Auf der Website der kostenlosen Vorträge veröffentlichte MIT OpenCourseWare einen
Kurs über die Kosmologie von Alan Gus, einem der Schöpfer des Inflationsmodells des Universums. Der Kurs schien mir interessant genug, um mit der Übersetzung zu beginnen.
Wir bieten Ihnen eine Übersetzung der ersten Vorlesung an: „Inflationskosmologie. Ist unser Universum Teil eines Multiversums? Teil 1".
Die Titelfolie zeigt ein Foto des Planck-Satelliten. Dieser Satellit wurde vor einigen Jahren gestartet, um die kosmische Hintergrundstrahlung zu messen. Kosmische Hintergrundstrahlung ist der wichtigste Schlüssel zum Verständnis der Geschichte des Universums. Der Planck ist der dritte Satellit, der vollständig zur Messung der kosmischen Hintergrundstrahlung ausgelegt ist. Der erste Satellit hieß COBE, dann war WMAP, jetzt Planck.
Der Planck befindet sich noch im Orbit. Tatsächlich hat er die Datenerfassung abgeschlossen, obwohl die Analyse dieser Daten noch lange nicht abgeschlossen ist. Wir werden auch diskutieren, was genau dieser Satellit beobachtet.
Ich möchte zunächst die Standard-Urknalltheorie diskutieren, die das Hauptthema unseres Kurses sein wird. Wir werden ungefähr 2/3 des Kurses damit verbringen, die Standardtheorie des Urknalls zu diskutieren, und dann zu Themen wie Inflation übergehen. Wenn wir anfangen, Inflation zu studieren, stellt sich heraus, dass Inflation eine ziemlich einfache Sache ist, wenn Sie die Grundgleichungen verstehen, die in der Standardkosmologie entstehen. Es erscheint mir durchaus vernünftig, zwei Drittel des Kurses für Standardkosmologie aufzuwenden, bevor ich zur Inflation übergehe. Zu diesem Zeitpunkt werden wir uns mit allen Prinzipien befassen, die wir später anwenden werden, und fortgeschrittene Themen wie Inflation untersuchen.
Das Standard-Urknallmodell ist die Theorie, dass das Universum, wie wir es kennen, vor 13 bis 14 Milliarden Jahren erschien. Heute können wir das Alter des Universums noch genauer benennen. Die Berechnungen basieren auf Daten des Planck-Satelliten sowie einigen anderen Informationen. Das Alter beträgt 13,82 ± 0,05 Milliarden Jahre. Daher ist das Zeitalter des Universums seit dem Urknall derzeit ziemlich gut etabliert.
Es war jedoch nicht umsonst, dass ich "das Universum, wie wir es kennen" spezifizierte. Weil wir nicht ganz sicher sind, ob das Universum mit dem begann, was wir Urknall nennen. Wir haben eine sehr gute Beschreibung des Urknalls und wir sind uns ziemlich sicher, dass es tatsächlich so war, und wir verstehen, wie es aussah. Aber ob etwas vor ihm war - diese Frage ist noch völlig offen.
Es scheint mir, dass wir nicht annehmen sollten, dass das Universum mit dem Urknall begann. Später, ganz am Ende des Kurses, wenn wir einige der Folgen der Inflation und des Multiversums untersuchen, werden wir sehen, dass es guten Grund zu der Annahme gibt, dass der Urknall nicht der Anfang des Universums war, sondern nur der Anfang unseres lokalen Universums, das oft als Taschenuniversum bezeichnet wird.
Auf jeden Fall behauptet die Urknalltheorie, dass zumindest unser Teil des Universums vor 13,82 Milliarden Jahren eine extrem heiße, dichte, gleichmäßige Substanz von Partikeln war, die nach dem allgemein akzeptierten Standardmodell des Urknalls buchstäblich den gesamten Raum ausfüllte. Jetzt sind wir zuversichtlich, dass es den gesamten Raum, der uns zur Beobachtung zur Verfügung steht, gleichmäßig ausfüllt. Ich möchte betonen, dass dies dem weit verbreiteten, aber falschen visuellen Bild des Urknalls widerspricht. Nach diesem grafischen Bild sah der Urknall aus wie eine kleine Bombe mit sehr dichter Substanz, die dann explodierte und in den leeren Raum zerstreute. Dies ist kein wissenschaftliches Bild des Urknalls.
Der Grund ist nicht die Inkonsistenz eines solchen Bildes. Es ist schwer zu sagen, was hier logisch und was unlogisch ist. Es widerspricht nur dem, was wir sehen. Wenn es eine kleine Bombe wäre, die im leeren Raum explodiert, würden wir heute erwarten, dass das Universum anders aussehen würde, wenn Sie in die Richtung schauen, in der sich die Bombe befand, und in die entgegengesetzte Richtung. Aber wir sehen keine Anzeichen dafür. Wenn wir in den Himmel schauen, sieht das Universum mit sehr großer Genauigkeit in alle Richtungen genau gleich aus. Nirgendwo sehen wir Anzeichen einer explodierenden Bombe. Im Gegenteil, es scheint, dass der Urknall überall gleichmäßig passiert ist.
Der Urknall beschreibt einige wichtige Dinge, über die wir in unserem Kurs mehr sprechen werden. Er beschreibt, wie sich das frühe Universum ausdehnte und abkühlte, und wir werden einige Zeit damit verbringen, die Nuancen zu verstehen, die hinter diesen Worten verborgen sind. Tatsächlich ist der Urknall ein sehr genaues Modell, das auf sehr einfachen Annahmen basiert. Im Großen und Ganzen nehmen wir an, dass das frühe Universum mit heißem Gas gefüllt war, das sich im thermodynamischen Gleichgewicht befand, und dass sich dieses Gas aufgrund der Schwerkraft ausdehnte und zurückzog.
Aus diesen einfachen Ideen können wir berechnen und lernen, wie schnell sich das Universum ausdehnt, welche Temperatur es hat und wie dicht die Materie zu jedem Zeitpunkt ist. Alle Nuancen können aus diesen einfachen Ideen berechnet werden, und dies zu erforschen ist wirklich interessant.
