Die einfache Antwort lautet: Nein, der Urknall ist zu keinem Zeitpunkt eingetreten. Stattdessen geschah es überall im Universum zur gleichen Zeit. Dies hat folgende Folgen:

• Das Universum hat kein Zentrum: Der Urknall fand nicht an einem Punkt statt, daher gibt es keinen zentralen Punkt in dem Universum, aus dem es sich ausdehnt.

• Das Universum dehnt sich nicht in irgendetwas aus: Weil sich das Universum nicht wie ein Feuerball ausdehnt, gibt es keinen Raum draußen das Universum, in das es expandiert.

Im nächsten Abschnitt werde ich eine grobe Beschreibung skizzieren, wie dies sein kann, gefolgt von einer detaillierteren Beschreibung für das weitere entschlossene Leser.

Eine vereinfachte Beschreibung des Urknalls

Stellen Sie sich vor, Sie messen unser aktuelles Universum, indem Sie ein Gitter mit einem Abstand von 1 Lichtjahr zeichnen. Obwohl wir dies offensichtlich nicht tun können, können Sie sich leicht vorstellen, die Erde auf (0, 0), Alpha Centauri auf (4,37, 0) zu setzen und alle Sterne auf diesem Gitter zu zeichnen. Der Schlüssel ist, dass dieses Gitter unendlich ist $ ^ 1 $ span> dh es gibt keinen Punkt, an dem Sie das Gitter nicht weiter erweitern können.

Jetzt ist die Windzeit wieder 7 Milliarden Jahre nach dem Urknall, also etwa auf halber Strecke. Unser Gitter hat jetzt einen Abstand von einem halben Lichtjahr, aber es ist immer noch unendlich - es gibt immer noch keinen Rand. Der durchschnittliche Abstand zwischen Objekten im Universum hat sich um die Hälfte verringert, und die durchschnittliche Dichte ist um den Faktor $ 2 ^ 3 $ span> gestiegen.

Wickeln Sie nun nach dem Urknall auf 0,0000000001 Sekunden zurück. Diese Zahl hat keine besondere Bedeutung. es soll nur extrem klein sein. Unser Gitter hat jetzt einen sehr kleinen Abstand, aber es ist immer noch unendlich. Egal wie nahe wir dem Urknall kommen, wir haben immer noch ein unendliches Gitter, das den gesamten Raum ausfüllt. Sie haben vielleicht Pop-Science-Programme gehört, die den Urknall als überall beschreiben, und das ist es, was sie bedeuten. Das Universum ist beim Urknall nicht auf einen Punkt geschrumpft, es ist nur so, dass der Abstand zwischen zwei zufällig ausgewählten Raumzeitpunkten auf Null geschrumpft ist.

Beim Urknall haben wir also eine sehr merkwürdige Situation, in der der Abstand zwischen jedem Punkt im Universum Null ist, das Universum aber immer noch unendlich ist. Die Gesamtgröße des Universums beträgt dann $ 0 \ times \ infty $ span>, was nicht definiert ist. Sie denken wahrscheinlich, dass dies keinen Sinn ergibt, und tatsächlich stimmen die meisten Physiker Ihnen zu. Der Urknall ist eine Singularität, und die meisten von uns glauben nicht, dass Singularitäten tatsächlich im realen Universum auftreten. Wir erwarten, dass ein gewisser Quantengravitationseffekt wichtig wird, wenn wir uns dem Urknall nähern. Im Moment haben wir jedoch keine Arbeitstheorie der Quantengravitation, um genau zu erklären, was passiert.

$ ^ 1 $ span> Wir gehen davon aus, dass das Universum unendlich ist - mehr dazu im nächsten Abschnitt

Nur für entschlossene Leser

Um herauszufinden, wie sich das Universum in der Vergangenheit entwickelt hat und was in Zukunft damit passieren wird, müssen wir Löse Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie für das gesamte Universum. Die Lösung, die wir erhalten, ist ein Objekt namens metrischer Tensor, das die Raumzeit für das Universum beschreibt.

