Ist die Materie im Universum aus dem Nichts entstanden oder existierte sie schon immer? Was Wissenschaftler sagen

Dieser Artikel basiert auf der Beantwortung von Fragen von Internetnutzern, siehe Screenshots:

Dies ist eine große Frage, und man kann auch sagen, dass es sich dabei um die grundlegende Frage der Menschheit handelt: Woher das Universum und die Menschheit kommen und wohin sie gehen. Bislang hat die wissenschaftliche Gemeinschaft weltweit noch keine perfekte Erklärung für dieses Problem gefunden. Es gibt nur einige theoretische Fragmente, wie etwa das Unschärfeprinzip der Quantenmechanik und die Theorie der Vakuum-Nullpunktenergie.

Nach meinem Verständnis dieser Theorien kann man sagen, dass die kosmische Materie entweder aus dem Nichts oder aus etwas entstanden ist. Zur Erklärung dieser Theorien kommen wir nach wie vor nicht ohne Einsteins Masse-Energie-Gleichung E=MC^2 aus. Obwohl diese Formel einfach ist, erklärt sie das tiefe Geheimnis des Universums, nämlich die Äquivalenz von Masse und Energie und ihre Austauschbarkeit.

Alle Materie im Universum wird aus Energie umgewandelt. Im Extremfall wird es wieder in Energie umgewandelt und führt schließlich zur Vernichtung. Dies ist das Gesetz von Geburt und Tod des Universums.

Aus makroskopischer Sicht entstand das Universum aus dem Nichts.

Das Urknallmodell des Universums ist zum Standardmodell der modernen Kosmologie geworden. Diese Theorie ist zum gängigen Verständnis von Astronomen und Kosmologen auf der ganzen Welt geworden. Der allgemeine Grundgedanke dieses Verständnisses vom Ursprung des Universums besteht darin, dass das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren aus einer Singularität entstand. Diese Singularität explodierte plötzlich durch Zufall. Wir können diese Explosion als eine schnelle Expansion verstehen, die das heutige Universum geformt hat.

Die Singularität begann mit dem Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren und durchlief Phasen der Inflation und schnellen Expansion. Es dehnt sich immer noch mit einer Geschwindigkeit aus, die um ein Vielfaches höher ist als die Lichtgeschwindigkeit. Heute ist es ein beobachtbares Universum mit einem Radius von etwa 46,5 Milliarden Lichtjahren. Die sogenannte überlichtschnelle Expansion bedeutet nicht, dass sich alle Orte überlichtschnell ausdehnen, sondern dass die überlichtschnelle Expansion des gesamten Universums überlichtschnell ist. Am Rand des beobachtbaren Universums, 46,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt, bewegen sich Galaxien mit einer Geschwindigkeit von uns weg, die die Lichtgeschwindigkeit übersteigt.

Wissenschaftlich ausgedrückt wird eine Singularität durch ein unendlich kleines Volumen, eine unendlich hohe Dichte, eine unendliche Krümmung und eine unendliche Temperatur dargestellt. Die Frage ist also: Was ist diese Singularität? Wie kam es dazu? Aus makroskopischer Sicht ist es etwas, das aus dem Nichts kommt und plötzlich aus der Leere erscheint.

In der Physik wird ein Punkt, der sowohl existiert als auch nicht existiert, als Singularität bezeichnet. Es ist ein Punkt, an dem Raum und Zeit eine unendliche Krümmung aufweisen und an dem Raum und Zeit enden. Die allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass eine solche Singularität zwangsläufig auftreten wird. Es handelt sich dabei um ein Phänomen, bei dem Materie in einem extremen Gravitationsfeld durch Quantenprozesse beeinflusst wird und in einen anderen Satz von Raum-Zeit-Dimensionen kollabiert, beispielsweise in die Singularität eines Schwarzen Lochs.

