Eine neue Perspektive auf den Ursprung des Universums! Das Universum entfaltet sich: Verschwand die Zeit im Urknall?

Die Frage nach dem Ursprung des Universums war schon immer die entscheidende Frage der Menschheit. Obwohl die Inflationstheorie über das frühe Universum große Erfolge erzielt hat, kann man die von ihr vorhergesagte Zweipunktkorrelationsfunktion nur in Experimenten testen und ihr theoretisches Verständnis befindet sich noch in einem frühen Stadium. Als Reaktion darauf schlugen Physiker die sogenannte „kosmische Selbstexpansion“ aus einer neuen Perspektive der „theoretischen Konsistenz“ vor.

Erstaunlicherweise existiert in dieser Theorie vom Ursprung des Universums keine Zeit.

Verfasst von Wang Donggang (Stephen Hawking Centre for Theoretical Cosmology, Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics, University of Cambridge)

Für diejenigen unter uns, die an die Physik glauben, ist die Unterscheidung zwischen Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft nichts weiter als eine hartnäckige Illusion.

— Albert Einstein, 1955

In gewissem Sinne ist die Kosmologie die ultimative Archäologie.

Archäologen rekonstruieren menschliche Aktivitäten vor Zehntausenden von Jahren, indem sie Fossilien und Spuren früherer Vorfahren ausgraben und daraus Rückschlüsse auf den Ursprung und die Entwicklung der Zivilisation ziehen. Die „Fossilien“, nach denen Kosmologen suchen, befinden sich am Himmel. Da die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist, können wir, wenn wir mit Teleskopen das schwache Licht von Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxien einfangen, auch einen Blick darauf werfen, wie das Universum vor Milliarden von Jahren aussah. Basierend auf diesen astronomischen Beobachtungen können Kosmologen die 13,8 Milliarden Jahre alte Entwicklung des Universums selbst rekonstruieren:

Alles ist die Asche des Urknalls. In der Hochtemperatur-Plasmasuppe bildeten sich die ersten Wasserstoffelemente, dann wurden Elektronen von Atomkernen eingefangen und Photonen begannen, frei herumzufliegen. Während sich der Weltraum weiter ausdehnte, kühlte das Universum langsam ab und im Laufe der Milliarden von Jahren entstanden und vergingen weiterhin Sterne und Galaxien.

Daher sind sowohl die „bodenständige“ Archäologie als auch die „zu den Sternen blickende“ Kosmologie Wissenschaften, die sich mit der Zeit befassen.

Während wir unsere Spuren bis vor die Entstehung der Erde, des Sonnensystems und sogar der Milchstraße, bis zur Geburt des ersten Lichtstrahls im Universum und sogar bis zum Erscheinen des extrem heißen Plasmafeuerballs des Urknalluniversums, bis zum Anfang von allem zurückverfolgen, hofft die Neugier der Physiker, den Ausgangspunkt der Zeit zu ergründen. In den letzten Jahren hat eine Reihe hochmoderner Studien mit dem Titel „Cosmological Bootstrap“ 1 gezeigt, dass der Ursprung unseres Universums eine Geschichte ohne Zeit sein könnte.

Von Quantenfluktuationen zu Galaxien

Was den Anfang aller Dinge betrifft, muss alles im „Kopf“ beginnen. Unsere derzeit erfolgreichste Beschreibung des sehr frühen Universums ist die sogenannte Theorie der kosmischen Inflation. Nach dieser Theorie erlebte das Universum zu Beginn des Urknalls in der extrem kurzen Zeitspanne von etwa 10-32 Sekunden eine extrem heftige, exponentiell beschleunigte Expansion, die in etwa als die de-Sitter-Raumzeit in der allgemeinen Relativitätstheorie angesehen werden kann. Diese Theorie wurde Anfang der 1980er Jahre von Kosmologen wie Alan Guth und Andrei Linde vorgeschlagen. Es löste viele Anfangsbedingungenprobleme im traditionellen Urknalluniversum und erregte große Aufmerksamkeit. Die Errungenschaften der Inflationstheorie gehen jedoch weit darüber hinaus.