Aber Einsteins Gleichungen sind partielle Differentialgleichungen und haben daher eine ganze Familie von Lösungen. Um die Lösung zu erhalten, die unserem Universum entspricht, müssen wir einige Anfangsbedingungen angeben. Die Frage ist dann, welche Anfangsbedingungen zu verwenden sind. Wenn wir das Universum um uns herum betrachten, stellen wir zwei Dinge fest:

1. Wenn wir über große Maßstäbe mitteln, sieht das Universum in alle Richtungen gleich aus, das heißt, es ist isotrop

2. Wenn wir über große Maßstäbe mitteln, ist das Universum überall gleich, dh es ist homogen

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Sie könnten vernünftigerweise darauf hinweisen, dass das Universum nicht sehr homogen aussieht, da es Galaxien mit einer hohen Dichte hat, die zufällig im Weltraum mit einer sehr geringen Dichte verstreut sind. Wenn wir jedoch auf Skalen mitteln, die größer als die Größe von Galaxien-Superclustern sind, erhalten wir eine konstante durchschnittliche Dichte. Wenn wir auf die Zeit zurückblicken, als der kosmische Mikrowellenhintergrund emittiert wurde (380.000 Jahre nach dem Urknall und lange bevor sich Galaxien bildeten), stellen wir fest, dass das Universum homogen zu etwa $ 1 ist $ span> Teil in $ 10 ^ 5 $ span>, was ziemlich homogen ist.

Als Anfangsbedingungen geben wir an, dass das Universum homogen ist und isotrop, und mit diesen Annahmen hat Einsteins Gleichung eine (relativ!) einfache Lösung. Tatsächlich wurde diese Lösung kurz nach der Formulierung der allgemeinen Relativitätstheorie durch Einstein gefunden und von mehreren verschiedenen Personen unabhängig voneinander entdeckt. Infolgedessen rühmt sich die Lösung des Namens Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik, obwohl diese normalerweise auf FLRW-Metrik oder manchmal auf FRW-Metrik verkürzt wird (warum Lemaître dies verpasst, weiß ich nicht genau ).

Erinnern Sie sich an das Gitter, das ich im ersten Abschnitt dieser Antwort beschrieben habe, um das Universum zu messen, und wie ich das Gitter schrumpfte, als wir in der Zeit des Urknalls zurückgingen? Nun, die FLRW-Metrik macht dies quantitativ. Wenn $ (x, y, z) $ span> ein Punkt in unserem Gitter ist, wird der aktuelle Abstand zu diesem Punkt nur durch den Satz von Pythagoras angegeben:

$$ d ^ 2 = x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2 $$ span>

Die FLRW-Metrik sagt uns Folgendes Die Entfernung ändert sich mit der Zeit gemäß der folgenden Gleichung:

$$ d ^ 2 (t) = a ^ 2 (t) (x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2) $$ span>

wobei $ a (t) $ span> eine Funktion ist, die als [Skalierungsfaktor] bezeichnet wird. Wir erhalten die Funktion für den Skalierungsfaktor, wenn wir Einsteins Gleichungen lösen. Leider hat es keine einfache analytische Form, aber es wurde in Antworten auf die vorherigen Fragen berechnet. Wie hoch war die Dichte des Universums, als es nur die Größe unseres Sonnensystems hatte? und Wie ändert sich der Hubble-Parameter mit dem Alter des Universums?. Das Ergebnis ist:



Der Wert des Skalierungsfaktors wird derzeit üblicherweise als Einheit angenommen. Wenn wir also in der Zeit zurückgehen und das Universum schrumpft, schrumpfen wir haben $ a (t) < 1 $ span> und umgekehrt, wenn sich das Universum erweitert, haben wir $ a (t) > 1 $ span>. Der Urknall passiert, weil, wenn wir zur Zeit zurückkehren, $ t = 0 $ span> der Skalierungsfaktor $ a (0) $ ist span> ist Null. Dies gibt uns das bemerkenswerte Ergebnis, dass der Abstand zu jedem Punkt im Universum $ (x, y, z) $ span> wie folgt ist:

$$ d ^ 2 (t) = 0 (x ^ 2 + y ^ 2 + z ^ 2) = 0 $$ span>

Der Abstand zwischen jedem Punkt im Universum ist also Null. Die Dichte der Materie (die Dichte der Strahlung verhält sich anders, aber lassen Sie uns das beschönigen) ist gegeben durch:

$$ \ rho (t) = \ frac {\ rho_0} {a ^ 3 (t)} $$ span>

wobei $ \ rho_0 $ span> die Dichte zum aktuellen Zeitpunkt ist, Die Dichte zum Zeitpunkt Null ist also unendlich groß. Zum Zeitpunkt $ t = 0 $ span> wird die FLRW-Metrik singulär.

