Das eine große Problem mit allen Alternativen zu Dunkler Materie und Dunkler Energie

Egal wie sehr wir versuchen, es zu verbergen, es gibt ein enormes Problem, das uns allen ins Gesicht starrt, wenn es um das Universum geht. Wenn wir nur drei Dinge verstehen würden:

1. die Gesetze, die das Universum regieren,
2. die Komponenten, aus denen das Universum besteht,
3. und die Bedingungen, unter denen das Universum begann,

Wir wären in der Lage, das Bemerkenswerteste von allen zu tun. Wir könnten ein Gleichungssystem aufschreiben, das mit einem leistungsfähigen Computer beschreiben würde, wie sich das Universum im Laufe der Zeit entwickelt hat, um sich von diesen Anfangsbedingungen in das Universum zu verwandeln, das wir heute sehen.Jedes einzelne Ereignis, das sich in unserer kosmischen Geschichte ereignet hat — bis an die Grenzen des klassischen Chaos und des Quantenindeterminismus – könnte sehr detailliert bekannt und beschrieben werden, von den einzelnen Wechselwirkungen zwischen Quantenteilchen bis zu den größten kosmischen Skalen von allen. Das Problem, mit dem wir konfrontiert sind, wenn wir versuchen, genau das zu tun, ist, dass trotz allem, was wir über das Universum wissen, das, was wir vorhersagen und was wir beobachten, nicht ganz übereinstimmt, es sei denn, wir fügen mindestens zwei mysteriöse Zutaten hinzu: eine Art dunkle Materie und eine Art dunkle Energie. Es ist ein bemerkenswertes Rätsel zu lösen, mit dem jeder Astrophysiker rechnen muss. Während viele gerne Alternativen präsentieren, sind sie alle noch schlimmer als die unbefriedigende Lösung von dunkler Materie und Energie. Hier ist die Wissenschaft, warum.

Wir können eine ganze Reihe von Messungen durchführen, die dazu beigetragen haben, die Natur des Universums zu enthüllen. Wir haben die Umlaufbahnen der Planeten und die Ablenkung des Lichts aufgrund der Anwesenheit von Masse gemessen, was zeigte, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und nicht Newtons Gesetze der universellen Gravitation unsere Realität am besten beschreiben. Wir haben das Verhalten subatomarer Teilchen, Antiteilchen und Photonen aufgedeckt und die Quantenkräfte und -felder aufgedeckt, die unser Universum bestimmen. Wenn wir simulieren wollen, wie sich das Universum im Laufe der Zeit entwickelt hat, müssen wir die bekannten, nachweislich korrekten Gesetze auf den von uns getesteten Skalen auf den gesamten Kosmos anwenden.

Wir konnten auch eine ganze Reihe von Eigenschaften über alle Objekte messen, die wir im gesamten Universum beobachten können. Wir haben gelernt, wie Sterne leuchten und Licht emittieren, und können viel über einen Stern erzählen — wie massiv, heiß, leuchtend, alt, reich an schweren Elementen usw. – nur indem man sein Licht auf die richtige Weise betrachtet. Darüber hinaus wurden viele andere Materieformen wie Planeten, Sternleichen, ausgefallene Sterne, Gas, Staub, Plasma und sogar Schwarze Löcher identifiziert.

Wir sind auf dem besten Weg, eine Art „kosmische Zählung“ durchzuführen, bei der wir die gesamte Materie und Energie des Universums und dessen Zusammensetzung addieren können. Zusätzlich zur Materie haben wir Antimaterie in kleinen Mengen identifiziert. Es gibt keine Sterne oder Galaxien in unserem sichtbaren Universum, die aus Antimaterie anstelle von normaler Materie bestehen, aber es gibt Antimaterie-Jets, die von energiereichen natürlichen Motoren wie Schwarzen Löchern und Neutronensternen wegströmen. Es gibt auch Neutrinos, die durch das Universum rasen, winzig in der Masse, aber enorm in der Anzahl, die während des heißen Urknalls und auch durch Kernprozesse in Sternen und Sternkataklysmen erzeugt werden.