Im Sommer 1982, kurz nachdem die Inflationstheorie vorgeschlagen worden war, berief Stephen Hawking in Cambridge ein dreiwöchiges Nuffield-Symposium zum Thema „Das sehr frühe Universum“ ein. Der Schwerpunkt dieser legendären Konferenz lag auf Quanteneffekten in der inflationären Kosmologie. Damals führten fünf Gruppen von Kosmologen unabhängig voneinander theoretische Berechnungen durch2 und kamen zu dem Konsens, dass die Inflationstheorie unter Berücksichtigung der Quantenmechanik eine überraschende, aber überzeugende Erklärung für den Ursprung des gesamten Universums lieferte.

Bevor wir zum Fazit kommen, weisen wir zunächst darauf hin, dass eines der bemerkenswertesten Merkmale des Babyuniversums darin besteht, dass es „klein“ ist. Zu Beginn der Inflation betrug der Durchmesser des heute beobachtbaren Universums weniger als 10 bis 30 Meter und war damit weitaus kleiner als alle derzeit bekannten Elementarteilchen. Daher spielt neben der allgemeinen Relativitätstheorie, die die Expansion des Universums beschreibt, auch die Quantenfeldtheorie, die die mikroskopische Welt regelt, eine entscheidende Rolle bei der Inflation. In der Quantenphysik ist Vakuum ein subtiles Konzept. Es ist nicht leer, wie wir es uns normalerweise vorstellen, sondern es ist zu jeder Zeit und an jedem Ort mit sich ständig verändernden Quantenfluktuationen gefüllt, wie Wellen auf dem Wasser, die aufsteigen und abfallen. Normalerweise werden diese Schwankungen ständig auf mikroskopischer Ebene erzeugt und dann schnell wieder vernichtet und wirken sich nicht direkt auf die uns vertraute makroskopische Welt aus.

In der Inflationstheorie dehnt sich der Raum-Zeit-Hintergrund mit einer sich rasch beschleunigenden Rate aus. Diese Quantenfluktuationen, die in der mikroskopischen Welt von selbst hätten abklingen sollen, werden augenblicklich auf die makroskopische Ebene ausgedehnt und führen zur anfänglichen ungleichmäßigen Verteilung der Materie im jungen Universum: Auf dem Höhepunkt der Fluktuation gibt es mehr kosmische Materie, während das Universum am Tiefpunkt relativ leer ist. Auch diese Schwankungen waren zunächst sehr gering. In der darauffolgenden langen Expansionsgeschichte begann die Schwerkraft langsam, aber kontinuierlich einen „Matthäus-Effekt“ auf kosmischer Ebene auszulösen – immer mehr Materie sammelte sich in Bereichen mit hoher Dichte, während Bereiche mit geringer Dichte zunehmend leerer wurden. Nach Milliarden von Jahren der Evolution bildeten diese Regionen mit hoher Dichte nach und nach die verschiedenen Himmelskörper, die heute über das Universum verteilt sind, sowie großflächige Strukturen, die sich über mehrere zehn Milliarden Lichtjahre erstrecken.

Abbildung 1. Das Universum ist wie ein ultimativer Verstärker, der Milliarden von Jahren braucht, um Quantenfluktuationen in der mikroskopischen Welt in Galaxien und Galaxienhaufen im kosmischen Maßstab umzuwandeln. Die heutige großräumige Verteilung der Materie verbirgt die Geheimnisse der Kindheit des Universums, und der Schlüssel zu ihrer Entschlüsselung ist die „kosmologische Korrelationsfunktion“.

Dies ist die schockierende Schlussfolgerung der Nuffield-Konferenz: Alles, von Superhaufen und Galaxien bis hin zum Sonnensystem und der Erde und sogar wir selbst, entsteht durch mikroskopische Quantenfluktuationen im Vakuum während der Inflationsperiode. „Lege den Berg Sumeru in ein Senfkorn“, dieses buddhistische Sprichwort, das ursprünglich voller spekulativer Bedeutung war, wird hier am intuitivsten widergespiegelt. Diese Theorie, die später „kosmologische Störungstheorie“ genannt wurde, nutzte erfolgreich die Quantenphysik der mikroskopischen Welt, um die Verteilung der Materie auf kosmischer Ebene zu erklären. Viele Physiker betrachteten es später als eine der elegantesten und wunderbarsten Geschichten der Wissenschaftsgeschichte.

