Zu unserem großen Bedauern haben wir nicht die Gelegenheit, die Zeit zurückzuspulen und zu sehen, wie sich das Universum in den ersten Minuten seines Lebens entwickelt hat. Mithilfe von Mathematik und Beobachtungsdaten bauen die besten Köpfe der Welt die gewagtesten Modelle. Eine davon ist die kosmische Inflation.
Die Inflationstheorie oder das Inflationsmodell des Universums kombiniert Ideen aus der Quantenphysik und der Teilchenphysik, um die frühen Momente des Universums unmittelbar nach dem Urknall zu erforschen. Ihr zufolge war das Universum in einem sehr instabilen Zustand entstanden, der in den ersten Augenblicken seine rasche Expansion provozierte. Eine der Konsequenzen dieser Expansion ist, dass das Universum viel größer ist als ursprünglich angenommen und sich viel weiter erstreckt, als unsere Teleskope sehen können. Darüber hinaus sagt diese Theorie einige Eigenschaften voraus, die im Rahmen der Urknalltheorie nicht erklärt werden, wie z. B. eine gleichmäßige Energieverteilung und eine flache Raum-Zeit-Geometrie.
Die Theorie eines inflationären Universums wurde 1980 vom Physiker Alan Guth entwickelt. Heute wird es als allgemein anerkannter Teil der Urknalltheorie angesehen, obwohl die zentralen Ideen der letzteren viel früher etabliert wurden, als die Inflationstheorie formuliert wurde.
Wie alles begann
Die Urknalltheorie hat sich im Laufe der Jahre als sehr erfolgreich erwiesen - insbesondere, weil sie durch die Entdeckung der Hintergrundstrahlung (Mikrowellenhintergrund) bestätigt wurde. Trotz des großen Erfolgs dieser Theorie bei der Erklärung der meisten im Universum beobachteten Aspekte blieben drei Probleme bestehen:
Das Urknallmodell schien ein gekrümmtes Universum vorherzusagen, in dem die Energie ungleich verteilt war und in dem es viele magnetische Monopole gab. Nichts davon stimmte jedoch mit den Daten überein.
Alan Guth / Annette Boutellier.
Der Physiker Alan Guth lernte das Problem der Flachheit erstmals 1978 in einem Vortrag von Robert Dick an der Cornell University kennen. In den folgenden Jahren wandte Guth Konzepte aus der Teilchenphysik auf diese Situation an und entwickelte ein Inflationsmodell des frühen Universums.
Am 23. Januar 1980 präsentierte Guth seine Ergebnisse in einem Vortrag im SLAC National Accelerator Laboratory. Seine revolutionäre Idee war, dass die Prinzipien der Quantenphysik aus dem Herzen der Teilchenphysik auf die frühen Tage des Urknalls angewendet werden könnten. Ihm zufolge sollte das Universum eine hohe Energiedichte haben. Laut Thermodynamik hätte die Dichte des Universums dazu führen müssen, dass es sich mit einer unglaublichen Geschwindigkeit ausdehnt.
Tatsächlich hätte das Universum nach dem damaligen neuen Modell in einem "falschen Vakuum" und ohne den Higgs-Mechanismus entstehen müssen (mit anderen Worten, das Higgs-Boson existierte nicht). Sie musste einen Prozess der Unterkühlung durchlaufen, um einen stabilen Niedrigenergiezustand zu finden (das "wahre Vakuum", in dem der Higgs-Mechanismus arbeitet) - und das löste eine Phase schneller Expansion aus.
Wie schnell ist es Dem Modell zufolge verdoppelte sich das Universum alle 10-35 Sekunden. In den ersten 10 bis 30 Sekunden nach dem Urknall hätte sich die Größe also 100.000 Mal verdoppelt, und dies ist mehr als genug, um das Problem der Ebenheit zu erklären. Selbst wenn das Universum am Anfang eine gewisse Krümmung hätte, würde dieser Grad der Expansion dazu führen, dass heute alles flach aussehen würde. (Beachten Sie, dass die Erde groß genug ist, um sie für uns flach erscheinen zu lassen, obwohl wir wissen, dass die Oberfläche, auf der wir stehen, gekrümmt ist, um ein kugelförmiges Objekt zu bilden.)
