Endless Universe: Beyond the Big Bang by Paul J. Steinhardt (PDF)

Description

Two world-renowned scientists present an audacious new vision of the cosmos that “steals the thunder from the Big Bang theory.” —Wall Street JournalThe Big Bang theory—widely regarded as the leading explanation for the origin of the universe—posits that space and time sprang into being about 14 billion years ago in a hot, expanding fireball of nearly infinite density. Over the last three decades the theory has been repeatedly revised to address such issues as how galaxies and stars first formed and why the expansion of the universe is speeding up today. Furthermore, an explanation has yet to be found for what caused the Big Bang in the first place.In Endless Universe, Paul J. Steinhardt and Neil Turok, both distinguished theoretical physicists, present a bold new cosmology. Steinhardt and Turok “contend that what we think of as the moment of creation was simply part of an infinite cycle of titanic collisions between our universe and a parallel world” (Discover). They recount the remarkable developments in astronomy, particle physics, and superstring theory that form the basis for their groundbreaking “Cyclic Universe” theory. According to this theory, the Big Bang was not the beginning of time but the bridge to a past filled with endlessly repeating cycles of evolution, each accompanied by the creation of new matter and the formation of new galaxies, stars, and planets.Endless Universe provides answers to longstanding problems with the Big Bang model, while offering a provocative new view of both the past and the future of the cosmos. It is a “theory that could solve the cosmic mystery” (USA Today).

User’s Reviews

Reviews from Amazon users which were colected at the time this book was published on the website:

⭐This book is about the ekpyrotic model for the evolution of our universe. It states that about every trillion years or so our universe recycles itself.As the authors say in their glossary “ekpyrosis: a collision between two branes that produces a flat, expanding universe filled with matter and radiation, with a nearly scale-invariant distribution of density inhomogeneities.” It is a competing theory to the better known inflationary model of the universe. Both the authors are practicing cosmologists with Steinhardt at Princeton and Turok at the Perimeter Institute. Steinhardt made early contributions to the inflationary model in the early 1980’s and is therefore well aware of the strengths and weaknesses of the inflationary model. This is a well written book and was a pleasure to read. If you are interested in cosmology this book is a must for you. The level of this book is such that any interested high school student should have no trouble reading this book. This book is written in a casual style and mentions how the authors first got the idea for their theory while they were both attending a lecture on the overview of string theory. They both went up to the speaker after his talk and asked him questions about strings and branes. Later the authors met at a small physics conference in Finland and started to work out the details their theory. The book describes the various questions that must be overcome such as flatness and thermodynamics. In the past various cyclic models of the universe have been proposed but they were later shown to have flaws. In careful precise wording they explain how they were able to overcome all the previous questions with their new model. As expected they describe very well the inflationary model since the book compares the two models closely. One of the main differences being that their model has small if any primordial gravitational waves which have been in the news since March 2014 because of the BICEP2 cosmic microwave radiation data which initially claimed to have observed these gravitational waves to only latter say that their results could also be explained by galactic dust. The physics community awaits further data on this subject. Steinhardt has been a public vocal critic of inflation going so far to say that it isn’t even science since one can get just about any prediction from the theory since it is so general in nature. This is also discussed in the book. My disagreement with the theory is that it is based on string theory and brane theory. There have been no experimental tests that have every shown that string and brane theory have anything to do with reality. There are two wonderful books that show the problems with string theory. They are Lee Smolin’s “The Trouble with Physics” and Peter Woits “Not Even Wrong”. If anything since this book was written string theory has lost some of the luster it had back in 2007. Nevertheless I would recommend this book since it is quite educational and very well written.

