Warum war der Urknall keine Explosion? - Der Urknall: Die Ausdehnung des Raumes selbst | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

0:05 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Das verbreitete Bild vom Urknall als gewaltige Explosion im leeren Raum ist grundlegend falsch. Das Universum begann nicht mit einem Lichtblitz, der von einem zentralen Punkt in eine bereits bestehende Dunkelheit hinausströmte. Vielmehr war der Urknall die Ausdehnung des Raumes selbst.

0:32 Diese Episode zeichnet die Geschichte des Kosmos nach, von einer Phase unendlicher Dichte, in der unsere bekannten physikalischen Gesetze ihre Gültigkeit verlieren, bis hin zur Entstehung der ersten Atome. Wir betrachten die kosmische Inflation, die den Raum in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde um ein Vielfaches streckte und die Aufspaltung der ursprünglichen Superkraft in die vier Grundkräfte, die heute unsere Welt formen. Dabei wird deutlich, wie aus reinen Energiefluktuationen die Bausteine für Sterne, Planeten und letztlich für uns selbst entstanden. Ich wollte verstehen, warum das Universum, das wir beobachten, so erstaunlich gleichförmig ist und kehrte bei der Recherche immer wieder zur Inflation und der kosmischen

1:19 Hintergrundstrahlung zurück. Es fasziniert mich, dass das leise Rauschen auf einem alten Fernseher tatsächlich ein sichtbares Echo jener Zeit ist, als der Kosmos zum ersten Mal durchsichtig wurde. Diese Episode lädt Sie dazu ein, die ersten Sekunden der Existenz nachzuvollziehen und zu begreifen, wie eng unsere eigene materielle Existenz mit den extremen Bedingungen des frühen Universums verwoben ist. war keine Explosion im Raum, sondern die Ausdehnung des Raumes selbst. Und diese eine Korrektur öffnet die Tür zu einer Geschichte, die seltsamer ist als jede Fiktion. Eine Geschichte, in der das Universum von kleiner als ein Atom zu größer als eine Galaxie anwuchs. In weniger Zeit als ein Photon braucht, um ein Proton zu

2:13 durchqueren. Es gibt ein verbreitetes Bild, das die meisten von uns in sich tragen, ob wir uns dessen bewusst sind oder nicht. Es ist das Bild einer Explosion. Ein Lichtblitz, ein Energieschub, der von einem zentralen Punkt nach außen in die Dunkelheit strömt, die bereits da war. So hat man uns beigebracht, uns den Anfang von allem vorzustellen, das Ereignis, das wir den Urknall nennen. so vertraut es auch ist, enthält ein grundlegendes Missverständnis. Der Urknall war keine Explosion im Raum. Er war kein Ausströmen von Materie in eine leere Dunkelheit. Er war etwas Seltsameres, etwas, das weitaus schwieriger zu fassen, aber einmal begriffen, weitaus erhellender ist. Er war die Ausdehnung des Raumes selbst.

3:12 Um zu verstehen, was das bedeutet, müssen wir zuerst die Vorstellung von einem Ort aufgeben, an dem es geschah. Es gab keinen Ort. Es gab kein Zentrum, von dem aus alles davonraste. Der Raum, den wir bewohnen, der Raum zwischen den Galaxien, zwischen den Sternen, zwischen den Atomen in deiner Hand, dieser Raum selbst, begann zu wachsen. Überall. Gleichzeitig. Und weil es vor diesem Raum keinen Raum gab, gab es auch keine Zeit in dem Sinne, wie wir sie verstehen.

3:49 Kein Davor, keine umgebende Leere, nur der Beginn der Ausdehnung selbst. Hier beginnt unsere Geschichte nicht mit einem Knall, sondern mit einer stillen Unmöglichkeit. Einem Zustand, den Physiker die Singularität nennen. Es ist ein Begriff, Der präzise klingt fast mathematisch, und das ist er auch. Aber was er beschreibt, ist ein Zustand, in dem unser Verständnis an seine Grenze stößt.

4:22 Unendliche Dichte. Unendliche Temperatur. Ein Punkt, wenn wir ihn überhaupt so nennen können, an dem die bekannten Gesetze der Physik schlicht aufhören zu funktionieren. Nicht, weil wir nicht sorgfältig genug gemessen hätten, sondern weil die Werkzeuge der Physik selbst in diesem Bereich zusammenbrechen. Die Singularität ist kein Ding im Raum. Sie ist kein Ort, zu dem man prinzipiell reisen könnte. Sie ist die Grenze dessen, was wir beschreiben können, der Hand unserer theoretischen Reichweite. Und doch trat aus diesem unbegreiflichen Zustand etwas hervor. Nicht allmählich. Nicht durch einen Prozess, den wir uns im gewöhnlichen Sinne als Ursache und Wirkung vorstellen können, sondern in einer Abfolge von Phasen, die so rasend

5:19 schnell abliefen, dass die erste Sekunde des Daseins mehr Verwandlung enthielt als die 13 Milliarden Jahre, die folgten. Die erste dieser Phasen wird Planck -Ära genannt, benannt nach dem Physiker Max Planck, der als erster die fundamentalen Skalen identifizierte, bei denen unsere gegenwärtige Physik etwas tieferen Weichen muss. Diese Ära dauert ein unvorstellbar kurzes Intervall, ungefähr 10 hoch minus 43 Sekunden. Das ist ein Dezimalpunkt, gefolgt von 42 Nullem. Und dann eine Eins. Dies einen Bruchteil einer Sekunde zu nennen, ist fast irreführend. Es ist eine Zeitskala, die so weit von menschlicher Erfahrung entfernt ist, dass unsere Sprache Mühe hat, sie zu fassen.