Der Erfolg der Inflationstheorie und der kosmologischen Störungstheorie hat die Forschung zur sehr frühen Kosmologie in den letzten vier Jahrzehnten stark inspiriert. In diesem theoretischen Bild werden die durch Quantenfluktuationen während der Inflation entstandenen „Fossilien“ auch als primordiale Störungen bezeichnet, die den Keim für die Entstehung der großräumigen Materiestruktur im heutigen Universum bilden. Der statistische Zusammenhang zwischen der räumlichen Verteilung dieser „Fossilien“, die sogenannte „kosmologische Korrelationsfunktion“, ist die Kernvorhersage der Inflation. Indem wir nach Korrelationen in der großräumigen Verteilung der Materie im Universum suchen, können wir die Theorie durch astronomische Beobachtungen testen. Später, mit der präzisen Messung der Temperaturschwankungen in der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung seit den 1990er Jahren, konnte die einfachste Vorhersage der Inflationstheorie und der kosmologischen Störungstheorie – die Zweipunktkorrelationsfunktion – sehr genau getestet werden.

Dies ist erst der Anfang. Kosmologische Korrelationsfunktionen höherer Ordnung enthalten vergleichsweise viel mehr Informationen über das frühe Universum, wie etwa das Dreieck (Dreipunktkorrelation) und das Viereck (Vierpunktkorrelation) in Abbildung 1. Wenn wir die statistischen Informationen über die großräumige Verteilung der Materie im Universum vollständig beherrschen, können wir im Prinzip den Inflationsprozess wiederherstellen und die Geheimnisse des Beginns der Schöpfung erforschen.

Das Universum entfaltet sich: Wo ist die Zeit?

Die Entschlüsselung des Ursprungs des Universums anhand alter Korrelationsfunktionen ist ein sehr schönes Ideal, die Realität ist jedoch sehr düster. Zunächst einmal haben wir bisher keine statistische Korrelation über die Zweipunktfunktion hinaus festgestellt. Zwar gibt es immer mehr gezielte Himmelsdurchmusterungen, doch die Gewinnung dieser Informationen über das urzeitliche Universum aus riesigen Beobachtungsdaten ähnelt dem Goldwaschen in der Wüste und ist noch immer voller Herausforderungen.

Gleichzeitig steckt unser theoretisches Verständnis kosmologischer Korrelationsfunktionen noch in den Kinderschuhen.

Die Schwierigkeit des Problems liegt hier insbesondere in der Quantenfeldtheorie in der de Sitter-Raumzeit. Im Gegensatz zum uns bekannten flachen Raum-Zeit-Hintergrund sind die Quanteneffekte vor dem Hintergrund der beschleunigten Expansion viel komplizierter. Um die von der Inflation vorhergesagte kosmologische Korrelationsfunktion zu erhalten, müssen wir die komplette zeitliche Entwicklung der Quantenfluktuationen während der Inflation verfolgen, alle möglichen Verläufe durchlaufen und sie zusammenfassen. Sogar für den einfachsten physikalischen Prozess (wie in Abbildung 2 dargestellt) sind theoretische Berechnungen immer noch eine gewaltige Herausforderung.

Abbildung 2. Feynman-Diagramm in der de-Sitter-Raumzeit. Quantenfluktuationen während der Inflation führten zu winzigen Inhomogenitäten, die im Laufe der darauffolgenden Milliarden Jahre der Evolution zum Keim für die Entstehung von Strukturen wie Galaxien wurden. Durch die Überlagerung unzähliger solcher Ereignisse entsteht eine statistische Korrelation in der räumlichen Verteilung der ursprünglichen Störung. Dabei hinterließen neue physikalische Einflüsse während der Inflation, wie etwa schwere Teilchen (violette durchgezogene Linie in der Abbildung), wie Fossilien Spuren in der kosmologischen Korrelationsfunktion.

In den letzten Jahren haben Theoretiker begonnen, dieses heikle Problem aus einer anderen Perspektive zu betrachten: Die zeitliche Entwicklung während der Inflation ist zu kompliziert und alles, was wir erkennen können, sind die „fossilen“ Überreste am Ende der Inflation. Können wir also direkt an der letzten beobachtbaren Größe arbeiten – der kosmologischen Korrelationsfunktion? Auf den ersten Blick scheint es unwahrscheinlich, aber die „theoretische Konsistenz“ bietet einen weiteren möglichen Ausgangspunkt: Wir können verschiedene Inflationshistorien konstruieren, aber nur einige davon sind theoretisch selbstkonsistent, und die anderen verletzen bestimmte grundlegende Prinzipien der Physik, wie etwa Raum-Zeit-Symmetrie (physikalische Gesetze bleiben an verschiedenen Raum-Zeit-Positionen unverändert), Unitarität (Informationserhaltung) und Lokalität (keine Fernwechselwirkung). Dieser vorsichtige Ansatz war unerwartet erfolgreich: In vielen Fällen konnten die Vorhersagen der Inflationstheorie durch diese Grundprinzipien vollständig eingeschränkt werden!

