So wird das Universum enden, so ein Astrophysiker

„Unsere Betrachtungen über den Kosmos bewegen uns“ sagte einmal der verstorbene Astronom Carl Sagan. „Es gibt ein Kribbeln in der Wirbelsäule, ein Stocken in der Stimme, ein schwaches Gefühl, als ob eine ferne Erinnerung an einen Sturz wäre aus großer Höhe.“ Wenn Ihnen das Nachdenken über das Universum einen Schauder bereitet, kann der Gedanke an sein Ende Sie erschrecken Beben.

In ihrem neuen Buch Das Ende von allem: (Astrophysikalisch gesehen)Die theoretische Astrophysikerin Dr. Katie Mack beginnt mit dem Urknall – der Theorie darüber, wie das Universum entstand. Sein Beginn kann Kosmologen wie ihr viel über sein unvermeidliches Ende verraten. Sie führt die Leser fröhlich durch fünf Apokalypsen der Astrophysik: Das große Knirschen, den Hitzetod, den großen Riss, den Vakuumzerfall und den großen Sprung. Damit Sie nicht im Quark-Gluon-Plasma stecken bleiben (keine Sorge, sie erklärt es), hält Mack alles zugänglich und gesprächig. Es macht viel mehr Spaß, als man es von einem Buch über das Ende des Universums erwarten würde. Lass dich nicht von der existenziellen Angst vor dem Untergang des Universums unterkriegen, scheint sie zu sagen.

Wir sprachen mit Mack über dunkle Energie im Vergleich zu dunkler Materie, darüber, wie Teleskope uns buchstäblich in die Vergangenheit blicken lassen, und über die Seltsamkeiten des Weltraums.

(Diese Konversation wurde aus Gründen der Klarheit leicht bearbeitet.)

Digitale Trends: Was hat Sie dazu bewogen, dieses Buch zu schreiben?

Mack: Im Laufe der Jahre habe ich viele verschiedene Dinge im Bereich der Kosmologie studiert. Die Kosmologie umfasst also das Universum als Ganzes, seine Bestandteile und seine Entwicklung. Ich habe am frühen Universum gearbeitet. Ich habe mich mit Dunkler Materie, Schwarzen Löchern, Galaxienentwicklung und all diesen Dingen beschäftigt. Und in letzter Zeit interessiere ich mich sehr für das Ende des Universums. und so ist dieses Buch entstanden.

Ihr Buch bietet eine sehr verständliche Erklärung dafür, wie wir den Urknall beobachten können. Können Sie uns das erklären?

Die Idee ist also, dass wir Galaxien sehen, wenn sich das Universum gerade ausdehnt – was wir beobachten sich voneinander entfernen – dann liegt es nahe, dass das Universum in der Vergangenheit mehr war komprimiert. So lag alles näher beieinander. Und man kann diese Durchwahl irgendwie zurückrufen und kommt an einen Punkt, an dem alles irgendwie übereinander lag.

Wenn sich das Universum also ausdehnt, wird es kühler, Materie wird diffuser, Energie wird diffuser. Früher muss es heißer und dichter und in gewisser Weise kleiner gewesen sein als heute. Das ist also im Grunde die Urknalltheorie. Das ist die einfachste Aussage der Urknalltheorie, nur dass das Universum in der Vergangenheit heißer, kleiner und dichter war.

Und wenn das der Fall ist, dann liegt es auch auf der Hand, dass man, wenn man weit genug wegschaut, aufgrund der Zeit, die das Licht braucht, um zu einem zu reisen, immer weiter in die Vergangenheit blickt. Und so sollten Sie in der Lage sein, an einen Punkt zu gelangen, an dem Sie, wenn das Universum wirklich überall heiß und dicht wäre – wenn der Urknall etwas wäre, das im gesamten Kosmos passiert wäre – dann Sie sollte in der Lage sein, Teile des Universums zu sehen, die so weit entfernt sind, dass sie sich immer noch in diesem heißen, dichten Zustand befinden, dass sie sich immer noch im Endstadium dieser Art urzeitlichen Feuerballs befinden Existenz.

