Was wissen wir wirklich über das Universum?
Geboren aus einer kosmischen Explosion vor 13,8 Milliarden Jahren, das Universum schnell aufgeblasen und dann abgekühlt, es expandiert immer noch mit zunehmender Geschwindigkeit und meist aus unbekannten dunklen Materie und dunkle Energie… richtig?,
Diese bekannte Geschichte wird normalerweise als eine selbstverständliche wissenschaftliche Tatsache angesehen, trotz des relativen Mangels an empirischen Beweisen-und trotz einer stetigen Ernte von Diskrepanzen, die bei Beobachtungen des fernen Universums auftreten.
In den letzten Monaten schlugen neue Messungen der Hubble-Konstante, der Rate der universellen Expansion, große Unterschiede zwischen zwei unabhängigen Berechnungsmethoden vor., Diskrepanzen in der Expansionsrate haben enorme Auswirkungen nicht nur auf die Berechnung, sondern auch auf die Gültigkeit des aktuellen Standardmodells der Kosmologie auf den extremen Skalen des Kosmos.
Eine weitere kürzlich durchgeführte Sonde fand Galaxien, die nicht mit der Theorie der Dunklen Materie übereinstimmen, wonach diese hypothetische Substanz überall ist. Nach den neuesten Messungen ist dies jedoch nicht der Fall, was darauf hindeutet, dass die Theorie erneut geprüft werden muss.
Es lohnt sich vielleicht anzuhalten, um zu fragen, warum Astrophysiker Dunkle Materie als überall im Universum annehmen., Die Antwort liegt in einer Besonderheit der kosmologischen Physik, die nicht oft bemerkt wird. Eine entscheidende Funktion von Theorien wie Dunkler Materie, dunkler Energie und Inflation—jede auf ihre Weise an das Urknallparadigma gebunden—besteht nicht darin, bekannte empirische Phänomene zu beschreiben, sondern die mathematische Kohärenz des Rahmens selbst beizubehalten, während diskrepante Beobachtungen berücksichtigt werden. Grundsätzlich sind sie Namen für etwas, das existieren muss, soweit angenommen wird, dass der Rahmen allgemein gültig ist.,
Jede neue Diskrepanz zwischen Beobachtung und Theorie kann natürlich an und für sich als aufregendes Versprechen von mehr Forschung, einer fortschreitenden Verfeinerung der Wahrheit betrachtet werden. Wenn sie sich jedoch summieren, können sie auch ein verwirrenderes Problem vorschlagen, das nicht durch Optimieren von Parametern oder Hinzufügen neuer Variablen behoben wird.
Betrachten Sie den Kontext des Problems und seiner Geschichte. Als mathematisch getriebene Wissenschaft wird die kosmologische Physik normalerweise als äußerst präzise angesehen., Aber der Kosmos ist anders als jeder wissenschaftliche Gegenstand auf der Erde. Eine Theorie des gesamten Universums, die auf unserer eigenen winzigen Nachbarschaft als einziger bekannter Probe basiert, erfordert viele vereinfachende Annahmen. Wenn diese Annahmen über große Entfernungen multipliziert und gedehnt werden, steigt das Fehlerpotenzial, und dies wird durch unsere sehr begrenzten Testmittel noch verstärkt.