Das heißt, unabhängig von der Evolutionsgeschichte des Universums kann die „theoretische Selbstkonsistenz“ selbst ausreichen, um das Ergebnis der Korrelationsfunktion zu bestimmen. Diese neue Perspektive wird „Cosmological Bootstrap“ genannt.

In der theoretischen Physik gibt es für diese Art von Methode, die zusammenfassend als Bootstrap (üblicherweise übersetzt als „Selbst-Bootstrapping“, siehe Anmerkung 1) bezeichnet wird, erfolgreiche Präzedenzfälle, wie etwa den S-Matrix-Bootstrap bei der Untersuchung der Streuamplituden von Elementarteilchen und den konformen Bootstrap in der konformen Feldtheorie. Die Bootstrap-Methode in der Kosmologie wurde erstmals 2018 von Nima Arkani-Hamed, Daniel Baumann, Hayden Lee und Guilherme Pimentel [1] vorgeschlagen . Anschließend untersuchten viele Kollegen, darunter auch der Autor, systematisch die Einschränkungen verschiedener Grundprinzipien kosmologischer Korrelationsfunktionen. Diese neue Forschungsrichtung hat in den letzten Jahren einen Aufschwung erlebt [2].

Das Erstaunlichste an dieser neuen theoretischen Beschreibung ist, dass die Zeit verschwindet! Da wir die kosmologische Korrelationsfunktion betrachten, haben wir einen bestimmten Zeitabschnitt am Ende der Inflation gewählt, und in diesem Abschnitt gibt es tatsächlich nur Raum und keine Zeit. Und diese zeitlose Theorie beschreibt erfolgreich die Vorhersage der Inflation! Für die Kosmologie, die Wissenschaft der Zeit, mag es absurd erscheinen, dass die Zeit selbst in Theorien über den Ursprung des Universums unsichtbar sein sollte. Stimmt es, wie Einstein vor über einem halben Jahrhundert sagte, dass es keine Zeit gibt und alles eine Illusion ist?

Das Konzept der „zeitlosen Geschichte“, das sich in der Selbstentfaltung des Universums zeigt, ist eigentlich sehr alt. Sein Wesen ist untrennbar mit dem holographischen Prinzip in der Quantengravitationsforschung verbunden. In den letzten Jahren sind an der theoretischen Grenze verschiedene Anzeichen dafür aufgetaucht, dass „Zeit“ und „Raum“ selbst möglicherweise keine grundlegenden Dinge sind, sondern eher abgeleitete Konzepte, die aus einer grundlegenderen physikalischen Realität „entstehen“.

Ein gewisses Verständnis der „Entstehung des Raumes“ haben wir bereits in der holographischen Theorie erlangt. Bereits 1997 schlug der theoretische Physiker Juan Maldacena die berühmte „AdS/CFT-Korrespondenz“ vor. AdS steht für Anti-de-Sitter-Raumzeit, eine Art Raumzeithintergrund, der sich völlig von unserem realen Universum unterscheidet (siehe Abbildung 3, links). In dieser theoretischen Konzeption wies Maldacena darauf hin, dass die Schwerkraft im AdS-Raum auf komplexe, aber subtile Weise der konformen Feldtheorie (CFT) an der Grenze entspricht. Mit anderen Worten: Die niedrigdimensionale Grenze der AdS-Raumzeit ist wie ein holografischer Bildschirm, der die Physik des höherdimensionalen Innenraums enthält. Die Entstehung der „AdS/CFT-Korrespondenz“ liefert ein konkretes Beispiel für die Untersuchung der Quantengravitation und der Natur der Raumzeit. Nach mehr als 20 Jahren intensiver Forschung haben theoretische Physiker nach und nach herausgefunden, dass die räumliche Distanz innerhalb von AdS durch Quantenverschränkung in der Randtheorie konstruiert wird, sodass der Raum selbst möglicherweise nicht grundlegend ist, sondern aus der Verschränkung entsteht.