6:14 In diesem ersten Moment gilt etwas Bemerkenswertes für die Kräfte, die unsere Welt formen. Heute kennen wir vier fundamentale Kräfte. Die Gravitation, die Planeten in ihren Bahnen hält und die großräumige Struktur des Kosmos bestimmt. Den Elektromagnetismus der Elektronen an Atomkerne bindet, Chemie ermöglicht und Licht durch das Universum trägt. Die starke Kernkraft, die Quarks zu Protonen und Neutronen zusammenschließt und diese wiederum zu Atomkernen verbindet. Und die schwache Kernkraft, verantwortlich für bestimmte Formen des radioaktiven Zerfalls und für die Prozesse, die die Sonne antreiben.

7:01 Diese vier Kräfte erscheinen in unserer Alltagserfahrung völlig verschieden. Die Gravitation beherrscht den astronomischen Bereich, der Elektromagnetismus den atomaren und molekularen, die starke Kraft das Innere der Atomkerne. Sie wirken mit unterschiedlichen Stärken, über unterschiedliche Reichweiten, durch unterschiedliche Mechanismen. Doch in der Pankara waren sie nicht verschieden. Sie waren eins.

7:30 Eine einzige Superkraft vereinheitlicht auf eine Weise, die wir mathematisch beschreiben, aber kaum erahnen können. Die Gleichungen sagen uns, dass bei ausreichender Temperatur und Dichte die Unterschiede zwischen diesen Kräften verschwinden. Ihre getrennten Identitäten lösen sich in eine einzige, fundamentalere Wechselwirkung auf. Diese Vereinheitlichung ist keine bloße Spekulation.

8:00 Wir haben experimentelle Belege dafür, wenn auch nicht direkt vom Urknall. Teilchenbeschleuniger können Bedingungen nachstellen, die etwas später existierten, als drei der vier Kräfte noch vereinheitlicht waren. Und das Verhalten der Teilchen. unter diesen Bedingungen stimmt mit den Vorhersagen vereinheitlichter Theorien überein. Die vollständige Vereinheitlichung aller vier Kräfte, einschließlich der Gravitation, bleibt jenseits unserer gegenwärtigen experimentellen Reichweite und theoretischen Gewissheit. Aber das Muster ist klar. Je tiefer wir in das frühe Universum blicken, desto mehr löst sich die scheinbare Komplexität der Natur in eine zugrunde liegende Einfachheit auf. Die Temperatur des Universums in dieser Planck -Ära

8:52 wird auf 10 hoch 32 Kelvin geschätzt. Zahlen wie diese werden bedeutungslos, wenn wir sie einfach herunterbeten. Bedenke stattdessen, dass das Zentrum unserer Sonne heiß genug, um Kernfusion aufrecht zu erhalten, etwa 15 Millionen Kelvin hat. Die Temperatur der Planck -Ära übertrifft dies um einen Faktor von 10 hoch 25. Es gibt keinen vertrauten Bezugspunkt für solche Hitze.

9:22 Es ist eine Temperatur, bei der Energie selbst zum beherrschenden Bestandteil der Wirklichkeit wird. Bei dieser Temperatur verliert die Unterscheidung zwischen Materie und Energie, so entscheidend für unser Verständnis der Welt, ihre Schärfe. Aber hier ist, was diese Ära wirklich fremdartig macht, jenseits der schieren Größe ihrer Zahlen.

9:47 Bei dieser Temperatur und Dichte beginnt sich das Konzept der Temperatur selbst aufzulösen. Wir sind es gewohnt, Temperatur als Bewegung zu denken, als Teilchen, die mit mehr oder weniger Kraft gegeneinander stoßen. Ein heißes Gas bewegt sich schnell. Ein kaltes bewegt sich langsam. So fühlen wir Wärme auf unserer Haut, so verstehen wir sie. Aber in der Plankara gibt es keine Teilchen in diesem Sinne. Es gibt keinen Raum zwischen den Dingen, durch den sie sich bewegen könnten.