Und um dorthin zu gelangen, muss man davon ausgehen, dass das Universum groß ist und schon immer ein ausgedehntes Ding war, woran wir auch glauben. Wir glauben, dass der Urknall überall passiert ist. Es gibt keinen einzigen Ursprungspunkt. Wenn Sie also dieser Argumentation folgen, sollte es Hintergrundlicht geben. Es sollte Licht aus allen Richtungen zu uns kommen, aus den entferntesten Bereichen, aus der Ferne, die wir überhaupt sehen können. Es sollte das Licht geben, das vom letzten Abkühlen dieses feurigen Zustands des Kosmos übrig geblieben ist.

Das Buch untersucht fünf mögliche Wege, wie das Universum enden könnte. Warum gibt es so viele verschiedene Wege, die es gehen könnte?

Nun, es kommt auf ein paar Dinge an. Einer davon ist, dass wir nicht vollständig verstehen, was dazu führt, dass sich das Universum so ausdehnt, wie es derzeit geschieht. Es gab eine Zeit, in der wir dachten, es wäre ganz einfach, weil wir eine gute Theorie der Schwerkraft, der Allgemeinen Relativitätstheorie und wir hatten konnten die Expansionsrate des Universums messen, und wir wussten, wie all die Dinge im Universum dies verlangsamen sollten Erweiterung. Es ging also nur noch darum, das Gleichgewicht zwischen der Ausdehnung und der Schwerkraft herauszufinden.

Wenn also die Expansion angesichts der ganzen Schwerkraft zu schnell wäre, würde sie sie nicht ausreichend verlangsamen und sie würde sich für immer ausdehnen. Und wenn die Expansion nicht schnell genug wäre oder die Schwerkraft zu groß wäre, würde die Schwerkraft siegen, die Expansion verlangsamen, stoppen und es gäbe einen Rückkollaspe – den großen Knall. Und so waren das eine Zeit lang die einzigen Optionen, die irgendeinen Sinn ergaben.

Doch als dann entdeckt wurde, dass sich das Universum tatsächlich immer weiter ausdehnt, mussten wir dem Universum eine neue Komponente hinzufügen. Wir mussten unser Verständnis revidieren und dieses Ding namens dunkle Energie einführen. Und dunkle Energie sorgt dafür, dass sich das Universum schneller ausdehnt. Da wir die dunkle Energie jedoch nicht wirklich verstehen, können wir nicht mit großer Sicherheit sagen, dass sich die Dinge dahin entwickeln. Deshalb sind Dinge wie der große Riss oder die große Krise immer noch auf dem Tisch und der Hitzetod scheint derjenige zu sein, auf den wir zusteuern.

Und dann entstehen die beiden seltsamen Ideen, der Vakuumzerfall und die springende Kosmologie, aus der Tatsache, dass wir immer noch viel über das sehr frühe Universum und die Teilchenphysik zu verstehen versuchen. Die hüpfende Kosmologie ist also aus der Idee entstanden, dass unsere derzeit beste Vermutung über das sehr frühe Universum, diese Inflationsphase, vielleicht nicht die ganze Geschichte ist. Vielleicht ist das nicht passiert. Vielleicht gab es im sehr frühen Universum eine andere Entwicklung, die zu den Bedingungen führte, die wir heute sehen. Und wenn das wahr ist, dann können einige dieser Ideen zu diesen seltsameren zyklischen Kosmologien führen.