Der Urknall erklärt auch, wie sich leichte chemische Elemente gebildet haben. Dies ist das Hauptthema von Steve Weinbergs Buch The First Three Minutes. Ungefähr in dieser Zeit bildeten sich chemische Elemente. Es stellt sich heraus, dass sich die meisten chemischen Elemente im Universum nicht während des Urknalls gebildet haben, sondern viel später innerhalb der Sterne. Diese Elemente wurden während Supernova-Explosionen in den Weltraum zerstreut und aus ihnen wurden Sterne späterer Generationen gebildet, von denen einer unsere Sonne ist.
So wurde die Substanz, aus der wir hergestellt sind, nicht während des Urknalls erzeugt, sondern in einem entfernten Stern synthetisiert, der vor langer Zeit explodierte. Und vielleicht viele Sterne, deren Überreste zusammengekommen sind und unser Sonnensystem gebildet haben. Im Gegensatz zu den meisten verschiedenen Arten von Elementen bildete sich jedoch der größte Teil der Materie im Universum im Urknall. Das meiste im Universum ist nur Wasserstoff und Helium.
Ungefähr fünf verschiedene Isotope von Wasserstoff, Helium und Lithium wurden hauptsächlich im Urknall gebildet, und da wir ein detailliertes Bild des Urknalls haben, das wir weiter untersuchen werden, können wir die Anzahl dieser verschiedenen Isotope berechnen und vorhersagen. Diese Vorhersagen stimmen sehr gut mit den Beobachtungen überein. Dies ist natürlich eine der wichtigsten Bestätigungen dafür, dass unser Bild vom Urknall korrekt ist. Man kann vorhersagen, wie viel Helium-3 sein sollte. Diese Menge wurde gemessen und stimmt mit den Vorhersagen überein. Das ist erstaunlich.
Schließlich erklärt der Urknall, wie sich die Materie schließlich in Klumpen und Sternen, Galaxien und gebildeten Galaxienhaufen sammelte. Wir werden ein wenig darüber sprechen, aber wir werden nicht sehr tief in dieses Thema eintauchen, da es den Rahmen unseres Kurses sprengt. Die Arbeiten in diese Richtung dauern grundsätzlich noch an. Die Menschen verstehen nicht alles über Galaxien. Aber das allgemeine Bild, dass alles mit einem fast homogenen Universum begann und dann die Materie in Klumpen gesammelt wurde, die Galaxien und andere Strukturen bildeten, wird als wahr angesehen. Und aus diesem sehr einfachen Bild können Sie viel über das Universum verstehen.
Jetzt möchte ich darüber sprechen, worüber die übliche Theorie des Urknalls nicht spricht, über die Entstehung neuer Ideen wie Inflation.
Erstens sagt die übliche Urknalltheorie nichts darüber aus, was die Expansion des Universums verursacht hat. In Wirklichkeit ist dies nur eine Theorie der Folgen einer Explosion. In der wissenschaftlichen Version des Urknalls im aufstrebenden Universum dehnt sich alles aus, ohne zu erklären, wie diese Expansion begann. Diese Erklärung ist nicht Teil der Urknalltheorie. Somit ist die wissenschaftliche Version der Urknalltheorie nicht wirklich eine Explosionstheorie. Dies ist eigentlich eine Theorie der Folgen einer Explosion.
In ähnlicher Weise sagt die übliche Urknalltheorie nichts darüber aus, woher die ganze Sache kam. Die Theorie geht tatsächlich davon aus, dass es für jedes Teilchen, das wir heute im Universum sehen, am Anfang, wenn nicht das Teilchen selbst, zumindest eine Art Vorläuferteilchen gab, ohne zu erklären, woher all diese Teilchen kamen. Kurz gesagt, ich möchte sagen, dass die Urknalltheorie nichts darüber aussagt, was explodiert ist, warum es explodiert ist oder was passiert ist, bevor es explodiert ist. In der Urknalltheorie gibt es wirklich keine Explosion. Dies ist trotz ihres Namens eine ungebrochene Theorie.
Wie sich herausstellt, liefert die Inflation Antworten auf sehr plausible Antworten auf viele dieser Fragen. Grundsätzlich werden wir heute in der verbleibenden Zeit darüber sprechen. Wie gesagt, aus Sicht des Kurses werden wir uns diesem Thema etwa im letzten Drittel des Kurses nähern.
Was ist Weltrauminflation? Im Wesentlichen handelt es sich hierbei um eine geringfügige Änderung der Standardtheorie des Urknalls im Hinblick auf das Gesamtbild. Das beste Wort, um es zu beschreiben, ist das Wort, von dem ich denke, dass es in Hollywood geprägt wurde. Die Inflation ist eine Fortsetzung der üblichen Urknalltheorie. Dies ist eine kurze Beschreibung dessen, was kurz vor dem Urknall passiert ist. Die Inflation ist also in der Tat eine Erklärung für die Urknall-Explosion in dem Sinne, dass sie eine Push-Theorie liefert, die das Universum zu diesem riesigen Expansionsprozess führte, den wir Urknall nennen.
Die Inflation tut es so, dass ich es als Wunder betrachte. Wenn ich das Wort „Wunder“ verwende, verwende ich es im wissenschaftlichen Sinne, nur etwas so Erstaunliches, dass es verdient, als Wunder bezeichnet zu werden, obwohl es Teil der Gesetze der Physik ist. Es gibt nur einige Merkmale der Gesetze der Physik, die für die Inflation von entscheidender Bedeutung sind. Ich werde über zwei von ihnen sprechen, was ich als Wunder betrachte, denn als ich Student war, sprach überhaupt niemand über sie. Sie waren einfach nicht Teil der Physik, die die Leute bemerkten und über die sie sprachen.
Das Wunder der Physik, von dem ich spreche, ist seit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie bekannt, dass die Schwerkraft nicht immer Anziehungskraft ist. Die Schwerkraft kann als Abstoßung wirken. Einstein beschrieb dies 1916 in Form der sogenannten kosmologischen Konstante. Die anfängliche Motivation zur Modifizierung der Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie war, dass Einstein das Universum als statisch betrachtete. Er erkannte, dass die gewöhnliche Schwerkraft das statische Universum zusammenziehen würde. Das Universum kann nicht statisch bleiben. Deshalb führte er dieses Element, eine kosmologische Konstante, ein, um die Anziehungskraft der gewöhnlichen Schwerkraft zu kompensieren und ein statisches Modell des Universums erstellen zu können.