Das Problem ist natürlich, dass wenn wir alle Zutaten, die wir direkt gemessen haben, nehmen, die Gleichungen, die das Universum regieren, auf den Kosmos als Ganzes anwenden und versuchen, alles zusammenzufügen, es summiert sich nicht. Die Gesetze, die wir kennen, und die Zutaten, die wir direkt entdeckt haben, wenn sie kombiniert werden, können das Universum nicht erklären, wie wir es sehen. Insbesondere gibt es einige Beobachtungen, die sich gegenseitig ausschließen, wenn wir die Nullhypothese untersuchen wollen: Das, was wir sehen und was wir wissen, ist alles, was es gibt.

Sie haben schon einmal von dunkler Materie gehört, und der Grund, warum Sie wahrscheinlich gehört haben, dass wir sie brauchen, ist, dass „es nicht genug normale Materie gibt, um alle Auswirkungen der Schwerkraft zu erklären, die wir sehen.“ Die häufigste Frage, die Astrophysiker darüber bekommen, ist: „Nun, was ist, wenn es da draußen einfach mehr normale Materie gibt als die Arten von Materie, die wir gut erkennen können? Was ist, wenn ‚dunkle Materie‘ nur normalere Materie ist, die zufällig dunkel ist?“Das Problem mit dieser Idee ist, dass wir — aus Beobachtungen, die wir bereits haben — wissen, wie viel normale Materie insgesamt im sichtbaren Universum existiert. Das Universum war in der Vergangenheit heißer und dichter, und wenn die Dinge heiß und dicht genug waren, konnten nur freie Protonen und Neutronen existieren. Wenn sie versuchten, sich zu einer Kombination schwererer Kerne zusammenzubinden, war das Universum so energiereich, dass sie sofort auseinander gesprengt wurden. Die leichtesten Elemente, die es gibt:

• Wasserstoff (1 Proton),
• Deuterium (1 Proton und 1 Neutron),
• Helium-3 (2 Protonen und 1 Neutron),
• Helium-4 (2 Protonen und 2 Neutronen),
• und Lithium-7 (3 Protonen und 4 Neutronen)

wurden alle in den ersten 3-4 Minuten das Universum, das sich erst bildet, nachdem das Universum ausreichend abgekühlt ist, damit es nicht sofort zerstört wird.

Bemerkenswert ist, dass wir, weil die Gesetze der Physik, die die Teilchen (und die Kernfusion) regeln, so gut verstanden sind, genau berechnen können – vorausgesetzt, das Universum war einmal heißer, dichter und von diesem Zustand an ausgedehnt und abgekühlt —, wie die verschiedenen Verhältnisse dieser verschiedenen Lichtelemente aussehen sollten. Wir haben die Reaktionen sogar direkt im Labor untersucht, und die Dinge verhalten sich genau so, wie es unsere Theorie vorhersagt. Der einzige Faktor, den wir variieren, ist das Photon-zu-Baryon-Verhältnis, das uns sagt, wie viele kosmische Photonen (Lichtteilchen) es für jedes Proton oder Neutron (die Baryonen) in unserem Universum gibt.

Wir haben jetzt alles gemessen. Satelliten wie COBE, WMAP und Planck haben gemessen, wie viele Photonen es im Universum gibt: 411 pro Kubikzentimeter Raum. Dazwischenliegende Gaswolken, die zwischen uns und einer entfernten Lichtquelle wie einer leuchtenden Galaxie oder einem Quasar erscheinen, absorbieren einen Bruchteil des Lichts, während es sich durch das Universum bewegt, und lehren uns direkt die Häufigkeit dieser Elemente und Isotope. Wenn wir alles addieren, können nur ~ 5% der Gesamtenergie im Universum normale Materie sein: nicht mehr und nicht weniger.