Niemand, den ich kenne, glaubt, dass das Universum im Big wirklich singulär geworden ist Knall. Dies ist keine moderne Meinung: Die erste Person, von der ich weiß, dass sie öffentlich Einwände erhoben hat, war Fred Hoyle, und er schlug Steady State Theory vor, um die Singularität zu vermeiden. Heutzutage wird allgemein angenommen, dass ein Quantengravitationseffekt verhindern wird, dass die Geometrie singulär wird. Da wir jedoch keine Arbeitstheorie zur Quantengravitation haben, weiß niemand, wie dies funktionieren könnte.

Fazit: Der Urknall ist das Nullzeitlimit der FLRW-Metrik, und es ist eine Zeit, in der der Abstand zwischen jedem Punkt im Universum Null wird und die Dichte unendlich wird. Es sollte klar sein, dass wir den Urknall nicht mit einem einzelnen räumlichen Punkt verknüpfen können, da der Abstand zwischen allen Punkten Null war, sodass der Urknall an allen Punkten im Raum stattfand. Aus diesem Grund wird allgemein gesagt, dass der Urknall überall passiert ist.

In der obigen Diskussion habe ich das Universum mehrmals beiläufig als unendlich bezeichnet, aber ich meine wirklich, dass es keinen Vorteil haben kann. Denken Sie daran, dass wir davon ausgehen, dass das Universum homogen ist, d. H. Überall gleich ist. Wenn dies zutrifft, kann das Universum keine Kante haben, da sich Punkte an der Kante von Punkten unterscheiden, die von der Kante entfernt sind. Ein homogenes Universum muss entweder unendlich sein oder es muss geschlossen sein, d. H. Die räumliche Topologie einer 3-Kugel haben. Die jüngsten Planck-Ergebnisse zeigen, dass die Krümmung innerhalb des experimentellen Fehlers Null ist. Wenn das Universum geschlossen ist, muss die Skala weitaus größer sein als das beobachtbare Universum.

Meine Ansicht ist einfacher und beobachtender.

Beobachtungen besagen, dass sich der aktuelle Zustand des beobachtbaren Universums ausdehnt: dh Galaxienhaufen ziehen sich alle von unserer Galaxie und voneinander zurück.

Die einfachste Funktion, um diese Beobachtung anzupassen, ist Eine Funktion, die eine Explosion im vierdimensionalen Raum beschreibt. So kam der Urknall in unsere Welt.

Es gibt Experten für explosive Trümmer, die den Punkt rekonstruieren können, an dem die Explosion in einer dreidimensionalen Explosion stattgefunden hat. In vier Dimensionen führt die Funktion, die die Expansion des Raums beschreibt, auch zu dem Schluss, dass es einen Anfang des Universums gibt, von dem aus wir die Zeit nach dem Urknall zählen.

Das BB-Modell hat überlebt und wurde so modifiziert, dass es der Beobachtung der Homogenität (Quantenfluktuationen vor 10 sup> Sekunden) und der Beobachtung entspricht, dass sich die von uns gemessene Expansion zu beschleunigen scheint (die Öffnen des Kegels im Bild)

^{Quelle sup>}

Beachten Sie, dass auf dem Bild die Nullpunkte des "Urknalls" "unscharf" sind. Das liegt daran, dass es vor 10 Sekunden bis 32 Sekunden, in denen erwartet wird, dass quantenmechanische Effekte dominieren, keine endgültige Theorie gibt, die sowohl die allgemeine Relativitätstheorie als auch die Quantenmechanik verbindet. Es gibt eine effektive Quantisierung der Schwerkraft, aber die Theorie hat kein solides Modell gefunden.

Daher ist eine Extrapolation mit einem mathematischen Modell - abgeleitet aus vollständig klassischen Gleichungen - auf die Region, in der der "Ursprung" des Universums dort war, wo wir wissen, dass eine quantenmechanische Lösung erforderlich ist ist nicht garantiert.

