob sich im Labor ein neues Universum machen ließe. Die Allgemeine Relativitätstheorie erlaubt, dass ein kleiner Klumpen falsches Vakuum zu einem „Baby-Universum“ anschwillt, das kausal von unserem abgeschnitten ist, doch in der klassischen Physik muss der Ausgangspunkt eine Singularität sein.
- 1990: Zusammen mit Guven schlugen sie vor, dass Quantentunneln das umgehen könnte.
Warum Physiker sich trauen, darüber nachzudenken
Die Theorie der kosmischen Expansion lieferte Schritt für Schritt die Begriffe, die „ein Universum machen“ braucht.
- Friedmann leitete aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ab, dass sich das Universum ausdehnen oder zusammenziehen kann, sieben Jahre bevor Beobachtungsbelege auftauchten (Friedmann, Zeitschrift für Physik, 1922).
- Lemaître schlug unabhängig vor, dass sich das Universum ausdehnt, und stellte sich später vor, dass es aus einem „Uratom“ begann, eine frühe Form der Urknalltheorie (Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles, 1927).
- Je weiter eine Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich. Das Universum ist nicht statisch (Hubble, PNAS, 1929).
- Guth schlug vor, dass das frühe Universum eine exponentielle Expansion durchlief, die auf einen Schlag erklärt, warum das Universum so flach ist und seine Temperatur fast überall gleich (Guth, Physical Review D, 1981).
- Andrei Linde löste das Problem, wie die Inflation sauber enden kann, und machte die Inflationstheorie damit wirklich brauchbar (Linde, Physics Letters B, 1982).
Bemerkenswert ist, dass der Guth, der Baby-Universen untersuchte, derselbe Guth ist, der die Inflation vorschlug.
Woraus das Universum besteht
Mit fernen Supernovae als „Standardkerzen“ fanden Astronomen, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, und die Dunkle Energie trat auf den Plan. Die Arbeit gewann 2011 den Nobelpreis (Riess et al., The Astronomical Journal, 1998). Ein anderes Team kam unabhängig zum selben Schluss (Perlmutter et al., The Astrophysical Journal, 1999). Der Satellit Planck lieferte die bisher genauesten kosmologischen Parameter: ein Alter von etwa 13,8 Milliarden Jahren und gewöhnliche Materie mit nur etwa 5 % (Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics, 2020).
Higgs schlug ein Feld vor, das den ganzen Raum füllt und Teilchen Masse gibt (Higgs, Physical Review Letters, 1964), und der Large Hadron Collider fand ein neues Teilchen bei etwa 125 GeV und bestätigte damit eine Vorhersage, die 48 Jahre gewartet hatte (ATLAS Collaboration, Physics Letters B, 2012). Dass die Belohnung im Spiel eine Naturkonstante umschreiben lässt, ist erfunden.
Das Ende des Universums
Das Schicksal des Universums in Billionen Jahren und darüber hinaus: Sterne brennen aus, Protonen zerfallen womöglich, und Schwarze Löcher verdampfen schließlich (Adams und Laughlin, Reviews of Modern Physics, 1997). Das greift den Hinweis „sieh erst zu, wie dieses Universum stirbt“ auf.
Spielfiktion, nicht real
Ein Baby-Universum tatsächlich zu machen und seine Naturkonstanten zu formen, ist erfunden. Asimovs Die letzte Frage (1956) handelt von Menschen, die Generation um Generation einen immer mächtigeren Computer fragen, ob sich die Zunahme der Entropie umkehren lässt. Jedes Mal antwortet er „unzureichende Daten für eine sinnvolle Antwort“, bis zum allerletzten Moment des Universums. Der wissenschaftliche Hintergrund: Für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist keine Ausnahme bekannt, und der Wärmetod des Universums ist eine der Mainstream-Vorhersagen.
Die Originale lesen? Such nach diesen Titeln
- Friedmann (1922): „Über die Krümmung des Raumes“
- Guth (1981): „Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems“
- Linde (1982): „A new inflationary universe scenario“
- Higgs (1964): „Broken symmetries and the masses of gauge bosons“
- Adams und Laughlin (1997): „A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects“
Reale Grundlage
Farhi und Guth 1987 sowie Farhi, Guth und Guven 1990 untersuchten ernsthaft die physikalischen Bedingungen, ein Universum im Labor zu erzeugen.