Es gibt alle möglichen Beobachtungen, zusätzlich zu den hier erwähnten, die wir berücksichtigen müssen. Ein universelles Naturgesetz ist nicht gut, wenn es nur unter bestimmten ausgewählten Bedingungen funktioniert; Sie müssen in der Lage sein, eine Vielzahl kosmischer Phänomene zu erklären, wenn Sie möchten, dass Ihre vorgeschlagene Kosmologie ernst genommen wird. Du musst erklären:

• das kosmische Netz der Struktur, das wir in unserem Universum sehen, und wie es entstanden ist,
• die Größen, Massen und Stabilität einzelner Galaxien,
• die Geschwindigkeiten von Galaxien, die sich in Galaxienhaufen bewegen,
• die Temperaturschwankungen, die in die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung eingeprägt sind: das übrig gebliebene Leuchten des Urknalls,
• die Gravitationslinse, die um Galaxienhaufen beobachtet wird, sowohl isolierend als auch kollidierend,
• und wie sich die Expansionsrate des Universums im Laufe der Zeit genau so ändert, wie wir es beobachtet haben.

Es gibt viele andere Beobachtungen, die wir in diese Auswahl einbeziehen können, aber diese wurden aus einem bestimmten Grund ausgewählt: In einem Universum, das nur aus normaler Materie, Strahlung und Neutrinos in ihren beobachteten Mengen besteht, können wir keine dieser Beobachtungen erklären. Um das Universum, das wir sehen, zu erklären, ist etwas Zusätzliches erforderlich.

Im Prinzip könnte man sich vorstellen, dass nur eine neue Optimierung für alles verantwortlich sein könnte. Wenn wir klug genug wären, könnten wir vielleicht eine neue Zutat hinzufügen oder eine Änderung an unseren Regeln vornehmen, die all diese Beobachtungen zusammen erklären würde. Das war übrigens die ursprüngliche Idee hinter der dunklen Materie, wie sie erstmals in den 1930er Jahren von Fritz Zwicky vorgeschlagen wurde. Er war der erste, der die Geschwindigkeit von Galaxien gemessen hat, die sich in Galaxienhaufen bewegen, und fand heraus, dass es etwa 100 Mal so viel Masse geben musste, wie die Sterne ausmachen konnten. Er stellte die Hypothese auf, dass eine neue Zutat — dunkle Materie — für alles verantwortlich sein könnte.Wir wissen, dass dunkle Materie aus Beobachtungen und Experimenten aus keinem der bekannten Teilchen hergestellt werden kann, die innerhalb des Standardmodells der Physik existieren. Wir haben gelernt, dass dunkle Materie nicht schon früh heiß oder schnelllebig gewesen sein kann; Es muss entweder ziemlich massiv sein oder es muss ohne viel kinetische Energie geboren worden sein. Wir haben gelernt, dass es nicht durch die starke oder elektromagnetische oder schwache Kraft in nennenswerter Weise interagieren kann. Und wir haben gelernt, dass, wenn wir diese eine Zutat kalter dunkler Materie zum Universum hinzufügen, fast alle Beobachtungen übereinstimmen.

Mit Dunkler Materie allein können wir viele der Beobachtungen erklären, die wir ohne sie nicht erklären können. Wir bekommen ein kosmisches Web; wir erhalten Sternhaufen, die zu kleinen Galaxien verschmelzen, die zu großen Galaxien und schließlich zu Galaxienhaufen heranwachsen; wir erhalten schnell bewegende Galaxien innerhalb dieser Cluster; wir erhalten eine Trennung zwischen heißem Gas und den Auswirkungen der Schwerkraft, wenn Galaxienhaufen kollidieren; wir erhalten Galaxien, die sich außen genauso schnell drehen wie innen; Wir erhalten signifikante Gravitationslinsen, die mit Beobachtungen übereinstimmen; Wir erhalten Temperaturschwankungen, die mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund übereinstimmen und die die Wahrscheinlichkeit erklären, eine Galaxie in einer bestimmten Entfernung von einer anderen Galaxie zu finden.

