Eine der bekanntesten und tragfähigsten Theorien über die Entstehung des Universums ist die Urknalltheorie – die Idee, dass wir vor 13,8 Milliarden Jahren in einer massiven Explosion entstanden sind. Aber natürlich wird sie aus einem bestimmten Grund immer noch als Theorie bezeichnet. Sie beantwortet nicht alle Fragen darüber, wie wir entstanden sind.
In der Hoffnung, auf dem Urknall aufzubauen, amerikanischer PhysikerAlan Guth schlug 1981 die Theorie der kosmischen Inflation vor. Seitdem cosmische Inflation ist zu einem wichtigen Konzept in der Erforschung des frühen Universums geworden – bis zu dem Punkt, dass es derzeit in das Standardmodell der Kosmologie SMC integriert ist, das die Urknalltheorie umfasst.
Was ist kosmische Inflation?
Die Theorie der kosmischen Inflation schlägt eine Periode extrem schneller exponentieller Expansion des Universums während seiner ersten Momente vor beginnend bei 10−36 Sekunden nach der Urknall-Singularität, um genau zu sein.
AstrophysikerEthan Siegels erklärt den Begriff „exponentielle Expansion“ wie folgt:
“Wenn dein Universum mit Strahlung gefüllt wäre, würde es sich wie die Quadratwurzel der Zeit ausdehnen: der Abstand zwischen dir und diesem Teilchen skaliert mit ~t1/2.
Wenn dein Universum mit Materie gefüllt wäre, würde es sich wie die Zeit mit der Zweidrittelpotenz ausdehnen: der Abstand zwischen dir und diesem Teilchen skaliert mit ~t2/3.
Aber wenn sich Ihr Universum aufbläst, dehnt sich der Raum exponentiell aus: wie ~eHt, wobei H die Expansionsrate des Universums ist."
Einfach ausgedrückt, das Universum hat sich von einem winzigen Fleck der hypothetisch den gesamten Raum enthält zu etwas viel, viel Größerem entwickelt. Die kosmische Inflation erklärt, wie dies gleichmäßig geschah.trotz der Schnelligkeit des Prozesses.
Da es keine bekannten Teilchen gibt, die für den inflationären Prozess verantwortlich sein könnten, schlug der Physiker Alan Guth ein hypothetisches Skalarfeld namens "Inflatonfeld" vor. Die Inflation ist ein Quantenfeld, das Raum und Zeit durchdringt und vorhandene Energie enthältauch im Vakuum.
Das Inflaton-Quantenfeld beginnt mit einer großen Menge an Vakuumenergie. Nach der Inflaton-Theorie zerfällt das Inflaton nach der Expansionsperiode und wandelt sich in reguläre Materie und Strahlung um.
Welche Probleme löst die kosmische Inflation?
Wie oben erwähnt, löste die Theorie der kosmischen Inflation einige „Aber“ der Urknall-Kosmologie. Sie können die Theorie der kosmischen Inflation nicht vollständig verstehen, ohne die Probleme zu berücksichtigen, die sie lösen soll – also hier siesind.
Das Ebenheitsproblem
Alan Guth begann mit der Entwicklung der Theorie der kosmischen Inflation, nachdem er einen Vortrag von Robert Dicke über das Flachheitsproblem des Universums besucht hatte.
Das Flachheitsproblem fragt im Grunde, warum die Universumsdichte so nahe an der kritischen Dichte liegt. Die kritische Dichte ist die durchschnittliche Dichte der Materie, die erforderlich ist, damit die Schwerkraft die Expansion des Universums stoppt.Ein Universum mit der kritischen Dichte heißt flach.jedoch nach Urknall-Kosmologie, die Krümmung des Universums sollte mit der Zeit wachsen.
Zwischen 2001 und 2010, unbemanntes Raumschiff der NASAWilkinson Mikrowellen-Anisotropie-Sonde WMAP untersuchte den kosmischen Mikrowellen-Hintergrund und produzierte Daten, die darauf hindeuten, dass das Universum tatsächlich relativ flach ist. Aber der Prozess der kosmischen Inflation würde die nahezu flache, die WMAP entdeckte erklären.
Das Horizontproblem
Das Horizontproblem wird auch als Homogenitätsproblem bezeichnet, weil es hinterfragt, warum das Universum in alle Richtungen gleichförmig ist – eine Eigenschaft, die Isotropie genannt wird.
Viele entfernte Weltraumregionen in entgegengesetzten Richtungen sind so weit voneinander entfernt, dass sie bei einer Standard-Urknallexpansion niemals in kausalem Kontakt zueinander gewesen sein könnten. Dies liegt daran, dass die Reisezeit für Licht zwischen ihnen das Alter überschreitetdes Universums. Die Forschung hat jedoch gezeigt, dass die kosmische Mikrowellen-Hintergrundtemperatur im gesamten Universum einheitlich ist - dies sagt uns, dass diese Regionen in der Vergangenheit in Kontakt miteinander gewesen sein müssen.
Wie können extrem weit entfernte Zonen im Weltraum ihre Materie und Strahlung so gleichmäßig verteilen, wenn sie zu weit voneinander entfernt sind, um in zufälligem Kontakt miteinander gewesen zu sein?