⭐No matter how long, deep and hard we dwell on existence of the Universe, it is impossible to avoid concept of infinity. What (or Who) is able to be eternal? If this is God, then not Universe. If Universe is such, then there is no need for God. Interestingly authors briefly muse about it in the middle of the book. Saying this and taking theology/philosophy aside I highly appreciate the huge effort taken by both scientists to present their quite stunning, and as for today, extravagant theory – theory challenging inflation. It was easier for me to comprehend Inflationary models (for example in Vilenkin’s “Many Worlds in One”). Endless Cycling model is by far the most difficult one, since it is based on String Theory and assumption of extra dimensions. Part of the book evaluates supersymmetry vs. simple string theory in particle physics. Most of the time we read about advantages of Ekpyrotic (Cycling) Universe theory when compared to Inflationary models. Swinging back and forth (in a bit of chaotic and repetitive manner ) authors drill voraciously in systematic fashion all possible holes in the Guth/Linde’s Inflationary as well as in Susskind’s Landscape and Vilenkin’s Multiverses models. And how dedicated, convinced, passionate, determined and eloquent they are!! Though certain fragments are truly exhausting (for example: how colliding branes convert one type of energy to another), numerous repetitions and attempts to emphasize how things happen, are actually often helpful. What has been planted in my head is that: extra “D” + branes + dark energy + potential energy related “spring-like” force between the branes = ekpyrosis. Be it. The final judge deciding which model represents true reality appears to be gravity. Authors list number of proposed and being in progress projects aiming at DETECTING gravitational waves. Unfortunately we will not be able to do so in the next decades, especially if it comes to very weak inflationary waves. However detection is not a single dilemma. We still cannot EXPLAIN the essence of gravity and I did not find anything related to it in this book. Physicists sometimes talk about a concept known as “Mach’s Principle”, but that principle has never been successfully developed and fails to explain apparent instantaneous action-at-a-distance. In the end comes the last strong punch: Cyclic Ekpyrotic model is free of Anthropic Principle dilemma!! It is very important to cosmology to have competing models and unanswered lingering questions about their validity. In general: very brave and colorful popular science book, recommended for curious and following “strange” cosmology ideas readers.

⭐A highly readable book with a very interesting theory.Most of their thinking is presented rather clearly and cleverly. Some passages feel a bit out of place but the overall book stands quite well together.In all honestly, I was not fully convinced with the theory and found out that there are still far too may gaps. I had the feeling sometimes that the book was perhaps issued far too early maybe in the optic of coining a name for the writer or claim possession. the world of science being so ruthless that its would not be a surprise.The authors themselves acknowledge that there is still a lot to prove. Apparently, some mechanisms of the theory are still pretty drafty and unexplained.Nevertheless, I see the brane collision as a rather seductive and simple idea.The good thing is that it shows the weak point of the inflation theory in quite a lot of details which is not done in many other books.Perhaps our scientists are too afraid of acknowledging that the inflation theory is still perhaps not the definite answer.A good number of photos and diagrams help to make the book readable and keep the reader focused.Overall, an interesting book. Its up to the reader to be let convinced by their arguments.

⭐Arrived promptly, as advertised, good.

⭐wonderful book

⭐great book, that gives information about the last acquired knowledge about the vast universe, in a comprehensible language. It present a new theory without partiality.