Aber wir bekommen nicht alles. Dunkle Materie ist das eine zusätzliche „Ding“, das wir hinzufügen können — und es stellt sich heraus, dass es eher eine Zutat als eine Modifikation ist —, um die größte Anzahl dieser Probleme auf einmal zu lösen, aber es gibt uns nicht alles. Es löst nicht das (größere) Problem der Expansionsrate und es erklärt nicht das (kleinere) Rätsel, warum das Universum räumlich flach ist, obwohl es die normale Materie um ein Verhältnis von 5 zu 1 übertrifft. Irgendwie werden volle 2/3 der Gesamtenergie des Universums nicht berücksichtigt.

Dunkle Energie ist natürlich die zweite zusätzliche Zutat, die wir hinzufügen können, um den Rest der Beobachtungen zu erklären. Es fungiert als eine Energieform, die dem Raum selbst innewohnt und erst dann wichtig wird, wenn sich das Universum ausgedehnt hat, um verdünnt und diffus genug zu werden. Es macht heute den größten Teil der Energie des Universums aus, nachdem es in den ersten ~ 7+ Milliarden Jahren unwichtig war. Und es bewirkt, dass entfernte Galaxien eher beschleunigen als abbremsen, wenn sie sich im expandierenden Universum von uns entfernen.

Es gibt keine einzige Modifikation, die alle diese Beobachtungen zusammen erklärt. Tatsächlich löst jede andere einzelne Änderung, die Sie vornehmen können — entweder durch Ändern der Gesetze oder Hinzufügen eines neuen Inhaltsstoffs — weniger dieser Probleme als dunkle Materie oder dunkle Energie. Die meisten konkurrierenden Ideen da draußen, wie:

• die Gesetze der Schwerkraft ändern,
• dunkle Energie ein dynamisches Feld oder eine Entität sein lassen, die sich mit der Zeit entwickelt,
• oder eine Art zerfallende dunkle Materie oder frühe dunkle Energie erfinden,

haben einen (oder beide) von zwei fatalen Fehlern. Entweder benötigen sie mehr als die beiden neuen Parameter, die durch dunkle Materie und dunkle Energie hinzugefügt werden, oder sie lösen nicht alle Probleme, die das Hinzufügen von dunkler Materie und dunkler Energie löst.

In der Wissenschaft verwenden die meisten Menschen Occams Rasiermesser — die Vorstellung, dass bei der Wahl zwischen Erklärungen die einfachste normalerweise die beste ist — fälschlicherweise. Es ist nicht einfacher, die Schwerkraft zu modifizieren, als dunkle Materie und dunkle Energie hinzuzufügen, nicht wenn diese Modifikation zwei oder mehr zusätzliche Parameter erfordert. Es ist nicht einfacher, eine Art dunkle Energie einzuführen, die etwas anderes als eine kosmologische Konstante ist; Letztere ist die „Vanille“ -Klasse der dunklen Energie, die es gibt, und sie funktioniert für alles. Stattdessen müssten Sie so etwas wie eine Erklärung ausarbeiten, die nur eine neue Entität einführt und sowohl dunkle Materie als auch dunkle Energie zusammen ersetzt.So beunruhigend es auch ist, Dunkle Materie und dunkle Energie sind die einfachste Erklärung. Eine dunkle flüssige Idee selbst erfordert mehrere freie Parameter. Der neue relativistische MOND, der Anfang dieses Jahres eingeführt wurde, oder die alte Tensor-Vektor-Skalar-Gravitation von Bekenstein fügen nicht nur mindestens so viele Parameter hinzu wie dunkle Materie und dunkle Energie, aber sie können Galaxienhaufen immer noch nicht erklären. Das Problem ist nicht, dass dunkle Materie und dunkle Energie einfach richtig sein müssen. Es ist, dass alle anderen Ideen objektiv schlechter sind. Was auch immer wirklich in unserem Universum vor sich geht, wir sind es uns selbst schuldig, die Untersuchung fortzusetzen. Nur so können wir jemals wissen, wie die Natur wirklich funktioniert, einfach oder nicht.