Heißer Urknall und Inflation

Heißer Urknall

Heißer Urknall - dies ist die Zeit der Entwicklung des Universums, in deren letzten Stadien wir leben. Während dieser Zeit war der beobachtete Teil des Universums zunächst dicht und heiß, und dann begann er sich auszudehnen und abzukühlen. Die Expansion hat sich bis vor kurzem verlangsamt. Seien Sie nicht verwirrt: Der heiße Urknall begann mit ziemlicher Sicherheit nicht in den frühesten Momenten des Universums.

Einige Leute nennen den heißen Urknall (HBV) einfach den „Urknall“. Andere, die vom Urknall sprechen, implizieren ebenfalls eine frühere Zeit. Die Probleme der Terminologie werden im nächsten Artikel über Inflation beschrieben.

Wie heiß war das HBV im heißesten Zustand, bevor es abkühlte, und wie hat es angefangen?

Dies ist uns sicherlich noch nicht bekannt. HBV könnte beginnen, wenn das Universum am Ende der Inflationsperiode heiß wird. In diesem Fall kam die Wärme des HBV von der dunklen Energie, die das Aufblasen befeuerte, und die maximale Temperatur des HBV hängt von der Menge der verfügbaren dunklen Energie ab.

Die Temperatur könnte sein:

• so groß wie ein großer Prozentsatz der Planck-Temperatur (und dann war das Universum so heiß, dass es allein aufgrund der Temperatur schwarze Löcher erzeugen konnte), und
• so niedrig wie die Temperatur, die der Energie des Large Hadron Collider entspricht (und dann würde es kaum ausreichen, Higgs-Partikel zu erzeugen).

Und wahrscheinlich nicht unter dieser Marke.

Manchmal wird die maximale Temperatur des HBV als "Wiedererwärmungstemperatur" bezeichnet, aber das Wort "re" kann zu Missverständnissen führen. Die Leute gingen davon aus, dass das Universum sowohl vor als auch nach dem Aufblasen heiß war, daher das „Aufheizen“ - und Sie können viele Websites, Bücher, Videos und Bilder finden, die dieselbe Annahme zeigen -, aber es basiert auf nichts.

Was ist als nächstes passiert?

Wir sind uns ziemlich sicher, dass wir uns der wichtigsten Meilensteine ​​und vieler Details der Ereignisse in den nächsten 13,7 Milliarden Jahren bewusst sind. Das Universum dehnte sich allmählich aus (der Raum wurde größer) und kühlte sich dementsprechend ab und wurde leerer. Im Vergleich zu einem so erstaunlichen Ereignis wie der Inflation war die Folgeperiode relativ langweilig, obwohl auf dem Weg ziemlich wichtige Meilensteine ​​erreicht wurden.

Einige Minuten nach dem Start des HBV:

• Das Higgs-Feld wurde eingeschaltet (d. H. Sein Durchschnittswert wurde ungleich Null), was sicherstellte, dass viele der Teilchen, die zuvor keine Masse hatten, einschließlich Quarks und Elektronen, die in gewöhnlicher Materie gefunden wurden, Masse erhielten. Seit dieser Zeit ist der Wert des Higgs-Feldes zumindest im beobachtbaren Teil des Universums konstant geblieben.
• Quarks, Antiquarks und Gluonen, die frei fliegen, bilden Hadronen, einschließlich Protonen und Neutronen.
• Die ersten Atomkerne, die sich von Wasserstoff unterscheiden, bildeten sich, wodurch im Universum ziemlich viel Helium und ein wenig Deuterium (schwerer Wasserstoff) sowie Lithium auftraten. Sie wurden später die Zutaten für die ersten Sterne.

380.000 Jahre später kühlte sich alles so weit ab, dass sich die ersten Atome bildeten, und von diesem Moment an ist das Universum größtenteils zu einem transparenten Ort geworden, wie wir ihn heute sehen. Das Licht, das dann die Möglichkeit bekam, sich frei im Universum zu bewegen, gibt uns "Reliktstrahlung".

Ungefähr hundert Millionen Jahre später begannen sich die ersten Galaxien zu bilden und die ersten Sterne leuchteten auf. Der genaue Zeitrahmen wurde noch nicht durch Messungen festgelegt, aber sie versuchen es.