Wie Sie bald herausfinden werden, ist ein solches Modell völlig falsch. Das Universum sieht ganz anders aus. Die Tatsache, dass die allgemeine Relativitätstheorie diese Gravitationsabstoßung beinhalten kann, die mit allen Prinzipien der allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar ist, ist eine wichtige Sache, die Einstein selbst entdeckt hat. Die Inflation nutzt diese Gelegenheit, indem sie zulässt, dass die Schwerkraft die abstoßende Kraft ist, die das Universum in eine Expansionsphase gebracht hat, die wir Urknall nennen.
Wenn wir die allgemeine Relativitätstheorie mit einigen allgemein anerkannten Ideen der Elementarteilchenphysik kombinieren, gibt es in der Tat klare Anzeichen, nicht ganz eine Vorhersage, sondern klare Anzeichen dafür, dass es bei sehr hohen Energiedichten Materiezustände gibt, die die Schwerkraft buchstäblich auf den Kopf stellen und Anziehung wird zu Abstoßung. Genauer gesagt, wie wir später erfahren, wird die Gravitationsabstoßung durch Unterdruck erzeugt.
Nach der allgemeinen Relativitätstheorie stellt sich heraus, dass sowohl Druck als auch Energiedichte ein Gravitationsfeld erzeugen können. Im Gegensatz zur Newtonschen Physik, bei der nur die Dichte der Masse ein Gravitationsfeld erzeugt.
Überdruck erzeugt ein attraktives Gravitationsfeld. Überdruck ist eine Art Normaldruck, und attraktive Schwerkraft ist eine Art Normalschwerkraft. Normaldruck erzeugt normale Schwerkraft. Ein Unterdruck ist jedoch möglich, und ein Unterdruck erzeugt eine abstoßende Schwerkraft. Dies ist das Geheimnis dessen, was Inflation ermöglicht.
Die Inflation deutet also darauf hin, dass im frühen Universum zumindest ein kleiner Fleck abstoßender Gravitationsmaterie vorhanden war. Wir wissen nicht genau, wann Inflation in der Geschichte des Universums aufgetreten ist, oder mit anderen Worten, wir wissen nicht genau, auf welchem Energieniveau sie aufgetreten ist. Die sehr plausible Möglichkeit, wann Inflation auftreten könnte, besteht jedoch darin, dass die Energieniveaus im Universum mit den Energieniveaus in den Theorien der Großen Vereinigung vergleichbar waren.
Die Theorien der Großen Vereinigung, über die wir etwas später sprechen werden, sind Theorien, die schwache, starke und elektromagnetische Wechselwirkungen zu einer einzigen Wechselwirkung kombinieren. Diese Assoziation tritt bei einer typischen Energie von ungefähr 10
16 GeV auf, wobei GeV ungefähr die Masse oder Energie ist, die der Masse des Protons entspricht. Wir sprechen von Energien, die ungefähr 10
16 mal größer sind als die äquivalente Massenenergie eines Protons. Mit solchen Energien ist es sehr wahrscheinlich, dass es Zustände gibt, die eine abstoßende Schwerkraft erzeugen.
Wenn dies mit solchen Energieordnungen geschehen würde, könnte der Standort anfangs unglaublich klein sein - etwa 10 bis
28 Zentimeter, um letztendlich zur Schaffung von allem zu führen, was wir in großen Entfernungen sehen. Und das Universum, das wir heute sehen, ist eine völlige Folge eines solchen Ortes.
Die Gravitationsabstoßung, die durch diese kleine Strecke abstoßender Gravitationsmaterie erzeugt wird, ist zur treibenden Kraft hinter dem Urknall geworden, was zu einer exponentiellen Ausdehnung der Strecke führt. Bei exponentieller Expansion gibt es eine bestimmte Zeit, in der sich die Größe des Diagramms verdoppelt. Wenn Sie den gleichen Betrag warten, wird er sich wieder verdoppeln. Wenn Sie den gleichen Betrag warten, wird er sich wieder verdoppeln.
Da sich diese Verdopplungen schnell ansammeln, dauert es nicht lange, das gesamte Universum zu erschaffen. Nach etwa 100 Verdopplungen kann diese winzige Strecke von 10 bis
28 Zentimetern groß genug werden, um kein Universum zu werden, sondern die Größe einer kleinen Kugel annehmen, die schließlich zu einem beobachtbaren Universum wird, nachdem sie sich nach dem Ende der Inflation weiter ausdehnt.
Wenn all dies auf der Skala der großen Theorie der Vereinigung geschieht, ist die Verdopplungszeit mit 10 bis
37 Sekunden unglaublich kurz, was sehr schnell ist. Die Site wird exponentiell erweitert, mindestens 10 bis
28 Mal, was, wie bereits erwähnt, nur etwa 100 Verdopplungen erfordert und sich viel weiter ausdehnen kann. Es gibt keine Einschränkungen. Wenn es sich mehr ausgedehnt hat als nötig, um unser Universum zu erschaffen, bedeutet es einfach, dass der Teil des Universums, in dem wir leben, größer ist als wir sehen. Es gibt nichts zu befürchten. Alles, was wir sehen, sieht einheitlich aus, aber wie weit wir es erreichen können, können wir nicht herausfinden. Daher stimmen die hohen Inflationsraten voll und ganz mit dem überein, was wir sehen.
Die dafür benötigte Zeit beträgt nur 10 bis
35 Sekunden, was 100 mal 10 bis
37 Sekunden entspricht. Die Stelle, die dazu bestimmt ist, unser derzeit beobachtbares Universum zu werden, hat am Ende der Inflation die Größe einer Kugel mit einem Durchmesser von etwa einem Zentimeter.