Der Urknall war das Ergebnis eines Rückpralls aus einer anderen Raumzeit. In diesem Sinne ist die Singularität etwas jenseits von Zeit und Raum und ist nicht länger eine Angelegenheit von Raum und Zeit dieses Universums. Alle physikalischen Theorien sind dort ungültig, das heißt, sie können nicht erklärt werden. Das Auftreten der Singularität ist die Ausdehnung aus einer anderen Raumzeit in unsere Raumzeit, sie entsteht also aus dem Nichts.

Aber nach der Theorie der Quantenmechanik entstand das Universum

Die moderne Quantenmechanik kennt zwei Theorien, die dieses Phänomen erklären, nämlich die Heisenbergsche Unschärferelation und die daraus abgeleitete Vakuum-Nullpunktenergietheorie.

Die Heisenbergsche Unschärferelation besagt, dass es in der mikroskopischen Welt unmöglich ist, gleichzeitig die Position und den Impuls eines Teilchens genau zu kennen. Daraus lässt sich schließen, dass das Teilchen auch dann noch vibriert, wenn die Temperatur auf den absoluten Nullpunkt sinkt, da es sonst gegen die Unschärferelation verstoßen würde.

Dies bedeutet, dass selbst wenn das Universum verschwindet und Raum und Zeit nicht mehr existieren und nur noch absolutes Vakuum herrscht, es immer noch Teilchenbewegungen geben wird. Wo Teilchenbewegung stattfindet, ist Energie vorhanden. Dies ist die Quelle der Vakuum-Nullpunktenergie. Im absoluten Vakuum liegen diese Energien in Form von Quantenschaum vor, das heißt, sie treten zufällig in Form virtueller Teilchen auf.

Diese virtuellen Teilchen bestehen aus positiven und negativen Paaren, das heißt, sie treten zufällig in Form von Materie und Antimaterie auf, und wenn Materie und Antimaterie kollidieren, vernichten sie sich (verschwinden nach der Freisetzung von Energie). Daher erscheinen diese virtuellen Teilchenpaare im Vakuum zufällig und vernichten sich in einem Augenblick zufällig.

Wenn die Welt immer so symmetrisch und perfekt ausgewogen gewesen wäre, wäre unsere Welt nie entstanden. Aber Physiker haben herausgefunden, dass die Welt nicht perfekt ist. Die herausragendsten Vertreter sind Chen Ning Yang, Tsung-Dao Lee und Chien-Shiung Wu. Sie entdeckten und bestätigten experimentell das „Gesetz der Nichterhaltung von Paritäten“ und erhielten dafür 1957 den Nobelpreis für Physik.

Diese Theorien gehen davon aus, dass unser Universum nicht perfekt ist, sondern dass es gelegentlich zu Verletzungen der Erhaltungssätze und zu Asymmetrie kommt, wodurch die Welt sich ständig verändert. Als Ergebnis hat die wissenschaftliche Gemeinschaft eine bahnbrechende Erklärung für den Urknall gefunden: Nicht 100 % dieser virtuellen Teilchenpaare, die kontinuierlich und zufällig in Quantenfluktuationen auftreten, werden sich vernichten. Wenn ein, zwei oder sogar viele von ihnen falsch ausgerichtet sind und sich nicht vernichten, werden sie zu kosmischen Singularitäten.

Unser Universum wurde aus einer solchen Singularität geformt, und vielleicht gibt es viele andere Universen, die aus solchen Singularitäten geformt wurden. Allerdings verhindern die Gesetze der Physik, dass wir unser eigenes Universum durchbrechen können und können daher auch keinen Blick in die Geheimnisse anderer Universen werfen.

