Anmerkung der Redaktion (10/9/19): Kosmologe James Peebles gewann 2019 den Nobelpreis in Physik für seine Beiträge zu Theorien darüber, wie unser Universum begann und sich entwickelte. Er beschreibt die neuesten Ideen in der Kosmologie in diesem Artikel, den er 2001 für Scientific American schrieb.
Dies ist eine aufregende Zeit für Kosmologen: Erkenntnisse strömen herein, Ideen sprudeln und Forschung, um diese Ideen zu testen, köchelt weg. Aber es ist auch eine verwirrende Zeit., Alle diskutierten Ideen können unmöglich richtig sein; Sie sind nicht einmal konsistent miteinander. Wie kann man den Fortschritt beurteilen? Hier ist, wie ich darüber gehe.
Bei all dem Gerede von umgestürzten Theorien haben Kosmologen die Grundlagen unseres Feldes fest etabliert. In den letzten 70 Jahren haben wir reichlich Beweise dafür gesammelt, dass sich unser Universum ausdehnt und abkühlt. Zuerst wird das Licht von fernen Galaxien in Richtung Rot verschoben, wie es sein sollte, wenn sich der Raum ausdehnt und Galaxien voneinander weggezogen werden., Zweitens füllt ein Meer von Wärmestrahlung den Raum, wie es sollte, wenn der Raum früher dichter und heißer wäre. Drittens enthält das Universum große Mengen Deuterium und Helium, wie es sollte, wenn die Temperaturen einmal viel höher wären. Viertens sehen Galaxien vor Milliarden von Jahren deutlich jünger aus, als sie sollten, wenn sie näher an der Zeit sind, als es keine Galaxien gab. Schließlich scheint die Krümmung der Raumzeit mit dem materiellen Inhalt des Universums zusammenzuhängen, wie es sein sollte, wenn sich das Universum nach den Vorhersagen von Einsteins Gravitationstheorie, der allgemeinen Relativitätstheorie, ausdehnt.,
Dass sich das Universum ausdehnt und abkühlt, ist die Essenz der Urknalltheorie. Sie werden bemerken, dass ich nichts über eine „Explosion“gesagt habe—die Urknalltheorie beschreibt, wie sich unser Universum entwickelt, nicht wie es begann.
Ich vergleiche den Prozess der Erstellung solcher überzeugenden Ergebnisse in der Kosmologie oder einer anderen Wissenschaft mit der Zusammenstellung eines Frameworks. Wir versuchen, jedes Beweisstück durch Hinzufügen von Kreuzverstrebungen aus verschiedenen Messungen zu verstärken., Unser Rahmen für die Expansion des Universums ist fest genug verspannt, um solide zu sein. Die Urknalltheorie wird nicht mehr ernsthaft in Frage gestellt, sie passt zu gut zusammen. Selbst die radikalste Alternative—die neueste Inkarnation der Steady-State-Theorie-bestreitet nicht, dass sich das Universum ausdehnt und abkühlt. Sie hören immer noch Meinungsverschiedenheiten in der Kosmologie, aber sie betreffen Ergänzungen zum festen Teil.
Zum Beispiel wissen wir nicht, was das Universum tat, bevor es sich ausdehnte., Eine führende Theorie, Inflation, ist eine attraktive Ergänzung des Rahmens, aber es fehlt Kreuzverstrebungen. Genau das suchen Kosmologen jetzt. Wenn laufende Messungen mit den eindeutigen Signaturen der Inflation übereinstimmen, werden wir sie als überzeugendes Argument für diese Theorie betrachten. Aber bis zu diesem Zeitpunkt würde ich keine Wetten darauf abschließen, ob die Inflation wirklich passiert ist. Ich kritisiere die Theorie nicht; Ich meine einfach, dass dies mutige, Pionierarbeit ist, die noch getestet werden muss.,
Fester ist der Beweis dafür, dass der größte Teil der Masse des Universums aus dunkler Materie besteht, die um die äußeren Teile von Galaxien geklumpt ist. Wir haben auch einen vernünftigen Fall für Einsteins berüchtigte kosmologische Konstante oder ähnliches; Es wäre der Agent der Beschleunigung, die das Universum jetzt zu durchlaufen scheint. Vor einem Jahrzehnt begrüßten Kosmologen im Allgemeinen Dunkle Materie als eine elegante Möglichkeit, die Bewegungen von Sternen und Gas in Galaxien zu erklären. Die meisten Forscher hatten jedoch eine echte Abneigung gegen die kosmologische Konstante., Jetzt akzeptiert die Mehrheit es, oder sein verbündetes Konzept, Quintessenz. Teilchenphysiker sind gekommen, um die Herausforderung zu begrüßen, die die kosmologische Konstante für die Quantentheorie darstellt. Diese Meinungsverschiebung spiegelt nicht eine inhärente Schwäche wider, sondern zeigt das Subjekt in einem gesunden Zustand des Chaos um einen langsam wachsenden festen Rahmen. Wir sind Schüler der Natur und passen unsere Konzepte im Laufe des Unterrichts an.,
Die Lektionen umfassen in diesem Fall die Zeichen, dass sich die kosmische Expansion beschleunigt: die Helligkeit von nahen und fernen Supernovae; das Alter der ältesten Sterne; die Biegung des Lichts um entfernte Massen; und die Schwankungen der Temperatur der Wärmestrahlung über den Himmel. Die Beweise sind beeindruckend, aber ich bin immer noch unruhig über Details des Falles für die kosmologische Konstante, einschließlich möglicher Widersprüche mit der Entwicklung von Galaxien und ihrer räumlichen Verteilung. Die Theorie des beschleunigenden Universums ist in Arbeit., Ich bewundere die Architektur, möchte aber noch nicht einziehen.
Wie könnte man Berichte in den Medien über den Fortschritt der Kosmologie beurteilen? Ich fühle mich unwohl über Artikel, die auf einem Interview mit nur einer Person basieren. Forschung ist ein komplexes und unordentliches Geschäft. Selbst der erfahrenste Wissenschaftler fällt es schwer, alles im Blick zu behalten. Woher weiß ich, dass diese Person es gut geschafft hat? Eine ganze Gemeinschaft von Wissenschaftlern kann auch in die falsche Richtung gehen, aber es passiert seltener., Deshalb fühle ich mich besser, wenn ich sehe, dass der Journalist einen Querschnitt der Gemeinschaft konsultiert und eine Einigung erzielt hat, dass ein bestimmtes Ergebnis eine Überlegung wert ist. Das Ergebnis wird interessanter, wenn andere es reproduzieren. Es beginnt zu überzeugen, wenn unabhängige Beweislinien zu derselben Schlussfolgerung führen. Meiner Meinung nach beschreiben die besten Medienberichte über die Wissenschaft nicht nur die neuesten Entdeckungen und Ideen, sondern auch den wesentlichen, wenn auch manchmal mühsamen Prozess des Testens und Installierens der Kreuzverstrebung.,
Im Laufe der Zeit werden Inflation, Quintessenz und andere Konzepte, die derzeit diskutiert werden, entweder fest in den zentralen Rahmen integriert oder aufgegeben und durch etwas Besseres ersetzt. In gewisser Weise arbeiten wir uns aus einem Job heraus. Aber das Universum ist ein komplizierter Ort, gelinde gesagt, und es ist albern zu glauben, dass uns bald die produktiven Forschungslinien ausgehen werden. Verwirrung ist ein Zeichen dafür, dass wir etwas richtig machen: Es ist die fruchtbare Aufregung einer Baustelle.
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