Die Inflation endet, weil diese abstoßende Gravitationsmaterie instabil ist. Es zerfällt im gleichen Sinne wie eine radioaktive Substanz. Dies bedeutet nicht, dass es wie ein verfallender Apfel verrottet, sondern dass es sich in andere Arten von Materie verwandelt. Insbesondere wird daraus Materie, die nicht mehr gravitativ abstoßend ist. Somit endet die Gravitationsabstoßung und die Partikel, die durch die am Ende des Aufblasens freigesetzte Energie erzeugt werden, werden zur heißen Substanz des gewöhnlichen Urknalls.
Damit ist das Prequel beendet und die Hauptaktion beginnt - die übliche Theorie des Urknalls. Die Rolle der Inflation besteht nur darin, die Ausgangsbedingungen für die übliche Theorie des Urknalls zu schaffen. Es gibt eine leichte Einschränkung. Die Inflation endet, weil die Materie instabil ist, aber fast überall und nicht überall.
Diese abstoßende Gravitationsmaterie zerfällt, aber sie zerfällt als radioaktive Substanz, exponentiell hat sie eine Halbwertszeit. Aber egal wie viele Halbwertszeiten dort vergehen, es wird immer ein kleines Stück geben, es wird ein bisschen mehr davon geben. Und dies erweist sich als wichtig für die Idee, dass die Inflation in vielen Fällen nie vollständig endet. Wir werden darauf zurückkommen.
Jetzt möchte ich darüber sprechen, was während der exponentiellen Expansionsphase passiert.
Es gibt ein sehr spezifisches Merkmal der Inflation, diese exponentielle Expansion, die durch die abstoßende Schwerkraft verursacht wird, was bedeutet, dass die Massendichte oder Energiedichte dieser abstoßenden Gravitationsmaterie nicht abnimmt, während sie auftritt. Es scheint, dass, wenn sich etwas verdoppelt, das Volumen um das 8-fache und die Energiedichte um das 8-fache abnehmen sollte.Und das passiert natürlich mit gewöhnlichen Partikeln. Natürlich wäre es passiert, wenn wir Gas hätten, gewöhnliches Gas, das wir einfach zweimal ausdehnen durften. Die Dichte würde sich um das Achtfache verringern, da das Volumen einem Größenwürfel entspricht. Aber diese besondere abstoßende Gravitationsmaterie dehnt sich tatsächlich mit konstanter Dichte aus. Es hört sich so an, als würde die Energieeinsparung verletzt, weil dies bedeutet, dass die Gesamtenergiemenge in diesem expandierenden Volumen zunimmt. Die Energie pro Volumeneinheit bleibt konstant und das Volumen wird immer exponentieller.Ich bestätige, dass ich nicht den Verstand verloren habe, dass dies tatsächlich den Gesetzen der Physik entspricht, die wir kennen. Und das steht im Einklang mit der Energieeinsparung. Energieeinsparung ist in der Tat das heilige Prinzip der Physik. Wir wissen nichts in der Natur, was gegen das Prinzip der Energieerhaltung verstößt. Energie kann letztendlich nicht erzeugt oder zerstört werden, die Gesamtenergiemenge ist festgelegt. Hier scheint es einen Widerspruch zu geben. Wie werden wir es los?Hier ist ein zweites Wunder der Physik erforderlich. Energie wird wirklich gespart. Der Trick dabei ist, dass Energie nicht unbedingt positiv ist. Es gibt Dinge, die negative Energie haben. Insbesondere das Gravitationsfeld hat negative Energie. Diese Aussage trifft übrigens sowohl in der Newtonschen Physik als auch in der allgemeinen Relativitätstheorie zu. Wir werden es später beweisen.Wenn Sie einen Kurs in Elektromagnetismus belegt haben, um die Energiedichte eines elektrostatischen Feldes zu berechnen, wissen Sie, dass die Energiedichte eines elektrostatischen Feldes proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke ist. Es kann nachgewiesen werden, dass diese Energie genau der Energie entspricht, die dem System hinzugefügt werden muss, um ein elektrisches Feld einer bestimmten Konfiguration zu erzeugen. Wenn wir das Newtonsche Gravitationsgesetz mit dem Coulombschen Gesetz vergleichen, wird klar, dass dies tatsächlich dasselbe Gesetz ist, außer dass sie unterschiedliche Konstanten verwenden.Beide sind Gesetze der inversen Quadrate und proportional zu zwei Ladungen, wobei es sich bei der Schwerkraft um Massen handelt, die die Rolle von Ladungen spielen. Aber sie haben entgegengesetzte Vorzeichen. Es ist bekannt, dass zwei positive Ladungen abstoßen, zwei positive Massen werden voneinander angezogen.Das gleiche Argument, mit dem wir die Energiedichte des Coulomb-Feldes berechnen können, ermöglicht es uns, die Energiedichte des Newtonschen Gravitationsfeldes zu berechnen, das sich noch im Rahmen der Newtonschen Physik befindet, während das Vorzeichen der Kraft erhalten bleibt. Dies ändert das Vorzeichen in allen durchgeführten Berechnungen und es wird ein negativer Wert erhalten, der der korrekte Wert für die Newtonsche Schwerkraft ist. Die Energiedichte des Newtonschen Gravitationsfeldes ist negativ. Gleiches gilt für die allgemeine Relativitätstheorie.Dies bedeutet, dass es im Rahmen der Energieeinsparung möglich ist, immer mehr Materie, immer mehr Energie in Form von gewöhnlicher Materie, die während des Aufblasens auftritt, anzusammeln, solange durch das Gravitationsfeld eine kompensierende Menge an negativer Energie erzeugt wird. das füllt einen immer größeren Raum. Genau das passiert während der Inflation.Die positive Energie dieser abstoßenden Gravitationssubstanz, die wächst und an Volumen zunimmt, wird durch die negative Energie des Gravitationsfeldes, das den Bereich ausfüllt, genau kompensiert. Somit bleibt die Gesamtenergie konstant, wie es sollte, und es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Gesamtenergie