Und dann ergibt sich die Idee des Vakuumzerfalls tatsächlich aus der Tatsache, dass unser Wissen über die Teilchenphysik unvollständig ist und das derzeit beste Verständnis dafür vorhanden ist Erkenntnisse aus der Teilchenphysik deuten darauf hin, dass die Art und Weise, wie die Teilchenphysik derzeit funktioniert, einfach nicht vollständig stabil ist, was das Universum anfällig für diesen Zerfall macht Verfahren. Wenn wir also die Teilchenphysik besser verstehen würden, wenn wir die ganz, ganz frühen Teile des Universums besser verstehen würden, dann könnten wir etwas über diese beiden Modelle sagen. Aber im Moment können wir sie weder ausschließen noch mit Sicherheit sagen, dass die Dinge so laufen werden.

Welches von allen Szenarios ist das wahrscheinlichste?

Der Hitzetod gilt als am wahrscheinlichsten, auch weil dafür die wenigsten zusätzlichen seltsamen Dinge erforderlich sind. Deshalb halten wir in der Kosmologie die Dinge gerne so einfach wie möglich. Wir möchten keine neuen Bestandteile des Universums annehmen, es sei denn, wir müssen es unbedingt tun. Und das Szenario des Hitzetodes hat eine Art dunkle Energie, die diese kosmologische Konstante darstellt, die wir nicht ganz verstehen. Aber es ist eine Idee, die es schon seit Einstein gibt, und es ist einfach eine Eigenschaft der Raumzeit, dass in ihr dieses kleine bisschen Expansion eingebaut ist.

Das gibt uns also eine sehr einfache, geradlinige Entwicklung, bei der das Universum in seiner Expansion immer weiter beschleunigt und alles einfach verschwindet. Und das macht sehr viel Sinn, wenn das Universum dunkle Materie, reguläre Materie und eine kosmologische Konstante als dunkle Energie hat. Sie müssen nichts Komplizierteres annehmen. Daraus lässt sich schließen, dass die Inflation tatsächlich stattgefunden hat und dass dies der Beginn des Universums war. Das ist Teil des sogenannten Konkordanzmodells der Kosmologie, in dem alles so einfach und langweilig ist, wie man es sich vorstellen kann.

Aber der Grund dafür, dass wir uns nicht einfach damit zufrieden geben und sagen, dass wir fertig sind, liegt darin, dass wir wirklich nicht sicher wissen, ob die dunkle Energie ein kosmologisches Konzept ist. Und das lässt noch etwas Spielraum. Wir können auch nicht mit Sicherheit sagen, dass wir die Teilchenphysik ausreichend verstehen, um sagen zu können, dass der Vakuumzerfall dies nicht kann passieren oder dass die frühe Entwicklung des Universums nicht unterschiedlich genug war, um eine zyklische Phase zu implizieren Ende.

Sie erwähnen einige Neue Radioteleskope Dadurch können Wissenschaftler beobachten, wie sich die ersten Strukturen des Universums bilden. Was hoffen Experten daraus zu lernen?

Wir werden ein besseres Bild von der Entwicklung des Kosmos in dieser Zeitspanne zwischen dem Hintergrundlicht und dem modernen Universum bekommen, in dem wir, wissen Sie, das Universum voller Galaxien sind. Es gibt einen einigermaßen großen Zeitabschnitt, in dem wir kaum Informationen darüber haben, was damals vor sich ging. Wir werden also viel über die Entwicklung des Kosmos lernen. Wir werden nur Messungen von viel mehr Galaxien erhalten. Deshalb habe ich in dem Buch das Vera-Rubin-Observatorium erwähnt, das etwa Milliarden davon kartieren wird Galaxien und zeigen uns, wie sie sich durch das Universum bewegen und wie sie sich im Laufe der Zeit entwickeln und wie sie sind verteilt. Und das wird uns viele Informationen über den Aufbau des Universums und die Entwicklung des Kosmos liefern. Das werden also wichtige Hinweise sein.

