Früher waren die Gesetze der Physik anders, was möglicherweise erklärt, warum Sie existieren

Früher waren die Gesetze der Physik anders, was möglicherweise erklärt, warum Sie existieren

Zeitstempel: 6. Juni 2023, 12:59 Uhr
Quellknoten: 2704958
06. Juni 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Laut einer verblüffenden Studie von Astronomen der University of Florida müssen die Gesetze der Physik zu Beginn des Universums anders gewesen sein als heute. Sie liefert Hinweise darauf, warum sich im Universum Sterne, Planeten und das Leben selbst gebildet haben Universum. Nachdem die Wissenschaftler die Verteilung von satten Millionen, Billionen Galaxiengruppen analysiert hatten, entdeckten sie, dass physikalische Gesetze einst einen Satz von Formen gegenüber ihren Spiegelbildern bevorzugten. Es ist, als ob das Universum selbst rechtshändige Dinge gegenüber linkshändigen Dingen bevorzugte oder umgekehrt. Die Erkenntnisse, die teilweise durch den Supercomputer HiPerGator von UF ermöglicht wurden, tragen zur Erklärung der vielleicht größten Frage der Kosmologie bei: Warum existiert etwas? Das liegt daran, dass eine gewisse Händigkeit in den frühesten Momenten der Schöpfung notwendig ist, um zu erklären, warum das Universum aus Materie besteht, dem Stoff, aus dem alles besteht, was wir sehen. Die Ergebnisse tragen auch dazu bei, einen zentralen Grundsatz der Urknalltheorie über die Entstehung des Universums zu bestätigen. „Ich habe mich schon immer für große Fragen zum Universum interessiert. Was ist der Anfang des Universums? Nach welchen Regeln entwickelt es sich? Warum gibt es etwas und nicht nichts?“ sagte Zachary Slepian, ein UF-Astronomieprofessor, der die neue Studie betreute. „Diese Arbeit befasst sich mit diesen großen Fragen.“ Slepian arbeitete mit dem UF-Postdoktoranden und Erstautor der Studie, Jiamin Hou, und dem Physiker Robert Cahn vom Lawrence Berkeley National Laboratory zusammen, um die Analyse durchzuführen. Das Trio veröffentlichte seine Ergebnisse in der Zeitschrift Monatliche Mitteilungen der Royal Astronomical Society („Messung von Paritäts-ungeraden Moden in der großräumigen 4-Punkt-Korrelationsfunktion der zwölften Datenveröffentlichung von CMASS- und LOWZ-Galaxien des Sloan Digital Sky Survey Baryon Oscillation Spectroscopic Survey“).