genau Null ist. Denn zumindest alles, was wir wissen, stimmt mit der Möglichkeit überein, dass diese beiden Energien genau gleich oder sehr nahe beieinander liegen.Schematisch ist das Bild, dass die Gesamtenergie des Universums aus einer riesigen positiven Energie in Form von Materie und Strahlung besteht, der Materie, die wir sehen, der Materie, mit der wir normalerweise Energie identifizieren. Es gibt aber auch eine riesige negative Energie, die in einem Gravitationsfeld eingeschlossen ist, das das Universum füllt. Und soweit wir das beurteilen können, kann ihre Summe gleich 0 sein. Zumindest widerspricht dies nichts.In jedem Fall steigt während des Aufblasens der schwarze Balken und der rote Balken fällt ab. Und sie steigen und fallen in gleicher Menge. Die Prozesse, die während der Inflation ablaufen, sparen also Energie, da alles, was den Gesetzen der Physik entspricht, von denen wir wissen, Energie sparen muss.Ich möchte über einige Anzeichen von Inflation sprechen. Bisher habe ich beschrieben, was Inflation ist, und für heute reicht diese Beschreibung aus. Wie gesagt, wir werden zurückkehren und in unserem Kurs darüber sprechen. Lassen Sie uns nun einige der Gründe diskutieren, warum wir glauben, dass unser Universum tatsächlich diesen Prozess namens Inflation durchlaufen hat, über den ich gerade gesprochen habe. Es gibt drei Dinge, über die ich sprechen möchte.Die erste davon ist die Einheitlichkeit des Universums in großem Maßstab. Dies liegt an der Tatsache, dass ich Ihnen am Anfang gesagt habe, dass das Universum in alle Richtungen gleich aussieht, wenn Sie in verschiedene Richtungen schauen. Ein Objekt, dessen Richtungsabhängigkeit mit größter Genauigkeit gemessen werden kann, ist die kosmische Hintergrundstrahlung, da wir sie in jede Richtung messen können und sie äußerst homogen ist.Als dies getan wurde, wurde festgestellt, dass die kosmische Hintergrundstrahlung mit unglaublicher Genauigkeit gleichmäßig ist - ungefähr 1/100000. Dies ist ein beeindruckendes Maß an Einheitlichkeit. Dies bedeutet, dass das Universum in der Tat äußerst homogen ist.Ich möchte hier eine Reservierung vornehmen, um ganz genau zu sein. Wenn Sie einfach die kosmische Strahlung nehmen und messen, stellt sich heraus, dass es eine Asymmetrie gibt, die größer ist als das, was ich gerade gesagt habe. Es kann eine Asymmetrie von etwa 1/1000 festgestellt werden, wobei eine Richtung heißer als die andere ist. Aber wir interpretieren diesen eintausendsten Effekt als unsere Bewegung durch kosmische Hintergrundstrahlung, die ihn in eine Richtung heißer und in die entgegengesetzte Richtung kälter macht. Und dieser Effekt unserer Bewegung hat eine sehr bestimmte Winkelverteilung.Wir haben keine andere Möglichkeit zu wissen, wie schnell wir in Bezug auf die kosmische Hintergrundstrahlung sind. Wir berechnen es einfach aus dieser Asymmetrie. Aber wir können mit dieser Bewegung nicht alles erklären. Wir können die Geschwindigkeit berechnen. Sobald wir es berechnen, wird dies eine der Asymmetrien bestimmen, die wir subtrahieren können. Danach liegen die verbleibenden Asymmetrien, Asymmetrien, die wir nicht erklären können und die besagen, dass die Erde eine bestimmte Geschwindigkeit in Bezug auf die kosmische Hintergrundstrahlung hat, auf dem Niveau von einhunderttausendstel. Und dieses Tausendstel schreiben wir dem Universum zu und nicht der Bewegung der Erde.Um die Konsequenzen dieser unglaublichen Homogenität zu verstehen, müssen wir ein wenig über die Geschichte dieser kosmischen Hintergrundstrahlung sagen. Die Strahlung in der frühen Periode des Universums, als das Universum ein Plasma war, war im Wesentlichen in Materie gefangen. Photonen bewegten sich mit Lichtgeschwindigkeit, aber das Plasma hat einen sehr großen Querschnitt für die Streuung von Photonen durch freie Elektronen. Dies bedeutet, dass sich Photonen mit der Substanz bewegten, weil sie sich nur für eine sehr kurze Strecke frei bewegen konnten, sich dann zerstreuten und in die andere Richtung bewegten. In Bezug auf Materie flogen Photonen in den ersten 400.000 Jahren der Geschichte des Universums nicht weg.Nach unseren Berechnungen kühlte sich das Universum nach etwa 400.000 Jahren so weit ab, dass sich das Plasma neutralisieren konnte. Und wenn das Plasma neutralisiert wird, wird es zu einem neutralen Gas, wie Luft in diesem Raum. Die Luft in diesem Raum scheint uns völlig transparent zu sein, und es stellt sich heraus, dass dasselbe im Universum passiert ist.Das Gas, das das Universum nach seiner Neutralisierung füllte, wurde wirklich transparent. Dies bedeutet, dass das typische Photon, das wir heute in der kosmischen Hintergrundstrahlung sehen, ab etwa 400.000 Jahren nach dem Urknall in einer geraden Linie wanderte. Was wiederum bedeutet, dass wir bei der Betrachtung der kosmischen Hintergrundstrahlung tatsächlich ein Bild davon sehen, wie das Universum 400.000 Jahre nach dem Urknall aussah. Genau wie das Licht, das von meinem Gesicht auf deine Augen kommt, dir eine Vorstellung davon gibt, wie ich aussehe.Wir sehen also das Bild des Universums im Alter von 400.000 Jahren und es ist homogen mit einer Genauigkeit von einhunderttausendstel. Die Frage ist, können wir erklären, wie das Universum so homogen werden kann? Wenn Sie bereit sind, einfach anzunehmen, dass das Universum ursprünglich mehr als einhunderttausendstel vollständig homogen war, dann stört Sie niemand dazu. Wenn Sie jedoch versuchen