Die Singularitätsenergie, die gebrochen, aber nicht vernichtet wird, kann nicht ins Nichts zurückkehren und sich nur ausdehnen. Das ist der Urknall. Die Temperatur beim Urknall war extrem hoch und die Dichte extrem groß. Am Anfang gab es nur Energie und sonst nichts. Innerhalb einer Sekunde nach dem Urknall dehnte sich das Universum schnell aus und Schwerkraft, Gluonen, Quarks, Bosonen, Leptonen, Protonen, Neutronen und ihre Antiteilchen erschienen nacheinander. Später wurden auch starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen getrennt.

Obwohl die Temperatur des Universums von anfänglich 10^32 auf 10 Milliarden K nach 1 Sekunde sank, war die Kernkraft immer noch nicht in der Lage, Neutronen und Protonen zu binden. Daher gab es noch keine Nukleonen und erst recht keine Atome. Zu dieser Zeit bestand das Universum nicht aus der uns bekannten gewöhnlichen Materie.

Nach 384.000 Jahren der Ausdehnung und Abkühlung war das Universum groß genug, die Temperatur kühlte auf etwa 3.000 K ab und es entstanden neutrale Atome. Das Universum durchlief schließlich das dunkle Zeitalter, der erste Lichtstrahl (elektromagnetische Wellen) löste sich vom dichten Universum und das Universum wurde von da an transparent.

Zu dieser Zeit entstand gewöhnliche Materie, die aus Atomen bestand. Die früheste Materie bestand aus den einfachsten Elementen Wasserstoff und Helium sowie einer sehr geringen Menge Lithium. Aufgrund der Schwerkraft im Universum ballten sich diese leichten Substanzen allmählich zu Nebeln und Sternhaufen zusammen, bevor sie sich zusammenzogen und zu Sternen kollabierten. Die Sterne und Galaxien im Universum wurden geboren.

Frühe Sterne waren relativ groß und hatten daher eine kurze Lebensdauer. Während der Kernfusion von Sternen und fortlaufenden Supernova-Explosionen wurden nach und nach schwerere Elemente erzeugt, und nach und nach entstanden die heute bekannten 118 Elemente. Aus diesen Elementen sind alle Arten von Materie im Universum und die unzähligen Lebensformen auf der Erde aufgebaut.

In diesem Sinne entsteht kosmische Materie aus der Existenz. Vor der Entstehung des Universums waren diese Energien im Vakuum enthalten. Es war die enorme Vakuum-Nullpunktenergie, die sich in verschiedene Substanzen umwandelte, was dem Gesetz der Masse-Energie-Umwandlung entspricht, das in Einsteins Masse-Energie-Gleichung dargelegt ist.

Warum ist die Energie der kosmischen Singularität so groß?

Von allen Theorien zur Entstehung des Universums ist die Urknalltheorie bislang die überzeugendste, und alle bisherigen Beobachtungen und experimentellen Tests stimmen mit den Erwartungen dieser Theorie überein. Daher bin ich bereit, an diese Theorie zu glauben, bis eine logischere und überzeugendere Theorie herauskommt.

Die Theorie der Vakuum-Nullpunktenergie wurde in verschiedenen Experimenten bestätigt. Der häufigste Beweis ist der Casimir-Effekt (ich werde ihn hier nicht erklären, aber Interessierte können Informationen nachschlagen). Viele Wissenschaftler haben dieses Experiment durchgeführt und die Existenz von Vakuum-Nullpunktenergie bestätigt. Infolgedessen ist die Existenz der Vakuum-Nullpunktenergie in der wissenschaftlichen Gemeinschaft unbestritten und allgemein anerkannt.

Der Large Hadron Collider rekonstruierte den Zustand des Urknalls auf eine Millionstel Sekunde genau durch Teilchenkollisionen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit und bestätigte damit den von der Urknalltheorie ausgehenden Zustand einer Quark-Knödelsuppe mit hohen Temperaturen und hoher Dichte in der Frühphase des Urknalls.

Warum also wird ein virtuelles Teilchen, das nicht vernichtet wurde, zu einer Singularität und verfügt über eine so enorme Energie, dass es sich zu der riesigen kosmischen Materie von heute entwickeln kann?