Abbildung 3. Die Entstehung des Raums in der Anti-de-Sitter-Raumzeit (links); die Entstehung der Zeit in der de Sitter-Raumzeit (rechts).

Und was ist mit „Zeit“? In der Beschreibung des holographischen Prinzips hat „Zeit“ völlig andere Eigenschaften als „Raum“. Bereits als AdS/CFT erstmals vorgeschlagen wurde, versuchten theoretische Physiker, das holografische Prinzip auf die De-Sitter-Raumzeit auszudehnen, die dem realen Universum, in dem wir leben, näher kommt, die sogenannte „De-Sitter-Holografie“. Bis heute ist es nicht gelungen, diese Vision zu verwirklichen. Eine Schwierigkeit besteht darin, dass in der de Sitter-Raumzeit die ursprüngliche niedrigdimensionale Grenze (holografischer Bildschirm) zu einem bestimmten Zeitabschnitt in der Zukunft wird (z. B. dem Moment, in dem die Inflation endet) und die in der internen Raumzeit erweiterte Dimension sich von Raum zu Zeit ändert (siehe Abbildung 3), wir jedoch nicht wissen, wie wir die Entstehung der Zeitdimension verstehen sollen.

Die Entstehung der kosmischen Selbstentfaltung liefert zweifellos neue Ideen für die „Entstehung der Zeit“ und die „De-Sitter-Holographie“. Wir können den Zusammenhang zwischen kosmischem Bootstrapping und traditionellen Methoden der Zeitentwicklung überprüfen, wenn wir uns mit kosmologischen Korrelationsfunktionen befassen. Anschließend wurde entdeckt, dass der historische Prozess während der Inflation durch die räumliche Korrelation der ursprünglichen Störungen an der zukünftigen Grenze beschrieben wurde. Insbesondere wenn wir die Form der kosmologischen Korrelationsfunktion an der zukünftigen Grenze ändern, untersuchen wir tatsächlich den Fluss der vergangenen Zeit in der de Sitter-Raumzeit (siehe Abbildung 3, rechts). Unterschiedliche kosmische Evolutionsgeschichten führen zu unterschiedlichen statistischen Korrelationen an der zukünftigen Grenze. Kürzlich haben Nima Arkani-Hamed et al. haben weiter darauf hingewiesen, dass der Zeitablauf selbst äquivalent zu der mathematischen Struktur ist, die in der Korrelationsfunktion als „kinematischer Fluss“ bezeichnet wird [3, 4].

Diese faszinierenden neuen Entwicklungen ermöglichen Ergebnisse, die zuvor abwegig erschienen: die Beschreibung des Ursprungs und der Entwicklung des Universums in einer Theorie ohne Zeit. Vielleicht waren die letzten 13,8 Milliarden Jahre auf der grundlegendsten Ebene eine Geschichte ohne Zeit!

Der Beginn einer neuen Physik

In der Entwicklung der theoretischen Physik sind konzeptionelle Neuerungen immer spannend, wir müssen uns jedoch auch darüber im Klaren sein, dass die Forschung zur kosmischen Selbstexpansion noch in den Kinderschuhen steckt. Wir haben noch keine holographische Theorie der Kosmologie aufgestellt und wissen nicht, warum sich die Zeit grundsätzlich vom Raum unterscheidet. Wenn die Zeit emergent ist, was ist dann die wirkliche physikalische Realität dahinter? Bis wir diese tiefgreifenden Probleme klar verstehen, ist es noch ein weiter Weg.

Gleichzeitig ist diese interessante neue Idee der kosmischen Selbstexpansion nicht nur eine neue Geschichte der Inflationstheorie auf konzeptioneller Ebene, ihre Erforschung hat auch einen wichtigen „praktischen“ Wert für die Hochenergie-Teilchenphysik.