möchten, diese Einheitlichkeit zu erklären, ohne davon auszugehen, dass sie von Anfang an bestand, ist die Verwendung der üblichen Urknalltheorie einfach nicht möglich.Der Grund dafür ist, dass wir im Rahmen der Evolutionsgleichungen der üblichen Urknalltheorie berechnen können und später berechnen werden, um alles im Laufe der Zeit zu glätten, sodass die kosmische Hintergrundstrahlung glatt aussieht. Sie müssen in der Lage sein, Materie und Energie etwa 100-mal schneller zu bewegen Lichtgeschwindigkeit. Sonst klappt es einfach nicht. Wir in der Physik wissen nichts, was schneller passiert als die Lichtgeschwindigkeit. In der uns bekannten Physik und in der üblichen Theorie des Urknalls gibt es keine Möglichkeit, diese Homogenität zu erklären, außer einfach anzunehmen, dass sie von Anfang an vorhanden war. Aus Gründen, die wir nicht kennen.Andererseits löst die Inflation dieses Problem sehr gut. Die Inflation erweitert die Geschichte des Universums um eine exponentielle Erweiterung. Aufgrund der Tatsache, dass diese exponentielle Expansion so groß war, folgt daraus, dass unser Universum, bevor es zur Inflation kam, viel kleiner war als in der gewöhnlichen Kosmologie, in der es diese exponentielle Expansion nicht hatte.Im Inflationsmodell blieb also genügend Zeit, bis der beobachtete Teil des Universums vor Beginn der Inflation homogen wurde, als er unglaublich klein war. Und es wurde gleichmäßig, wie Luft, die sich gleichmäßig im Raum ausbreitet, anstatt sich in einer Ecke zu sammeln. Nachdem in dieser winzigen Region Einheitlichkeit erreicht worden war, dehnte die Inflation diese Region aus, die groß genug wurde, um alles aufzunehmen, was wir jetzt sehen, und erklärte damit, warum alles, was wir sehen, so einheitlich aussieht. Dies ist eine sehr einfache Erklärung, und sie ist nur unter Verwendung der Inflation möglich und nicht im Rahmen der allgemein anerkannten Theorie des Urknalls.In Inflationsmodellen beginnt das Universum mit einer so geringen Größe, dass die Einheitlichkeit leicht hergestellt werden kann. Ebenso füllt die Luft in einem Hörsaal den Hörsaal gleichmäßig aus. Dann erstreckt sich die Inflation über die Region, die groß genug wird, um alles aufzunehmen, was wir derzeit beobachten. Dies ist der erste meiner drei Inflationsbeweise.
Eine der Optionen ist die geschlossene Geometrie der Oberfläche der Kugel. Die Analogie ist, dass ein dreidimensionales Universum einer zweidimensionalen Oberfläche einer Kugel ähnlich ist. Die Anzahl der Dimensionen ändert sich, aber wichtige Dinge bleiben bestehen. Wenn Sie beispielsweise ein Dreieck auf der Oberfläche einer Kugel platzieren und dies leicht sichtbar macht, beträgt die Summe der drei Winkel mehr als 180 Grad. Im Gegensatz zur euklidischen Geometrie, bei der die Summe immer 180 Grad beträgt.
STUDENT: Tritt in der vierten Dimension eine Biegung des dreidimensionalen Raums auf? So wie zweidimensionale Modelle eine andere Dimension implizieren?
LEHRER: gute Frage. Die Frage war, ob die dreidimensionale Krümmung in der vierten Dimension genauso auftritt wie die zweidimensionale Krümmung in der dritten Dimension. Ich denke die Antwort ist ja. Aber ich sollte hier ein wenig klarstellen. Die dritte Dimension aus rein mathematischer Sicht ermöglicht es uns, die Kugel leicht zu visualisieren. Aber die Geometrie der Kugel ist aus der Sicht von Menschen, die Differentialgeometrie studieren, ein genau definierter zweidimensionaler Raum, ohne dass eine dritte Dimension erforderlich ist.
Die dritte Dimension ist nur eine Möglichkeit für uns, die Krümmung zu visualisieren. Die gleiche Methode funktioniert jedoch für den dreidimensionalen Raum. Indem wir den dreidimensional gekrümmten Raum eines geschlossenen Universums untersuchen, werden wir genau das tun. Wir verwenden dieselbe Methode, stellen sie uns in vier Dimensionen vor und sie kommt dem zweidimensionalen Bild, das Sie betrachten, sehr nahe.
Eine der Möglichkeiten ist daher die geschlossene Geometrie, bei der die Summe der drei Winkel eines Dreiecks immer größer als 180 Grad ist. Eine andere Möglichkeit ist die sogenannte Sattelform oder der Raum mit negativer Krümmung. In diesem Fall wird die Summe der drei Winkel, wenn sie sich verengen, kleiner als 180 Grad. Und nur für den planaren Fall beträgt die Summe der drei Winkel genau 180 Grad, was bei der euklidischen Geometrie der Fall ist.
Die Geometrie auf den Oberflächen dieser Objekte ist nicht euklidisch, obwohl sie, wenn wir die dreidimensionale Geometrie von Objekten betrachten, die in den dreidimensionalen Raum eingebettet sind, immer noch euklidisch ist. Die Geometrie auf zweidimensionalen Flächen ist jedoch auf den oberen beiden Flächen nicht euklidisch und auf der unteren Fläche nicht euklidisch.
So funktioniert es in der allgemeinen Relativitätstheorie. Es gibt geschlossene Universen mit positiver Krümmung und einer Winkelsumme von mehr als 180 Grad. Es gibt offene Universen, in denen die Summe der drei Winkel immer weniger als 180 Grad beträgt. Und es gibt einen Fall eines flachen Universums, das sich an der Grenze der beiden befindet und in dem die euklidische Geometrie funktioniert. In unserem Universum funktioniert die euklidische Geometrie sehr gut. Deshalb haben wir sie alle in der Schule unterrichtet. Wir haben sehr gute Beweise dafür, dass das frühe Universum diesem flachen Fall euklidischer Geometrie ungewöhnlich nahe kam. Das versuchen wir zu verstehen und zu erklären.