10:22 Die Vorstellung von Atomen, die aufeinander prallen, von Molekülen, die schwingen, von Energie, die auf unabhängige Objekte verteilt ist, all das setzt eine Trennung voraus, die noch nicht existiert. Was wir hier Temperatur nennen, ist in Wirklichkeit ein Maß für etwas völlig anderes. Es ist eine Eigenschaft des Feldes selbst, des Raumes in seiner konzentriertesten Form. Die Kategorien von heiß und kalt, von schnell und langsam, von hier und dort, all das erfordert eine Art von Geäumigkeit, die das Universum noch nicht erlangt hat. Es ist nicht nur so, dass die Dinge zusammengedrückt sind. Es ist so, dass die Kompression selbst als Konzept ihre Bedeutung verloren hat. Die Dichte übertrifft ebenfalls die eines Atomkerns

11:17 um den Faktor 10 hoch 69. Das ist keine Materie, die im gewöhnlichen Sinne zusammengepresst ist. Es gibt keinen Raum zwischen den Teilchen, den man wegdrücken könnte. Das Konzept von Teilchen als getrennten Einheiten ist noch nicht entstanden. Was existiert, ist reine Energie, konzentriert in einem Maße, das selbst das Gerüst unserer physikalischen Theorien überfordert. Dann, am Ende der Planck -Ära, verändert sich etwas. Wir verstehen nicht vollständig, was diesen Wandel auslöst. Die Physik dieses Übergangs gehört zu den aktivsten Grenzgebieten der theoretischen Forschung. Aber die Konsequenz ist klar. Das Universum tritt in eine Phase der Ausdehnung ein, die allem gleicht, was davor oder danach

12:12 kam. Das ist die Epoche der kosmischen Inflation und sie ist der Flüssel zum Verständnis, wie das Universum, das wir beobachten, aus so wenig vielversprechenden Anfängen hervorgehen konnte. Die Inflation wird von einem hypothetischen Feld angetrieben, dem Inflatonfeld, dessen Eigenschaften so beschaffen sind, dass sie einen ganz bestimmten Effekt erzeugen. Die Energiedichte dieses Feldes bleibt nahezu konstant, während sich der Raum ausdehnt. Das bedeutet, dass es sich im Gegensatz zu gewöhnlicher Materie oder Strahlung nicht verdünnt. Das Ergebnis ist exponentielles Wachstum.

12:54 Der Raum dehnt sich nicht nur aus. Er streckt sich mit zunehmender Geschwindigkeit und verdoppelt seine Größe wiederholt über ein Intervall von vielleicht 10 hoch minus 36 Sekunden. Die beteiligten Zahlen sind atemberaubend. In einer Dauer von weniger als 10 hoch minus 32 Sekunden wächst das Universum um einen Faktor von mindestens 10 hoch 26. Möglicherweise sehr viel mehr. Um das auf begrenzte Weise anschaulich zu machen, stell dir etwas von der Größe eines Protons vor, jenes winzigen Bestandteils der Atomkerne, das auf die Ausmaße eines Basketballs anschwillt.

13:38 Nun erkenne, dass diese Analogie die tatsächliche Ausdehnung um viele Größenordnungen untertreibt. Das gesamte beobachtbare Universum, der ganze Raum, den wir prinzipiell mit unseren leistungsfähigsten Instrumenten sehen können, könnte während dieser inflationären Phase aus einem Bereich entstanden sein, der kleiner als ein Atom war. Diese Ausdehnung ist schneller als Licht, was so klingt, als verletze es eines der fundamentalen Prinzipien der Relativitätstheorie.

14:13 Aber das tut es nicht. Die kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung gilt für Bewegung durch den Raum, nicht für die Ausdehnung des Raumes selbst. Es ist kein Widerspruch, dass entfernte Regionen des Universums sich schneller voneinander trennen, als Licht die wachsende Kluft überbrücken kann. Das ist kein Wortspiel.

14:36 Es ist ein echtes Merkmal der allgemeinen Relativitätstheorie, Einsteins Theorie der Gravitation. Und es ist wesentlich dafür, wie die Inflation funktioniert. Die Bedeutung der Inflation geht weit über das schiere Ausmaß der Ausdehnung hinaus. Sie löst Probleme, die die Kosmologie jahrzehntelang geplagt hatten, Rätsel, die das Standardmodell des Urknalls ohne Inflation nicht angemessen beantworten konnte.

15:05 Betrachte zuerst das Horizontproblem. Stell dir vor, du stehst unter einem klaren Nachthimmel und blickst auf zwei Punkte, die einander direkt gegenüber liegen. So weit voneinander entfernt an der Himmelskugel. Die zwei Punkte nur sein können, da eben. Licht aus jeder dieser Richtungen erreicht jetzt deine Augen, nachdem es fast 14 Milliarden Jahre unterwegs war. Aber hier ist das Letze. Diese beiden Lichtstrahlen. Diese beiden uralten Boten rasen aufeinander zu, seit dem Moment, in dem sie freigesetzt wurden. Selbst mit Lichtgeschwindigkeit hatten sie in der gesamten Geschichte des Universums nicht genug Zeit, um die Entfernung zwischen ihren Ursprungsorten zu überwinden. Sie haben nie miteinander gesprochen.