Vielleicht lernen wir auch andere Aspekte der Physik kennen. Deshalb interessiere ich mich für einige dieser großen Radioteleskop-Arrays, weil sie uns möglicherweise etwas über dunkle Materie sagen können, wenn dunkle Materie im fernen Universum vernichtet wird. Das kann die Entwicklung der ersten Sterne und Galaxien verändern und könnte uns Hinweise auf den nächsten Schritt in der Teilchenphysik geben. Es gibt also viele Dinge, die wir möglicherweise ergänzen könnten, wenn wir nur viel mehr Daten darüber hätten fernes Universum, das frühe Universum, andere Galaxien – eine Art Beginn des Galaxienzeitalters, könnte man sagen sagen. Es geht wirklich darum, eine bessere Karte und eine bessere Geschichte zu bekommen und nach Überraschungen zu suchen. Wissen Sie, wir hoffen wirklich, dass wir neue und interessante Phänomene sehen, wenn wir immer mehr Daten erhalten.

Können Sie den Unterschied erklären? dunkle Energie Und Dunkle Materie?

Ja, also wirken dunkle Materie und dunkle Energie auf ziemlich entgegengesetzte Weise auf das Universum. Zusammengenommen sind sie die wichtigsten Aspekte des Kosmos, wenn man über seine langfristige Entwicklung nachdenkt. Dunkle Energie sorgt also dafür, dass sich das Universum schneller ausdehnt. Es dehnt den Raum irgendwie aus. Von nun an bestimmt es wirklich die Entwicklung des Kosmos. Es begann vor etwa fünf Milliarden Jahren wirklich, wirklich wichtig zu werden. Und es übernimmt jetzt sozusagen das Universum. Und so sind wir in Bezug auf die Entwicklung des Kosmos von nun an seiner Gnade ausgeliefert.

Aber dunkle Materie ist in gewisser Weise für den gesamten Strukturaufbau im Kosmos verantwortlich, also für das Wachstum von Galaxien und Galaxienhaufen. Diese basieren alle auf dem Gerüst der Dunklen Materie. Dunkle Materie ist also eine Art unsichtbare Materie, aber sie stellt den größten Teil der Materie im Universum dar, und davon gibt es welche Eigenschaften, die es einfacher machen, zusammenzukommen und das Gerüst aufzubauen, auf dem alle anderen Dinge basieren ist gebaut. Und weil es Materie ist, weil es den größten Teil der Materie im Universum ausmacht, versucht es, die Expansion des Universums zu verlangsamen. Und eine Zeit lang verlangsamte es die Expansion des Universums, und erst vor etwa fünf Milliarden Jahren wurde das Universum so groß, dass die dunkle Energie einfach die Oberhand gewann.

Ihre Begeisterung kommt in dem Buch deutlich zum Ausdruck, insbesondere wenn Sie über Dinge wie den Hubble-Radius sprechen. Welche anderen Dinge sind in Ihrem Bereich so spannend, dass Sie sie einfach mit anderen Menschen teilen?

Ich meine, allein die Tatsache, dass wir die Vergangenheit sehr direkt sehen können, haut mich immer wieder um. Die Tatsache, dass wir die Endstadien des Urknalls direkt mit Teleskopen und Mikrowellenempfängern sehen können. Wir empfangen das Licht der Endstadien des Urknalls in alle Richtungen. Die Tatsache, dass wir einfach in das Universum blicken und die Vergangenheit sehen und so etwas über unsere eigene Geschichte lernen können, finde ich super erstaunlich. Das erstaunt mich immer wieder. Und dann, wissen Sie, gibt es all diese seltsamen Aspekte der Kosmologie, seltsame Dinge in der Physik, die auftauchen, wenn man sich in einem Universum befindet, das sich ausdehnt und von der Relativitätstheorie beherrscht wird. Sie haben also erwähnt, dass Galaxien ab einem bestimmten Punkt nicht mehr kleiner aussehen. Wissen Sie, eine Galaxie derselben Größe würde immer größer aussehen, was seltsam ist, je weiter man hinausgeht.