In Übereinstimmung mit der allgemeinen Relativitätstheorie wird die Geometrie des Universums durch die Dichte der Masse bestimmt. Es gibt einen bestimmten Wert der Massendichte, der als kritische Dichte bezeichnet wird und von der Expansionsrate abhängt. Dies ist übrigens keineswegs eine universelle Konstante. Für eine gegebene Expansionsrate kann jedoch die kritische Dichte berechnet werden, und diese kritische Dichte ist die Dichte, die das Universum flach macht. Kosmologen definieren eine Zahl namens Ω (Omega). Ω ist einfach das Verhältnis der tatsächlichen Massendichte zur kritischen Massendichte. Wenn also Ω gleich 1 ist, ist die tatsächliche Dichte gleich der kritischen Dichte, was ein flaches Universum bedeutet. Wenn Ω größer als 1 ist, erhalten wir ein geschlossenes Universum, und wenn Ω kleiner als 1 ist, gibt es ein offenes Universum.
Die Entwicklung des Wertes von Ω ist insofern besonders, als sich Ω gleich 1 während der Entwicklung des Universums in der gewöhnlichen Kosmologie wie ein Bleistift verhält, der an seiner Spitze balanciert. Dies ist ein instabiler Gleichgewichtspunkt. Mit anderen Worten, wenn Ω im frühen Universum genau gleich 1 wäre, würde es genau gleich 1 bleiben. Genau wie ein Bleistift, der idealerweise an seiner Spitze montiert ist, weiß er nicht, wohin er fallen soll, und bleibt im Prinzip für immer in dieser Position. Zumindest in der klassischen Mechanik. Wir werden die Quantenmechanik für unseren Bleistift nicht berücksichtigen. Für eine Analogie verwenden wir einen Bleistift der klassischen Mechanik.
Wenn sich der Stift jedoch ein wenig in eine Richtung neigt, fällt er schnell in diese Richtung. In ähnlicher Weise würde Ω im frühen Universum, wenn es etwas über 1 wäre, schnell bis unendlich ansteigen. Dies ist ein geschlossenes Universum. Unendlichkeit bedeutet tatsächlich, dass das Universum seine maximale Größe erreicht und dann schrumpft und zusammenbricht. Wenn Ω etwas kleiner als 1 wäre, würde es schnell auf 0 abnehmen und das Universum würde einfach leer werden, da es sich schnell ausdehnen würde.
Daher ist die einzige Möglichkeit für Ω, heute nahe bei 1 zu sein, und soweit wir sagen können, dass Ω heute 1 ist, zunächst unglaublich nahe bei 1. Es ist wie bei diesem Bleistift, der seit 14 Milliarden Jahren steht und noch nicht gefallen ist. Wenn Ω heute irgendwo im zulässigen Bereich sehr nahe bei 1 liegt, bedeutet dies, dass Ω eine Sekunde nach dem Urknall gleich 1 mit einer unglaublichen Genauigkeit von 15 Dezimalstellen sein sollte. Dies macht die Massendichte des Universums eine Sekunde nach dem Urknall wahrscheinlich zur genauesten Zahl, die wir in der Physik kennen. Wir wissen es wirklich mit einer Genauigkeit von 15 Dezimalstellen. Wenn es nicht in diesem Bereich wäre, wäre es heute aufgrund des Verstärkungseffekts während der Evolution des Universums nicht nahe bei 1.
Die Frage ist, wie ist das passiert? In der üblichen Urknalltheorie könnte der Anfangswert von Ω theoretisch alles sein. Um dem zu entsprechen, was wir derzeit beobachten, hätte es in diesem unglaublich engen Bereich liegen müssen, aber theoretisch gibt es nichts, was es zwingen würde, dort zu sein. Die Frage ist, warum war Ω anfangs so unglaublich nahe an 1? Wie bei dem zuvor erwähnten Problem der Homogenität kann man einfach annehmen, dass es sich anfangs als das herausstellte, was es hätte sein sollen, d.h. gleich 1. Sie können dies tun. Aber wenn Sie eine Erklärung dafür haben möchten, warum dies passiert ist, gibt es in der gewöhnlichen Kosmologie nichts, was dies erklären könnte. Die Inflation erlaubt es uns jedoch, dies zu erklären.
Im Inflationsmodell ändert sich die Entwicklung von Ω, weil sich die Schwerkraft in eine abstoßende Kraft anstatt in eine anziehende verwandelt, und dies führt dazu, dass sich Ω auf andere Weise ändert. Es stellt sich heraus, dass sich Ω während der Inflation nicht wie im Rest der Geschichte des Universums von 1 wegbewegt, sondern sich im Gegenteil schnell exponentiell schnell auf 1 bewegt. Bei einer solchen Inflationsrate, von der wir gesprochen haben, beträgt die Inflation etwa das 10
28- fache. Es reicht aus, dass der Wert von Ω vor der Inflation nicht sehr begrenzt ist. Ω vor dem Aufpumpen könnte nicht 1 sein, sondern 2 oder 10 oder 1/10 oder 100 oder 1/100.
Je weiter das anfängliche Ω von 1 entfernt war, desto länger ist die Inflation erforderlich, um es näher an 1 zu bringen. Bei Ω, das sich erheblich von 1 unterscheidet, dauert die Inflation jedoch nicht viel länger, da die Inflation Omega exponentiell näher an 1 bringt. Dies ist eine sehr mächtige Kraft, die Omega näher an 1 bringt. Und es gibt uns eine sehr einfache Erklärung dafür, warum Ω im frühen Universum extrem nahe an 1 zu liegen schien.
Tatsächlich folgt daraus eine Vorhersage. Da die Inflation so nahe daran ist, Ω näher an 1 heranzuführen, erwarten wir, dass Ω heute tatsächlich 1 sein sollte oder im Bereich der messbaren Genauigkeit liegt. Sie können sich Inflationsmodelle vorstellen, bei denen Ω beispielsweise 0,2 wäre. Dies ist das, was vorher angenommen wurde, aber dafür muss die Inflation genau zum richtigen Zeitpunkt enden, bevor sie sich überhaupt 1 nähert. Denn jeder exponentielle Anstieg macht sie zu einer Größenordnung näher an 1. Dies ist ein sehr schneller Effekt. Daher werden die meisten Inflationsmodelle ohne eine sehr gründliche Anpassung Ω so nahe an 1 bringen, dass wir es heute als 1 betrachten.
