Kosmische Inflation - ganz einfach PDF

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KOSMISCHE INFLATION

Ein anderes Rätsel, das durch die grundlegende Urknalltheorie aufgeworfen wird, ist, wie man die relative Homogenität und Gleichmäßigkeit der Temperatur der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung erklärt. Wie haben sich großräumige Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen aus einem eher langweilig amorphen und merkmalslosen Feuerball entwickelt?

Dies scheint eine direkte Verletzung des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik zu sein, der eine unerbittliche Tendenz zur Entropie und Einheitlichkeit und weg von Mustern und Strukturen beschreibt. Wenn unser Universum vollkommen glatt begonnen hätte, dann hätte es so weitergehen sollen, und das Universum würde heute nichts weiter als dünn ausgebreitete dunkle Materie zusammen mit weniger als einem Atom pro Kubikmeter Wasserstoff und Heliumgas enthalten, ohne Anzeichen von Textur und Komplexität, die wir um uns herum sehen (Sterne, Galaxien, eine Vielzahl von Elementen, Leben).

Selbst sehr geringfügige Unregelmäßigkeiten in den frühen Phasen der Expansion wären jedoch verstärkt worden, da leicht dichte Stellen durch zusätzliche Schwerkraft beeinflusst werden, bis sie sich zu in sich geschlossenen Strukturen verdichten, die durch ihre eigene Schwerkraft zusammengehalten werden. Galaxien stürzten ab und fusionierten und konntenibalisierte ihre Nachbarn, und Strukturen größeren Maßstabs wie Cluster und Supercluster, die durch einen fortlaufenden Prozess der Gravitationsaggregation gebildet wurden, arbeiteten an diesen neu gebildeten Galaxien.

Hitze neigt dazu, von einem heißen Körper zu einem kalten Körper zu wandern, so dass die Temperaturen beider Körper sich schließlich ausgleichen (ein Ergebnis des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik selbst), wie heißer Kaffee in einem kalten Becher. Die von Arno Penzias und Robert Wilson in den 1960er Jahren entdeckte Mikrowellen-Hintergrundstrahlung schien im gesamten 1

beobachtbaren Universum äußerst einheitlich zu sein, mit fast keiner Abweichung. Aber wenn, wie die Beweise zeigen, das letzte Mal, dass die kosmische Hintergrundstrahlung irgendeinen Kontakt mit der Materie hatte, etwa 450.000 Jahre nach dem Urknall (zu dieser Zeit war das Universum auf etwa 3.000 ° C abgekühlt) war, dann ist dies ein Paradox, denn das Universum hätte damals schon einen Durchmesser von etwa 90 Millionen Lichtjahren gehabt, und es wäre einfach nicht genug Zeit vergangen, damit Strahlung oder Wärme das ganze Universum durchströmt und sich ausgeglichen hätte, und die Horizonte hätten niemals wirklich existieren können kausaler Kontakt miteinander (bekannt als "Horizont-Problem").

Theoretisch sollte es heute sogar noch mehr Variationen geben als bisher. Das heißt, es sei denn, das sehr frühe Universum war tatsächlich viel kleiner als die Modelle vorhergesagt hatten. Die allgemein akzeptierte Theorie, wie dies möglich gewesen wäre, ist als kosmische Inflation bekannt, die erstmals 1980 von dem amerikanischen Physiker Alan Guth vorgeschlagen wurde und aus Steven Weinbergs Electroweak Theory und der Grand Unified Theory entwickelt wurde.

Wie wir sehen werden, behauptete die Hinzufügung der Inflation zum Urknallmodell, das Horizontproblem zu lösen, sowie ein oder zwei andere mögliche Probleme, die mit der Standard Urknalltheorie identifiziert worden waren, wie das "Flachheitsproblem" (warum? die Dichte der Materie im Universum scheint "fein abgestimmt" zu sein, um sehr nahe an dem kritischen Wert zu liegen, bei dem der Raum vollkommen flach ist anstatt einer nicht euklidischen hyperbolischen oder sphärischen Form) und dem "magnetischen Monopolproblem" (warum die magnetischen Monopole welche Theorie nahe legt, dass sie in den hohen Temperaturen des frühen Universums entstanden sein sollen, scheint bis heute nicht erhalten zu sein).