Wenn man an Teilchenphysik denkt, denkt man wahrscheinlich zuerst an Teilchenbeschleuniger wie den Large Hadron Collider (LHC) am CERN. Sogar in vielen Hardcore-Science-Fiction-Romanen sind riesige Teilchenbeschleuniger zu einer „Notwendigkeit“ auf dem Weg zur Entwicklung hochentwickelter Zivilisationen geworden. In „Die drei Sonnen“ beispielsweise besteht das Hauptziel des „Smart Son“ nach seiner Ankunft auf der Erde darin, Experimente zur Kollision hochenergetischer Teilchen zu stören. und Hunderte von Jahren später haben Menschen in der Umlaufbahn des Jupiters einen „heliozentrischen Beschleuniger“ gebaut, um ihre eigene Grundlagenforschung zu entwickeln. Die Entwicklung der Zivilisation ist zwar untrennbar mit einem tiefen Verständnis der mikroskopischen Struktur der Materie verbunden, doch in der realen Welt wird der Bau großer Teilchenbeschleuniger immer schwieriger, was zu einer großen Herausforderung für die Entwicklung der Teilchenphysik geworden ist.

Interessanterweise könnte die Kosmologie neue Möglichkeiten für Experimente in der Hochenergiephysik bieten. Wir haben oben erwähnt, dass das Universum zum Zeitpunkt der Inflation eine extrem mikroskopische Größe hatte. Das Energieniveau kann zu diesem Zeitpunkt bis zu 10^13 GeV erreichen und übersteigt damit das Energieniveau jedes großen Teilchenbeschleunigers auf der Erde bei weitem. Daher kann die Inflation selbst als ein natürliches Labor für Hochenergiephysik betrachtet werden. Mithilfe immer präziserer kosmologischer Beobachtungen können wir „fossile“ Signale aus der Urzeit extrahieren und die neue Physik dieser Zeit erforschen.

Die intuitivste Darstellung dieser Idee ist eine Art primordiales Signal, das als „kosmologischer Beschleuniger“ bezeichnet wird [5, 6] Anmerkung 3. In dieser theoretischen Konzeption beeinflusste die Anwesenheit hochenergetischer Teilchen während der Inflation (wie die violette Linie in Abbildung 2) die „Form“ der primordialen Störung und hinterließ einen charakteristischen Abdruck in ihrer Dreipunktverbindung, der bis heute erhalten geblieben ist. Die Idee ähnelt der von Beschleunigern auf der Erde, mit dem Unterschied, dass die Teilchenkollisionen stattfinden, wenn das Universum noch jung ist, und die erfassten Signale zu uralten Photonen werden, die aus den Tiefen des Universums stammen.

Abbildung 4. Schematische Darstellung des Konzepts eines kosmologischen Colliders. Die Teilchenkollisionen in der frühen Inflationsphase hinterließen eine besondere „Form“ in der Verteilung der Materie auf kosmischer Ebene; und bei astronomischen Beobachtungen (wie etwa den in der Abbildung gezeigten Daten zur Mikrowellen-Hintergrundstrahlung des Planck-Satelliten) können Menschen nach diesen alten Spuren suchen und dann physikalische Informationen wie die Masse und den Spin dieser extrem energiereichen Teilchen erforschen.

Bei der Untersuchung kosmologischer Kollider haben die theoretischen Durchbrüche, die durch die Bootstrapping-Methode erzielt wurden, eine wichtige richtungsweisende Rolle gespielt. Da beim Aufblasen schwere Partikel beteiligt sind, sind herkömmliche Zeitentwicklungsberechnungen sehr kompliziert und können normalerweise nur ungefähre Ergebnisse liefern. Die Bootstrap-Methode selbst ist ein leistungsstarker Satz analytischer Rechentools, mit denen wir erstmals die strengen analytischen Vorhersagen kosmologischer Collider-Signale lösen können. In den letzten Jahren haben meine Mitarbeiter und ich die Bootstrap-Methode verwendet, um die verschiedenen Möglichkeiten kosmologischer Collider zu untersuchen [8, 9] und einen vollständigen Satz analytischer Ergebnisse abgeleitet. Da die Bootstrap-Methode nicht mehr von einem bestimmten Modell abhängt, ermöglicht sie auch eine systematische Klassifizierung der charakteristischen Signale in diesen kosmologischen Korrelationsfunktionen und bereichert so die Vorhersagen der Inflationstheorie erheblich.

Manche mögen sagen, dass die Theorie interessant ist, aber ist es wirklich möglich, einen kosmologischen Kollider zu entdecken? Die Suche nach extrem schwachen Signalen aus der Zeit vor Milliarden von Jahren in tatsächlichen astronomischen Beobachtungen klingt wie eine Fantasie.