Kosmische Fabrik: 1987 untersuchten Farhi und Guth, ob sich in einem Labor ein neues Universum erzeugen ließe. Die Allgemeine Relativitätstheorie erlaubt, dass sich ein kleiner Klumpen falschen Vakuums zu einem „Babyuniversum“ ausdehnt, das kausal von unserem abgeschnitten ist, doch in der klassischen Physik muss der Ausgangspunkt eine Singularität sein. 1990 schlugen sie zusammen mit Guven vor, dass Quantentunneln dies umgehen könnte.
Die letzte Frage (Isaac Asimov, 1956), die Wissenschaft: Für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist keine Ausnahme bekannt; der Wärmetod gehört zu den führenden Vorhersagen für das Universum.
Verwandte Forschung
Diese Studien hängen mit dem Thema zusammen, belegen diese Seite aber nicht direkt.
Das Universum dehnt sich aus: Hubble fand heraus: Je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich. Das Universum ist nicht statisch, es dehnt sich aus.
Quelle: Hubble, PNAS 1929, "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae"
Friedmanns Universum: Friedmann leitete aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ab, dass das Universum sich ausdehnen oder zusammenziehen kann, sieben Jahre vor dem Beobachtungsbeleg.
Quelle: Friedmann, Zeitschrift für Physik 1922, "Über die Krümmung des Raumes"
Das Uratom: Lemaître schlug unabhängig vor, dass das Universum sich ausdehnt, und stellte sich später vor, es habe als „Uratom“ begonnen, der Vorläufer der Urknalltheorie.
Quelle: Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 1927, "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant"
Inflationäres Universum: Guth schlug vor, dass das frühe Universum eine exponentielle Ausdehnung durchlief, was auf einen Schlag erklärt, warum es so flach ist und die Temperatur fast überall gleich.
Quelle: Guth, Physical Review D 1981, "Inflationary universe: A possible solution to the horizon and flatness problems"
Neue Inflation: Linde löste das Problem, wie die Inflation sanft enden konnte, und machte die Inflationstheorie erst wirklich brauchbar.
Quelle: Linde, Physics Letters B 1982, "A new inflationary universe scenario"
Beschleunigte Expansion: Mit fernen Supernovae als „Standardkerzen“ fanden sie heraus, dass sich die Ausdehnung des Universums beschleunigt. Die Dunkle Energie betrat die Bühne, und die Arbeit gewann 2011 den Nobelpreis.
Quelle: Riess et al., The Astronomical Journal 1998, "Observational evidence from supernovae for an accelerating universe and a cosmological constant"
42 Supernovae: Ein anderes Team kam unabhängig zum selben Schluss: Eine Energie im Universum treibt die beschleunigte Expansion an.
Quelle: Perlmutter et al., The Astrophysical Journal 1999, "Measurements of Omega and Lambda from 42 high-redshift supernovae"
Das Rezept des Universums: Der Planck-Satellit lieferte die bisher genauesten kosmologischen Parameter: ein Alter von etwa 13,8 Milliarden Jahren, wobei gewöhnliche Materie nur etwa 5 % ausmacht.
Quelle: Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"
Woher die Masse kommt: Higgs schlug ein Feld vor, das den Raum erfüllt und den Teilchen Masse verleiht, und sagte ein neues Teilchen voraus.
Quelle: Higgs, Physical Review Letters 1964, "Broken symmetries and the masses of gauge bosons"
Das Higgs-Teilchen finden: Der Large Hadron Collider fand bei etwa 125 GeV ein neues Teilchen und bestätigte damit eine Vorhersage von vor 48 Jahren.
Quelle: ATLAS Collaboration, Physics Letters B 2012, "Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC"
Das letzte Kapitel des Universums: Berechnete das Schicksal des Universums über Billionen Jahre und darüber hinaus: Sterne erlöschen, Protonen zerfallen vielleicht, und Schwarze Löcher verdampfen schließlich.
Quelle: Adams & Laughlin, Reviews of Modern Physics 1997, "A dying universe: the long-term fate and evolution of astrophysical objects"
Spielfiktion (erfunden)
- Ein Babyuniversum tatsächlich zu bauen und seine physikalischen Konstanten zu beeinflussen, ist Fiktion.
- Knoten „Kosmische Fabrik“: Ein Universum muss sterben, bevor ein neues an der Reihe ist.
- Zusammenfassung des Romans Die letzte Frage: Generation um Generation fragen die Menschen einen immer mächtigeren Computer, ob sich die Zunahme der Entropie umkehren lässt. Jedes Mal antwortet er „unzureichende Daten“, bis zum allerletzten Augenblick des Universums.