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#19 - Warum der Ruf eures Strukturvertriebs euch mehr ausbremst als hilft | IBEH-HMHR!

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#19 - Warum der Ruf eures Strukturvertriebs euch mehr ausbremst als hilft | IBEH-HMHR!

Die kosmische Inflation ist eine zentrale Theorie zur Erklärung der frühesten Phase des Universums. Sie besagt, dass das Universum innerhalb von etwa 10 hoch -36 bis 10 hoch -32 Sekunden nach dem Urknall eine exponentielle Ausdehnung durchlief, bei der winzige Regionen auf kosmische Größenordnungen gedehnt wurden. Diese Idee wurde 1980 von Alan Guth entwickelt und später von anderen Physikern verfeinert. Die Inflation löst mehrere fundamentale Probleme des klassischen Urknallmodells: Sie erklärt, warum weit entfernte Regionen des Universums dieselbe Temperatur haben (Horizontproblem), warum das Universum geometrisch flach ist (Flachheitsproblem) und warum hypothetische Teilchen wie magnetische Monopole nicht beobachtet werden. Angetrieben wird die Inflation durch ein hypothetisches Inflatonfeld, dessen Energie den Raum ausdehnt. Nach ihrem Ende wird diese Energie in heiße Materie umgewandelt, aus der später alle kosmischen Strukturen entstehen. Ein besonderer Erfolg der Theorie ist die Erklärung der winzigen Dichteschwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung, die als Keime für Galaxien dienen. Beobachtungen, insbesondere durch den Planck-Satelliten, haben die Vorhersagen der Inflation weitgehend bestätigt. Offene Fragen bleiben jedoch, etwa der Nachweis primordialer Gravitationswellen und die Möglichkeit eines Multiversums durch ewige Inflation. Trotz konkurrierender Modelle bleibt die Inflation die am besten bestätigte Erklärung für die Frühphase des Kosmos.

