Stephen Hawking gilt zu Recht als einer der einflussreichsten Wissenschaftler unserer Zeit. In seiner Zeit auf diesem Planeten wurde der berühmte Physiker, Wissenschaftskommunikator, Autor und Leuchtturm zu einem bekannten Namen, gleichbedeutend mit Einstein, Newton und Galileo. Noch beeindruckender ist die Tatsache, dass es ihm gelungen ist, sein Engagement für Wissenschaft, Bildung und humanitäre Hilfe aufrechtzuerhalten, obwohl er an einer langsamen, degenerativen Krankheit leidet.
Obwohl Hawking kürzlich verstorben ist, ist sein Einfluss immer noch zu spüren. Kurz vor seinem Tod reichte Hawking ein Papier ein, das seine endgültige Theorie über die Ursprünge des Universums enthielt. Das Papier, das Anfang dieser Woche (am Mittwoch, dem 2. Mai) veröffentlicht wurde, bietet eine neue Sicht auf die Urknalltheorie, die die Art und Weise, wie wir über das Universum denken, wie es geschaffen wurde und wie es sich entwickelt hat, revolutionieren könnte.
Das Papier mit dem Titel „Ein reibungsloser Ausstieg aus der ewigen Inflation?“ Wurde in der veröffentlicht Zeitschrift für Hochenergiephysik.Die Theorie wurde erstmals auf einer Konferenz an der Universität von Cambridge im Juli letzten Jahres bekannt gegeben, auf der Professor Thomas Hertog (ein belgischer Physiker an der KU Leuven University) anlässlich seines 75. Geburtstages Hawkings Artikel (den Hertog mitverfasste) teilte.
Nach dem gegenwärtigen wissenschaftlichen Konsens ist die gesamte aktuelle und vergangene Materie im Universum gleichzeitig entstanden - vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren. Zu diesem Zeitpunkt wurde die gesamte Materie zu einer sehr kleinen Kugel mit unendlicher Dichte und intensiver Hitze verdichtet. Plötzlich begann sich dieser Ball exponentiell aufzublasen, und das Universum, wie wir es kennen, begann.
Es wird jedoch allgemein angenommen, dass Quanteneffekte seit Beginn dieser Inflation in einigen Regionen des Universums für immer am Laufen bleiben werden. Dies bedeutet, dass die Inflation des Universums weltweit ewig ist. In dieser Hinsicht ist der beobachtbare Teil unseres Universums (13,8 Milliarden Lichtjahre in jede Richtung) nur eine Region, in der die Inflation geendet hat und sich Sterne und Galaxien gebildet haben.
Wie Hawking im vergangenen Herbst in einem Interview mit der Universität Cambridge erklärte:
„Die übliche Theorie der ewigen Inflation sagt voraus, dass unser Universum global wie ein unendliches Fraktal ist, mit einem Mosaik verschiedener Taschenuniversen, die durch einen aufblasenden Ozean getrennt sind. Die lokalen Gesetze der Physik und Chemie können von Taschenuniversum zu Taschenuniversum unterschiedlich sein, die zusammen ein Multiversum bilden würden. Aber ich war noch nie ein Fan des Multiversums. Wenn der Maßstab verschiedener Universen im Multiversum groß oder unendlich ist, kann die Theorie nicht getestet werden. ”
In ihrer neuen Arbeit bieten Hawking und Hertog eine neue Theorie an, die vorhersagt, dass das Universum kein unendliches fraktalähnliches Multiversum ist, sondern endlich und einigermaßen glatt. Kurz gesagt, sie theoretisieren, dass die ewige Inflation als Teil der Theorie des Urknalls falsch ist. Wie Hertog erklärte:
„Das Problem mit der üblichen Darstellung der ewigen Inflation besteht darin, dass sie ein existierendes Hintergrunduniversum annimmt, das sich gemäß Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie entwickelt und die Quanteneffekte als kleine Schwankungen um diese herum behandelt. Die Dynamik der ewigen Inflation hebt jedoch die Trennung zwischen klassischer und Quantenphysik auf. Infolgedessen bricht Einsteins Theorie in der ewigen Inflation zusammen. "
Im Gegensatz dazu bieten Hawking und Hertog eine Erklärung an, die auf der Stringtheorie basiert, einem Zweig der theoretischen Physik, der versucht, die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik zu vereinen. Diese Theorie wurde vorgeschlagen, um zu erklären, wie die Schwerkraft mit den drei anderen fundamentalen Kräften des Universums (schwache und starke Kernkräfte und Elektromagnetismus) interagiert und so eine Theorie von allem (ToE) hervorbringt.