15:58 Sie haben nie ein Signal ausgetauscht, keine Wärme, keine Information. Und doch... Wenn wir die Temperatur der Strahlung messen, die aus jeder Richtung ankommt, die kosmische Hintergrundstrahlung, finden wir sie mit außerordentlicher Präzision identisch. Ein Teil in 100 .000. Wie konnten zwei Regionen, die nie in kausalem Kontakt standen, so vollkommen übereinstimmen? Die Inflation löst dies, indem sie offenbart, dass sie vor Beginn der Inflation in Kontakt standen. Die rasante Ausdehnung trennte sie dann so gewaltsam, dass sie die kausale Verbindung verloren. Und so bewahrte sie die Gleichförmigkeit, die in ihrer gemeinsamen Vergangenheit entstanden war. Was im Standardmodell wie ein rätselhafter Zufall erscheint, wird zu

16:51 einer natürlichen Folge einer kurzen Periode exponentiellen Wachstums. Zwei Punkte, die sich einst berührten, die einst dieselben Bedingungen teilten, wurden schneller auseinandergerissen, als Licht folgen konnte. Und sie frohen ihre gemeinsame Temperatur über den Himmel verteilt ein. Dann gibt es das Flachheitsproblem. Die Geometrie des Universums, die Krümmung des Raumes auf großen Skalen, erscheint bemerkenswert nahe an flach. Nicht exakt flach, aber so nahe daran, dass die Abweichung schwer zu messen ist. Im Standardmodell des Urknalls würde jede anfängliche Krümmung mit der Zeit tendenziell wachsen. Ein leicht positiv gekrümmtes Universum würde schließlich kollabieren. Ein leicht negativ gekrümmtes würde

17:45 immer schneller expandieren, wobei seine Krümmung ausgeprägter würde. Die beobachtete beinahe Flachheit erfordert eine außerordentlich präzise Abstimmung der Anfangsbedingungen. Die Inflation liefert einen physikalischen Mechanismus für diese scheinbare Feinabstimmung. Die exponentielle Ausdehnung streckt jede anfängliche Krümmung auf so gewaltige Skalen, dass sie innerhalb unseres beobachtbaren Horizonts nicht mehr nachweisbar ist. Ein Universum, das auf kleinen Skalen stark erkund gewesen sein mag, wird auf den Skalen, die wir beobachten können, effektiv flach. Ähnlich wie die Oberfläche der Erde uns flach erscheint, obwohl wir wissen, dass sie kugelförmig ist. Die Inflation ist, als nehme man einen Ballon und bliese ihn auf

18:38 die Größe eines Planeten auf. Jeder lokale Bereich, jede Region, die wir überblicken können, würde vollkommen eben erscheinen. Die ursprüngliche Krümmung wäre über den Horizont dessen hinausgeschoben, was wir sehen können. Es gibt eine dritte Leistung der Inflation, die das tiefste Lätsel der kosmischen Struktur berührt. Das Universum ist nicht vollkommen gleichförmig. Es enthält Galaxien, Galaxienhaufen, gewaltige Filamente und Leerräume, Eine komplexe Hierarchie von Strukturen, die von den kleinsten Zwerggalaxien bis zu den größten kosmischen Superstrukturen reicht. Diese Strukturen mussten irgendwie entstehen.

19:25 Sie mussten aus kleinen, anfänglichen Unregelmäßigkeiten wachsen, die die Gravitation über Milliarden von Jahren verstärken konnte. Die Inflation liefert den Keim. Das Inflatorenfeld unterliegt, wie alle Quantenfelder, Fluktuationen. Auf den kleinsten Skalen erzeugt die Quantenunschärfe winzige Schwankungen in der Energiedichte des Feldes. Während der Inflation werden diese Quantenfluktuationen auf astronomische Skalen gestreckt und als klassische Dichteschwankungen in das Gewebe des Haumes eingefroren.

20:02 Das Muster dieser Fluktuationen, ihre statistische Verteilung über verschiedene Skalen, stimmt mit außerordentlicher Präzision mit den Mustern überein. die wir in der kosmischen Hintergrundstrahlung und in der großräumigen Verteilung der Galaxien beobachten. Das ist eine der bemerkenswertesten Verbindungen in der gesamten Physik. Die größten Strukturen im Universum, das gewaltige kosmische Netz aus Galaxien, das sich über Milliarden von Lichtjahren erstreckt, verdanken ihren Ursprungen Quantenfluktuationen, die in den ersten Augenblicken des Daseins auftraten. Fluktuationen, die so klein waren, dass sie ohne die verstärkende Kraft der Inflation völlig unbedeutend gewesen wären.

20:51 Das Quantenhafte und das Kosmische, die kleinsten und die größten Skalen der physikalischen Wirklichkeit, sind auf eine Weise verbunden, die niemand vorhergesehen hatte, bevor die Inflation vorgeschlagen wurde. Die inflationäre Epoche endet abrupt, als das Inflatonfeld in vertrautere Formen von Materie und Strahlung zerfällt. Dieser Zerfall setzt enorme Energie frei und erhitzt das Universum erneut auf Temperaturen, die weit unter denen der Planck -Ära liegen, aber immer noch völlig jenseits dessen, was wir in Laboren nachstellen können. Das Universum ist nun mit einer heißen, dichten Suppe aus Elementarteilchen gefüllt, der Phase, die wir traditionell mit dem eigentlichen Urknall verbinden. Während dieses heiße Universum

21:41 expandiert und abkühlt, beginnt die vereinheitlichte Superkraft zu zerbrechen. Diese Symmetriebrechung, wie Physiker sie nennen, ist kein einzelnes Ereignis, sondern eine Abfolge von Übergängen, die eintreten, wenn die Temperatur unter kritische Schwellenwerte fällt. Die Gravitation trennt sich zuerst am Ende der Planck -Ära oder während der frühesten Momente der Inflation. Warum sich die Gravitation vor den anderen Kräften trennt, hängt mit ihrem grundlegend anderen Charakter zusammen. Während die anderen drei Kräfte durch Quantenfeldtheorien ähnlicher Struktur beschrieben werden, wird die Gravitation durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben, eine klassische Theorie der gekrümmten

