Das Problem des frühen Universums

Das Problem des urzeitlichen Universums.

...Betrachten wir eine Teilchen zum Zeitpunkt t = 0, oder zu einem Zeitpunkt „nahe bei t = 0“. Angenommen, es sendet ein beliebiges Signal aus, beispielsweise elektromagnetische Strahlung. Diese breitet sich mit der Geschwindigkeit c aus. Nach der Zeit t hat die Kugelwelle einen Radius ct, den man Horizont nennt. Doch das Gesetz der Expansion, der Entfernung zwischen zwei Teilchen, die als an den „kosmischen Träger“ gebunden gelten (man sagt komobil) hat eine parabolische Form (diese Entfernung wächst wie t2/3). Wenn man rückwärts in die Zeit geht, findet man immer eine Epoche t < th, in der die Teilchen physisch unmöglich miteinander kommunizieren konnten, da sie sich „schneller entfernten, als die elektromagnetische Welle, die zu einem Zeitpunkt nahe bei null ausgesandt wurde, sich fortbewegen konnte“.

...Die nachfolgende Abbildung veranschaulicht diesen autistischen Zustand des Universums: die weißen Kugeln, die jeder Teilchen zugeordnet sind, repräsentieren die Volumina, in denen eine Nachbar-Teilchen sein müsste, damit Kommunikation möglich wäre. Leider durchdringen sie sich nicht, und das wird erst viel später der Fall sein.

...Es wird daher schwierig, die bemerkenswerte Homogenität des urzeitlichen Universums zu erklären, deren fossile Spur der kosmische Hintergrundstrahlung bei 2,7 K ist.

...Die gängige Theorie ist die von Linde: die Inflation, und das ist ihre einzige Begründung. Ohne ins Detail zu gehen, besteht diese Theorie darin, dem urzeitlichen Universum eine Super-Kosmologische Konstante (zeitabhängig!) zu geben, die einen „abstoßenden Einfluss des Vakuums“ widerspiegelt, der jeder Vorstellungskraft widerspricht. Dadurch kommt es zu einer Expansion um einen Faktor von zehn hoch, ich weiß nicht wie viel...

Das Problem der Entstehung.

Was ist eigentlich dieser Zeitpunkt t = 0? Hat das überhaupt einen Sinn?

...Wenn man rückwärts in die Zeit geht, steigt die Temperatur des „kosmischen Fluids“ an. Auch die thermische Bewegungsgeschwindigkeit der Teilchen mit nicht verschwindender Masse nimmt zu. Es kommt ein Moment, in dem diese Geschwindigkeit relativistisch wird. Genauer gesagt, wenn t gegen null geht und die Temperatur T gegen unendlich strebt, geht die individuelle Energie der Teilchen gegen unendlich und ihre Geschwindigkeit gegen c. Die Eigenzeit folgt der Gesetzmäßigkeit:

...Wenn v gegen c geht, „erstarrt“ die Eigenzeit in den Uhren. Eine Uhr zu definieren wird problematisch, selbst konzeptionell.

...Man sieht also, dass das Standardmodell keineswegs perfekt ist. Die aufgezählten Probleme sind übrigens nicht erschöpfend. Die fundamentale Physik kennt ähnliche Probleme. Die Theorie der Superstrings erfordert eine Erweiterung des dimensionsalen Kontexts (zehn Dimensionen, für viele). Doch die geometrische Dekadimensionalität bleibt ein undurchdringliches Dickicht. Wenn zweidimensionale Flächen ihre Geheimnisse verloren haben, bleibt die Klassifikation von Hypersurfaces der Dimension 3 und 4 noch aus.

...Außerdem treten bei Hinzufügung von Dimensionen zum Kosmos charakteristische Längen auf, die jeweils einer Dimension zugeordnet sind. Und diese sind unweigerlich... die Planck-Länge. Und wo Länge ist, da ist auch Wellenlänge, die nach der Beziehung mit Energie verknüpft ist:

...Die Planck-Energie ist enorm. Um sie mit klassischen Methoden zu realisieren, müsste man einen Beschleuniger besitzen, dessen Durchmesser einer Galaxie entspricht. Die experimentierenden Physiker heben die Hände.

...Der japanischstämmige theoretische Physiker Michio Kaku (Hyperspace, a scientific odyssey through the 10th dimension, Oxford University Press, 1995) vertritt eine geschmackvolle persönliche Interpretation: Laut ihm sei die Theorie der Superstrings einfach nur einige Jahrhunderte zu früh. In der gegenwärtigen technischen Entwicklung sei sie daher nur eine Art, sich unter Freunden zu amüsieren.

Der Aspen-Kongress.