Historisch gesehen bildeten Newtons physikalische Gesetze einen theoretischen Rahmen, der mit bemerkenswerter Präzision für unser eigenes Sonnensystem funktionierte., Sowohl Uranus als auch Neptun zum Beispiel wurden durch Vorhersagen entdeckt, die auf Newtons Modell basierten. Aber als die Skalen größer wurden, erwies sich ihre Gültigkeit als begrenzt. Einsteins allgemeiner Relativitätsrahmen bot eine erweiterte und genauere Reichweite jenseits der entferntesten Bereiche unserer eigenen Galaxie. Aber wie weit könnte es gehen?,
Das Urknallparadigma, das Mitte des 20.Jahrhunderts entstand, dehnt die Gültigkeit des Modells effektiv auf eine Art Unendlichkeit aus, die entweder als Grenze des Radius des Universums (berechnet auf 46 Milliarden Lichtjahre) oder als Beginn der Zeit definiert ist. Diese riesige Strecke basiert auf einigen konkreten Entdeckungen, wie Edwin Hubbles Beobachtung, dass sich das Universum zu erweitern scheint (1929) und der Nachweis der Mikrowellenhintergrundstrahlung (1964)., In Anbetracht des Umfangs hatten diese begrenzten Beobachtungen jedoch einen übergroßen Einfluss auf die kosmologische Theorie.
Es ist natürlich völlig plausibel, dass die Gültigkeit der allgemeinen Relativitätstheorie viel näher an unserem eigenen Zuhause liegt als am Rande des hypothetischen Endes des Universums., Und wenn das der Fall wäre, würde sich das heutige vielschichtige theoretische Gebäude des Urknallparadigmas als eine verwirrende Mischung aus fiktiven Bestien herausstellen, die erfunden wurden, um das Modell aufrechtzuerhalten, zusammen mit empirisch validen Variablen, die sich gegenseitig verlassen, um es unmöglich zu machen, Wissenschaft von Fiktion zu sortieren.
Bei der Lösung dieses Problems treten die meisten Beobachtungen des Universums experimentell und indirekt auf., Die heutigen Weltraumteleskope bieten keine direkte Sicht auf irgendetwas—sie erzeugen Messungen durch ein Zusammenspiel von theoretischen Vorhersagen und biegsamen Parametern, an denen das Modell bei jedem Schritt beteiligt ist. Das Framework umrahmt das Problem buchstäblich und bestimmt, wo und wie es beobachtet werden soll. Und so erhöhen trotz der fortschrittlichen Technologien und Methoden die tiefgreifenden Einschränkungen des Bemühens auch das Risiko, durch die Art von Annahmen, die nicht berechnet werden können, in die Irre geführt zu werden.,
Nachdem ich viele Jahre lang die Grundlagen der kosmologischen Physik aus wissenschaftlicher Sicht erforscht hatte, war ich nicht überrascht, einige Wissenschaftler offen über eine Krise in der Kosmologie sprechen zu hören. In der großen „Inflationsdebatte“ in Scientific American vor einigen Jahren wurde ein Schlüsselelement des Urknallparadigmas von einem der ursprünglichen Befürworter der Theorie dafür kritisiert, als wissenschaftliche Theorie unhaltbar geworden zu sein.
Warum?, Weil die Inflationstheorie auf Ad-hoc-Konstruktionen beruht, um fast alle Daten aufzunehmen, und weil ihr vorgeschlagenes physikalisches Feld auf nichts mit empirischer Begründung basiert. Dies liegt wahrscheinlich daran, dass eine entscheidende Funktion der Inflation darin besteht, den Übergang von einem unerkennbaren Urknall zu einer Physik zu überbrücken, die wir heute erkennen können. Also, ist es Wissenschaft oder eine bequeme Erfindung?
