5 unerklärliche Geheimnisse des Universums

Manche Fragen zum Universum können schnell von der Physik weg in den Bereich der Philosophie geraten. Was war vor dem Urknall? Warum gibt es etwas und nicht nichts?

Glücklicherweise lassen sich einige der größten unbeantworteten Fragen der Physik recht gut als Phänomene einordnen, die durch das Standardmodell der Teilchenphysik nicht erklärt werden.

Im Wesentlichen ist das Standardmodell die derzeit beste Theorie, um die grundlegendsten Bausteine ​​des Universums zu erklären. Es erklärt, dass alle Materie aus winzigen Teilchen besteht, die Quarks und Leptonen genannt werden, und wie andere Teilchen Kraft tragen.

Aber das Standardmodell erklärt nicht alles. Es erklärt weder die Schwerkraft noch die Phänomene der dunklen Materie oder der dunklen Energie.

Im Folgenden sind einige der herausragendsten und immer noch ungelösten Geheimnisse des Universums aufgeführt, die das Standardmodell nicht erklärt hat.

Wo ist die ganze Antimaterie?

Am Anfang des bekannten Universums stand der Urknall, ein Ereignis vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, von dem angenommen wird, dass alle bekannte Materie entstanden ist.

Wissenschaftler glauben, dass der Urknall die gleiche Menge an Materie und Antimaterie hätte produzieren müssen.

Ein Antimaterie-Teilchen hat die gleiche Masse wie sein normales Gegenstück, außer dass seine elektrische Ladung und einige andere Eigenschaften entgegengesetzt sind. Sie werden als Paar produziert, und wenn sie kollidieren, verwandeln sie sich in reine Energie und werden vernichtet.

Aber heute sehen Wissenschaftler überall, wo sie hinschauen, ein Universum, das fast vollständig aus normaler Materie besteht. Es gibt immer noch keine adäquate Theorie, um zu erklären, wohin die gesamte Antimaterie ging, aber Experimente haben gezeigt, dass die Gesetze der Physik laut der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) nicht gleichermaßen für Materie und Antimaterie gelten. Physiker wollen immer noch wissen, warum.

Was ist dunkle Energie?

In den 90er Jahren dachten Physiker, dass das Universum im Laufe der Zeit eines von zwei Dingen tun würde: Erstens würde es irgendwann zusammenbrechen, weil es so viel Zeug darin hat; Zweitens würde es sich weiter ausdehnen, aber seine Dichte würde dazu führen, dass es sich mit der Zeit verlangsamt.

Aus diesem Grund waren sie verwirrt, als Beobachtungen weit entfernter Supernovae zeigten, dass sich das Universum nicht nur noch ausdehnte, sondern sich beschleunigte.

Die Ursache dieser Beschleunigung ist noch unbekannt. “Dunkle Energie” ist wirklich nur ein Platzhaltername für die Ursache.

Wissenschaftler versuchten einmal zu berechnen, dass dunkle Energie durch ein- und ausbrechende Teilchen verursacht wird, aber sie kamen auf eine Zahl, die so groß ist, dass sie 120 Nullen hatte und wie die NASA sagt: “Es ist schwer, eine so schlechte Antwort zu bekommen.”

Einige Theorien von Einstein besagen, dass es möglich ist, dass mehr Raum einfach entsteht, und dass dieser Raum nicht leer ist, sondern tatsächlich Energie trägt – bekannt als kosmologische Konstante. Aber es ist nicht klar, warum es das überhaupt geben sollte, geschweige denn, warum es die Stärke hat, die es hat. Andere meinen, eine völlig neue Gravitationstheorie sei nötig, aber wie könnte eine solche Theorie dieses fehlende Stück erklären und gleichzeitig genau erklären, wie sich die Planeten des Sonnensystems bewegen? Das Geheimnis geht weiter.

Was ist dunkle Materie?

Dann gibt es den Zwilling der dunklen Energie, die dunkle Materie. Dunkle Materie wird benötigt, um zu erklären, warum Sterne ihre Galaxien schneller umkreisen als sie sollten und warum Licht durch die Schwerkraft unsichtbarer Objekte gebeugt wird.