Untersuchungen haben ergeben, dass die lokale Energie der Vakuum-Nullpunktenergie extrem stark ist. Der berühmte Physiker John Archibald Wheeler schätzte, dass die Dichte der Nullpunktenergie bis zu 10^95 g/cm^3 beträgt. Was ist das Konzept? Das ist die Planck-Zeit, als der Urknall gerade begann. Als das Universum nur eine Planck-Skala hatte, betrug seine Dichte das Zehnfache von 10^94 g/cm^3.

Die Planck-Zeit beträgt 10^-43 Sekunden, die Planck-Skala beträgt 1,6*10^-35 m und die Planck-Temperatur beträgt 10^32 K. Das heißt, 100 Milliarden Milliarden Milliardstel einer Sekunde nach dem Urknall war das Universum nur 160 Milliarden Milliardstel eines Meters groß, die Temperatur betrug 100 Milliarden Milliardstel K, die Dichte des Universums betrug 10^94 g/cm^3, aber die Vakuum-Hintergrundenergie von 1 Kubikzentimeter war 10-mal größer als die ursprüngliche Gesamtenergie des Universums.

Einige aktuelle Forschungsergebnisse lassen darauf schließen, dass die Gesamtmasse des beobachtbaren Universums etwa 10^53 g beträgt und die Vakuum-Nullpunktenergie lediglich 1/10^42 von 1 Kubikzentimeter oder ein Milliardstel einer Milliarde Milliarde Milliarde Milliardstel beträgt.

Es ist daher keine Überraschung, dass diese Singularität die Energie des gesamten Universums besitzt. Die Frage, warum die Hintergrundenergie der Vakuum-Nullpunktenergie so groß ist, ist ein sehr tiefgründiges und komplexes Thema der Quantenmechanik. Wir Zuschauer müssen nur wissen, dass es magisch ist, dass es aber wirklich existiert und dass wir der Sache nicht auf den Grund gehen müssen.

Wenn das Universum aus dem Urknall entstanden ist, warum hat es dann kein Zentrum?

Viele Menschen sind über diese Frage verwirrt. Ich habe es viele Male erklärt, aber sie sind immer noch verwirrt. Der Grund für diese Verwirrung liegt darin, dass sich viele Menschen die kosmische Explosion als etwas um uns herum vorstellen, beispielsweise als einen Feuerwerkskörper oder eine explodierende Bombe. Geht es nicht um die Explosion des Böllers oder der Bombe?

Tatsächlich kann man sich den Urknall wie eine Bombenexplosion vorstellen, allerdings explodierte er nicht genau wie eine Bombe, sondern dehnte sich eher aus. Man kann sich vorstellen, dass sich die ursprüngliche Singularität zu dem ausgedehnt hat, was sie heute ist, ein bisschen wie ein Ballon (natürlich ein Ballon ohne Mundstück) oder ein Basketball, und dass sich die gesamte aus Energie umgewandelte Materie, wie Galaxien und Sterne, auf der Oberfläche der Kugel befindet und nicht im Inneren der Kugel.

Auf diese Weise ist die gesamte galaktische Materie wie verschiedene Muster oder Sterne, die auf die Oberfläche eines Basketballs oder eines Luftballons gemalt sind. Wenn wir auf der Oberfläche einer Kugel einen beliebigen Punkt auswählen und uns umsehen, ist alles gleich. Mit der Ausdehnung des Universums entfernen sich diese sternförmigen Muster immer mehr voneinander, es gibt jedoch kein Zentrum, oder anders ausgedrückt: Jeder Punkt ist das Zentrum.