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Kosmische Inflation ist die Idee, dass das sehr frühe Universum eine Periode beschleunigter, exponentieller Expansion während der ersten 10 bis 35 Sekunden durchlaufen hat, bevor es sich auf die ruhigere Expansionsrate, die wir immer noch erleben, und das gesamte beobachtbare Universum einstellt entstand in einer kleinen (in der Tat mikroskopisch) kausal verbundenen Region.

Obwohl sich das Universum seit dem ersten Urknall erweitert hat, bezieht sich die Inflation auf die Hypothese, dass sich das Universum für eine sehr kurze Zeit mit einer stark steigenden Rate entwickelt hat, anstatt mit der abnehmenden Rate, die es vor der Inflation gefolgt ist. Nach einigen Berechnungen erhöhte die Inflation die Größe des Universums um einen Faktor von etwa 1026 während dieser winzigen Fraktion (weit weniger als eine Billionstel Sekunde) und dehnte sie von kleiner als die Größe eines Protons auf etwa die Größe einer Grapefruit aus.

Technisch ging die Expansion während dieser Inflationsperiode (und sogar die etwas langsamere Expansion, die ihr folgte) schneller voran als die Lichtgeschwindigkeit. Um zu erklären, wie dies möglich ist (die Geschwindigkeit des Lichts ist angeblich die maximale Geschwindigkeit, die man reisen kann), kann eine Analogie helfen. Wenn zwei Flugzeuge mit ihrer maximalen Geschwindigkeit von beispielsweise 500 Stundenkilometern direkt voneinander wegfliegen, fliegen sie tatsächlich mit 1.000 Stundenkilometern auseinander, obwohl keines der einzelnen Flugzeuge 500 km pro Stunde überschreitet. Daher ist "Expansion" in Bezug auf das expandierende Universum nicht dasselbe wie "Reisen".

Den Wissenschaftlern ist jedoch immer noch nicht klar, was genau die inflationäre Phase verursacht hat. Die beste Schätzung ist eine negative Vakuum - Energiedichte (oder ein positiver "Vakuumdruck"), ausgelöst durch die Trennung der starken Kernkraft von der andere elementare Kräfte zu dieser Zeit. Es wird vermutet, dass diese Trennung eine Art von Symmetriebrechung oder Phasenübergang verursachte (analog zu dem Phasenübergang, wenn Wasser zu Eis wird), was das Universum in einem sehr instabilen Zustand mit viel mehr 3

Energie verließ, als es sonst hätte tun können scharfe Antigravitationswirkung nach außen, Glättung der meisten Unregelmäßigkeiten in der bestehenden Materie und die Schaffung von großen Mengen an Teilchen in kürzester Zeit.

Diese Theorie erlaubt sehr kleine Unebenheiten (sogenannte Quantenfluktuationen) auf einer subatomaren Skala in einem sehr frühen Stadium des Wachstums des Universums, die Ausgangspunkte für die Großstrukturen waren, die wir im heutigen Universum sehen. Dies legt die ziemlich bizarre Möglichkeit nahe, dass die größten Strukturen im Universum, die großen Galaxienhaufen, tatsächlich durch submikroskopische Samen entstanden sein könnten.

Guth stellte die Hypothese auf, dass der Grund, warum das Universum flach zu sein scheint, der ist, dass es tatsächlich fantastisch groß ist (genauso wie die kugelförmige Erde flach zu denen auf seiner Oberfläche erscheint), und dass das beobachtbare Universum tatsächlich nur ein sehr kleiner Teil davon ist das eigentliche Universum. Guths Berechnungen legen nahe, dass das gesamte Universum mindestens 1023 Mal größer sein könnte als die Größe des beobachtbaren Universums (der Teil innerhalb des Horizonts, den wir zumindest im Prinzip sehen können), ungefähr gleich dem Verhältnis von der Größe des beobachtbaren Universums auf den Planeten Erde. Obwohl das beobachtbare Universum scheinbar flach erscheint, kann das gesamte Universum von Natur aus völlig verschieden sein. Auch wenn in dem inflationären frühen Universum eine enorme Anzahl von magnetischen Monopolen entstanden sein könnte, sind die Chancen, sogar einen magnetischen Monopol zu beobachten, in einem Universum von solch immenser Größe infinitesimal klein.