Dann ist da noch die Tatsache, dass wir die Expansion des Universums sehen können, dass wir das im Laufe der Zeit abbilden können, das ist erstaunlich. Ich weiß nicht einmal, ob ich in dem Buch wirklich darüber gesprochen habe, aber wenn wir sehr weit entfernte Supernovae, Sonnenexplosionen, betrachten, tauchen sie auf Das geschieht langsamer, wenn sie weit weg sind, denn die Expansion des Universums verlängert auch die Zeit auf diese wirklich seltsame Weise Weg. Die Art und Weise, wie Raum und Zeit miteinander interagieren, wird sehr verwirrend und seltsam, wenn man sich mit der Kosmologie beschäftigt, und das ist wirklich interessant. Wissen Sie, die Relativitätstheorie macht in allen möglichen Zusammenhängen seltsame Dinge mit Raum und Zeit. Das finde ich großartig und cool.

In der Kosmologie gibt es vieles, das unbekannt ist. Welches Rätsel würden Sie gerne lösen?

Oh, es gibt so viele. Die ganze Sache mit der dunklen Materie/dunklen Energie ist riesig. Wenn wir die Natur der Dunklen Materie kennen würden, wäre das definitiv eine große Hilfe für unser Verständnis der Physik im Allgemeinen.

Aber ich denke, die größte Wirkung hätte es vielleicht, wirklich zu wissen, ob es zu einer Inflation gekommen ist und dann, wie und warum. Wenn wir also nur einen ganz winzigen Moment am Anfang des Universums ausfüllen, würde sich wirklich alles an unserem Bild vom Kosmos verändern. Wenn wir sicher wüssten, dass dies geschah, würde uns das etwas über den Ursprung des Universums sagen, was uns helfen würde, auch etwas über seine Zukunft zu sagen. Es würde uns wirklich ermöglichen, die grundlegende Struktur des Kosmos in den Griff zu bekommen. Also, ja, wenn man Inflation, dunkle Materie und dunkle Energie versteht, sind das meiner Meinung nach die großen Themen. Und dann, wissen Sie, gibt es noch Dinge wie herauszufinden, wie man die allgemeine Relativitätstheorie und die Teilchenphysik miteinander verbinden kann. Aber ich denke, wenn wir die Antworten auf Inflation, dunkle Materie und dunkle Energie wüssten, würde uns das meiner Meinung nach viele Hinweise geben, wie wir ein vollständigeres Bild der Physik zusammenstellen können.

Sie schreiben in dem Buch ein wenig über Existentialismus und Angst. Ist das nur etwas, worüber Sie nachdenken, während Sie dieses Buch schreiben, oder ist es irgendwie immer da?

Bin ich heimgesucht? Ich meine, ich denke, es ist definitiv etwas, mit dem ich mich für das Buch auseinandersetzen musste, weil ich Ich denke, es ist natürlich, die Frage zu stellen: Wenn wir nicht ewig weitermachen, was bringt es dann überhaupt? bedeuten? Was ist der Sinn des Lebens? Was ist der Sinn der Existenz, wenn sie ein Enddatum hat? Es war also definitiv etwas, das beim Nachdenken über all diese großen Fragen auftauchte. Ich bin nicht jemand, der seine ganze Zeit damit verbringt, über den Sinn des Lebens im Allgemeinen nachzudenken. Normalerweise verstricke ich mich nicht in solche Dinge. Und ich bin auch nicht jemand, der gerne über den Tod nachdenkt. Ich habe sehr versucht, nicht an den Tod zu denken, weil ich ihn sehr beunruhigend finde. Der Grund dafür war, dass wir über dieses Buch nachgedacht und versucht haben, diese großen Ideen in einen Kontext zu bringen, denn die Realität ist, dass wir eine emotionale Reaktion auf das Universum haben. Auch wenn das aus rein praktischer Sicht irrational erscheint, lässt sich diese Reaktion kaum vermeiden.

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