Einige Astrophysiker wie Michael J. Disney haben das Urknall-Paradigma für seinen Mangel an nachgewiesenen Gewissheiten kritisiert., In seiner Analyse hat der theoretische Rahmen weit weniger bestimmte Beobachtungen als freie Parameter, um sie zu optimieren—eine sogenannte „negative Bedeutung“, die für jede Wissenschaft ein alarmierendes Zeichen wäre. Wie Disney in American Scientist schreibt: „Ein Skeptiker hat das Recht zu glauben, dass eine negative Bedeutung nach so viel Zeit, Mühe und Mühe nichts anderes ist, als man von einer ständig neu bearbeiteten Folktale erwarten würde, um sie an unbequeme neue Beobachtungen anzupassen.“
Wie ich in meinem neuen Buch Metaphysical Experiments diskutiere, steckt hinter den aktuellen Problemen eine tiefere Geschichte., Die Urknallhypothese selbst entstand ursprünglich als indirekte Folge der allgemeinen Relativitätstheorie, die umgebaut wurde. Einstein hatte eine grundlegende Annahme über das Universum gemacht, dass es sowohl im Raum als auch in der Zeit statisch war, und um seine Gleichungen zusammenzufassen, fügte er eine „kosmologische Konstante“ hinzu, für die er frei zugab, dass es keine physische Rechtfertigung gab.,
Als Hubble jedoch beobachtete, dass sich das Universum ausdehnte und Einsteins Lösung keinen Sinn mehr zu ergeben schien, versuchten einige mathematische Physiker, eine grundlegende Annahme des Modells zu ändern: dass das Universum in allen räumlichen Richtungen gleich, aber zeitlich identisch war. Nicht unwesentlich hatte diese Theorie einen sehr vielversprechenden Vorteil: eine mögliche Verschmelzung von Kosmologie und Kernphysik. Könnte das mutige neue Modell des Atoms auch unser Universum erklären?,
Von Anfang an sprach die Theorie nur von den unmittelbaren Folgen eines explizit hypothetischen Ereignisses, dessen Hauptfunktion eine Grenzbedingung war, der Punkt, an dem die Theorie zusammenbricht. Die Urknalltheorie sagt nichts über den Urknall aus; Es ist eher eine mögliche hypothetische Prämisse für die Lösung der allgemeinen Relativitätstheorie.
Zusätzlich zu dieser unbestreitbaren, aber sehr produktiven Hypothese wurde Boden für Boden intakt hinzugefügt, mit stark erweiterten Skalen und neuen Diskrepanzen., Um Beobachtungen von Galaxien zu erklären, die mit der allgemeinen Relativitätstheorie unvereinbar sind, wurde die Existenz Dunkler Materie als eine unbekannte und unsichtbare Form von Materie dargestellt, die mehr als ein Viertel des gesamten Massenenergiegehalts im Universum ausmacht-vorausgesetzt natürlich, der Rahmen ist universell gültig. Im Jahr 1998, als eine Reihe von Supernova-Messungen beschleunigender Galaxien im Widerspruch zum Rahmen zu stehen schienen, entstand eine neue Theorie einer mysteriösen Kraft namens dunkle Energie, die berechnet wurde, um circa 70 Prozent der Massenenergie des Universums zu füllen.,
Der Kern des heutigen kosmologischen Paradigmas ist, dass wir akzeptieren müssen, dass 95 Prozent unseres Kosmos von völlig unbekannten Elementen und Kräften versorgt werden, für die wir überhaupt keine empirischen Beweise haben, um eine mathematisch einheitliche Theorie aufrechtzuerhalten. Damit ein Wissenschaftler von diesem Bild überzeugt ist, bedarf es eines außergewöhnlichen Glaubens an die Kraft der mathematischen Vereinigung.
Am Ende ist das Rätsel der Kosmologie das Vertrauen in den Rahmen als notwendige Voraussetzung für die Durchführung von Forschung., Mangels einer klaren Alternative, wie der Astrophysiker Disney ebenfalls feststellt, bleibt es in gewissem Sinne beim Paradigma. Es scheint pragmatischer, neue theoretische Grundlagen hinzuzufügen, als die Grundlagen zu überdenken.
Im Gegensatz zum wissenschaftlichen Ideal, der Wahrheit immer näher zu kommen, sieht es eher so aus, als ob die Kosmologie, um einen Begriff aus Technikstudien zu leihen, pathabhängig geworden ist: überbestimmt durch die Implikationen ihrer früheren Erfindungen.,
Dieser Artikel basiert auf bearbeitete Auszüge aus dem Buch Metaphysische Experimente: die Physik und die Erfindung des Universums, veröffentlicht von University of Minnesota Press.