Transcription

3676 Words, 25682 Characters

German
Herzlich willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das Universum, deinem Podcast zum entspannen, loslassen und lernen. Wenn dir unser Podcast gefällt, bewert ihn bitte, denn das hilft uns weitere Folgen dieser Art zu produzieren. Stell dir vor, du lehnst dich zurück und richte es dem Blick auf etwas, das so klein war, dass jede Vorstellung daran scheitert und dennoch in einem winzigen Augenblick zu allem wurde, was wir heute kennen. Die kosmische Inflation ist genau das. Ein Moment am Anfang der Zeit, in dem das Universum sich auf eine Weise ausdente, die jede Anschauung springt. In weniger als einem Wimpernschlag, in einer Spanne, die kürzer ist, als alles, was unsere Sprache fassen kann, wuchs der Raum um einen Faktor, der sich kaum noch in Worten ausdrücken lässt. Wir sprechen von einer Zeit Spanne zwischen etwa 10 hoch -36 und 10 hoch -32 Sekunden. Nachher in dem Beginn, den wir gemeinhin, als Urknall bezeichnen. In dieser Phase, so die heute am breitesten getragene Theorie, wuchs jede Strecke im Raum mindestens um den Faktor 10 hoch -26. Manche Modelle sprechen von noch weit größeren Verfielfahrungen. Also, eine Region, die kleiner war als einer Tomkern, wurde so groß wie ein Apfel, ein Haus, eine Stadt, ein Sonnensystem und das alles im Bruchteil eines einer Sekunde. Bevor wir uns dieser Vorstellung weiter nähern, lohnt es sich, einen Schritt zurückzutreten und zu klären, woher die Idee überhaupt kam. Der amerikanische Physiker Ellen Gut schlug das Modell der Elfation im Jahr 1980 vor. In einem Aufsatz, den er im Jahr darauf in der Fachzeitschrift Physical Review die veröffentlichte. Er war damals noch ein junger, theoretischer Physiker und beschäftigte sich eigentlich mit der Frage, warum bestimmte Teilchen, die in den großen, vereinheitlichen Theorien der Teilchenphysik vorhergesagt wurden, im Universum nicht gefunden werden. Aus dieser zunächst eher technischen Frage entwickelte sich eine Idee, die das ganze Bild des frühen Universums verändern sollte. Er erkannte, dass eine kurze Phase exponentiella Ausdehnung mehrere Probleme der bis dahin gängigen Urknalltheorie auf einen Schlag lösen könnte. Etwa zu gleichen Zeit, etwa später, aber unabhängig, formulierte Andri, Linde in das Sowjetunion sowie Andreas Albrecht und Paul Steinhardt in den vereinigten Staaten verfeinerte Versionen, die einige technischen Schwierigkeiten der ursprünglichen Fassung beseitigen und die Theorie in jene Form brachte, die heute in den meisten Lehrbüchern steht. Um zu verstehen, welche Probleme die Inflation lösen sollte, müssen wir kurz auf die Lage der Kostmologie um das Jahr 1980 blicken. Damals war die sogenannte heiße Urknalltheorie bereits gut etabliert. Man wusste seit den Späten 1920er Jahren durch die Arbeiten von Edwin Hubble, dass sich das Universum ausdehnt. Man hatte 1965 durch Arno Pancias und Robert Wilson zufällig die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt. Jene schwache Mikrowellenleuchten, das aus allen Richtungen des Himmels kommt und als Echo eines frühen sehr heißen Zustands gilt. Hierzu haben wir übrigens eine Folge ebenfalls gemacht, die Verlenke. Für diese Entdeckung erhielten beide 1978 den Nobelpreis für Physik. Man konnte rechtnerisch nachvollziehen, wie in den ersten Minuten nach dem Urknall die leichten Atomkern entstanden sind. Also Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium. Und die gemessenen Häufigkeiten dieser Elemente passten er staunlich gut zu den theoretischen verhersagen. Trotzdem blieben drei große Redzels, die das einfache Urknallmodell nicht überzeugend erklären konnte. Das erste dieser Probleme war das sogenannte Horizontproblem. Wenn man heute die kosmische Hintergrundstrahlung misst, stellt man fest, dass ihre Temperatur an verschiedenen Punkten des Himmels mit einer Genauigkeit von einem 100.000-Stell grade übereinstimmt. Sie liegt überall etwa 2,7 Kelvin, also rund 270°C, unter 0. Diese Gleichmäßigkeit ist auf den ersten Blick selbstverständlich. Denn schließlich erwarten wir, dass das Universum in Gromenzügen überall gleich aussieht. Auf den zweiten Blick entgegen ist sie entwunder. Denn nach dem klassischen Urknallmodell konnten Punkte am gegenüberliegenden Rand des heute beobachtbaren