Nehmen Sie das Beispiel des Potentials um eine Punktladung. Das klassische elektrodynamische Potential lautet $ \ frac {1} {r} $ span>, was bedeutet, dass bei $ r = 0 $ span> Das Potenzial ist unendlich. Wir wissen jedoch, dass bei Entfernungen, die kleiner als ein Fermi sind, quantenmechanische Effekte auftreten: Obwohl das Elektron eine Punktladung ist, existieren keine Unendlichkeiten. In ähnlicher Weise erwartet man, dass eine definitive quantisierte Schwerkraft, die mit dem Modell der anderen Kräfte vereinigt ist, Unendlichkeiten vermeidet, was die Unschärfe an dem im Bild des BB gezeigten Ursprung rechtfertigt.

Zusammenfassend in der Lösung der klassischen relativistischen Mechanik Beim Urknall gab es eine "Anfangspunkt-Singularität", die, als sich das Universum aus der vierdimensionalen Explosion ausdehnte, der Vorfahr in der Zeitleiste jedes Punktes in unserem heutigen Universum ist. Die Oberfläche einer Ballonanalogie ist nützlich: Die Punkte der zweidimensionalen Oberfläche können zu Beginn der Blasausdehnung auf einen ursprünglichen "Punkt" extrapoliert werden, aber alle Punkte waren am Anfang vorhanden.

Die Notwendigkeit für eine quantenmechanische Lösung für Entfernungen von weniger als 10 ^ -32, die aufgrund der extremen Homogenität der Cosmic Microwave Background-Strahlung erforderlich sind, wird bestätigt, dass für den Anfang quantenmechanische Effekte erforderlich sind, die den Anfang unscharf machen. Die Physiker arbeiten immer noch an der Quantisierung der Schwerkraft, um zu extrapolieren, was "wirklich passiert" ist.

Nachtrag von Gerold Broser

Es gibt zwei weitere Abbildungen:

• Naturforschung: Box: Zeitleiste des inflationären Universums , nature.com, 15. April 2009

_{(Quelle: nature.com) sub>}

• Kavli-Institut für Partikelastrophysik und Kosmologie (KIPAC): Inflation , Stanford University, 31. Juli 2012

Bearbeiten da eine Frage gestellt wurde, ein Duplikat der oben genannten:

War die Singularität beim Urknall ein schwarzes Loch? [duplicate]

Singularitäten des Schwarzen Lochs stammen aus den Lösungen der allgemeinen Relativitätstheorie und beschreiben im Allgemeinen sehr große Massen, die die Raumzeit verzerren und einen Horizont haben, nach dem nichts mehr herauskommt und alles endet mit der Singularität, wobei die Details von der verwendeten Metrik abhängen. Sie sehen oben in der Geschichte des Universumsbildes, dass die Beschreibung im vorherigen Satz nicht zum Universum passt. Galaxien und Galaxienhaufen treten voneinander zurück, was zum Urknallmodell führte, und außerdem beschleunigt sich die Expansion, wie im Bild gezeigt.

Die Urknallmathematik folgt also nicht dem Schwarzen Loch Mathematik.

Die Antwort ist, dass wir es nicht wissen. Warum? Weil die Gravitationstheorie, die wir haben und verwenden, GR, eine Singularität hat. Dinge, die in einer physikalischen Theorie endlich sein sollten, wie die Dichte, werden unendlich. Und Theorien mit einer Singularität sind einfach falsch, sie brauchen eine Modifikation, und diese Modifikation ist nicht nur an der Singularität selbst notwendig, sondern bereits in einer Umgebung dieser Singularität.

Darüber hinaus wissen wir bereits aus unabhängigen Gründen, dass eine Modifikation notwendig ist: Wenn man mal $ 10 ^ {- 44} $ s nach der Singularität betrachtet, wird die Quantengravitation wichtig, was eine unbekannte Theorie ist.