Spiegelbild

Ihre Studie sollte nach Verstößen gegen ein Konzept suchen, das in der Physik als „Paritätssymmetrie“ bekannt ist und sich auf spiegelbildliche Reflexionen bezieht, die der Links- oder Rechtshändigkeit ähneln. Man kann sagen, dass viele Dinge in der Physik eine Händigkeit haben, wie zum Beispiel der Spin eines Elektrons. Den Gesetzen der heutigen Physik ist es jedoch normalerweise egal, ob dieser Spin links- oder rechtshändig ist. Diese gleiche oder symmetrische Anwendung der Gesetze der Physik unabhängig von der Händigkeit wird als Paritätssymmetrie bezeichnet. Das einzige Problem besteht darin, dass die Paritätssymmetrie irgendwann gebrochen worden sein muss. Um zu erklären, wie das Universum mehr Materie als Antimaterie geschaffen hat, ist eine uralte Paritätsverletzung – eine Art Vorliebe für Rechts- oder Linkshänder in der fernen Vergangenheit – erforderlich. Wenn die Paritätssymmetrie während des Urknalls erhalten geblieben wäre, hätten sich gleiche Teile von Materie und Antimaterie vereint, einander vernichtet und das Universum völlig leer hinterlassen. In einem kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichten Artikel schlugen Slepian, Hou und Cahn daher einen erfinderischen Weg vor, um nach Beweisen dafür zu suchen, dass die Parität während des Urknalls tatsächlich verletzt wurde. Ihre Idee war, sich jede mögliche Kombination von vier Galaxien am Nachthimmel vorzustellen. Verbindet man diese vier Galaxien durch imaginäre Linien miteinander, erhält man eine schiefe Pyramide, einen Tetraeder. Dies ist die einfachste 3D-Form, die möglich ist – und damit die einfachste Form, die ein Spiegelbild aufweist, der Schlüsseltest für Paritätssymmetrie. Ihre Methode erforderte die Analyse einer Billion möglicher Tetraeder für jede von einer Million Galaxien, eine unglaubliche Anzahl von Kombinationen. „Irgendwann wurde uns klar, dass wir neue Mathematik brauchten“, sagte Slepian. Deshalb entwickelte Slepians Team ausgefeilte mathematische Formeln, die es ermöglichten, die umfangreichen Berechnungen in einem angemessenen Zeitraum durchzuführen. Es erforderte immer noch eine beträchtliche Menge an Rechenleistung. „Die einzigartige Technologie von UF, die wir hier mit dem HiPerGator-Supercomputer und seinen fortschrittlichen GPUs haben, ermöglichte es uns, die Analyse tausende Male mit unterschiedlichen Einstellungen durchzuführen, um unser Ergebnis zu testen“, sagte er. Slepians Gruppe entdeckte, dass das Universum der Materie, aus der schließlich die heutigen Galaxien wurden, tatsächlich schon früh eine Vorliebe für links- oder rechtsdrehende Materie eingeprägt hatte. (Aufgrund der komplexen Mathematik lässt sich allerdings nur schwer sagen, ob diese Präferenz Rechts- oder Linkshändigkeit galt.) Sie stellten ihre Ergebnisse mit einem Grad an Sicherheit fest, der als Seven Sigma bekannt ist und ein Maß dafür ist, wie unwahrscheinlich es ist, das Ergebnis zu erzielen allein auf dem Zufall beruhend. In der Physik gilt ein Ergebnis mit einer Signifikanz von fünf Sigma oder höher typischerweise als zuverlässig, da die Wahrscheinlichkeit eines zufälligen Ergebnisses auf dieser Ebene verschwindend gering ist. Eine ähnliche Analyse, die von einem ehemaligen Mitglied des Slepian-Labors unter Verwendung der von Slepian, Cahn und Hou vorgeschlagenen Methode durchgeführt wurde, ergab die gleiche universelle Händigkeitspräferenz, allerdings mit etwas geringerer statistischer Sicherheit aufgrund von Unterschieden im Studiendesign. Es bleibt möglich, dass die Unsicherheit in den zugrunde liegenden Messungen die Asymmetrie erklären könnte. Glücklicherweise könnten viel größere Galaxienproben von Teleskopen der nächsten Generation genügend Daten liefern, um diese Unsicherheiten in nur wenigen Jahren zu beseitigen. Slepians Gruppe an der UF wird ihre Analyse dieser neuen, robusteren Daten als Teil des Teleskopteams des Dark Energy Spectroscopic Instrument durchführen. Dies ist nicht das erste Mal, dass eine Paritätsverletzung entdeckt wurde, aber es ist der erste Beweis für eine Paritätsverletzung, die sich auf die dreidimensionale Ansammlung von Galaxien im Universum auswirken könnte. Eine der fundamentalen Kräfte, die schwache Kraft, verletzt ebenfalls die Parität. Aber seine Reichweite ist äußerst begrenzt und es kann weder die Größe von Galaxien beeinflussen noch die Fülle an Materie im Universum erklären. Dieser universelle Einfluss würde erfordern, dass genau zum Zeitpunkt des Urknalls eine Paritätsverletzung auftritt, eine Periode, die als Inflation bekannt ist. „Da eine Paritätsverletzung dem Universum nur während der Inflation eingeprägt werden kann, liefert das, wenn das, was wir herausgefunden haben, wahr ist, einen eindeutigen Beweis für die Inflation“, sagte Slepian. Die Ergebnisse von Slepians Labor können noch nicht erklären, wie sich die Gesetze der Physik verändert haben, was neue Theorien erfordert, die über das Standardmodell hinausgehen, eine Theorie, die unser aktuelles Universum erklärt.

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