22:30 Raumzeit. Die Vereinheitlichung der Gravitation mit den anderen Kräften bleibt das große ungelöste Problem der fundamentalen Physik. Und die frühe Trennung der Gravitation könnte ein Hinweis auf die Natur dieses Problems sein. Nachdem die Inflation endet und das Universum sich wieder erhitzt, trennt sich die starke Kernkraft von der elektroschwachen Kraft, die als vereinheitlichte Wechselwirkung bestehen bleibt. Dies geschieht etwa 10 hoch minus 12 Sekunden nach dem Anfang, wenn die Temperatur auf etwa 10 hoch 15 Kelvin gefallen ist. Die Energieskala dieses Übergangs, ungefähr das Hundertfache der Ruhemassenenergie des Protons, liegt in Eichweite unserer leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger.

23:25 Und die Physik dieser Ära wurde teilweise in Experimenten am CERN und anderen Laboren erforscht. Die letzte Trennung erfolgt, wenn die elektromagnetische und die schwache Kraft sich aufspalten. Diese elektroschwache Symmetriebrechung ist der im Labor am gründlichsten untersuchte Übergang. Sie erfordert, dass das Higgs -Feld, das den gesamten Raum durchdringt, einen von null verschiedenen Wert annimmt. Vor diesem Übergang befindet sich das Higgs -Feld in einem symmetrischen Zustand.

24:01 Und die Teilchen, die zu den W - und Z -Bosonen der schwachen Kraft werden, sind masselos, ununterscheidbar vom Photon des Elektromagnetismus. Nach dem Übergang verleiht der Wert des Higgs -Feldes diesen Teilchen Masse, bricht die Symmetrie und hinterlässt uns die zwei getrennten Kräfte, die wir beobachten.

24:21 Der Higgs -Mechanismus, bestätigt durch die Entdeckung des Higgs -Boussons am CERN im Jahr 2012, ist wesentlich für unsere Existenz. Ohne ihn wären die fundamentalen Teilchen, aus denen gewöhnliche Materie besteht, masselos. Sie bewegten sich mit Lichtgeschwindigkeit und könnten keine stabilen Atome und Moleküle bilden. Die Strukturen der Chemie, der Biologie, des Bewusstseins selbst hängen von dieser Symmetriebrechung ab, die im ersten Bruchteil einer Sekunde der kosmischen Geschichte stattfand. Während das Universum weiter abkühlt, nun etwa eine Mikrosekunde nach seinem Anfang, tritt ein weiterer kritischer Übergang ein. Quarks Die fundamentalen Bestandteile von Protonen und Neutronen hatten als freie Teilchen

25:15 existiert, die durch das heiße Plasma schossen, kollidierten und sich trennten. Aber als die Temperatur unter einen kritischen Wert fällt, wird die starke Kernkraft zunehmend wirksam darin, Quarks aneinander zu binden. Sie werden in Hadronen eingeschlossen, jener Familie von Teilchen, zu der Protonen und Neutronen gehören. Dieser Quark Einschluss -Übergang markiert den Beginn der Hadronen -Ära, in der die grundlegenden Bausteine der Atomkerne erstmals erscheinen. In diesen ersten Momenten werden Teilchen und Antiteilchen in gleicher Zahl erzeugt, vernichten sich und entstehen neu in der intensiven Hitze. Doch es existiert eine winzige Asymmetrie. Ein geringer Überschuss von Materie gegenüber Antimaterie,

26:09 ungefähr ein Teil in einer Milliarde. Dieses kleine Ungleichgewicht, dessen Ursprung eines der großen Rätsel der Teilchenphysik bleibt, ist verantwortlich für alle Materie, die wir heute im Universum sehen. Ohne es hätten sich Materie und Antimaterie vollständig vernichtet und ein Universum hinterlassen, das nur mit Strahlung gefüllt wäre. Ohne Sterne, Planeten oder Leben.

26:39 Etwa zehn Sekunden nach dem Anfang hat sich das Universum ausreichend abgekühlt, damit Kernreaktionen beginnen können. Dies ist die Ära der primordialen Nukleosynthese. Protonen und Neutronen, die zu früheren Zeiten durch schwache Wechselwirkungen im Gleichgewicht gehalten wurden, beginnen nun, sich zu schwereren Kernen zu verbinden. Der Prozess ist unter den frühen heißen Bedingungen schnell und effizient. Dann verlangsamt er sich, während die Temperatur weiter sinkt. Das Ergebnis ist bemerkenswert einfach und präzise vorhergesagt.