Auch hier ist die kosmische Inflation die Antwort. Ihre Integration in die Urknalltheorie impliziert, dass es im frühen Universum eine Phase gab, in der alles viel näher war. Damit das Universum „aufgebläht“ oder ausgedehnt wird, muss es „deflationiert“ oder zuerst kontrahiert.
Die entfernten Zonen des Weltraums erhielten die gleiche Temperatur, während sie miteinander interagierten, bevor der Inflationsprozess begann, und hielten sie nach seinem Abschluss.
Das magnetische Monopolproblem
Die Urknall-Kosmologie sagt voraus, dass eine sehr große Anzahl von schweren, stabilen "magnetischen Monopolen" hypothetische Teilchen, die aus einem isolierten Magneten mit nur einem Magnetpol bestehen sollte im frühen Universum produziert worden sein.Magnetische Monopole wurden jedoch noch nie beobachtet. Wenn sie also überhaupt existieren, sind sie viel seltener, als die Urknalltheorie vorhersagt.
Warum wurden im Universum keine magnetischen Monopole beobachtet, wie von der Urknalltheorie vorhergesagt?
Inflation ermöglicht die Existenz magnetischer Monopole, aber nur, wenn sie vor der Inflationsperiode produziert wurden. Während der Inflation sank die Dichte der Monopole exponentiell, sodass auch ihre Häufigkeit auf ein nicht nachweisbares Niveau sank.
Beweise und Kritiker
Die Theorie der kosmischen Inflation wurde von einer Reihe von Wissenschaftlern kritisiert, darunter einem ihrer Mitbegründer, dem amerikanischen Physiker Paul Steinhardt.
2013 analysierten Steinhardt und sein Team die vom Planck-Satelliten gesammelten Daten und kamen zu dem Schluss, dass dies die einfachsten Inflationsmodelle auszuschließen schien. Die komplexeren erforderten jedoch mehr Parameter, mehr Feinabstimmung dieser Parameter und mehrunwahrscheinliche Anfangsbedingungen.
Steinhardt nannte es „das Unwahrscheinlichkeitsproblem“. Er sprach sogar von „schlechter Inflation“ und „guter Inflation“. Die erste ist eine Phase beschleunigter Expansion, die zu einem Ergebnis führt, das den Beobachtungen widerspricht, während letztere mit ihnen vereinbar ist"Nicht nur eine schlechte Inflation ist wahrscheinlicher als eine gute Inflation, sondern auch das Ausbleiben einer Inflation ist wahrscheinlicher als nicht", erklärte er in einem Papier mit dem Titel Die Inflationsdebatte.
Die Unwahrscheinlichkeit wird von Wissenschaftlern wie dem britischen Mathematiker Roger Penrose unterstützt, der laut Steinhardt
"Angewandte thermodynamische Prinzipien ... um die möglichen Ausgangskonfigurationen des Inflatons und der Gravitationsfelder zu zählen. Einige dieser Konfigurationen führen zur Inflation und damit zu einer nahezu gleichmäßigen, flachen Verteilung der Materie und einer geometrisch flachen Form. Andere Konfigurationenführen direkt zu einem einheitlichen, flachen Universum – ohne Inflation. Beide Arten von Konfigurationen sind selten, so dass es insgesamt unwahrscheinlich ist, ein flaches Universum zu erhalten. Penroses schockierende Schlussfolgerung war jedoch, dass ein flaches Universum ohne Inflation viel wahrscheinlicher ist als mit Inflation."
Die Theorie der kosmischen Inflation wurde auch beschuldigt, zu flexibel zu sein, was bedeutet, dass es so viele Ergebnisse ebnen kann, dass es keine Möglichkeit gibt, es zu widerlegen ... oder zu beweisen eine weitere Kritik zielt darauf ab, dass die kosmische Inflation nicht mit der wissenschaftlichen Methode bewertet werden kann.
Aber die Daten scheinen darauf hinzudeuten, dass die kosmische Inflation nicht nur die losen Enden der Urknalltheorie bindet, sondern auch richtig sein könnte – zumindest in irgendeiner Form.Es hat sich bei vielen Physikern durchgesetzt, weil es auch zu neuen Vorhersagen geführt hat die durch Beobachtungen bestätigt wurden.
Zum Beispiel sagte die Theorie der kosmischen Inflation eine Post-Inflation-Temperatur des Universums von ~10 voraus.19 GeV in der Planck-Skala – ein Wert, der anschließend durch Studien des kosmischen Mikrowellenhintergrunds validiert wurde. Die Theorie sagte auch die Existenz von Super-Horizont-Fluktuationen voraus Dichteschwankungen im frühen Universum, die die Keime aller Strukturen im Universum bildeten. Diese Schwankungen wurden durch Polarisationsdaten bestätigt, die vom Planck-Satelliten und WMAP der NASA gesammelt wurden.
Wie Ethan Siegel sagt: „Die Inflation hat buchstäblich jede Schwelle erreicht, die die Wissenschaft verlangt, und clevere neue Tests werden mit verbesserten Beobachtungen und Instrumenten möglich. Wann immer die Daten gesammelt werden konnten,
Die Vorhersagen der Inflation wurden bestätigt.”Werbung