Wie wird das Universum enden? Derzeit haben Kosmologen zwei gleichermaßen belastende Szenarien für das langfristige Schicksal des Universums entworfen. Andererseits könnte die Expansion des Universums dank der Beschleunigung der Dunklen Energie auf unbestimmte Zeit fortgesetzt werden. Wir würden einer kalten, einsamen Zukunft gegenüberstehen, wenn andere Galaxien in die Ferne rücken. Mein heutiger Gast ist Eric Linder vom Lawrence Berkeley National Laboratory und er schlägt Experimente vor, mit denen wir herausfinden können, welches dieser beiden Schicksale auf uns wartet.
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Fraser Cain: Können Sie die beiden Schicksale darlegen, die auf unser Universum warten könnten?
Eric Linder: Nun, unser Bild vom Schicksal des Universums hat sich in den letzten 5-10 Jahren wirklich dramatisch verändert. Früher dachten wir, es sei ziemlich einfach, es ging nur darum, wie viel Inhalt es im Universum gab, wie viel Materie es gab. Wenn es genug Materie gäbe, würde die Anziehungskraft des Universums dazu führen, dass sich das Universum in seiner gegenwärtigen Expansion verlangsamt und im Grunde wieder zusammenbricht, und wir hätten das, was manche Leute einen großen Crunch nennen, um unser Universum zu beenden. Und wenn es nicht genug Materie gäbe, würde es nicht genug Schwerkraft geben, um die derzeitige Expansion zu verlangsamen, und es würde immer diffuser werden - ein kälterer und einsamer Ort zum Leben. 1998 entdeckten diese beiden Gruppen von Wissenschaftlern einen sehr bizarres Ereignis, dass sich die Expansion des Universums unter der Schwerkraft der Materie im Universum weder dramatisch noch allmählich verlangsamte, sondern sich beschleunigte. Es beschleunigte sich. Wenn Sie einen Baseball in die Luft werfen, wissen Sie, dass er sich irgendwann verlangsamen, einen Höhepunkt erreichen und normalerweise wieder auf die Erde zurückkehren wird. Wenn Sie es hart genug werfen, geht es in die Umlaufbahn. Aber hier warf das Universum einen Baseball in die Luft, und jetzt rast der Baseball immer schneller davon. Das hat die Wissenschaftler also völlig verwirrt und widersprach völlig unseren Erwartungen. Unter diesem neuen Bild scheint das Schicksal des Universums zu sein, dass es sich einfach für immer und ewig ausdehnen, kälter, diffuser werden, Atome sich immer mehr ausbreiten und der Abstand zwischen den Galaxien zunehmen wird. Und wir werden dieses Schicksal des Universums haben, das manchmal als "Hitzetod" bezeichnet wird, wo alles nur sehr kalt und bewegungslos und voneinander isoliert wird.
Es kommt jedoch darauf an, was diese Beschleunigung verursacht. Das ist das große Geheimnis. Es ist möglich, dass die Physik, die uns diese Beschleunigung gibt, plötzlich verschwindet. In diesem Fall kehren wir zu dem früheren Bild zurück, in dem das Universum zusammenbrechen könnte. Oder es könnte etwas völlig Seltsames bewirken und wir wissen es nicht. Das ist also eine große Frage, die wir herausfinden wollen. Was ist das Schicksal des Universums, aber versuchen herauszufinden, was ist die Physik in dieser Beschleunigung.
Fraser: Warum wurde diese Frage bisher nicht beantwortet? Haben wir uns die Supernovae nicht gut genug angesehen?