Jetzt leben wir ungefähr 13,7 Milliarden Jahre nach dem Einsetzen von HBV. Beachten Sie, dass ich nicht über das "Zeitalter des Universums" geschrieben habe oder dass es vor 13,7 Milliarden Jahren begann. Dies ist uns nicht genau bekannt. Wir wissen nur, dass der GBV vor 13,7 Milliarden Jahren begann - aber wir wissen nicht, ob dieser Moment kurz vor dem Beginn des gesamten Universums stand.

Inflation

Die Ära der Inflation war wahrscheinlich eine sehr kurze, aber sicherlich farbenfrohe Zeit, in der sich der Raum innerhalb des Teils des Universums, einschließlich unseres sichtbaren Teils (den wir heute sehen können), mit einer absolut unglaublichen Geschwindigkeit schnell ausdehnte. Die Expansionsgeschwindigkeit war so schnell, dass es verrückt schien. Und das einzige, was diese Idee vom Wahnsinn abhält, ist, dass die Inflationstheorie Vorhersagen liefert, die bisher mit unseren Raummessungen übereinstimmen (einschließlich der vom BICEP2- Projekt gemachten). Dies bedeutet nicht, dass es wahr ist, aber es bedeutet, dass:

• Es gibt gute Gründe zu glauben, dass es wahr sein kann, und
• heute kann niemand beweisen, dass es falsch ist.

Noch einmal: Platz erweitert. Keine Materie wurde in den Raum gerissen: Der Raum wurde viel größer. Es sah überhaupt nicht nach einer Explosion aus .

Wie verrückt war die Expansionsgeschwindigkeit? Ein Abschnitt des Universums, der so groß ist wie der Bildschirm Ihres Computers, hat sich in einer Zeit, die kürzer ist als ein Quark, um von einer Seite des Protons zur anderen zu gelangen, auf die Größe des heute beobachteten Teils des Universums oder sogar mehr vergrößert. Ich werde nicht einmal versuchen, Sie mit Zahlen zu überfluten, zum Teil, weil wir nicht wirklich wissen, wie lange die Inflation gedauert hat, sondern auch, weil Zahlen auf zu große Größen und zu kleine Zeitintervalle hinweisen, als dass sich die Leute das vorstellen könnten. Tatsächlich wurde aus einem winzigen Stück fast augenblicklich ein riesiges Stück des Universums erschaffen.

Wie war das Universum während dieser Expansion? Leer. Extrem leer. Viel, viel, viel leerer als der heutige Raum. Sehr kalt. Sehr dunkel. Alles, was vor Beginn der Inflation darin vorhanden sein konnte, wurde sofort über weite Entfernungen zerrissen und gestohlen. Warnung: Es gibt einen ziemlich wichtigen und sehr subtilen Haken in Bezug auf Aussagen über das leere / dunkle / kalte Universum, und ich weiß noch nicht, wie ich es genauer beschreiben soll. Es wäre genauer zu sagen, dass das Universum nicht nur "extrem" leer war, es war "maximal" leer, dunkel und kalt - leer von allem außer Quantenschwankungen.

Was vor der Inflation passiert ist und wie es angefangen hat, wissen wir nicht. Es gibt mehrere vernünftige Theorien, die auf der Wissenschaft basieren, aber alle werden Spekulationen sein, bis jemand einen Weg findet, sie anhand von Messungen zu testen. Die Zeit „vor der Inflation“ existiert möglicherweise überhaupt nicht - entweder weil die Inflation ständig irgendwo im Universum stattfindet oder weil die Zeit keinen Sinn ergibt, wenn Sie weit genug in die Vergangenheit zurückgehen oder aus einem anderen Grund. In vielen Zusammenhängen spielt es jedoch kaum eine Rolle, wie ich anhand von Bildern erläutern und einige der häufig gestellten Fragen beantworten werde.

Was hat die verrückte Inflationsrate verursacht?

Der Grund war eine große Menge dessen, was oft genannt wird:

• "Dunkle Energie" (aber dies ist keine Energie, es ist eine bestimmte Kombination aus Energie und Unterdruck) oder
• "Kosmologische Konstante" (Einsteins [nicht] Fehler; zum Glück ist dies keine Konstante, oder das Universum würde für immer eine Inflation erfahren) oder
• "Dark Smooth Stretch" (was wahr ist, aber unangenehm klingt und nichts erklärt).

