Fragen Sie Ethan Nr. 107: Ist Inflation mit dunkler Energie verbunden?
Die exponentielle Expansion des Universums findet jetzt statt, und eine andere findet schon sehr lange statt. Sind sie verwandt?
Die Natur kann nicht gekauft oder verkauft, ausgeliehen oder kopiert werden. Es ist unvergleichlich, unvergesslich, schamlos, elementar wie Erde und Eis, Wasser, Feuer und Luft, Quintessenz, reiner Geist, nicht in Bestandteile zerlegbar.
- Jay Griffiths
Während wir jede Woche über Wunder, interessante und schwierige Aufgaben und neue Entdeckungen in der Natur des Universums schreiben, haben Sie die Möglichkeit , mir Fragen und Vorschläge für die wöchentliche Ausgabe von „Ask Ethan“ zu senden . Und obwohl es in jeder Woche immer mehr Fragen zu geben scheint, werden immer noch interessante Fragen gestellt. Diese Woche geht die Ehre an John Pashkov (bereits zum zweiten Mal), der fragt:Sind Inflationskräfte und dunkle Energie in irgendeiner Weise miteinander verbunden? Es wäre sehr seltsam, wenn zwei verschiedene Kräfte die Expansion des Universums verursachen würden.
Im Falle des Universums sieht vieles, was passiert, sehr seltsam aus, das ist sicher.
Erstens erweitert sich das Universum eindeutig. Dafür braucht sie aber keine Kraft. Wenn wir ein Universum wie das unsere nehmen, das:• unter der Kontrolle der allgemeinen Einstein-Relativitätstheorie arbeitet,• mit Materie, Strahlung und anderen Dingen gefüllt ist,• in alle Richtungen und an allen Orten ungefähr homogen ist, werdenSie zu einem lustigen und unangenehmen Ergebnis kommen. Einstein erreichte es erstmals in den ersten Jahren der Existenz der Relativitätstheorie: Ein solches Universum ist im Hinblick auf den Gravitationskollaps im Wesentlichen instabil.
Das heißt, ohne eine magische Korrektur anzuwenden, wird sich Ihr Universum entweder ausdehnen oder verringern, und diese Möglichkeiten sind gleichwertig. Was sie nicht tun kann, ist unverändert zu bleiben.Natürlich ist Edwin Hubbles Arbeit noch nicht erledigt. Wir wussten nicht nur nicht, dass sich das Universum ausdehnt, wir wussten auch nicht, ob diese Spiralobjekte am Himmel Objekte in unserer Milchstraße sind oder ob es sich um separate Galaxien handelt. Da Einstein, wie die meisten zu dieser Zeit, das statische Universum mehr mochte, erfand er eine spezielle Ad-hoc-Korrektur für die Stabilität des Universums: eine kosmologische Konstante.
Die Idee von Einsteins Relativitätstheorie ist, dass die Gleichung zwei Seiten hat: die mit Materie und Energie und die mit Raum und Zeit. Sie argumentiert, dass die Anwesenheit von Materie und Energie die Krümmung und Entwicklung der Raumzeit bestimmt und wie die Raumzeit gekrümmt ist und sich entwickelt, das Schicksal jedes Quantums von Materie und Energie in ihr bestimmt.Das Hinzufügen einer kosmologischen Konstante bedeutete, dass "dem Raum selbst eine neue Art von Energie innewohnt, die dazu führt, dass sich das Gewebe des Universums mit konstanter Geschwindigkeit ausdehnt". Wenn also eine Gravitationskraft aufgrund des Vorhandenseins von Materie und Energie zum Zusammenbruch des Universums wirkte, war es möglich, diese kosmologische Konstante zu nutzen, um das Universum zu erweitern und ein statisches Universum zu erhalten. Alles, was erforderlich war, war, diese beiden Werte so auszugleichen, dass sie sich gegenseitig zerstörten.
Es stellte sich heraus, dass sich das Universum ausdehnt und keine kosmologische Konstante benötigt, um der Schwerkraft entgegenzuwirken. In seiner ursprünglichen Position begann sich das Universum sehr schnell auszudehnen, was der Schwerkraft aller Materie und Energie entgegenwirkte. Anstelle der Komprimierung expandierte das Universum und die Expansionsgeschwindigkeit verlangsamte sich.Es wird natürlich sein, zwei Fragen zu stellen, die nach dieser Entdeckung in den 1920er Jahren logisch wurden:1. Was hat eine so schnelle Expansion des Universums in seinen frühen Stadien verursacht?2. Was wird das Schicksal des Universums sein? Wird es sich für immer ausdehnen, wird sich seine Ausdehnung wieder in einen Rückfall verwandeln, wird es sich in einem Grenzzustand befinden oder wird etwas anderes passieren?
Die erste Frage blieb über 50 Jahre lang unbeantwortet, obwohl Willem de Sitter interessanterweise fast sofort darauf hinwies, dass die Expansion auf die kosmologische Konstante zurückzuführen ist.