Universums nie miteinander in Verbindung gestanden haben. Licht, der schnellste was es gibt, hatte seit dem Urknall schlicht nicht genug Zeit, von der einen Seite zu anderen zu gelangen. Wie also können diese Region so genau dieselbe Temperatur haben. Es ist, als würden zwei Menschen, die sich nie gesprochen haben und nichts voneinander wissen, am selben Tag dieselbe Geschichte erzählen. Wort für Wort, Kommar für Kommar. Das zweite Redzeln nennt man Flachheitsproblem. Die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein erlaubt verschiedene Geometrien für das Universum als Ganzes. Es könnte positiv gekrümmt sein, wie die Oberfläche einer Kugel. Negativ gekrümmt sein, wie ein Sackel oder eben flachen. Messung, die heute durchs Atelitenmission, wie UVMAP und Planck mit hoher Präzision durchgeführt haben, ergeben, dass das Universum bis zu einer Genauigkeit von etwa einem halben Prozent geometrisch flach ist. Das klingt nach einer ganz natürlichen Eigenschaft, ist aber im Rahmen des klassischen Urknallmodells höchst unwahrscheinlich. Denn jede noch so geringe Abweichung von der Flachheit wäre im Laufe der kosmischen Geschichte enorm verstärkt worden. Damit, dass das Universum heute fast exakt Flach erscheint, hätte die Flachheit zu einem sehr frühen Zeitpunkt mit einer Präzision von vielen, vielen Nachkommerstellen festgelegt sein müssen. Eine solch extreme Feinabstimmung, ohne erklärende Mechanismus, ist für viele Physiker und Physiker innen unbefriedigend. Das dritte Redzeln ist eher Technischer Natur und betrifft hypotetische Teilchen aus den großen, vereinheitlichsten Theorien. Etwa die berühmten magnetischen Monopole. Solche Teilchen sollten in großen Mengen im frühen Universum entstanden sein und doch hat man trotz langer Suche nie auch nur ein einziges nachgewiesen. Wo sind die alle hin? Auch hier sucht man nach einem Mechanismus, der ihre Spuren so weit verdünnt, dass sie heute praktisch nicht mehr zu finden sind. Genau an diesen drei Punkten setzt die kosmische Inflation an. Eine kurze Phase, extrem schneller Ausdehnung sorgt dafür, dass das gesamte heute beobachtbare Universum aus einem winzigen Bereich stand, der vorher ein engem Kontakt stand und sich daher thermisch ausgleichen konnte. Die starke Denung glättet zu dem jede ursprüngliche Krümung, ähnlich wie die Oberfläche eines Luftballons, fast eben erscheint, sobald man ihn noch weit genug aufbläst. Und die schnelle Ausdehnung verdünnt etwaige Monopole oder anrexotische Relikte so stark, dass sie heute höchstens ein einziges Mal pro beobachtbaren Volumen vorkommen. Wenn du dir diesen Vorgang vorstellen willst, denk an einen Apfel, der nicht etwa wächst, indem in seinem inneren neue Materie entsteht, sondern indem sich der Raum selbst den enthält, ausdent. Stell dir vor, du markierst zwei Punkte auf der Oberfläche eines Luftballons. Bönde nehmen wir lang aufbläst, entfernen sich diese Punkte voneinander, ohne sich auf der Oberfläche zu bewegen. Es ist die Fläche selbst, die größer wird. Ähnlich, wenn noch an einem höher dimensionalen Sinn, verhält sich dies beim Universum. Während der Infation, den sich der Raum so rasen schnell aus, dass selbst zwei nah beinandale Punkte plötzlich kosmisch weit voneinander entfernt sind. Dabei bewegen sich die Punkte nicht durch den Raum, sondern werden vom Raum selbst auseinander getragen. Aber was treibt diese Ausdienung an? An dieser Stelle kommt ein Megriffeenspiel, der zentral für die gesamte Theorie ist, das in Flaton fällt. Damit bezeichnet die Physik ein hypothetisches Energiefeld, das den frühen Kosmos durchdrangen. Man stellt sich dieses Feld als eine Art Landschaft vor, in der die potenzielle Energie an verschiedenen Stellen unterschiedlich hoch war. Solange das Feld auf einem hohen, fast flachen Plateau dieser Landschaft verweilt, wirkt sein Energie wie eine Art kosmische Spannung, die den Raum zur Ausgängung zwingt. Diese Energie verhält sich nicht wie gewöhnliche Materie, die mit der Ausdienung verdünnt wird, sondern füllt den sich vergrößeren Raum mit nahezu konstanter Dichte. Das Ergebnis ist eine exprenzielle Ausdähnung. Ähnlich wie ein Gut haben, das mit einer enorm hohen Zinsrate verzinscht wird. Erst, wenn das Inflaton fällt, vom Plateau in Stahl seiner Energielandschaft rollt, endet die Inflation. Die