⭐Paul Steinhardt ist Professor für Physik an der Universität Princeton, er arbeitet hauptsächlich auf dem Gebiet der Kosmologie; Neil Turok stammt aus Südafrika und ist zur Zeit Direktor des Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Ontario.Die Inflationstheorie war in der Lage einige der Rätsel des Standardmodells der Kosmologie zu lösen. Insbesondere nachdem die Auswertung der Daten von WMAP sich im Einklang mit den Vorhersagen aus dieser Theorie erklären ließen, sehen viele Kosmologen eine starke Evidenz für die kosmische Inflation gegeben. Nicht so Paul Steinhardt, selbst einer der Architekten dieser Theorie, mag er ihre Schwächen nicht herunterspielen: sie ist ein Patchwork von verschiedenen nicht zusammenhängenden ‘Zutaten’ aus sichtbarer Materie, Strahlung, Dunkler Materie und Dunkler Energie, jeweils angepasst, um mit den Beobachtungsdaten in Einklang zu bleiben. Derartiges Tuning raubt einer Theorie aber ihre Stringenz und Eleganz. Deswegen hat sich Steinhardt nach Alternativen umzusehen und stellt im vorliegenden Buch die Inflation dem Model eines zyklischen Universums gegenüber, das er gemeinsam mit Neil Turok entworfen hat.Als Alan Guth 1980 im Rahmen eines Vortrags am MIT, seine Ideen zu einer Inflationsphase im frühen Kosmos vorstellt, mit denen sich u.a. die Probleme der Homogenität und der Flachheit des Urknall Modells ohne Feinabstimmung der Anfangsbedingungen lösen ließen, war Steinhardt unter den Zuhörern und sofort begeistert. Allerdings musste Guth gegen Ende seines Vortrags einräumen, dass seine Theorie noch eine Schwäche hätte, nach seinem Model würde sich der Raum so rasch ausdehnen, dass sich die Blasen, die beim Phasenübergang des Vakuums entstehen, nicht vereinen könnten, somit würde die Inflationsphase nie enden. Steinhardt konnte nicht glauben, dass eine Theorie, die soviel zur Kosmologie beizutragen schien, ein so frühes Ende finden sollte. Er beschäftigte sich in den folgenden Jahren mit diesem Problem, diskutierte mit Guth, und schließlich untersuchte er gemeinsam mit Andreas Albrecht verschiedene Potentialkurven für das Higgsfeld, das für den Phasenübergang zuständig ist; sie fanden endlich eine funktionierende Variante, die heute als neue Inflationstheorie bezeichnet wird. Unabhängig von ihnen kam Andrei Linde zu ähnlichen Ergebnissen.Mitte der 1980iger Jahre erlebte die Stringtheorie einen Aufschwung, nachdem Michael Green und John Schwarz den anomaly cancelation Mechanismus gefunden hatten, wurden fünf konsistente Varianten der Theorie entdeckt. 1994 überraschte Edward Witten die Physiker mit seiner Entdeckung, dass diese fünf Theorien sich in einer noch umfassenderen Theorie in 10 Raum- Dimensionen vereinigen lassen, die er M- Theorie nennt; diese Theorie enthält neben String auch mehrdimensionale Branen. Das Newton Institut in Cambridge organisierte 1999 einen Workshop um Stringtheoretiker und Kosmologen zusammenzubringen. Burt Ovrut hielt eine Vortragsreihe, in der eine Übersicht der aktuellen Entwicklungen in String und M Theorie für Kosmologen aufbereitete, dabei ging er auch auf die heterotische M Theorie ein, einer sechsten Variante, die nur Branen aber keine Strings enthält, und von besonderem kosmologischen Interesse ist. Ovrut beschreibt ein vereinfachtes Horava- Witten Modell, in dem zwei neun dimensionale Branen die zehnte Extradimension als Ränder begrenzen, dabei sind sechs Dimensionen aufgerollt, so dass eine der Branen unseren drei dimensionalen Kosmos repräsentiert und die andere eine verborgene Parallelwelt, die sich aber in geringen Abstand zu unserer befindet; alle Naturkräfte sind auf die Branen beschränkt, bis auf die Gravitation, die sich in allen Richtungen ausbreiten kann.Beide Autoren gehörten zu den Teilnehmern dieses Workshops und waren von Ovruts Ausführungen elektrisiert. Nach seinem Vortag, versuchen sie von ihm zu erfahren, ob sich die Branen bewegen könnten und wenn ja, ob ihre Kollision nicht – aus der Sicht der Branen Welten – einem Big Bang entsprechen könnten. Aus dieser rudimentären Anfangsidee entwickelten beide in den folgenden Jahren ihre Theorie eines ekpyrotischen Universums. Sie mussten dabei eine ganze Reihe Probleme lösen und dazu neue Methoden entwickeln, da der Horava- Witten Ansatz wesentlich auf der Konstanz des Abstands der Branen beruht. 