Die NASA sagt, dass es besser ist, dunkle Materie in Bezug auf das zu betrachten, was sie nicht ist: Wir wissen, dass wir sie nicht direkt sehen, sodass Sterne und Planeten ausgeschlossen sind; es ist keine dunkle normale Materie, denn wir könnten sehen, wie diese Wolken Strahlung absorbieren; es ist keine Antimaterie, denn wir würden Gammastrahlen erkennen, wenn diese Antimaterie mit normaler Materie kollidiert; und es sind keine großen schwarzen Löcher, basierend darauf, wie viele Gravitationslinsen wir sehen.

Die vorherrschende Theorie besagt, dass dunkle Materie aus einigen hypothetischen exotischen Teilchen besteht.

Wissenschaftler gehen davon aus, dass dunkle Energie und dunkle Materie zusammen etwa 95 Prozent des bekannten Universums ausmachen. Nur 5 Prozent sind alles, was wir direkt beobachten können.

Mike Boylan-Kolchin, außerordentlicher Professor an der Abteilung für Astronomie der University of Texas in Austin, sagte Nachrichtenwoche: „Der limitierende Faktor bei der Erforschung der Dunklen Materie ist, dass die einzige bestätigte Art und Weise, wie sie mit dem Rest des Universums interagiert, die Schwerkraft ist, und die Schwerkraft ist auf Skalen, in denen wir direkte Experimente durchführen können, wirklich schwach.

„Wir haben einige Möglichkeiten. Wir können hoffen, durch Experimente auf der Erde beim ‚direkten Nachweis‘ von Dunkler Materie Glück zu haben, aber diese zielen im Allgemeinen darauf ab, sehr spezifische Kandidatenteilchen zu finden, die spezifische Wechselwirkungen mit normaler Materie haben. Diese Experimente sind enorm empfindlich.“ und beeindruckend, aber es gibt keine Garantie, dass irgendeiner von ihnen in der Lage ist, Dunkle Materie zu erkennen, da wir nicht wissen, was es ist!”

Was ist die Masse eines Neutrinos?

Noch vor ein paar Jahrzehnten dachten Wissenschaftler, Neutrinos – winzige Teilchen, die überall sind, aber auch extrem schwer zu entdecken sind, da sie kaum mit irgendetwas interagieren – hätten keine Masse.

Physiker entdeckten später, dass sie tatsächlich Masse haben müssen, da sie sich im Laufe der Zeit in verschiedene Neutrinotypen verwandeln, und dies konnten sie nur tun, wenn Masse beteiligt war, so die All Things Neutrino-Website des Fermi National Accelerator Laboratory.

Dann stellten Wissenschaftler in Deutschland fest, dass es eine Obergrenze für die Masse eines Neutrinos gibt – etwas mehr als ein Elektronvolt, also etwa 500.000 Mal weniger als ein Elektron.

Aber wir wissen immer noch nicht genau, wie viel sie wiegen. Bryce Littlejohn, ein Neutrinoforscher am Illinois Institute of Technology, sagte Nachrichtenwoche: „Wir wissen nicht einmal, wie viel sie wiegen. Das sind ziemlich grundlegende Informationen, die wir über alle anderen Standardmodell-Teilchen wissen – sogar das Higgs-Boson, das erst vor einigen Jahren zum ersten Mal gemessen wurde!

“Wir wissen, dass sie Masse haben, da wir das geschmacksverändernde Verhalten von Neutrinos messen konnten, das durch den Unterschied der Neutrinomassen bestimmt wird, aber wir kennen die absolute Größenordnung dieser Massen nicht.”

Apropos Masse…

Was ist Schwerkraft?

Alles im Universum mit Masse hat Gravitation – eine Kraft, die andere Dinge mit Masse anzieht. Das Standardmodell erklärt nicht, was Gravitation ist, ebenso wenig wie Einsteins Relativitätstheorie.

Ein Aspekt des Problems besteht darin, dass alle anderen Naturkräfte – der Elektromagnetismus und die starken und schwachen Kernkräfte – quantisiert sind. Dies bedeutet, dass sie laut BBC eher in “Stücken” als in kontinuierlichen Mengen kommen Wissenschaftsfokus Zeitschrift.

Wissenschaftler haben sich gefragt, ob es möglich ist, eine Quantentheorie der Gravitation zu entwickeln, die sie mit den anderen Kräften zusammenbringt, aber bisher war dies nicht möglich.

Eine Theorie besagt, dass die Schwerkraft in Stücken von einem winzigen Teilchen namens Graviton abgegeben werden kann. Diese wurden aber noch nie beobachtet.