im Feld gespeicherte Energie wird dabei Entstrahlung und Teichen umgesetzt, also in ein heißes Suppe aus Photonen, Quarks, Elektronen und vielen weiteren Bestandteilen. Diesen Vorgang nennt man das Wiederaufheizen, dem Fachgebrauch oft mit dem englischen Begriff "Reheating" bezeichnet. Was nach der Inflation übrig bleibt, ist also kein leeres kaltes Universum, sondern ein extrem dicht gepacktes sehr heißes Plasma, das sich nun gemäßt hingesetzen, des klassischen Urschknallmodells weiterentwickelt. Aus dieser heißen Phase entstehen in den ersten Sekunden Vochteilen die heutigen Bausteine der Materie. In den ersten drei Minuten die leichten Natonkernen nach etwa 380.000 Jahren die ersten neutralen Atome, mit dem berühmten Augenblick, indem das Universum für Licht durchsichtig wird und jede Hintergrundstrahlung freigibt, die wir bis heute messen können. Die Inflation ist damit also keine Ersatz für den Urknall, sondern eine Phase davor oder ganz am Beginn. Eine Art verstärker, der den späteren Urknall mit den richtigen Auanfangsbedingungen versorgt. Eine besonders elegante Eigenschaft der Elplationstheorie ist, dass sie nicht nur die großräumige Glette des Universums erklärt, sondern auch die Entstehung der winzigen Strukturen aus den später Galaxien, Galaxien Haufen und schließlich auch Sterne und Planeten entstehen sollten. Auf den ersten Blick scheint das Paradox. Wenn die Inflation an das Glatzieht, woher kommen denn dann die kleinen Unregermäßigkeiten, die wir in der Hintergrundstrahlung beobachten und die als Saat für alle späteren Strukturen dienen? Die Antwort liegt in der Quantenphysik. Auf den allerkleinsten Skalen kann der Raum nie vollkommen ruhig sein. Er wimmelt von winzigen Schwankungen, kurzen Flukturition, in denen Energie für Bruchteile von Sekunden auftauchen und wieder verschwinden können. Solche Quanten Flukturitionen sind nach dem heißen bergischen Prinzip unausweichlich. Während der Inflation werden diese mikroskopischen Schwankungen durch die rasante Ausdehnung des Raums gedehnt und so auf macroskopisches Galen verstärkt. Aus winzigen Quantenwellen werden so kosmisch große, leicht unregelmäßige Bereiche, die nach dem Ende der Inflation als kleine Dichteschwankungen in der heißen Materie zurückblieben. Diese Dichteschwankungen sind extrem klein, etwa 1 zu 100.000, das heißt, in einem Bereich der etwas Dichter ist, finden sich nur 100.000% mehr Materie als in der Umgebung. Doch unter dem Einfuss der Schwerkraft wachsen diese in der Unterschiede über jamme Jaten. Dichtere Bereiche ziehen mehr Materie an, werden noch Dichter ziehen noch mehr Materie an. Aus diesen Anhäufungen entstehen schließlich die ersten Sterne, die ersten Galaxien und die Großholming-Filamente an denen Galaxien haufen wie Perlen auf Schnüren aufgereizt sind. Wenn man so will, sind die heutigen Galaxien nachfahren von Quantenflüstern aus einer Zeit als das Universum junger war, als jeder Bruchteil einer Sekunde benennen kann. Die Visiervorhersage der Inflation, dass die kleinen Schwankungen der Dichte ein bestimmtes statistisches Muster aufweisen sollten, ist mittlerweile durch Beobachtungen sehr gut bestätigt. Insbesondere sagt die einfachste formene Elfation voraus, dass die Schwankung näherungsweise "Skalen invariant" sein sollten. Das bedeutet, dass die Schwankungen auf großen und kleinen Skalen sich in ihrer Stärke nur wenig unterscheiden. Diese Eigenschaft hatte sich schon vor der eigentlichen Inflationstheorie, verwertische Physiker Jakov, Seldovic und unabhängig der Brite Edward Harrison auf phänomenologischer Grundlage vermutet. Heute spricht man vom Harrison Seldovic-Spektrum. Die Inflation lieferte erstmals eine theoretische Begründung für diese Spektrum aus einem zu gründlichen Mechanismus. Die Messung der Hintergrundstrahlung durch die Satelliten "Cope" in den 1990er-Jahren und VMAP zwischen 2001 und 2010 sowie durch Planck zwischen 2009 und 2013 haben das Bild eines fast skalen invarianten Schwankungspektrum mit immer höherer Genauigkeit bestätigt. Die Daten von Planck sprechen sogar für eine kleine Abweichung von der vollständigen Skalen in Varianz. Gerade so wie es einfache Inflationsmodelle vorher sagen. Der sogenannte "Skyl-Index" liegt nach Blanca Daten etwa bei 0,956 mit einer Unsicherheit von wenigen