27:21 Ungefähr 75 % der Kernmasse entstehen als Wasserstoff, das einfachste Element mit einem einzelnen Proton als Kern. Etwa 25 % werden zu Helium -4 mit zwei Protonen und zwei Neutronen. Spurenmengen von Deuterium, Helium -3 und Lithium -7 werden ebenfalls erzeugt. Diese primordiale Häufigkeit leichter Elemente, insbesondere das präzise Verhältnis von Helium zu Wasserstoff, ist einer der großen Triumphe der Urknallkosmologie. Beobachtungen von unverarbeitetem Material in den ältesten Sternen und in intergalaktischen Gaswolken stimmen mit beeindruckender Genauigkeit mit den theoretischen Vorhersagen überein. Sie liefern eine starke Bestätigung, dass unser Verständnis dieser Frühmomente im Wesentlichen korrekt ist. Nach der Nukleosynthese

28:22 tritt das Universum in eine lange Periode relativer Ruhe ein. Für etwa 380 .000 Jahre bleibt es mit einem heißen Plasma aus freien Elektronen und Atomkernen gefüllt, hauptsächlich Wasserstoff und Helium. Dieses Plasma ist undurchlässig für Licht. Photonen können nicht frei reisen, sondern werden ständig von den elektrisch geladenen Teilchen gestreut und prallen in einem kosmischen Nebel umher. Stell dir diese Ära vor, wenn du kannst.

28:56 Es gibt keine Sterne, keine Galaxien, nirgendwo feste Oberflächen. Das Universum ist ein gewaltiger, stiller, glühender, orangefarbener Nebel von der Farbe einer abkühlenden Glut, gleichmäßig heiß in jeder Richtung. Licht strömt nicht, sondern durchdringt, gefangen in endlosem Rückprall, unfähig, den geladenen Teilchen zu entkommen, die es umgeben. Das Universum summt mit dieser eingeschlossenen Energie ein glattes, undifferenziertes Plasma, das sich in der Dunkelheit ausdehnt.

29:34 Es ist die längste Pause in der kosmischen Geschichte, eine Inkubation ohne Merkmal oder Ereignis, ein Warten. Dann, als die Temperatur auf etwa 3000 Kelvin fällt, tritt ein verwandelndes Ereignis ein. Die Elektronen, die sich nun langsam genug bewegen, werden von den positiv geladenen Kernen eingefangen und bilden neutrale Atome. Dieser Prozess, Rekombination genannt, obwohl es eigentlich die erste Kombination ist, macht das Universum zum ersten Mal durchlässig für Licht. Die Photonen, nicht länger ständig gestreut, können sich frei in geraden Linien bewegen. Diese Photonen, freigesetzt in jenem Moment der Rekombination, sind das, was wir heute als kosmische Hintergrundstrahlung nachweisen. Sie sind seit fast 13 ,8 Milliarden

30:31 Jahren unterwegs, gedehnt durch die Ausdehnung des Raumes von sichtbarem Licht zu Mikrowellenfrequenzen. Ihre gegenwärtige Temperatur, etwa 2 ,7 Kelvin über dem absoluten Nullpunkt, ist ein direktes Maß dafür, wie stark sich das Universum seit der Rekombination ausgedehnt hat. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist nicht vollkommen gleichförmig.

30:56 Sie enthält winzige Temperaturschwankungen, Fluktuationen von etwa einem Teil in 100 .000, die der Abdruck der Dichterschwankungen sind, die während der Inflation gesät wurden. Diese Fluktuationen, kartiert mit außerordentlicher Präzision durch Satelliten wie WAM und Planck, liefern eine Fülle von Informationen über die Zusammensetzung und Geometrie des Universums. Sie bestätigen die Vorhersagen der Inflation, messen die Krümmung des Raumes als nahezu flach und enthüllen die Anteile von gewöhnlicher Materie, dunkler Materie und dunkler Energie, die das kosmische Budget ausmachen. Das ist die Geschichte, wie wir sie heute verstehen, eine Erzählung, aufgebaut aus Jahrzehnten theoretischer Arbeit und Beobachtungsanstrengung.

31:47 Aber es ist keine abgeschlossene Geschichte. Der Anfang bleibt problematisch. Die Singularität jener Zustand unendlicher Dichte, in dem unsere Physik zusammenbricht, ist nichts, was wir als endgültige Beschreibung akzeptieren können. Sie ist ein Signal, dass unsere Theorien unvollständig sind, dass wir einen fundamentaleren Rahmen brauchen, der die extremen Bedingungen der frühesten Momente bewältigen kann. Mehrere Forschungsrichtungen deuten auf mögliche Auflösungen hin. Die Schleifenquantenkosmologie, entwickelt aus der Schleifenquantengravitation, legt nahe, dass die Singularität vermieden wird.

32:32 In diesem Rahmen hat der Raum selbst auf den kleinsten Skalen eine diskrete, körnige Struktur. Und die Gleichungen, die die Entwicklung des Universums beschreiben, bleiben selbst bei maximaler Dichte wohldefiniert. Statt zu einem Punkt zu kollabieren, prallt ein zuvor kontrahierendes Universum ab und beginnt wieder zu expandieren.

32:58 Dieses Szenario des großen Rückpralls ersetzt den singulären Anfang durch einen Quantenübergang zwischen Kontraktion und Expansion. Die Modelle des zyklischen Universums, vorgeschlagen von Paul Steinhardt und Nile, Turok unter anderem, stellen sich eine ewige Abfolge von Zyklen vor, von denen jeder mit einem urknallartigen Ereignis beginnt und in einer Periode der Kontraktion endet, die zum nächsten Zyklus führt. Unser Universum wäre eine Episode in einer unendlichen Abfolge.