...1996 veröffentlichte die berühmte Zeitschrift Scientific American einen Bericht über einen Kongress über Superstrings, der kürzlich in Aspen, Colorado, stattgefunden hatte, verfasst von Madhusree Mukerjee, Redakteurin. Ein Text, der den Marx-Brüdern würdig ist:

...Wie der Artikelautor hervorhebt, hatte man 1986 Jeffrey A. Harvey von der Universität Chicago gebeten, die Theorie der Superstrings in sieben Worten zu definieren. Seine Antwort lautete damals:

• Oh, Lord, why have you forsaken me? (Gott, warum hast du mich verlassen?)

Doch der Artikel vermerkt, dass Gott scheinbar geantwortet hat, durch die Entdeckung einer neuen Symmetrie: der Dualität.

...Witten, der optimistischste der Superstring-Forscher, glaubt, dass diese Dualität nicht nur zur TOE (The Theory of Everything: Theorie von Allem) führen wird, sondern auch erklären wird, „warum das Universum so ist, wie es ist“. Er denkt, dass wir uns einer tiefen Erklärung der Natur der Quantenmechanik nähern.

...Tatsächlich beschäftigen sich nur wenige Menschen mit dieser Theorie der Superstrings, die auf allen Ebenen – auch mathematisch – so kompliziert ist, dass Physiker und Mathematiker sich davor scheuen.

...Der Artikel vermerkt, dass diese „Dualität“ Elementarteilchen und zusammengesetzte Objekte miteinander austauschbar macht. Die Spezialisten sprechen dann von „Clumps“ (massiven, dichten, dichtgepackten Ansammlungen), die sie sich als „Hedgehogs“ (Igel) vorstellen. To curl like a hedge-hog: sich zusammenrollen. Andere Bilder: „Kugeln, besetzt mit Vektoren“, die „Solitonen“ genannt werden.

...Doch, so betonen die Autoren dieses Konzepts, bliebe diese Dualität, falls sie existiert, unerreichbar (unter Dualität ist „zweifache Natur“ zu verstehen: englisches Wörterbuch). Im Artikel wird daher klar, dass zusammengesetzte Strukturen äquivalent sein könnten, wenn sie „tangled up“ (verwirrt, verflochten) sind, und dann zu „Elementarteilchen“ werden.

Der Begriff der „Spiegelsymmetrie“ wird anschließend diskutiert, jedoch ohne großen Erfolg.

...1986 hatte Duff vom Imperial College London die Schwingungen einer neuen Entität, „a bubble“ (eine Blase), betrachtet. Während die Strings in zehn Dimensionen „wriggeln“ (zappeln), würden die Blasen in einem Raum mit elf Dimensionen schweben. Danach betrachtete Duff Membranen mit „fünf Dimensionen“, eine alternative Beschreibung gegenüber den Strings. Anschließend überlegte er, dass diese Membranen sich wiederum wie „die Haut einer Wurst“ aufrollen könnten. Und er erwähnte eine „String-String-Dualität“.

...1995 hielt Witten eine Veranstaltung in Berkeley und vermutete, dass Duffs Blasen die Solitonen einer bestimmten, zehndimensionalen Schnur sein könnten.

Und Schwarz vom Caltech (einer der Pioniere der Theorie) fügte hinzu:

• Ich hätte eigentlich Lastwagenfahrer werden sollen!

Auf jeden Fall erscheinen derzeit täglich zehn neue Arbeiten über Superstrings.

Ein Soliton „ähnelt einer behaarten Raupe“, voller Vektoren, ist also das duale Objekt zur Schnur.

Duff schlug anschließend eine Dualität der Dualität zwischen Räumen vor. Und Susskind kommentierte:

Die Größe und innere Dimension eines Objekts würde „an verschiedenen Orten“ wechseln.

Townsend:

• Membranen, die sich in Solitonen von Strings verwandeln, könnten denselben Status wie die Strings haben. Leider ergeben die Berechnungen mit Membranen keinen Sinn.

...Dann wird ein Zusammenschluss von Strings und Schwarzen Löchern diskutiert. Hawking hatte angegeben, dass Schwarze Löcher, da sie Teilchen emittieren können, dabei Masse verlieren und schrumpfen würden. Wenn sie ursprünglich aus Strings bestanden („stringy black holes“), würden sie sich in Objekte von null Größe verwandeln: „an extremal black hole looking in fact rather like a particle“. Eine Kontroverse zwischen Susskind und Strominger zu diesem Punkt:

• Die Arbeit von Strominger ist „great“, aber diese Dinge als Schwarze Löcher zu bezeichnen, ist doch etwas übertrieben.

Als Hinweis: Der Titel des ...