Unterschätzen Sie niemals die Geschwindigkeit der wissenschaftlichen Entwicklung, ganz zu schweigen davon, dass sich die Kosmologie selbst im goldenen Zeitalter großer Entdeckungen befindet! Mithilfe der vollständigen theoretischen Vorhersagen der Bootstrap-Methode können wir bereits in bestehenden astronomischen Beobachtungsexperimenten nach Signalen kosmologischer Collider suchen. Kürzlich haben der Princeton-Kosmologe Matias Zaldarriaga und seine Mitarbeiter Beobachtungstests dieser Vorhersagen durchgeführt und dabei Daten der BOSS-Galaxiendurchmusterung verwendet [10] . Gleichzeitig arbeitete ich mit Kollegen aus der beobachtenden Kosmologie an der Universität Cambridge zusammen, um die erste Detektion mithilfe von Daten der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung des Planck-Satelliten durchzuführen [11]. Nach systematischem Scannen und Screening fanden wir in den Planck-Daten ein verdächtiges Signal mit einem Konfidenzniveau von etwa 2 Sigma. Handelt es sich hierbei um ein echtes hochenergetische Teilchensignal oder um eine statistische Schwankung in den Beobachtungsdaten? Nur weitere Tests in der Zukunft können Gewissheit bringen. Als vorläufige Analyse muss jedoch gesagt werden, dass dieses Ergebnis die Erwartungen übertroffen hat.

Dieser ermutigende Fortschritt wird natürlich durch die schnelle Entwicklung neuer Technologien in kosmologischen Experimenten und der Datenanalyse ermöglicht. Im nächsten Jahrzehnt werden neue Experimente zur Mikrowellenhintergrundstrahlung mit hochpräzisen Beobachtungen beginnen, wie etwa das CMB-Beobachtungsprojekt in Ali, Tibet, China, und das Simons-Observatorium und CMB-S4 auf internationaler Ebene. Gleichzeitig werden in Kürze eine Reihe groß angelegter Experimente zur Strukturbeobachtung im Universum (wie SphereX, Euclid, LSST usw.) gestartet. Die enormen Datenmengen, die diese Projekte liefern, werden die Genauigkeit der Beobachtungen zweifellos deutlich verbessern und es ermöglichen, in kosmologischen Beschleunigern tatsächlich Signale schwerer Teilchen zu entdecken.

In der etwas ferneren Zukunft hoffen Astronomen, Radiosignale von neutralem Wasserstoff im frühen Universum, vor der Entstehung von Galaxien, zu entdecken. Diese Art von Signal ist sehr schwach, aber im Universum weit verbreitet. Da ihre charakteristische Wellenlänge etwa 21 cm beträgt, wird sie auch als 21-cm-Linie bezeichnet. Sie können uns dabei helfen, eine detaillierte Karte der Materieverteilung in der dunklen Zeit des Universums zu zeichnen und dann eine präzise Messung der kosmologischen Korrelationsfunktionen zu erreichen, was ein hervorragendes Fenster für einen Einblick in die Vorhersagen der Inflationstheorie darstellt. Daher könnten zukünftige Beobachtungen der 21-cm-Linie die Entwicklung der Kosmologie erheblich voranbringen. Dadurch können wir möglicherweise nicht nur neue Hochenergiephysik im jungen Universum entdecken, sondern vielleicht sogar irgendwann das Geheimnis um den Ursprung der Zeit lüften.

Nachdem dies gesagt ist, ist es Zeit, unseren Chat zu beenden. Lassen Sie uns abschließend unseren Horizont erweitern und uns die physikalische Grundlagenforschung in hundert Jahren vorstellen: Bis dahin werden die Menschen ein tieferes Verständnis der mikroskopischen Struktur der Materie und der Natur von Raum und Zeit haben, doch werden neue experimentelle Geräte nötig sein, um Hochenergietheorien zu testen. Sollten unsere Nachkommen zu diesem Zeitpunkt einen riesigen Teilchenbeschleuniger in der Größenordnung des Sonnensystems bauen, wie er in der Science-Fiction beschrieben wird?