Wo befindet sich beispielsweise auf der Erdoberfläche Ihrer Meinung nach der Mittelpunkt? Ist es Peking, New York oder Paris? Nur die Kaiser der Antike und ihre Anhänger dachten, sie seien der Mittelpunkt der Welt. Wer heute noch so denkt, ist ein Narr. Natürlich geht es hier nur um die Erdoberfläche. Das Universum ist wie die Oberfläche der Erde, und das Universum hat keinen Kern wie der Kern der Erde.

Beweise für die Ausdehnung des Universums wurden Anfang des 20. Jahrhunderts vom Astronomen Edwin Hubble entdeckt, der das Hubble-Gesetz begründete. Der Hauptinhalt dieser Theorie besteht darin, dass sich das Universum ständig ausdehnt und von jedem Punkt im Universum aus betrachtet isotrop (gleich) ist, das Universum also kein Zentrum hat; Je weiter die Galaxie von uns entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich, und das Verhältnis ist proportional zur Entfernung. Die Formel kann einfach wie folgt ausgedrückt werden: V= HD.

Das V in dieser Formel stellt die scheinbare Geschwindigkeit der Galaxie dar, mit der sie sich von uns entfernt, in km (Kilometern). H ist die Hubble-Konstante, also die Geschwindigkeit, mit der sich eine Galaxie in einer Entfernung von 1 Mpc (1 Million Parsec, etwa 3,26 Millionen Lichtjahre) von uns entfernt, in km/s (Kilometer pro Sekunde); D ist die Entfernung zwischen der Zielgalaxie und uns, in Vielfachen der Hubble-Konstantenentfernung.

Um die Geschwindigkeit zu berechnen, mit der sich das Universum ausdehnt, oder die Geschwindigkeit, mit der sich eine bestimmte Galaxie von uns entfernt, muss die Hubble-Konstante bekannt sein. Um eine genauere Hubble-Konstante zu erhalten, haben Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern jahrzehntelang mit verschiedenen Teleskopen, Satelliten und anderen Präzisionsinstrumenten sorgfältig Beobachtungen und Berechnungen durchgeführt, aber die jedes Mal erhaltenen Daten sind nicht genau dieselben.

In den letzten Jahrzehnten wurden mehrere einflussreiche Daten ermittelt: 77 km, 74,2 km, 68,7 km und 82,4 km. Wir nehmen einen Durchschnitt, der ungefähr 75,6 km/s entspricht. Wenn wir die Hubble-Konstante in die Formel einsetzen, können wir schlussfolgern, dass in einer Entfernung, die doppelt so groß ist wie die Hubble-Konstante, also 6,52 Millionen Lichtjahre entfernt, die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxie 151,2 km/s beträgt. Ähnlich verhält es sich am Rande des beobachtbaren Universums: Eine Galaxie, die 46,5 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist, bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 1.078.343 km/s von uns weg, was etwa der 3,6-fachen Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Einige Leute haben wieder Fragen. Wenn sich das Universum so schnell ausdehnt, warum können wir es nicht spüren? Seit Tausenden von Jahren ist die Sonne immer noch dieselbe Sonne und der Mond immer noch derselbe Mond?

Tatsächlich habe ich bereits zuvor sehr deutlich gemacht, dass es sich bei der Expansion des Universums lediglich um eine großräumige Superpositionsexpansion handelt und nicht um die Geschwindigkeit, mit der sich Galaxien voneinander entfernen. Die Expansionsrate beträgt das 3,6-fache der Lichtgeschwindigkeit. Dies ist genau die Geschwindigkeit, mit der sich die am weitesten entfernte Galaxie im beobachtbaren Universum (46,5 Milliarden Lichtjahre) von uns entfernt bewegt.

Gemäß dem Gesetz, dass die Geschwindigkeit mit zunehmender Nähe abnimmt, ist die Expansionsrate des Universums in unserer Nähe sehr gering, und da Himmelskörper hauptsächlich durch die Schwerkraft beeinflusst werden, ist die Expansion nicht spürbar. Das ist alles für heute. Willkommen zur Diskussion und danke fürs Lesen.

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