Linder: Richtig, wie gesagt, die Beschleunigung dieser Expansion wurde erst 1998 entdeckt. Und die Leute haben nicht auf ihren Händen gesessen, sie haben versucht, diese Frage sehr leidenschaftlich zu beantworten. Indem wir mehr Supernovae bekommen, können wir diese explodierenden Sterne wie ein Feuerwerk im Universum verwenden. Wenn wir wissen, dass das Feuerwerk immer mit der gleichen Energie und der gleichen Helligkeit losgeht, können wir daran erkennen, wie weit sie entfernt sind, wie hell sie uns heute erscheinen. Und so brauchen wir mehr von diesen Supernovae, und wir brauchen immer weiter entfernte, damit wir die Geschichte des Universums abbilden können; die Expansion des Universums über einen größeren Zeitraum. Und die Leute machen das allmählich. Es gibt einige sehr große Projekte mit Teleskopen am Boden, die versuchen, nur zehn Supernovae zu bekommen. Jetzt versuchen wir, Hunderte von Supernovae zu bekommen. Aber um diese grundlegenden Fragen wirklich zu beantworten, werden wir schließlich Tausende von Supernovae in großen Entfernungen benötigen. Um dies zu erreichen, benötigen wir Beobachtungen aus dem Weltraum. Derzeit haben wir ein Weltraumteleskop - das Hubble-Weltraumteleskop -, das für diese Art von Beobachtungen geeignet ist und hervorragende Arbeit leistet. Es sieht die entferntesten Supernovae, die wir bisher entdeckt haben. ungefähr 10 Milliarden Jahre in der Geschichte des Weltraums, aber es kann sie nur eins nach dem anderen sehen. Wissenschaftler haben daher vorgeschlagen, ein neues Weltraumobservatorium, ein neues Teleskop im Weltraum, namens SNAP (Supernova Acceleration Probe), zu bauen, mit dem Tausende von Supernovae sehr effizient, sehr schnell und extrem schwach und schwach werden können extrem tief. Und das hat die Fantasie der Wissenschaftsgemeinschaft wirklich erregt. Es gab eine Reihe von Empfehlungen der Nationalen Akademie der Wissenschaften von verschiedenen Berufsverbänden, dass eine Art Weltraumobservatorium wie dieses herausfinden wird: Was ist diese mysteriöse Physik, die diese völlig ungewöhnliche Beschleunigung verursacht, die der Schwerkraft entgegenwirkt? Es gibt also fast eine abstoßende Version der Schwerkraft, die wirklich alle Physiklehrbücher umschreiben wird. Viele Leute denken also, dass wir diese Beobachtungen, genauere Beobachtungen und viele weitere Beobachtungen, über die Sie gesprochen haben, wirklich fortsetzen müssen. Wir müssen nur die Daten verbessern, die wir bereits haben, und die Technologie ist gut genug, um dies zu tun. Wir müssen uns nur hinsetzen und das Ding bauen, es starten und versuchen, diese Antworten herauszufinden.
Fraser: Jetzt habe ich einige Vorschläge gehört, wie diese dunkle Energie aussehen könnte. Nach was für Dingen würden Sie in Ihren Beobachtungen suchen, die möglicherweise gegen einige der vorgebrachten Theorien verstoßen könnten?
Linder: Der Großvater aller Konzepte der dunklen Energie wurde bereits 1917 von Albert Einstein vorgebracht, was er die kosmologische Konstante nannte. Und es stimmte nicht mit den Beobachtungen zu der Zeit überein und so ging es für eine Weile in den Ruhestand. Und alle paar Jahrzehnte brachten Wissenschaftler es wieder heraus, um zu sagen, vielleicht könnte das einige andere Beobachtungen erklären, die wir gemacht haben. Und dann geht es zurück in den Ruhestand, weil es nicht wirklich passt. Aber jetzt scheint es an der Zeit zu sein, dieses 90 Jahre alte Konzept von Einstein zurückzubringen, weil es diese Beschleunigung der Expansion des Universums bewirken kann. Es ist ein sehr einfaches Bild, wie Sie diese Beschleunigung erhalten können, aber es löst nicht alles. Es gibt einige wirklich sehr rätselhafte Aspekte. Was Sie denken würden, wenn Sie einige naive Berechnungen anstellen würden, ist, dass es das Universum beschleunigen sollte, aber vom ersten Moment an damit beginnen sollte, das Universum zu beschleunigen, und wir hätten nicht das Universum, das wir heute sehen, wenn dies passieren würde . Tatsächlich hätten wir keine Sterne und Galaxien und die Struktur, die wir im Universum sehen, bekommen können. Und aus irgendeinem Grund muss es viel viel schwächer sein, als wir als seinen