Im Allgemeinen gibt es ein wenig von dieser Substanz im Universum, weshalb die Expansionsrate des Universums in den letzten mehreren Milliarden Jahren zugenommen hat. Wir vermuten jedoch, dass es irgendwann aus irgendeinem Grund viel größer war. Aus diesem Grund expandierte das Gebiet, das unseren Teil des Universums enthielt, mit einer unglaublichen Geschwindigkeit, das heißt, es war einer "Inflation" ausgesetzt. Die Abbildungen 1, 2 und 3 enthalten unbegründete und wahrscheinlich falsche Vermutungen darüber, warum die Inflation begonnen hat. Die 4 Details dieser Vermutungen haben keine Bedeutung mehr.


Abb. 1: eine völlig unbegründete Vermutung darüber, wie ein Teil des Universums ausgesehen haben könnte, bevor die Inflation begann. Aus einem unbekannten Grund enthält die Grauzone eine große Menge dunkler Energie. Innerhalb der Grauzone habe ich einige Objekte gezeichnet, die durch grüne und rote Punkte gekennzeichnet sind. Was außerhalb der Grauzone liegt, weiß ich nicht, aber am Ende wird es keine Rolle spielen.

Woher kommt diese riesige Menge dunkler Energie?

Wir wissen es nicht. Es gibt mehrere Annahmen, von denen einige von jüngsten Daten abgelehnt wurden. Wir hoffen, im nächsten Jahrzehnt mehr über dieses Thema zu erfahren.


Abb. 2: Dunkle Energie bewirkt, dass sich die Grauzone ausdehnt. Objekte in der Grauzone (grüne und rote Punkte) breiten sich mit der Ausdehnung des Raums aus, der dunkle Energie enthält, die immer voluminöser wird, ohne sich über die Grauzone hinaus zu bewegen.

Warum verlangsamt sich die Expansionsgeschwindigkeit nicht, wenn die Expansion die Dunkle Energie erweitert?

Es ist seltsam und überraschend, dass mit der Inflation des Universums und dem Wachstum seines Volumens die Menge an dunkler Energie in Bezug auf ein Volumeneinheit konstant bleibt. Dies bedeutet, dass die Inflation gehen und gehen und gehen wird, ohne sich zu verlangsamen, bis etwas die dunkle Energie verschwinden lässt.


Abb. 3: Da dunkle Energie im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien nicht dünner wird, wenn sich der Raum ausdehnt und seine Dichte konstant bleibt, dehnt sich die Grauzone weiter aus. Zu diesem Zeitpunkt waren alle grünen und roten Punkte bis auf einen verschwunden. Unabhängig von der Temperatur des expandierenden Bereichs zu Beginn wird es sehr kalt (so kalt, wie es die Bedingungen zulassen).

Grüne und rote Punkte entfernen sich mit großer Geschwindigkeit voneinander.

Bedeutet dies eine unglaubliche Erweiterung, dass sich alle Dinge mit einer Geschwindigkeit voneinander entfernten, die die Lichtgeschwindigkeit überschritt, eine universelle Geschwindigkeitsbegrenzung?

Ja, das ist es.

Verstößt dies gegen Einsteins Relativitätstheorie?

Nein, es bricht nicht. Einsteins Theorie besagt, dass, wenn sich zwei Objekte an einem Punkt im Raum passieren, für einen Beobachter, der sich mit einem von ihnen bewegt, die gemessene Geschwindigkeit des anderen Objekts niemals die Lichtgeschwindigkeit überschreitet. Zwei Objekte an zwei verschiedenen Orten können sich jedoch schneller als mit Lichtgeschwindigkeit voneinander entfernen, wenn sich der Raum selbst ausdehnt. Genau das passiert im expandierenden Universum.


Abb. 4: die Essenz der Ära der Inflation. Zu diesem Zeitpunkt hat die Inflation alle Objekte verteilt, die in der Grauzone in Abb. 1 vorhanden waren. 1 (rote und grüne Punkte) in extrem großen Abständen voneinander. Die Grauzone wurde zu einer unverständlich großen Größe, sie wurde schrecklich leer und kalt. Und die Erweiterung kann in mehreren Schritten fortgesetzt werden. Die ersten Vermutungen in Abb. 1 und Abb. 2, sind völlig unabhängig von den Eigenschaften dieses Abschnitts des Universums; wenn wir eine sehr gute Vermutung bei Abb. 1 und 2 würden wir immer noch das gleiche Bild bekommen. 4.