2001 stellten sie ihre Ergebnisse erstmals auf einer Konferenz in Finnland vor – zunächst mit geringer Resonanz. Nach Modifikationen am Potential der Kraft zwischen den Branen, fanden sie, dass nach einem Zusammenstoß, die Branen wieder zurückprallen – ihr Modell beschreibt also ein zyklisches Universum. Es zeigte sich ferner, dass die erwähnte Kraft in den Branen als Dunkle Energie in Erscheinung tritt, diese lässt die Branen expandieren, wobei sie geglättet und parallelisiert werden, bevor sie ihren nächsten Zusammenprall erleiden. Somit tauchte in diesem Modell das Homogenitäts- und Flachheitsproblem gar nicht erst auf.Nun gab es Entwürfe zyklischer Modelle in der Geschichte der Kosmologie schon etliche, alle scheiterten bisher an inneren Unstimmigkeiten. Deswegen gehen die Autoren ausführlich auf diese Fehler ein und zeigen, inwiefern ihr Modell diese Problem umgeht. Charles Misner zeigte etwa im Rahmen seines Mixmaster Modells, dass sich kleine Dichteschwankungen bei einem Big Crunch chaotisch verstärken; das würde aber der erwarteten Homogenität nach dem Durchgang durch den nächsten Big Bang widersprechen; während im vorgestellten Modell nur die Extradimension schrumpft, während die Branen weiter expandieren bzw. nur sanft kontrahieren.Ausführlich vergleichen die Autoren ihr Modell mit der Inflationstheorie hinsichtlich ihrer Vorhersagen für die Entwicklung des Universums. Für eine große Zeitspanne – etwa eine Sekunde nach dem Urknall bis heute, stehen beide Modell in Einklang; hingegen weichen sie für die Zeit davor und danach in ihren Prognosen gänzlich ab. Auch im Rahmen der Auswertung der WMAP Daten hielten sich beide Modell Kopf an Kopf.Es gibt allerdings ein Phänomen, bei dem beide Theorie zu unterschiedlichen Aussagen gelangen, dass somit geeignet ist, zwischen beiden zu entscheiden – sobald dazu genaue Messungen vorliegen. Die Inflationstheorie beschreibt die Erzeugung von primordialen Gravitationswellen, die zur Zeit der Entkopplung der Hintergrundstrahlung B- Mode Polarisationsmuster in diese eingeprägt. Da die Energiedichte beim zyklischen Model, während der Phase der Erzeugung langwelliger Gravitationswellen, deutlich geringer ist, sind auch die erzeugten Wellen schwächer, so dass es nicht Ausprägung von B- Modes kommt. Ferner unterscheiden sich beide Theorien deutlich hinsichtlich des Spektrum der erzeugten Gravitationswellen. WMAP konnte hier noch keine Entscheidung herbeiführen. Zu diesem Thema erschien in jüngster Zeit Brain Keatings Buch ‘Losing the Nobel Prize’ über seine Suche nach B- Modes mit Hilfe von BICEP – und deren beinah’ Entdeckung.Die beiden Autoren eröffnen mit ihrem Buch einen interessanten, gut verständlichen Einblick in ihren Entwurf eines kosmologischen Modells, das sich der Mittel der M- Theorie bedient. Sie geben dabei unumwunden zu, das der Rahmen dieser anspruchsvollen Basis – String und M Theorie erheben immerhin den Anspruch, der Vereinheitlichung aller Naturkräfte – noch nicht voll verstanden ist; sie entwickeln ihrer Theorie aber in stetem Vergleich mit anderen Modellen und vertrauen auf die erklärende Kraft eines Ansatzes, der die Dunkle Energie intrinsisch beinhaltet. Ihre Darstellung umfasst ganz natürlich einen Abriss der modernen Kosmologie, ihrer Probleme und Erfolge als exakte Wissenschaft, hauptsächlich Dank der präzisen Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung durch Experimente wie COBE und WMAP. Dabei gehen sie auch kritisch auf die Multiversum- Interpretation, in Verbindung mit dem Anthropischen Prinzip, etwa der ‘ewigen’ Inflation ein.In ihrem Buch beschränken sich die Autoren auf den einfachsten Fall einer Branen Kosmologie, viele kompliziertere Konstruktionen wurden untersucht. Lisa Randall und Raman Sundrum gelangten etwa zu Modellen mit großen Branen Abständen, davon berichtet Lisa Randall in ‘Warped Passages’.Das Buch ist für ein populärwissenschaftliches Werk exzellent ausgestattet mit einem Glossar, Index und einer Bibliographie mit Anregungen zur weiterführenden Lektüre; allerdings wurde auf alle Arten von Quellenangaben und Anmerkungen zum Text verzichtet.

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