Es gibt etwas unheimlich Ähnliches im Ursprung unseres Universums, genannt kosmische Inflation, und in der beschleunigten Expansion der dunklen Energie, die letztendlich über sein Schicksal entscheiden wird. Dies lässt den Verdacht aufkommen, dass diese Phänomene miteinander zusammenhängen könnten. Diese Woche stellte Andrew Gillett seine Fragen: Wenn die Theorie der ewigen Inflation wahr ist, könnte dunkle Energie dann ein Vorbote einer Rückkehr in diesen Urzustand sein?
Es ist nicht nur möglich. Dies erfordert nicht einmal, dass die Theorie korrekt ist. Beginnen wir unser Gespräch mit der Phase vor der Geburt des Universums in der Form, in der wir es kennen - mit kosmischer Inflation.
Als das Universum, das wir kennen, voller Materie und Strahlung geboren wurde, hatte es einige ziemlich seltsame Eigenschaften: räumlich war es flach, es hatte überall die gleiche Temperatur, es hatte keine Überreste von überhoher Energie und es hatte sehr seltsame Muster in Form von Regionen mit überschüssige und reduzierte Dichte. Es ist möglich, dass das Universum bereits unter diesen Bedingungen geboren wurde. Die Theorie der kosmischen Inflation lautet wie folgt: Wenn das Universum mit einer Periode exponentieller Expansion begonnen hätte, in der dem Raum eine enorme Energiemenge innewohnt, und diese Periode dann endete, dann wäre bereits unter all diesen Bedingungen ein heißer Urknall aufgetreten. Es dauerte eine Weile, um die Auswirkungen zu verstehen, und es dauerte noch längerum die Theorie mit Daten über Schwankungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zu bestätigen. Aber jetzt wird die kosmische Inflation als die allererste in der Geschichte des Universums angesehen, was wir mit Beweisen bestätigen können.
Die ewige Inflation ist eine Folge der Inflation aufgrund von Eigenschaften, an die wir selten denken. Wenn es in der Natur einen Übergang gibt, beispielsweise einen Topf mit kochendem Wasser, in dem das Wasser von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand übergeht, beginnt dieser Übergangsprozess normalerweise an verschiedenen Punkten. Diese Punkte dehnen sich aus und verschmelzen und bilden große Blasen, wenn sie die Oberfläche erreichen. Wenn wir über Wasser sprechen, sagen wir, dass es kocht. Während des Kochvorgangs steigen kleine Blasen auf und verschmelzen zu größeren Blasen, wenn sie an die Oberfläche kommen. Aber es gibt ein Problem mit der Inflation. Die Bereiche, in denen die Inflation nicht zu einem bestimmten Zeitpunkt endet, wachsen weiterhin exponentiell, und dies ermöglicht nicht, dass die Bereiche, in denen sie endete, „kochen“. Daher muss sich das Universum, das wir beobachten, vollständig in einer Blase befinden.wo die Inflation geendet hat und nicht in zahlreichen Blasen, die zusammen kochen.
Aber am anderen Ende dieses Spektrums sehen wir die Tatsache, dass sich die Expansion unseres Universums anscheinend beschleunigt. Die beste Erklärung dafür, basierend auf unseren genauesten Messungen, ist, dass dem Raum eine kleine Energiekomponente innewohnt, die wir Dunkle Energie nennen. Diese Energiekomponente ist allgegenwärtig und an allen Punkten im Raum gleichmäßig vorhanden. Und es ist extrem klein. Wenn wir es nach Einsteins Formel E = mc2 in Masse umwandeln, entspricht es nur einem Proton pro Kubikmeter des Universums. Aber der Raum ist nicht nur riesig, er erweitert sich auch! Mit der Zeit wird diese dunkle Energie immer wichtiger. Im Laufe der Zeit, nach ungefähr acht Milliarden Jahren, beschleunigt es die Expansion des Universums und wird dann zum dominierenden Bestandteil der Energie im Universum.