Schließlich erschien Anfang der 1980er Jahre die Theorie der kosmologischen Inflation, die auf das Vorhandensein einer frühen Phase exponentieller Expansion hinweist, als etwas, das sehr an eine kosmologische Konstante erinnert, das Universum beherrschte.Dies konnte jedoch keine echte kosmologische Konstante sein, die auch als Vakuumenergie bezeichnet wird, da das Universum nicht für immer in diesem Zustand blieb. Das Universum könnte sich in einem Zustand falschen Vakuums befinden, wenn es eine dem Raum innewohnende Energie hatte, die dann in einen Zustand niedriger Energie ausstarb, was zum Auftreten von Materie und Strahlung führte: ein heißer Urknall!
Die Inflation hat andere Vorhersagen getroffen, von denen vier bereits bestätigt wurden, weshalb wir die Existenz einer so frühen Phase des Universums akzeptieren.Wenn wir uns der zweiten Frage zuwenden, die das Schicksal des Universums betrifft, finden wir etwas Seltsames. Wir erwarteten eine Art Wettlauf zwischen der anfänglichen schnellen Expansion und der Schwerkraft, die alle Materie und Strahlung beeinflusst, und fanden stattdessen unerwartet eine neue Energieform namens Dunkelheit. Und was würdest du denken? Diese dunkle Energie, wie wir sie heute verstehen, sieht genauso aus wie eine kosmologische Konstante.
Es gab jedoch zwei Arten der exponentiellen Expansion, früher und später, die sich im Detail stark unterscheiden.• Die frühe Inflationsperiode im Universum dauerte unbegrenzt - vielleicht 10 bis 33 Sekunden, vielleicht fast endlos, und die heutige dunkle Energie dominiert seit sechs Milliarden Jahren.• Die frühe Inflationsperiode im Universum war sehr schnell, die kosmologische Expansion ging 10 bis 50 Mal schneller als heute . Im Gegenteil, dunkle Energie macht heute 70% der Expansionsrate aus.• Ein früher Zustand interagierte irgendwie mit Materie und Strahlung. Bei ausreichend hohen Energien muss ein bestimmtes „Inflationsteilchen“ existieren, wenn uns die Quantenfeldtheorie nicht anlügt. Die Dunkle Energie der späten Zeit enthält keinerlei Interaktion.Aber es gibt Ähnlichkeiten.
Beide haben die gleiche Zustandsgleichung, dh die Beziehung zwischen der Skala des Universums und der Zeit.Beide haben die gleiche Beziehung zwischen Energiedichte und Druck in GR.Beides führt zu einer exponentiellen Expansion des Universums.
Aber sind sie verbunden? Es ist sehr, sehr schwer zu sagen. Weil wir sie natürlich nicht gut genug verstehen! Wenn ich persönlich über Inflation nachdenke, stelle ich mir gerne eine Zwei-Liter-Flasche Soda vor, die halb voll ist. Ich stelle mir vor, dass ein Tropfen Öl auf der Oberfläche der Flüssigkeit in der Flasche schwimmt. Dieser Zustand hoher Energie ähnelt dem Universum während der Inflation.Dann passiert etwas, das dazu führt, dass die Flüssigkeit aus der Flasche austritt. Das Öl wird in einem energiearmen Zustand nach unten geschickt.
Wenn der Tropfen jedoch nicht den Boden erreicht - er bleibt nicht bei Null, sondern bei einer Endmarke (wie das Higgs-Feld beim Brechen der Symmetrie) - kann das Auftreten von dunkler Energie verursachen. Die Modelle, die diese Felder, das Inflationsfeld und das Dunkle-Energie-Feld verbinden, werden als Quintessenz bezeichnet .Ganz einfach, ein funktionierendes Inbegriffsmodell zu erstellen. Das Problem ist, dass es genauso einfach ist, zwei separate Arbeitsmodelle zu erstellen - eines für die Inflation und eines für die Dunkle Energie. Wir haben zwei neue Phänomene, die die Einführung von mindestens zwei „freien Parametern“ erfordern, damit die Theorie funktioniert. Sie können verbunden werden, Sie können keine Verbindung herstellen, aber diese Modelle können nicht voneinander unterschieden werden.
Bisher konnten wir nur bestimmte Modellklassen ausschließen, bei denen die Expansionsrate in frühen oder späten Stadien nicht mit den Beobachtungen übereinstimmt. Die Beobachtungen stimmen jedoch mit der Tatsache überein, dass die Inflation an sich ist und dunkle Energie aus einer völlig anderen Quelle stammt. Ich möchte wirklich nicht über das Wissen sprechen, das wir erhalten haben, dass Inflation bei Energien in der Größenordnung von 10 bis 15 auftrittGeV und dunkle Energie - bei Energien von etwa 10-3 eV, und erklären Sie dann, dass "wir nicht wissen, ob sie verbunden sind" - aber so ist es.Leider erwarten wir trotz aller vorgeschlagenen Experimente - James Webb, WFIRST, LISA und ILC - keine Antwort auf diese Frage in naher Zukunft. Es bleibt auf einen theoretischen Durchbruch zu hoffen. Ich selbst habe direkt an dieser Aufgabe gearbeitet und kann sagen, dass ich nicht weiß, wann es passieren kann.Source: https://habr.com/ru/post/de399443/
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