Tausend stillen. Also dicht unter eins, was im Sinne der Theorie ein sehr gutes Ergebnis ist. Der Satellit Planck, benannt nach dem deutschen Physiker Max Planck, wurde 2009 von der europäischen Weltraumorganisation Esa gestartet und hat über vier Jahre lang den gesamten Himmel in den Mikrowellen vermessen. Mit einer Empfindlichkeit, die zuvor nie erreicht wurde, kathierte Erkleinste Temperaturunterschiede. Die Karten, die daraus entstanden, wirken wie das älteste Foto des Universums, aufgenommen, als der Cosmos gerade erst für Licht durchsichtig geworden war. Aus diesen Karten lassen sich nicht nur alter Zusammensetzung und Geometrie des heutigen Universums sehr genau bestimmen, sondern auch indirekt Aussagen über die Inflation treffen, denn ihre Spuren sind in den Mustern der Hintergrundstrahlung eingeprägt. Aus den Planckardaten ergibt sich unter anderem, dass das Universum heute zu rund 69 Prozent aus dunkler Energie besteht. Zu rund 26 Prozent aus dunkler Materie und nur zu etwa 5 Prozent aus gewöhnlicher Sichtbarer Materie. Sein Alter wird auf rund 13,8 Milliarden Jahre geschätzt, mit einer Unsicherheit von wenigen 10 Millionen Jahren. Doch die Inflation macht noch weitere sehr eindrucksvolle Vorhersagen, die bis heute nicht abschließend bestätigt sind und an deren Nachweis viele Forschungsthimm arbeiten. Das Verhandensein von sogenannten primordialen Gravitationswälen. Während der Inflation so die Theorie sollten nicht nur dichte Schwankungen, sondern auch wählen in der Krümung der Raum Zeit selbst entstanden sein. Also Gravitationswälen, die das gesamte Universum durchdringen. Diese wählen wären ein einzigartiges Echer aus jener früsten Phase, da sie kaum Materiewechsel wirken und nahezu ungestört durch die Geschichte des Kosmos reisen würden. Beobachten ließen sie sich am ersten Indirekt durch ein bestimmtes Polarisationsmuster der Hintergrundstrahlung. Die sogenannten B-Moden, in denen sich die Wellen wie ein leichtes Drehende der Polarisation am Himmel ausdrücken sollten. Im März 2014 sorgte die Forschungskruppe B-Zep2 in der Antarkt des Fischlagtseilen, als sie behauptete, ein solches Signal nachgewiesen zu haben. Erschien als sei der direkte Beweis der Inflation gelohnt. Doch wenig später zeigte sich, dass das gemessene Signal, überwiegend nicht aus der früheren Kosmologie stammte, sondern vom Staub in unser eigenen Milchstraße vorsorgt wurde, dessen Polarisation die Daten über lagert hatte. Eine sorgfältige gemeinsame Auswertung der Daten von B-Zep2 und Planck im Jahr 2015 ergab, dass das Signal mit Galaktischem Staub verträglich ist und kein klarer Hinweis auf primordiale Gravitationswälen vorliegt. Inzwischen verbessern Nachfolge-Experimentel wie B-Zep3, die Teleskope am Südpol und Projekte wie das Simpsons Observatory in der Schilinischen Atakama wüsste die Empfindlichkeit weiter. Ziel ist ist das Verhältnis von Tensor zu Skala-Schwankungen eine zentrale Kennstelle der Inflation mit immer höher G-Neurigkeit einzukrenzen. Bisswerige Obergrenzen liegen bei etwa 0,0,3 oder darunter. Was viele Inflationsmodelle bereits ausschließt, andere aber weiterhin offen lässt. So bleibt die Inflationstheorie eine Mischung aus großen Erklärungserfolg und weiteren offenen Fragen. Das Modell ist überaus elegant, weil es mit einem winzigen Mechanismus mehrere Unterpengengerezel auf einmal löst und zugleich vorher sagen macht, die sich an Beobachtungen prüfen lassen. Gleichzeitig handelt es sich nicht um die einzige Festum-Restantheorie, sondern um eine ganze Familie von Modellen, die sich in Details unterscheiden. Mal ist das Inflatonfeld besonders einfach gewählt, mal kompliziert, mal ist die Energie, Landschaft, Glatt, mal voller Hügel und Sängen. Mal eine Dielfraktion überall im Universum gleichzeitig, mal in unterschiedlichen Bereichen zu sehr unterschiedlichen Zeiten. Verschiedene, die Sagervarianten führen zu leicht unterschiedlichen, statistischen Eigenschaften der Dichteschwankung und damit zu unterschiedlichen Verhersagen für die Hintergrundstrahlung. Eine besonders folgenreiche Variante stammt von Andrei Linde und trägt den Namen ewige oder chaotische Inflation. In dieser Vorstellung endet die Inflation zwar in vielen Bereichen, geht aber in anderen unaufhörlich weiter, weil das Inflatonfeld dort nicht aus einem