33:33 Der feinbare Anfang wäre lediglich ein Übergang aus einer vorherigen Phase. Die Stringtheorie und ihre Erweiterungen legen noch exotischere Möglichkeiten nahe. Unser vierdimensionales Universum könnte eine Oberfläche sein, eine Bahn in einem höherdimensionalen Raum. Und der Urknall könnte eine Kollision zwischen solchen Pranen darstellen.

33:59 Das ekpyrotische Szenario, abgeleitet aus diesem Rahmen, bietet alternative Erklärungen für die Gleichförmigkeit und Flachheit des Universums, die keine Inflation im üblichen Sinne erfordern. Die Multiversum -Idee nimmt die Inflation als ewigen Prozess ernst. In dieser Sicht endet die Inflation nie vollständig überall, sondern setzt sich in einigen Regionen fort und erzeugt neue Blasenuniversen, selbst während andere ihren Übergang zu heißen Urknallphasen abschließen.

34:33 Jedes Blasenuniversum könnte andere physikalische Konstanten haben, andere Gesetze der Physik, andere Möglichkeiten für Struktur und Leben. Unser Universum wäre eines unter unzähligen anderen. Seine besonderen Eigenschaften wären eine Frage des kosmischen Zufalls statt kosmischer Notländigkeit. Diese spekulativen Grenzgebiete erinnern uns daran, dass unser gegenwärtiges Verständnis, so beeindruckend es auch ist, vorläufig bleibt.

35:05 Das Urknallmodell in seinen groben Zügen durch vielfältige Belege bestätigt, beschreibt die Entwicklung des Universums von einer sehr frühen Zeit an. Aber der eigentliche Anfang, der Übergang von was auch immer davor war zu dem heißen, expandierenden Zustand, den wir beschreiben können, bleibt unbekannt.

35:28 Was wir wissen ist, dass das Universum, das wir bewohnen, aus Einfachheit hervorging. Die Komplexität von Atomen und Molekülen, von Sternen und Galaxien, von Leben und Bewusstsein, All das entstand aus einem Zustand bemerkenswerter Gleichförmigkeit, beherrscht von Kräften, die einst vereinheitlicht waren. Die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, sind nicht von außen gegeben, sondern entstanden im frühen Universum durch Prozesse der Symmetriebrechung, die wir teilweise verstehen und teilweise nachstellen können. Die Ausdehnung geht weiter. Nicht im wütenden Tempo der Inflation, sondern stetig und in der jüngeren kosmischen Geschichte beschleunigend.

36:17 Dunkle Energie, was auch immer ihre Natur ist, treibt nun diese Beschleunigung an und macht etwa 68 % der gesamten Energiedichte des Universums aus. Dunkle Materie, etwa 27%, liefert das gravitative Gerüst für die kosmische Struktur. Gewöhnliche Materie, der Stoff aus Sternen und Planeten und Lebewesen, macht weniger als 5 % der kosmischen Gesamtsumme aus. Diese Anteile in den letzten Jahrzehnten präzise gemessen, vervollständigen ein Bild, das die Wissenschaftler verblüfft hätte, die Mitte des 20. Jahrhunderts erstmals die Urknallkosmologie entwickelten. Das Universum dehnt sich nicht nur aus. Es dehnt sich auf eine bestimmte Weise aus, mit einer bestimmten Zusammensetzung, die mit detaillierten Vorhersagen übereinstimmt,

37:14 die aus der Physik der ersten Momente abgeleitet wurden. Die Präzision dieser Übereinstimmung ist bemerkenswert. Die Hubble -Konstante, die die gegenwärtige Expansionsrate misst, beträgt etwa 67 km pro Sekunde pro Megaparsec. Die kritische Dichte, die ewige Expansion von einem eventuellen Kollapstrend, ist bis auf wenige Prozent bekannt.

37:43 Bekannt. Das Alter des Universums, abgeleitet aus mehreren unabhängigen Methoden, beträgt 13 ,8 Milliarden Jahre mit Unsicherheiten von nur wenigen 100 Millionen Jahren. Diese Präzision stellt einen Triumph menschlicher Forschung dar. Aber sie trägt auch eine demütigende Botschaft in sich. Wir sind Nachzügler in der kosmischen Geschichte. Die großen Verwandlungen fanden lange statt, bevor unser Sonnensystem entstand, bevor unsere Galaxie sich formte, bevor irgendein Stern brannte. Wir beobachten die Nachwirkungen, entziffern die Spuren, rekonstruieren die Erzählung aus den Beweisen, die überlebt haben. Und doch sind wir in einem anderen Sinne aufs engste mit diesen frühesten Momenten verbunden. Der Wasserstoff