natürlichen Wert denken würden. Es ist also möglich, dass es die Antwort ist, aber wir verstehen nicht, warum es so schwach ist, relativ zu dem, was wir denken, dass es sein sollte. Um das zu umgehen, kommen die Leute auf diese anderen Ideen, diese Idee der Quintessenz oder eine fünfte Substanz des Universums, wo sie wie die kosmologische Konstante wirkt, aber zeitlich variiert und daher sehr schwach und heute beginnen kann es kann die Expansion des Universums dominieren. Das ist also eine attraktive Idee, aber niemand hat wirklich eine erste, grundlegende Idee, wie es genau funktioniert. Im Moment ist es ein Konzept, aber die Details wurden nicht ausgearbeitet, wie es aus der Physik hervorgeht. Das ist eine andere Sache, an der wir sehr interessiert sein können. Eine andere Möglichkeit ist die Art und Weise, wie wir die Daten analysiert haben. Nun, die Schwerkraft ist eine anziehende Kraft, die durch Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie gegeben ist. Vielleicht bricht dort etwas zusammen. Vielleicht sehen wir einen Zusammenbruch der Gravitationstheorie, wie wir sie verstehen. Die Leute haben Ideen entwickelt, die zum Beispiel zusätzliche Dimensionen beinhalten. Anstelle von nur drei Dimensionen im Raum könnte es einige zusätzliche Dimensionen im Raum geben, und diese Schwerkraft tritt allmählich in diese zusätzliche Dimension im Raum aus, was sie schwächer macht und der Schwerkraft entgegenwirkt und uns Beschleunigung gibt . Wir haben also all diese unglaublich aufregenden Möglichkeiten, wie sich die Physik verändern könnte, und wir wissen nicht, welche es sind. Was wir also brauchen, sind diese sehr detaillierten Beobachtungen der Kartierung der Expansion des Universums, zum Beispiel durch die Supernovae, diese explodierenden Sterne - und es gibt auch andere Methoden -, um wirklich zu versuchen und zu entscheiden, wie wir die Physiklehrbücher umschreiben werden ;; In welche Richtung müssen wir anfangen, Dinge zu löschen und neue Dinge zu schreiben? Es ist also unglaublich aufregend für Wissenschaftler, denen Rätsel wie diese gegenüberstehen.
Fraser: Wann sind diese Missionen für den Start geplant? Wann sollten sie einsatzbereit sein?
Linder: Also haben die NASA und das US-Energieministerium vereinbart, zusammenzuarbeiten, um eine Mission in den Orbit zu bringen. Der allgemeine Name dafür heißt Joint Dark Energy Mission. Und es gibt derzeit Studien darüber, wie man ein solches Weltraumteleskop entwerfen würde. Und wir hoffen, dass, wenn genügend Öffentlichkeit ein starkes Interesse zeigt, und die Fachgesellschaften - wie die Nationalen Akademien der Wissenschaften, die eine solche Mission empfohlen haben. Wenn sie dies weiterhin unterstützen, hoffen wir, dass wir es innerhalb von etwa 6-7 Jahren starten und starten können. Es ist also sehr wahrscheinlich, dass die Schüler in der Schule in 6-7 Jahren die Antworten auf Dinge kennen, von denen derzeit kein professioneller Wissenschaftler die geringste Ahnung hat, wie die Antwort lautet. Es ist also immer sehr aufregend, den Schülern und der Öffentlichkeit davon erzählen zu können: In 6-7 Jahren werden Sie wissen, dass die Antwort derzeit keine Ahnung hat. Sie werden in 6 oder 7 Jahren schlauer sein als jetzt. Es ist also wirklich ein aufregendes Unterfangen, mitten drin zu sein.
Fraser: Und wenn es nach Ihnen ginge, wäre es ein feurig heißer Tod oder ein kalt gefrorener Tod?
Linder: Ich denke, die Hauptsache, die ich möchte, ist, dass es weit weg ist. Wir wissen also, dass die Enden des Universums nicht mindestens 10 Milliarden Jahre dauern werden - ungefähr so lange, wie wir es bereits im Universum hatten -, also müssen wir uns nicht über Nacht darum kümmern, sondern um mich Ich weiß nicht, was die beste Lösung wäre. Man könnte argumentieren, dass so etwas wie ein Umkippen von Einsteins Gravitationstheorie und nur ein völlig neuer Rahmen der Physik und Neuland zu erforschen sind. Das könnte das aufregendste Ergebnis sein, bei dem sich möglicherweise alle möglichen Möglichkeiten ergeben. Aber wie Sie anspielen, das Schicksal des Universums, das unsere Vorstellungskraft wirklich anregt, von allen, von den Wissenschaftlern bis zu den Schulkindern.