So löste die durch die Inflation verursachte unglaublich große und schnelle Expansion des Universums sowohl das Robert-Dickes-Flachheitsproblem als auch Guths eigenes Monopolproblem. Aber es löste auch das Horizontproblem: Nach der Inflationstheorie explodierte das Universum so schnell, dass keine Zeit für die Zerlegung der essentiellen Homogenität blieb und das Universum nach der 4

Inflation daher sehr einheitlich gewesen wäre, obwohl die Teile von es war noch nicht miteinander in Verbindung.

In einem Versuch, die Inflationstheorie zu beweisen, wurde 1992 die COBESonde (Cosmic Background Explorer) eingeführt, und ihre anfänglichen Ergebnisse bestätigten fast genau die Menge an Variation in der kosmischen Hintergrundstrahlung, die von der Inflationstheorie vorhergesagt wurde. Im Jahr 2003 demonstrierte die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) die Existenz dieser Ungleichmäßigkeiten mit noch größerer Präzision. Erst im Jahr 2014 gaben Astronomen des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics bekannt, dass sie "Gravitationswellen" innerhalb der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung entdeckt und kartiert hätten, was weitere starke Beweise für die Inflation (und für den Urknall selbst) liefert, wenngleich weitere Peer Die Ergebnisse dieser neuen Erkenntnisse sind noch nicht abgeschlossen.

Technisch ging die Expansion während dieser Inflationsperiode (und sogar die etwas langsamere Expansion, die ihr folgte) schneller voran als die Lichtgeschwindigkeit. Um zu erklären, wie dies möglich ist (die Geschwindigkeit des Lichts ist angeblich die maximale Geschwindigkeit, die man reisen kann), kann eine Analogie helfen. Wenn zwei Flugzeuge mit ihrer maximalen Geschwindigkeit von beispielsweise 500 Stundenkilometern direkt voneinander wegfliegen, fliegen sie tatsächlich mit 1.000 Stundenkilometern auseinander, obwohl keines der einzelnen Flugzeuge 500 km pro Stunde überschreitet. Daher ist "Expansion" in Bezug auf das expandierende Universum nicht dasselbe wie "Reisen".

Den Wissenschaftlern ist jedoch immer noch nicht klar, was genau die inflationäre Phase verursacht hat. Die beste Schätzung ist eine negative Vakuum - Energiedichte (oder ein positiver "Vakuumdruck"), ausgelöst durch die Trennung der starken Kernkraft von der andere elementare Kräfte zu dieser Zeit. Es wird vermutet, dass diese Trennung eine Art von Symmetriebrechung oder Phasenübergang verursachte (analog zu dem Phasenübergang, wenn Wasser zu 5

Eis wird), was das Universum in einem sehr instabilen Zustand mit viel mehr Energie verließ, als es sonst hätte tun können scharfe Antigravitationswirkung nach außen, Glättung der meisten Unregelmäßigkeiten in der bestehenden Materie und die Schaffung von großen Mengen an Teilchen in kürzester Zeit.

Diese Theorie erlaubt sehr kleine Unebenheiten (sogenannte Quantenfluktuationen) auf einer subatomaren Skala in einem sehr frühen Stadium des Wachstums des Universums, die Ausgangspunkte für die Großstrukturen waren, die wir im heutigen Universum sehen. Dies legt die ziemlich bizarre Möglichkeit nahe, dass die größten Strukturen im Universum, die großen Galaxienhaufen, tatsächlich durch submikroskopische Samen entstanden sein könnten.

Guth stellte die Hypothese auf, dass der Grund, warum das Universum flach zu sein scheint, der ist, dass es tatsächlich fantastisch groß ist (genauso wie die kugelförmige Erde flach zu denen auf seiner Oberfläche erscheint), und dass das beobachtbare Universum tatsächlich nur ein sehr kleiner Teil davon ist das eigentliche Universum. Guths Berechnungen legen nahe, dass das gesamte Universum mindestens 1023 Mal größer sein könnte als die Größe des beobachtbaren Universums (der Teil innerhalb des Horizonts, den wir zumindest im Prinzip sehen können), ungefähr gleich dem Verhältnis von der Größe des beobachtbaren Universums auf den Planeten Erde. Obwohl das beobachtbare Universum scheinbar flach erscheint, kann das gesamte Universum von Natur aus völlig verschieden sein. Auch wenn in dem inflationären frühen Universum eine enorme Anzahl von magnetischen Monopolen entstanden sein könnte, sind die Chancen, sogar einen magnetischen Monopol zu beobachten, in einem Universum von solch immenser Größe infinitesimal klein.