Plateau herausrollt, sondern durch Quantenflugtruktion immer wieder zurückgetrieben wird. Aus jeder Region, in der die Inflation endet, wird ein eigenes Universum, ein Bereich mit eigener Geschichte, eigener Materieverteilung, eigenen Eigenschaften. Auf diese Weise entsteht das Bild eines Multiversums, in dem unser beobachtbares Universum nur eine winzige Blase in einem viel größeren, immer weiter wachsender Raum ist. Diese Idee ist allerdings ausgesprochen spekulativ, der andere Universen per Definition nicht direkt beobachtbaeren. Sie wird daher von einigen Physikerinnen und Physikern als Naturgemäßerbestandteil moderner Kostnologie gesehen. Von anderen mit Skepsis betrachtet, weil sie Grenzen dessen berührt, was als überprüfbare Wissenschaft gelten kann. Auch jenseits dieser kosmischen Großspekulationen gibt es kritische Stimmen. Einige Forscherinnen und Forscher, darunter der Mitbegründer der Theorie "Powelstein" hat, haben sie in späteren Jahren von der einfachen Variante der Inflation distanziert. "Steinhardt" arbeitet inzwischen ein alternativ modell, etwa an einer züglichen Krosmologie, der das Universum eine Folge sich abwechselnder Phasen aus Ausdehnung und Zusammenziehung erdurchläuft. Getrieben von einer Wechselwirkung zwischen sogenannten "Berannen" in höheren Dimensionen. Andere Ansätze knüpfen an Ideen aus der String-Theorie oder der schleifen Quantengravitation an und versuchen, den Beginn des Universums ohne eine eigene Inflationsphase zu erklären. Etwa durch einen Übergang aus einer früheren gegenphasigen Erre. Solche Alternativen sind theoretisch reizvoll, haben aber bis lange weniger detaillierte Vorhersagen geliefert, die sich mit der Hintergrundstrahlung so umfassend abgleichen ließen wie die einfache Inflation. Wenn du jetzt den Eindruck hast, dass diese Theorie sich an Bereichen abarbeiten, in denen Vorstellung kaum noch gereift, dann hast du recht. Die typischen Skalende Inflation liegen weit jens als dessen, was sich in irischen Beschleunigern direkt erforschen lässt. Selbst der größte Teilchen Beschleuniger in der Nähe von Genf erreicht Energien, die etwa um einen Faktor von 10 hoch 12 unter den vermuteten Energien der Inflation liegen. Aus diesem Grund ist die Hintergrundstrahlung das wichtigste Fenster in jene Epoche. Sie wirkt wie ein leises Licht, das durch alle Räume der Skosmos schimmert und doch nur anzulesen ist, wenn man sehr leise hinhört. Jede neue Generation von Messinstrumenten verfeinert dieses Lauschen. Jede neue Auswertung schält das Bild ein wenig deutlich heraus. Es lohnt sich an dieser Stelle zu fragen, was die Inflation für unser Bild des Anfangs eigentlich bedeutet. Zum einen verschiebt sie das Redsel das Beginn. Wenn die Inflation den Zustand kurz nach dem Urknall erklärt, woher kommt sie selbst? Die Theorie sagt nichts darüber, warum überhaupt einen Inflationsfeld auf einem hohen Plato seiner Energielandschaft existiert haben soll. Die heißesten Diskussionen drehen sich daher um die Vorgeschichte der Inflation. Um die Rolle der Quantengeravitation, um die Frage, ob es überhaupt einen wohlbestimmten angefangen gibt oder ob Begriffe wie Zeit und Ursprung in jenen Bereichen ihre Bedeutung verlieren. Stephen Hawking und James Hartl entwarfen in den 1980er Jahren ein Modell, das ohne Klappestippen Anfang auskommt und stattdessen eine glatte, geschlossene Grenze für die Raumzeit am frühsten Punkt vorschlägt. Roger Penrose, ein anderer großer Theoretiker, hat eigene Vorstellung entwickelt, die der konventionellen Inflation widersprechen und in denen die Geschichte des Kosmos auf eine Folge unendlich vieler Aeonen hinausläuft. In denen jeweils das Ende des einen Universums den Beginn des nächsten markiert. Zum anderen verändert die Inflation, wie wir über das Verhältnis von groß und klein denken. Die größten Strukturen, die wir kennen, also die Filamente und Wände aus Galaxien haufen, haben in dieser Sicht den selben Ursprung, wie die kleinsten Schwankungen, die uns bekannt sind, nämlich Quantenfloktozion im frühen Universum. Was wir als gigantisch erleben, war einmal mikroskopisch und ist im Kern noch immer mikroskopisch. Diese Verbindung zwischen Quantenwelt und kosmischer Großstruktur ist eine der erstaunlichsten Folgeungen der modernen Physik. Sie bedeutet, dass der