Vielleicht ist das 21-cm-Line-Array auf der Rückseite des Mondes eine sinnvollere Option : )

Hinweise

1. Was die Übersetzung des Wortes Bootstrap betrifft, so bedeutet es ursprünglich „die Schnürsenkel an der Rückseite der Stiefel“. Es ist weithin bekannt aufgrund der englischen Redewendung „Pull yourself up by the bootstrap“ (sich selbst am Bootstrap hochzuziehen, ohne auf externe Hilfe angewiesen zu sein). Ursprünglich war dieser Satz als Satire auf lächerliche und unmögliche Dinge gedacht, doch später wurde seine Bedeutung auf unerklärliche Weise inspirierend: Egal, wie schwierig es ist, Sie können Erfolg haben, wenn Sie sich auf sich selbst verlassen. In der theoretischen Physik wird Bootstrap im Allgemeinen als „selbsthebend“ übersetzt, was bedeutet, dass die Gesetze der Physik durch die grundlegendsten Prinzipien und die theoretische Konsistenz vollständig bestimmt werden können, ohne dass zusätzliche Hilfe erforderlich ist. In ähnlicher Weise kann Cosmological Bootstrap als „kosmologischer Bootstrap“ oder „kosmisches Selbstentstehen“ übersetzt werden. Da es konzeptionell eng mit „der Entstehung der Zeit“ verbunden ist, wird in diesem Artikel die letztere Übersetzung verwendet, die „Entfaltung“ oder „Präsentation“ bedeutet.

2. Die fünf Gruppen von Physikern sind: Viatcheslav Mukhanov und Gennady Chibisov; Stephen Hawking; Alexej Starobinksy; Alan Guth und So-Young Pi; James Badeen, Paul Steinhardt und Michael Turner. Unter ihnen waren Mukhanov und Chibisov, die nicht am Cambridge Nuffied-Seminar teilnahmen.

3. Das Konzept eines kosmologischen Colliders wurde 2015 von Nima Akani-Hamed und Juan Maldacena vorgeschlagen [5] . Es ist erwähnenswert, dass Professor Xingang Chen von der Harvard University und Professor Yi Wang von der Hong Kong University of Science and Technology in ihrem Artikel aus dem Jahr 2009 [6] sehr wichtige grundlegende Beiträge zur Entwicklung dieses Konzepts geleistet haben . Auch Professor Xian Yuzhongzhi von der Tsinghua-Universität hat diese neue Richtung systematisch und eingehend untersucht [7].

Verweise

[1] N. Arkani-Hamed, D. Baumann, H. Lee und GL Pimentel, „The Cosmological Bootstrap: Inflationary Correlators from Symmetries and Singularities“, JHEP 04 (2020) 105.

[2] D. Baumann, D. Green, A. Joyce, E. Pajer, GL Pimentel, C. Sleight und M. Taronna, „Snowmass White Paper: The Cosmological Bootstrap“, in der Snowmass Summer Study 2022. 3, 2022.

[3] N. Arkani-Hamed, D. Baumann, A. Hillman, A. Joyce, H. Lee und GL Pimentel, „Kinematic Flow and the Emergence of Time“, arXiv:2312.05300 [hep-th].

[4] N. Arkani-Hamed, D. Baumann, A. Hillman, A. Joyce, H. Lee und GL Pimentel, „Differential Equations for Cosmological Correlators“, arXiv:2312.05303 [hep-th].
[5] N. Arkani-Hamed und J. Maldacena, „Cosmological Collider Physics“, arXiv:1503.08043 [hep-th].
[6] X. Chen und Y. Wang, „Quasi-Single Field Inflation and Non-Gaussianities“, JCAP 04 (2010) 027.

[7] X. Chen, Y. Wang und Z.-Z. Xianyu, „Standardmodell-Hintergrund des kosmologischen Colliders“, Phys. Ehrw. Lett. 118 (2017) Nr. 26, 261302.
[8] GL Pimentel und D.-G. Wang, „Boostless kosmologischer Collider-Bootstrap“, JHEP 10 (2022) 177.
[9] D.-G. Wang, GL Pimentel und A. Achucarro, „Bootstrapping multi-field inflation: non-Gaussianities from light scalars revisited“, JCAP 05 (2023) 043.
[10] G. Cabass, OHE Philcox, MM Ivanov, K. Akitsu, S.-F. Chen, M. Simonovic und
M. Zaldarriaga, „BOSS-Einschränkungen für massive Teilchen während der Inflation: Der kosmologische Collider in Aktion“, arXiv:2404.01894.

[11] W. Sohn, D.-G. Wang, J. Fergusson, EPS Shellard, „Suche nach einem kosmologischen Collider in den Planck-CMB-Daten“, arXiv:2404.07203.

Produziert von: Science Popularization China

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