So löste die durch die Inflation verursachte unglaublich große und schnelle Expansion des Universums sowohl das Robert-Dickes-Flachheitsproblem als auch Guths eigenes Monopolproblem. Aber es löste auch das Horizontproblem: Nach der Inflationstheorie explodierte das Universum so schnell, dass keine Zeit für die Zerlegung der essentiellen Homogenität blieb und das Universum nach der 6

Inflation daher sehr einheitlich gewesen wäre, obwohl die Teile von es war noch nicht miteinander in Verbindung.

In einem Versuch, die Inflationstheorie zu beweisen, wurde 1992 die COBESonde (Cosmic Background Explorer) eingeführt, und ihre anfänglichen Ergebnisse bestätigten fast genau die Menge an Variation in der kosmischen Hintergrundstrahlung, die von der Inflationstheorie vorhergesagt wurde. Im Jahr 2003 demonstrierte die Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) die Existenz dieser Ungleichmäßigkeiten mit noch größerer Präzision. Erst im Jahr 2014 gaben Astronomen des Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics bekannt, dass sie "Gravitationswellen" innerhalb der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung entdeckt und kartiert hätten, was weitere starke Beweise für die Inflation (und für den Urknall selbst) liefert, wenngleich weitere Peer Die Ergebnisse dieser neuen Erkenntnisse sind noch nicht abgeschlossen.

Guths Theorie war sehr einflussreich, auch wenn er selbst keinen Weg finden konnte, die Inflation zu beenden, so dass sich Sterne und Galaxien bilden konnten (bekannt als "graceful exit" -Problem), und er betrachtete seine eigene Theorie deswegen als etwas Schiefes. Seit Guths ursprünglichem Modell gab es viele andere Verfeinerungen und Überarbeitungen, wie das "neue inflationäre Modell" des russischen Physikers Andrei Linde, der unabhängig von einer Inflationstheorie gearbeitet hatte (wie auch Paul Steinhardt und Andreas Albrecht). Dieses neue Modell stellte eine langsame (im Gegensatz zu Guths schnellen) Auflösung der Symmetrie und die Schaffung vieler "Blasenuniversen" (von denen nur eines unser eigenes beobachtbares Universum enthält) als Hypothese auf. Ein späterer Vorschlag von Linde, der als "chaotisches inflationäres Modell" bekannt ist, stellte die Hypothese auf, dass der abstoßende Antigravitationseffekt durch ein "Spin-0-Feld" und nicht durch irgendeinen Phasenübergang verursacht wurde, wie Guth gedacht hatte.

Linde und sein Landsmann Alex Vilenkin haben auch die Idee einer "ewigen Inflation" geboren, bei der die Inflation insgesamt nie aufhört, sondern kleine 7

lokale Energieentladungen innerhalb des gesamten Energiefeldes - fast wie statische Funken Elektrizität, aber auf einer kosmischen Skala - schaffen kleine Punkte der Materie in Form von kleinen Partikeln. Ein solcher Prozess könnte die Geburt eines neuen Universums wie unseres eigenen darstellen. Auf diese Weise beginnend mit dem, was wir einen Urknall genannt haben, expandiert dieses neue Universum selbst weiter, wenn auch mit einer viel langsameren Geschwindigkeit als die fortwährende Inflation außerhalb davon. Der Rest des Weltraums außerhalb dieses Universums ist immer noch voll von nicht entladener Energie, die sich immer noch mit enormer Geschwindigkeit ausdehnt, und neue Universen, neue Urknalls, tauchen die ganze Zeit auf.

Die Theorie der kosmischen Inflation unterstützt also das Szenario, in dem unser Universum nur eines von vielen parallelen Universen in einem Multiversum ist. Wie wir in späteren Abschnitten sehen werden, ergeben sich einige bestätigende Beweise für ein solches Szenario auch aus Arbeiten zur Dunklen Energie, zur Superstringtheorie und zur Quantentheorie. Die Idee eines hypothetischen Multiversums, das wir niemals sehen oder beweisen können, ist jedoch für viele Physiker ein Gräuel, und viele Kritiker sind immer noch übrig.

Bis bald �

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