Sternenhimmel über uns auf eine Weise mit den feinsten Details der Materie verwoben ist, die kein direkter Blick und kein einzelnes Experiment vollständig sichtbar machen kann. In der Astronomiegeschichte gab es immer wieder Momente, in denen sich solche tiefen Einsichten andeuteten und doch Jahrzehnte lang auf Bestätigung warteten. Die Inflation gehört zu den jüngeren größeren Ideen dieser Art. Sie ist mittlerweile gut 40 Jahre alt, hat eine Generation von Forschenden geprägt, viele technische Verfeinerungen erfahren und steht heute in den Lehrbüchern der Kosmologie als zentraler Bestandteil des sogenannten Standardsmodell. Diese Standardmodell, oft mit dem Kürzell Lammner CDUM bezeichnet, beschreibt das heute Universum als flach gefüllt mit einer dunklen Energie, die durch eine kosmologische Konstante dargestellt wird. Mit kaltadunkter Materie und mit gewöhnlicher Materie deren Verteilung wiederum auf die in der Inflation erzeugten Schwankungen zurückgeht. Mit diesem Modell lassen sich die Hintergrundstrahlung, die Verteilung der Galaxien und die Häufigkeit der leichtesten Elemente auf einem hohen Niveau erklären. Es bleiben Spannungen zwischen verschiedenen Messmethoden etwa beim heutigen Wert der Austeilungsrate. Dem Havelparameter, Besserwischstimmung aus der Hintergrundstrahlung und aus Narengalaxien sich um einiger Prozent unterscheidet. Diese Spannung wird als möglicher Hinweis auf neue Physik diskutiert. Ihre genaue Bedeutung ist jedoch offen. Wenn man nun versucht, sich die Inflation anschauen, ich wollte zu stellen, hilft es vielleicht in Bildern zu denken, die ruhig wirken. Stell dir eine sehr glatte See vor, deren tiefe jedoch leichte Schwingungen unterwegs sind, die das Auge nicht sieht. Solange das Wasser ruttbleiben, diese Schwingungen klein. Plötzlich, aber wird das beckenen Bruchteilen von Sekunden ungeheuer groß. Jeder Punkt entfernt sich von jedem anderen. Was vorher kaum sichtbar war, wirken nun in einer riesigen Fläche sichtbar. Jede einzelne winzige Welle wird zu einem weiten, langgezogenen Muster gestreckt. Wenn die See dann zur Ruhe kommt, bleiben diese ausgedehnten Muster zurück. Und in den höher und tiefer gelegenen Regionen sammelt sich später Wasser und dort werden Strömungen entstehen, dort werden Inseln und Strände wachsen. So lassen sich die heutigen Galaxien als Inseln in einer Landschaft verstehen, deren Höhen Unterschiede von Wellen herrühren, die einst auf einem extrem kleinen Becken zitan. Bei aller Größe der Bilder, die wir hier entworfen haben, lohnt es sich zugleich, daran zu denken, dass der selbe Kosmos, der sich in den ersten Sekunden brucht, teilen, so ungeheuerlich vergrößerte heute auf einem winzigen blauen Planeten Wesen hervorgebracht hat, die in wo obachten. Dieser Planet eingebettet in einer dünner Atmosphäre, geschützt durch ein Magnetfeld, getragen, von einer biologischen Vielfalt, die ohne Beispiel im sichtbaren Teil des Kosmos ist, ist die einzige Bühne, auf der wir bisher von der Inflation hörten. Und davon auch erzählen können. Wenn der Raum sich einst um 40 oder 50 Größenordnung ausgedehnt hat, um diese Bühne überhaupt erst möglich zu machen, dann liegt in dem Gedanken, gerade auf ihr nichts und wiederbringlich zu zerstören. Sterne sind in den Augen der Kosmologie zwar ständige Werkbegleiter, doch kein einziger Stern wird ein zweites Mal gleichbrennen und kein einziger Planet wird in dieser Art noch einmal entstehen. Wenn du dich also nun langsam in den Schlaf gleiten lassen möchtest, dann nimm vielleicht dieses Bild mit, aus einer Region kleiner als das Atom, aus dem dein Körper gebaut ist, ist alles geworden, was du je sehen wirst. Die Inflation hat dieses kleinste in eine Weite gezogen, in der heute Galaxien wie leise Lichtnetze hängen. Da zwischen, bewegen sich Sterne, Planeten, Lebewesen, Erinnerungen und das Atmen schlafen der Menschen. Du musst all das nicht festhalten, all das nicht greifen wollen, all das nicht überblicken müssen. Es genügt, dass du heute Abend ein Teil dieser ausgedehnten Geschichte bist und dass diese Geschichte soweit wer sie kennen zu einem nicht geringeren Teil davon abhängt, wie sorgsam und wie wir gemeinsam mit dir umgehen. Schlaf gut, atme ruhig und lasst den Kosmos in dem Maß weit sein, indem dein Herz heute Abend ruhig wird.