38:37 in deinem Körper, das Wasser, das du trinkst, die Luft, die du atmest, entstand in den ersten Minuten des Universums. Die schwereren Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff, Stickstoff und Eisen wurden in Sternen geschmiedet und von Supernovae verstreut. Aber ihre letzten Bestandteile, die Quarks und Elektronen, gehen auf das primordiale Plasma zurück. Wir sind im wörtlichsten Sinne aus Material gemacht, das seit dem Anfang existiert, verwandelt, aber nicht zerstört durch die dazwischenliegenden Äonen. Die kosmische Hintergrundstrahlung, jenes schwache Lühen von Mikrowellen, das den gesamten Raum erfüllt, ist ein direkter Bote aus der Zeit der Rekombination. Wenn du sie mit einem empfindlichen Instrument nachweist, siehst du buchstäblich

39:32 das Universum, wie es 380 .000 Jahre nach seinem Anfang war, rot verschoben durch 13 Milliarden Jahre Ausdehnung, aber ansonsten unverändert. Jeder Punkt am Himmel trägt dieses uralte Licht, das aus jeder Richtung ankommt, ein Flüstern aus der Zeit, als das Universum zum ersten Mal durchsichtig wurde. Künftige Beobachtungen könnten noch näher an den Anfang vordringen. Gravitationswellen, Kräuselungen in der Raumzeit, vorhergesagt von der Allgemeinen Relativitätstheorie und in den letzten Jahren direkt nachgewiesen, könnten Signaturen aus der inflationären Epoche selbst tragen. Primordiale Gravitationswellen, erzeugt durch die Quantenfluktuationen im Inflatonfeld, wären eine direkte Sonde für Physik bei Energien, die weit jenseits jedes

40:25 irdischen Beschleunigers liegen. Experimente sind im Gange und geplant, um nach diesem Signal im Polarisationsmuster der kosmischen Hintergrundstrahlung zu suchen. Das James Webb Weltraumteleskop und seine Nachfolger werden die erste Generation von Sternen und Galaxien beobachten, die ersten Strukturen, die aus der primordialen Dunkelheit hervorgingen. Teilchenbeschleuniger, vielleicht einschließlich eines künftigen Ringbeschleunigers, der weitaus leistungsfähiger ist als der Large Hadron Collider, könnten Bedingungen näher am elektroschwachen Übergang und darüber hinaus nachstellen. Jede dieser Anstrengungen erweitert unsere Reichweite, verringert unsere Unsicherheit, vertieft unser Verständnis. Aber es gibt Grenzen

41:21 dessen, was Beobachtung erreichen kann. Die Planck Ära, jene ersten 10 hoch minus 43 Sekunden, bleibt hinter einer Art Horizont verborgen. Die Energien, die erforderlich wären, um sie direkt zu untersuchen, übersteigen alles, was wir uns auch nur vorstellen können zu erzeugen. Die Physik dieser Ära erfordert eine Theorie der Quantengravitation, Eine Vereinheitlichung der allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik, die trotz Jahrzehnten intensiver Anstrengung unvollständig bleibt.

41:55 Strengtheorie, Schleifenquantengravitation, kausale dynamische Triangulation und andere Ansätze bieten jeweils teilweise Einsichten. Aber keiner hat den klaren empirischen Erfolg erzielt, der ihn als die korrekte Beschreibung etablieren würde. Diese Unvollständigkeit ist kein Versagen, sondern... Eine Grenze. Sie markiert die Grenze des gegenwärtigen Wissens und die Richtung künftiger Forschung.

42:23 Die Singularität, so problematisch sie auch ist, dient als Leuchtfeuer, das die theoretische Physik zu einem tieferen Verständnis von Raum, Zeit und Materie zieht. Aber lass uns zu dem zurückkehren, was physisch gegenwärtig ist, was im Jetzt berührt und gemessen werden kann. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist nicht bloß eine theoretische Vorhersage, die von Satelliten bestätigt wurde. Sie ist hier.

42:54 Sie erfüllt den Raum um dich herum, durchdringt deinen Körper, trägt Informationen aus jeder Richtung gleichzeitig. Wenn du jemals das Rauschen auf einem alten Fernseher gesehen hast, der auf einen toten Kanal eingestellt war, ist etwa ein Prozent dieses Schnees, dieses uralte Licht. Photonen, die zuletzt gestreut wurden, als das Universum jung war, und die nun als Mikrowellen ankommen, zu schwach für menschliche Augen, aber nachweisbar mit einfacher Elektronik. Du hast mit deinen eigenen Augen das Nachglühen der Rekombination gesehen, übersetzt in flackernde graue Punkte auf einer Kathodenstrahlröhre. Das Universum spricht in Flüstertönen und manchmal hören wir es, ohne zu wissen, was wir hören. Das Licht

43:48 kommt weiterhin an. Es kommt seit 13 ,8 Milliarden Jahren an und es wird weiter ankommen, solange das Universum sich ausdehnt. Jedes Photon ist ungestört gereist seit jenem Moment der ersten Durchsichtigkeit. Es hat Leerräume durchquert, die später Galaxien enthalten würden. Es ist durch Regionen gezogen, in denen Sterne schließlich entstehen und sterben würden. Bis es zuletzt auf unsere Instrumente trifft, unsere Antennen, unsere wartenden Detektoren. Es ist eine physische Verbindung zu der Zeit, als Atome geboren wurden.

44:28 als Licht befreit wurde, als das Universum zum ersten Mal ein Ort wurde, an dem jemand irgendwo eines Tages zurückblicken und verstehen könnte.