Und wir haben auch empirische Beweise dafür, dass das trivialste Modell, das auf etablierten Theorien basiert (GR mit SM für Materie), versagt: Es ist das sogenannte Horizontproblem. Für seine Lösung ist eine beschleunigte Expansion im sehr frühen Universum erforderlich. Man kann Modelle vorschlagen, die zu einer solchen Erweiterung führen, die auf der Partikeltheorie basiert, Theorien, die normalerweise als "Inflation" bezeichnet werden (imho sehr irreführend, wie ich hier erkläre), aber sie verwenden normalerweise spekulative Erweiterungen des SM wie GUTs , Supersymmetrie, Strings und so weiter. Selbst die Details einer Partikeltheorie, die zu Inflation führen würde, sind unbekannt.

Obwohl die Urknalltheorie gut etabliert ist, haben wir nicht viel Grund zu der Annahme, dass alles so dicht ist wie in der Sonne, und ich würde sagen, zuverlässig, wenn es so dicht ist wie in einem Neutronenstern Theorien bleiben für viel höhere Dichten anwendbar, und schon gar nicht für die unendliche Dichte.

Rein mathematisch kann man auch nichts über die Singularität selbst sagen.Wenn man zum Beispiel die Metrik in den üblichsten FLRW-Koordinaten $ ds ^ 2 = d \ tau ^ 2-a ^ 2 (\ tau) (dx ^ 2 + dy ^ 2 + dz ^ 2) $ berücksichtigt, dann ist dieSingularität wäre ein ganzes $ \ mathbb {R} ^ 3 $.Die Grenze des Abstands zwischen den Punkten wäre Null (was der Grund ist, warum man normalerweise das Bild mit einer Punktsingularität bevorzugt).Andererseits bleibt die Grenze dessen, was ein Punkt, der sich in Richtung der Singularität bewegt, in seiner Zukunft kausal beeinflussen kann (ohne Inflation), eine kleine Region, die in keiner Weise dazu neigt, das gesamte Universum abzudecken, was einem ganzen Dollar viel besser entspricht\ mathbb {R} ^ 3 $ Raum Singularität.

Die Explosion, die Sie gesehen haben, ist eine 4-dimensionale Darstellung des Universums.Wenn wir das Universum in 4D darstellen, dann war der Urknall an einem Punkt passiert und dehnt sich als hohle Kugel aus.Aber in 3D hätte der Urknall in jedem Punkt des Universums passieren sollen und dehnt sich in alle Richtungen aus.Diese Interpretation verwendet das Friedman-Modell des Universums.

Lassen Sie mich zusätzlich zu den Aussagen der anderen eine einfache Analogie für die Expansion des Universums erläutern.

Betrachten Sie einen Ballon, dessen Oberfläche als Universum betrachtet wird.Zeichnen wir Punkte auf den Ballon, die Galaxien symbolisieren.Jetzt blase den Ballon.Alle Galaxien beginnen sich voneinander zu trennen.Angenommen, Sie befinden sich in einer der Galaxien.Sie werden alle Galaxien beobachten, die sich von Ihnen entfernen, und Sie werden zu dem Schluss geführt, dass Sie sich im Zentrum des Universums befinden.Dies würde jede Galaxie beobachten.Deshalb ist there kein Zentrum für die Expansion des Universums.

Ich hoffe, Ihnen hat meine Analogie gefallen.

[Anmerkung der Redaktion: Diese Antwort sollte ein Kommentar zu @ good_ole_rays Kommentar zu John Rennie sein, aber das Kommentarlimit von 600 Zeichen ... Sie wissen.]

Re " Galaxien scheinen sich von einem gemeinsamen Zentrum zu entfernen "

"gemeinsames Zentrum" ist angemessener als man auf den ersten Blick denkt.

Sicher, es ist nicht diese Art von Zentrum, das 99% der Menschen als solches verstehen: ein einzelner Punkt, der von anderen Punkten umgeben ist, wobei die äußersten Punkte idealerweise gleich weit vom Zentrum entfernt sind, dh Dinge, die als Kugel, Kugel, Kugel, Globus bekannt sind oder Schüssel, hohl oder nicht, spielt keine Rolle.

Das Zentrum, von dem ich hier spreche, ist so "häufig" im Sinne von "Gelenk", weil alle vorhandenen Punkte in unserem Universum dieses Zentrum sind.

Es ist leichter zu verstehen, wenn man sich das junge Universum vorstellt, das am Anfang eher winzig ist. Es sah dann eher nach einem Punkt aus, wie wir ihn aus unserem täglichen Leben kennen.