Diese beiden Perioden der Inflation und der beschleunigten Expansion zu einem späteren Zeitpunkt mögen sehr unterschiedlich erscheinen. Der Unterschied auf diesen Energieskalen ist einfach kolossal, er beträgt 10 bis 120. Potenz! Aber beide Perioden repräsentieren die dem Raum innewohnende Energie, beide bewirken, dass sich die Materie des Universums exponentiell ausdehnt. Und in Gegenwart von Zeit (Sekundenbruchteile für Inflation und Billionen Jahre für dunkle Materie) werden sie alles, was nicht mit einer einzigen Struktur im Universum verbunden ist, auseinander nehmen und auseinander spreizen. Es gibt viele solcher Modelle, und im Kern kombinieren sie alle Inflation und dunkle Energie.
Wie hoch sind also die Chancen, dass das Universum beginnt, seine Bildung zu recyceln? Sie sind groß
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1. Wenn dunkle Energie tatsächlich eine kosmologische Konstante ist, könnte es sich um Restenergie aus der Inflationsperiode handeln, als alles begann. Wenn ja, gibt es Grund zu der Annahme, dass es in Gegenwart der Zeit noch schwächer werden kann und in einen neuen, viel niedrigeren Energiezustand übergeht. Vielleicht gibt ein solcher Übergang einen Anstoß für die Entstehung einer großen Anzahl von Partikeln mit extrem geringer Masse, wie Neutrinos, Axionen oder etwas noch Exotischerem. Diese Teilchen wiederum werden ihre eigenen Analoga von Sternen, Planeten und vielleicht der Menschheit auf einer ausreichend langen Zeitskala kombinieren und erzeugen. Wenn wir diesen Prozess nicht sehen können, bedeutet dies überhaupt nicht, dass es unmöglich ist. Vielleicht ist dies das Schicksal, das unser Universum in sehr, sehr ferner Zukunft erwartet, auch wenn es Jahre dauern wird.
2. Dunkle Energie ist zwar keine kosmologische Konstante, kann aber mit der Zeit zunehmen. Wenn dies so ist, bedeutet dies, dass es wachsen und wachsen wird, was zum Szenario des "großen Risses" führen kann, wenn im Laufe der Zeit alle verbundenen Strukturen im Universum auseinander brechen. In diesem von Eric Gawiser entwickelten Szenario besteht jedoch die Möglichkeit, dass im letzten Moment, kurz bevor der Weltraum zerfällt und in Vergessenheit gerät, die inhärente Energie des Weltraums, die nicht von Inflationsszenarien zu unterscheiden ist, den Übergang zum Urknall vollzieht! Ein solches Szenario eines "wiederbelebten Universums" kann nicht nur in unserer fernen Zukunft wahr werden. Darin kann unser Universum viel älter sein, als es scheint. Es ist möglich, dass es unendlich alt ist.
Nun, die Beweise, die wir haben, deuten darauf hin, dass dunkle Energie tatsächlich eine kosmologische Konstante ist. Dies bedeutet, dass Szenario Nummer 2 ausgeschlossen ist. Wenn es für den Übergang keinen niedrigeren Energiezustand gibt, kann auch Option Nr. 1 ausgeschlossen werden. Aber jetzt haben wir nicht genug Daten, um auch nur einen von ihnen abzulehnen. Wenn ich die Möglichkeit hätte, Wetten zu platzieren, würde ich sagen, dass eine Variante mit einem niedrigeren Energiezustand wahrscheinlicher ist. Aber die Idee, dass dunkle Energie wirklich konstant ist und für immer existiert, wird durch die verfügbaren Daten besser unterstützt. Bis wir es sicher wissen, sollten wir mögliche Optionen nicht ausschließen. Das Euklid-Raumschiff, das WFIRST-Weitwinkel-Infrarot-Vermessungsteleskop der NASA, und schließlichDas LSST Large Synoptic Research Telescope wird uns helfen, die Dunkle Energie noch genauer zu messen, und dies wird neue Beweise liefern, um entweder die erste oder die zweite Theorie zu stützen. Und neue Entdeckungen in der theoretischen Hochenergiephysik können uns mehr über das erste Konzept erzählen. Wie auch immer, Andrew, die Antwort auf Ihre Frage lautet: Dunkle Energie kann eine Rückkehr zum heißen Urknall aus einem inflationären Zustand ankündigen, aber es hängt nicht von der ewigen Natur der Inflation ab.aber es hängt nicht von der ewigen Natur der Inflation ab.aber es hängt nicht von der ewigen Natur der Inflation ab.
Ethan Siegel