Ich dachte, der Urknall sei mit einem sehr heißen Universum verbunden. Und jetzt sagst du, sie war sehr kalt?

Ja, das ist es. Na ja, fast so. Sie ist so kalt wie möglich; Das Vorhandensein von Quantenfluktuationen führt jedoch zu eigenen Eigenschaften. Das Universum wurde nach der Inflation heiß (dazu später mehr). Ob es irgendwann vor der Inflation heiß war, ist rein spekulativ; Es gibt keine Beweise dafür oder dagegen. Während des Aufblasens fiel die Temperatur jedoch auf einen kleinen Bruchteil eines Grades über dem absoluten Nullpunkt.


Abb. 5: Die Expansion des Inflationsstandorts verlangsamt sich. Die Tatsache, dass mit der Zeit ein beobachtbarer Teil unseres Universums wird, ist bereits groß genug, um es zu zeichnen - dies wird durch eine rot gepunktete Linie angezeigt.

Warum hat die Inflation aufgehört?

Wir wissen es nicht. Natürlich gibt es mehrere wissenschaftliche Annahmen mit Gleichungen, Vorhersagen und Möglichkeiten, sie zu testen - zumindest teilweise. Vielleicht werden wir bald mehr darüber durch kontinuierliche Erforschung des Weltraums erfahren.

Was ist passiert, als die Inflation aufgehört hat?

Die beste Vermutung (und unsere Gleichungen sagen, dass dies möglich ist, geben aber keine Details an) - die gesamte dunkle Energie hat sich in Teilchen verwandelt, einschließlich derer, aus denen wir bestehen, und in viele andere Arten von Teilchen, die uns bekannt sind, und möglicherweise in ein Bündel von Teilchen, von denen wir nichts wissen. Und als dies geschah, wurde das Universum sehr heiß und dicht - und dehnt sich weiter aus, wenn auch viel langsamer.


Abb. 6: Am Ende der Inflation verwandelt sich die dunkle Energie, die den zuvor expandierenden Abschnitt ausfüllt, in die Energie der Bewegung und die Energie der Masse der Teilchen, die in großen Mengen auftreten, was das Universum sehr heiß macht. Je mehr dunkle Energie pro Volumeneinheit während des Aufblasens vorhanden ist, desto heißer kann das Universum werden, nachdem es sich erwärmt hat. Ein großes Gebiet, das sich viel weiter erstreckt als gezeigt, einschließlich dessen, was unser beobachtbarer Teil des Universums werden wird, ist mit einer fast gleichmäßigen, heißen, dichten Partikelsuppe gefüllt. Von diesem Moment an dehnt sich das Universum weiter aus, aber viel langsamer als während der Inflation, und kühlt sich allmählich ab.

Das war die Quelle des heißen Urknalls. Einige Leute (einschließlich mir) sagen nur: Dieser Moment ist der Beginn des Urknalls. Andere sagen, dass der Urknall den heißen Urknall und die Inflation beinhaltet, obwohl es seltsam ist - Inflation ist eher eine Pfeife als eine Explosion. Einige sagen, die Inflation habe zu einer Explosion im Urknall geführt, die das Universum zuerst groß und expandierend und dann heiß gemacht habe. Jemand anderes sagt, dass der Urknall den Urknall, die Inflation und alles, was davor war, beinhaltet. Dies ist jedoch eine riskante Aussage - vor der Inflation könnte es etwas geben, das den Begriff „Explosion“ (ein energetisches, ereignisreiches und plötzliches Ereignis) nicht verdient.

Da die Terminologie noch nicht festgelegt wurde, können Sie selbst entscheiden, wie Sie den Begriff „Urknall“ genau nennen möchten. Es ist nur wichtig zu wissen, dass Sie mehrere Möglichkeiten haben und dass verschiedene Wissenschaftler und verschiedene Standorte unterschiedliche Konzepte im Sinn haben können, die als Urknall bezeichnet werden.