Aber es hat sich weiterentwickelt, es hat sich erweitert und es hat sich so erweitert, dass zwischen zwei beliebigen Punkten (oder Raumeinheiten) ein weiterer Punkt (oder eine Einheit von Raum) entstanden ist. Ein solches "Drücken" der früheren zwei Punkte (oder Raumeinheiten) voneinander weg.

Und dies geschieht seit 13,7 Milliarden Jahren an jedem Punkt des Universums, so dass die Punkte, die einmal eins waren, jetzt viele sind. Oder mit anderen Worten: Jeder der Punkte ist jetzt weit entfernt von jedem der anderen Punkte, die sich einmal an derselben Position befanden. Aber sie sind immer noch das Zentrum, weil sie einst das Zentrum waren. Diese Eigenschaft hat sich nicht geändert, weil sie sich aufgrund einer ordnungsgemäßen Bewegung nicht bewegt haben, sondern weil zwischen ihnen ein neuer Raum entstanden ist.

Und warum ist das so? Weil der Urknall keine Explosion im gesunden Menschenverstand war. Da gab es keinen Raum, in den etwas hätte explodieren können. Raum und Zeit begannen erst mit dem Urknall zu existieren.

Im kleinen Maßstab geschieht dies auch langsam. Der neueste Wert des Hubble-Parameters ist $ 71 _ {- 3.0} ^ {+ 2.4} \ frac {km} {Mpc \ cdot s} $ Spannweite>, die im kleinen Maßstab eher klein ist (wenn man eine AU [~ 150 m km] für klein hält - aber im Vergleich zu astronomischen Dimensionen, die sowieso noch winzig sind):

$$ 1 \ space Mpc = 3.09 \ cdot 10 ^ {22} \ space m $$ span> $$ 1 \ space AU = 1.5 \ cdot 10 ^ {11} \ space m $$ span>

Die (theoretische) Zunahme der durchschnittlichen Entfernung zwischen Sonne und Erde aufgrund der Expansion des Universums kann also auf

$$ v _ {\ Delta {AU}} = 3,44 \ cdot 10 ^ {- 7} \ space \ frac {m} {s} = 10,86 \ space \ frac { m} {yr}. $$ span>

Aber da dies so lange geschah, wurde der frühere kleine Maßstab überall groß, außer in der Nähe unserer Galaxie (oder genauer gesagt: in der Nähe eines [subjektiven] Beobachtungspunkts im Universum). Und seien Sie sich bewusst, dass dies nur für den Raum selbst gilt. Es bedeutet nicht, dass die Erde tatsächlich von der Sonne wegdriftet oder dass Sie sich ständig von Ihren Lieben entfernen und umgekehrt. Denken Sie daran, es gibt Schwerkraft, die schwächste der vier fundamentalen Wechselwirkungen nach ihren Faktoren

$$ m_1 \ cdot m_2 \ cdot \ frac {1} {r ^ 2} $$ span>

aber am unerbittlichsten, wenn es um Massen geht.

" Galaxien scheinen sich von einem gemeinsamen Zentrum zu entfernen " gilt auch nicht für alle Galaxien, die von einem Beobachtungspunkt aus beobachtet werden. Beispielsweise sind die Spektrallinien der Andromeda-Galaxie bläulich verschoben. Das heißt, es ist nah genug an uns, dass seine Eigenbewegung zu uns größer ist als die Abwanderung von uns, die durch die Expansion des Universums verursacht wird:

Andromeda ( $ 300 ± 4 \ frac {km} {s} $ span>)
← ----------------------------
⊙
␣ --- →
Expansionsgeschwindigkeit bei 2,5 m ly, der Entfernung von Andromeda (~ $ 54,42 \ frac {km} {s} $ span>)

Legende: - ≙ $ 10 \ frac {km} {s} $ span>

[Schlussbemerkung: Nun, das waren etwas mehr als 600 Zeichen.]

P.S.: @good_ole_ray Ich hoffe, Sie haben die Möglichkeit, dies zu lesen, bevor es als nicht angemessen oder noch schlimmer markiert wird, da es die ursprüngliche Frage nicht wirklich anspricht.