Einfach ausgedrückt beschreibt diese Theorie die Grundbestandteile des Universums als winzige eindimensionale Schwingungsketten. Hawking und Hertogs Ansatz verwendet das Holographiekonzept der Stringtheorie, das postuliert, dass das Universum ein großes und komplexes Hologramm ist. In dieser Theorie kann die physikalische Realität in bestimmten 3D-Räumen mathematisch auf 2D-Projektionen auf einer Oberfläche reduziert werden.
Gemeinsam entwickelten Hawking und Hertog eine Variation dieses Konzepts, um die Dimension der Zeit in der ewigen Inflation zu projizieren. Dies ermöglichte es ihnen, die ewige Inflation zu beschreiben, ohne sich auf die Allgemeine Relativitätstheorie verlassen zu müssen, und reduzierte so die Inflation auf einen zeitlosen Zustand, der zu Beginn der Zeit auf einer räumlichen Oberfläche definiert wurde. In dieser Hinsicht stellt die neue Theorie eine Änderung gegenüber Hawkings früheren Arbeiten zur „No-Boundary-Theorie“ dar.
Diese Theorie, die auch als Hartle and Hawking No Bounary-Vorschlag bekannt ist, betrachtete das Universum als ein Quantenteilchen und wies ihm eine Wellenfunktion zu, die alle möglichen Universen beschrieb. Diese Theorie sagte auch voraus, dass eine Zeitreise zum Beginn des Universums wie eine Kugel schrumpfen und sich schließen würde. Schließlich sagte es voraus, dass das Universum irgendwann aufhören würde, sich auszudehnen und in sich zusammenbrechen würde.
Wie Hertog erklärt, ist diese neue Theorie eine Abkehr von dieser früheren Arbeit:
„Wenn wir die zeitliche Entwicklung unseres Universums rückwärts verfolgen, erreichen wir irgendwann die Schwelle der ewigen Inflation, an der unser vertrauter Zeitbegriff keine Bedeutung mehr hat. Jetzt sagen wir, dass es in unserer Vergangenheit eine Grenze gibt. "
Mit dieser Theorie konnten Hawking und Hertog zuverlässigere Vorhersagen über die globale Struktur des Universums ableiten. Darüber hinaus ist ein Universum, von dem vorhergesagt wird, dass es aus der ewigen Inflation an der vergangenen Grenze hervorgeht, endlich und viel einfacher. Last but not least ist die Theorie prädiktiver und überprüfbarer als das unendliche Multiversum, das von der alten Theorie der ewigen Inflation vorhergesagt wird.
"Wir sind nicht auf ein einziges, einzigartiges Universum beschränkt, aber unsere Ergebnisse implizieren eine signifikante Reduktion des Multiversums auf einen viel kleineren Bereich möglicher Universen", sagte Hawking. Theoretisch ist ein endliches und glattes Universum eines, das wir (zumindest lokal) beobachten können und das von physikalischen Gesetzen regiert wird, mit denen wir bereits vertraut sind. Im Vergleich zu einer unendlichen Anzahl von Universen, die unterschiedlichen physikalischen Gesetzen unterliegen, vereinfacht dies sicherlich die Mathematik!
Mit Blick auf die Zukunft plant Hertog, die Implikationen dieser Theorie in kleineren Maßstäben anhand von Daten zu untersuchen, die von Weltraumteleskopen über das lokale Universum erhalten wurden. Darüber hinaus hofft er, aktuelle Studien zu Gravitationswellen (GWs) und den vielen entdeckten Ereignissen nutzen zu können. Im Wesentlichen glaubt Hertog, dass ursprüngliche GWs, die am Ausgang der ewigen Inflation erzeugt werden, das vielversprechendste Mittel sind, um das Modell zu testen.
Aufgrund der Expansion unseres Universums seit dem Urknall hätten diese GWs sehr lange Wellenlängen, die außerhalb des normalen Bereichs der Detektoren des Laserinterferometrie-Gravitationswellenobservatoriums (LIGO) oder der Jungfrau liegen. Die Laserinterferometrie-Weltraumantenne (LISA) - ein von der ESA geführter Plan für ein weltraumgestütztes Gravitationswellenobservatorium - und andere zukünftige Experimente können diese jedoch möglicherweise messen.
Obwohl er länger bei uns ist, könnte Hawkings endgültige Theorie sein tiefgreifender Beitrag zur Wissenschaft sein. Wenn zukünftige Forschungen ihn als richtig erweisen sollten, hat Hawking eines der entmutigendsten Probleme in der modernen Astrophysik und Kosmologie gelöst. Nur noch eine Leistung von einem Mann, der sein Leben damit verbracht hat, die Einstellung der Menschen zum Universum zu verändern!