Podcast Summary

Key Points:

  1. Die kosmische Inflation beschreibt eine extrem kurze, exponentielle Ausdehnung des Universums in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall.
  2. Die Theorie wurde 1980 von Alan Guth vorgeschlagen und später von Andrei Linde, Andreas Albrecht und Paul Steinhardt verfeinert.
  3. Sie löst drei zentrale Probleme des klassischen Urknallmodells
  4. Angetrieben wird die Inflation durch ein hypothetisches Inflatonfeld, dessen Energie den Raum rasant expandieren lässt.
  5. Nach der Inflation wird die Feldenergie in heiße Materie umgewandelt (Reheating), aus der später Atome, Sterne und Galaxien entstehen.
  6. Die Inflation erklärt auch die Entstehung kleiner Dichteschwankungen aus Quantenfluktuationen, die als Keime für kosmische Strukturen dienen.
  7. Beobachtungen der kosmischen Hintergrundstrahlung (z. B. durch Planck) bestätigen die Vorhersagen der Inflation weitgehend, insbesondere das nahezu skalainvariante Spektrum.
  8. Offene Fragen bleiben bestehen, etwa der Nachweis primordialer Gravitationswellen und alternative Modelle wie die ewige Inflation oder zyklische Kosmologien.

Summary:

Die kosmische Inflation ist eine zentrale Theorie zur Erklärung der frühesten Phase des Universums. Sie besagt, dass das Universum innerhalb von etwa 10 hoch -36 bis 10 hoch -32 Sekunden nach dem Urknall eine exponentielle Ausdehnung durchlief, bei der winzige Regionen auf kosmische Größenordnungen gedehnt wurden. Diese Idee wurde 1980 von Alan Guth entwickelt und später von anderen Physikern verfeinert.

Die Inflation löst mehrere fundamentale Probleme des klassischen Urknallmodells: Sie erklärt, warum weit entfernte Regionen des Universums dieselbe Temperatur haben (Horizontproblem), warum das Universum geometrisch flach ist (Flachheitsproblem) und warum hypothetische Teilchen wie magnetische Monopole nicht beobachtet werden. Angetrieben wird die Inflation durch ein hypothetisches Inflatonfeld, dessen Energie den Raum ausdehnt. Nach ihrem Ende wird diese Energie in heiße Materie umgewandelt, aus der später alle kosmischen Strukturen entstehen.

Ein besonderer Erfolg der Theorie ist die Erklärung der winzigen Dichteschwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung, die als Keime für Galaxien dienen. Beobachtungen, insbesondere durch den Planck-Satelliten, haben die Vorhersagen der Inflation weitgehend bestätigt. Offene Fragen bleiben jedoch, etwa der Nachweis primordialer Gravitationswellen und die Möglichkeit eines Multiversums durch ewige Inflation.

Trotz konkurrierender Modelle bleibt die Inflation die am besten bestätigte Erklärung für die Frühphase des Kosmos.

FAQs

Die kosmische Inflation ist eine kurze Phase extrem schneller Ausdehnung des Universums unmittelbar nach dem Urknall, in der der Raum in weniger als einer Sekunde um einen enormen Faktor wuchs.

Sie löst das Horizontproblem, das Flachheitsproblem und das Monopolproblem, indem sie erklärt, warum das Universum gleichmäßig, flach und frei von exotischen Teilchen ist.

Das Inflatonfeld ist ein hypothetisches Energiefeld, das den frühen Kosmos durchdrang und durch seine hohe, nahezu konstante Energiedichte die exponentielle Ausdehnung des Raums antrieb.

Während der Inflation werden winzige Quantenfluktuationen durch die rasante Ausdehnung auf makroskopische Größen gedehnt, die später als Dichteschwankungen die Entstehung von Galaxien und Sternen ermöglichen.

Es beschreibt ein fast skaleninvariantes Schwankungsspektrum der Dichte im frühen Universum, das durch die Inflationstheorie erstmals theoretisch begründet und durch Satellitenmessungen bestätigt wurde.

Sie sind theoretische Wellen in der Raumzeit, die während der Inflation entstanden sein sollen, und könnten durch ein bestimmtes Polarisationsmuster der Hintergrundstrahlung nachgewiesen werden.

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