Die Quantenfluktuationen, die während der Inflation auftreten, erstrecken sich tatsächlich über das Universum. Inflation führt in ihrer großräumigen Manifestation dazu, dass das Universum flach wird und seine frühe Krümmung verliert / E. Siegel / Beyond the Galaxy.
Darüber hinaus ist die Energie so gleichmäßig verteilt, dass wir zu Beginn ein sehr kleiner Teil des Universums waren, der sich so schnell ausdehnte, dass sie selbst bei erheblichen Unregelmäßigkeiten bei der Energieverteilung zu weit von uns entfernt wären hätte sie bemerken oder fühlen können. Dies dient wiederum als Lösung für das Homogenitätsproblem.
Entwicklung der Theorie
Laut Alan Guth selbst bestand das Problem mit der Theorie darin, dass die Inflation, sobald sie begonnen hatte, auf unbestimmte Zeit weitergehen musste. Wissenschaftler haben keine Hinweise auf einen bestimmten Mechanismus zum "Ausschalten" dieses Prozesses gesehen.
Wenn sich der Raum mit dieser Geschwindigkeit ständig vergrößert hätte, hätte die zuvor von Sidney Coleman geäußerte Idee nicht funktioniert. Coleman sagte voraus, dass sich während der Phasenübergänge im frühen Universum kleine Blasen bildeten, die miteinander verschmolzen. Bei Inflation würden sich die Blasen zu schnell voneinander entfernen, ohne Zeit zu haben, sich zu vereinen.
Der sowjetische Physiker Andrei Linde machte auf dieses Problem aufmerksam. Er studierte es und fand heraus, dass es eine andere Interpretation gibt, die eine Lösung für dieses Problem bietet. Zur gleichen Zeit - es waren noch die 1980er Jahre - kamen Andreas Albrecht und Paul Steinhardt auf der anderen Seite des Eisernen Vorhangs selbst zu einer ähnlichen Entscheidung.
Andrey Linde / LA Cicero.
Der Punkt ist, dass im ursprünglichen Guth-Modell mehr als ein Inflationsbereich entstehen durfte, der wiederum kollidieren könnte. In diesem Fall war das Ergebnis ein ungeordneter Raum, in dem Strahlung und Materie eine inhomogene Dichte haben. Dies stimmte überhaupt nicht mit dem überein, was in der Realität beobachtet wurde. Linde, Albrecht und Steinhardt haben die Skalarfeldgleichung geändert - und alles ergab einen Sinn. Nach dieser Lösung entstand unser beobachtbares Universum aus einer einzelnen Vakuumblase, die sich von anderen inflationären Regionen des Weltraums trennte. Es geht um unvorstellbare - nach allen Maßstäben - enorme Entfernungen.
So eine andere Inflationstheorie
Die Inflationstheorie hat mehrere Namen. Zum Beispiel kosmologische Inflation, kosmische Inflation, Inflation, alte Inflation (wie die ursprüngliche Version von Alan Guths Theorie genannt wird), neue Inflationstheorie (das von Linde, Albrecht und Steinhardt entwickelte Modell).
Es gibt auch zwei enge Versionen der Theorie: die chaotische Inflationstheorie und die ewige Inflation. In diesen Theorien kam der Inflationsmechanismus nicht nur einmal vor - direkt nach dem Urknall -, sondern immer wieder in verschiedenen Regionen des Weltraums. Diese Modelle gehen von einer schnell wachsenden Anzahl von "Blasenuniversen" aus, die Teil des Multiversums oder Multiversums sind. Einige Physiker stellen fest, dass diese Vorhersagen in allen Versionen des Inflationsmodells des Universums vorhanden sind und betrachten sie daher nicht als unterschiedliche Theorien.
Vladimir Guillen