Zuvor schien dies nicht der Fall zu sein. Bis 1998 waren die Astronomen davon überzeugt, dass Ω nur 0,2 oder 0,3 betrug, während die Inflation eine ziemlich klare Vorhersage hatte, dass Ω 1 sein sollte. Persönlich verursachte dies mir einige Unannehmlichkeiten. Wann immer ich mit Astronomen zu Mittag aß, sagten sie, dass Inflation eine schöne Theorie ist, aber sie kann nicht korrekt sein, da Ω 0,2 ist und Inflation Ω 1 voraussagt. Und dies ist einfach eine Nichtübereinstimmung.
Alles hat sich 1998 geändert. Die genaueste Zahl für Ω, die wir vom Planck-Satelliten zusammen mit einigen anderen Messungen erhalten haben, ist 1,0010, ± 0,0065. 0,0065 ist eine wichtige Sache. Die Zahl liegt sehr, sehr nahe bei 1, und der Fehler ist größer als dieser Unterschied. Daher wissen wir heute, dass mit einer Genauigkeit von 0,5% oder vielleicht 1% Ω 1 ist, was die Inflation vorhersagt.
Die neue Komponente, die all dies ermöglichte und den gemessenen Omega-Wert von 0,2 auf 1 änderte, ist eine neue Komponente der Energiebilanz des Universums, die Entdeckung dessen, was wir Dunkle Energie nennen. Während des Kurses lernen wir viel über dunkle Energie. Die Entdeckung im Jahr 1998 bestand darin, dass sich die Expansion des Universums unter dem Einfluss der Schwerkraft nicht verlangsamt, wie dies vor dieser Zeit erwartet wurde, sondern dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt.
Diese Beschleunigung muss auf etwas zurückzuführen sein. Was diese Beschleunigung verursacht, nennt man dunkle Energie. Obwohl es erhebliche Wissenslücken über dunkle Energie gibt, können wir dennoch berechnen, wie viel es sein sollte, um die beobachtete Beschleunigung zu erzeugen. Und wenn all dies zusammenkommt, erhalten wir eine Zahl, die viel besser auf die Inflation abgestimmt ist als die vorherige.
STUDENT: War das beschleunigende Universum zu dieser Zeit ein unbekannter Faktor, aufgrund dessen fälschlicherweise angenommen wurde, dass Ω 0,2 oder 0,3 beträgt?
LEHRER: Ja, das ist es. Dies war ausschließlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Beschleunigung zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt war. Tatsächlich wurde die sichtbare Substanz genau gemessen. Dies ergab nur 0,2 oder 0,3. Und diese neue Komponente, die dunkle Energie, die wir nur aufgrund der Beschleunigung kennen, macht den notwendigen Unterschied.
STUDENT: Sind diese Daten, die Ω gleich 0,2 oder 0,3 machen, wirklich nur eine Komponente des Universums, die wir durch Teleskope sehen?
LEHRER: Richtig. Einschließlich dunkler Materie. Tatsächlich sehen wir nicht alles. Ohne jetzt auf Details einzugehen, werden wir sie später im Kurs diskutieren. Es gibt etwas, das Dunkle Materie genannt wird und sich von Dunkler Energie unterscheidet. Trotz der Tatsache, dass Materie und Energie im Wesentlichen dasselbe sind, sind sie in unserem Fall unterschiedlich. Dunkle Materie ist Materie, deren Schlussfolgerung wir aufgrund ihres Einflusses auf andere Materie ziehen. Wenn Sie beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit von Galaxien betrachten, können Sie berechnen, wie viel Substanz sich in diesen Galaxien befinden muss, damit die Umlaufbahnen stabil sind. Es stellt sich heraus, dass Substanzen viel mehr benötigt werden, als wir tatsächlich sehen. Diese unsichtbare Materie wird dunkle Materie genannt und liefert einen Beitrag von 0,2 oder 0,3. Die sichtbare Materie beträgt nur etwa 0,04.
Der nächste Punkt, über den ich sprechen möchte, ist die Heterogenität des Universums im kleinen Maßstab. Auf den größten Skalen ist das Universum unglaublich homogen - auf ein Hunderttausendstel genau, aber auf einer kleineren Skala ist das Universum heute äußerst heterogen. Die Erde ist ein großer Haufen in der Verteilung der Massendichte des Universums. Die Erde ist etwa 10 bis
30 Grad dichter als die durchschnittliche Materiedichte im Universum. Dies ist ein unglaublich dichtes Gerinnsel. Die Frage ist, wie sich diese Gerinnsel gebildet haben. Woher kamen sie?
Wir sind zuversichtlich, dass sich diese Klumpen aus den sehr geringen Störungen entwickelt haben, die wir im frühen Universum sehen und die am deutlichsten durch kosmische Hintergrundstrahlung sichtbar sind. Die Massendichte im frühen Universum war unserer Meinung nach mit einer Genauigkeit von etwa einhunderttausendstel homogen. Aber auf der Ebene von einhunderttausendstel sehen wir, dass Inhomogenitäten in der kosmischen Hintergrundstrahlung existieren.
Objekte wie die Erde haben sich gebildet, weil diese kleinen Heterogenitäten in der Dichte der Masse gravitativ instabil sind. An Orten, an denen die Dichte der Materie leicht übersteigt, erzeugt dieser Dichteüberschuss ein Gravitationsfeld, das noch mehr Materie in diese Bereiche zieht, was wiederum ein noch stärkeres Gravitationsfeld erzeugt, das noch mehr Materie anzieht. Das System ist instabil, es bildet komplexe Cluster, die wir sehen, wie Galaxien, Sterne, Planeten und so weiter.
Dies ist ein komplizierter Prozess. Aber alles beginnt mit diesen sehr schwachen Heterogenitäten, die unserer Meinung nach kurz nach dem Urknall existierten. Wir sehen diese Inhomogenitäten in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Ihre Messung sagt viel über die Bedingungen aus, unter denen das Universum damals existierte, und ermöglicht es uns, Theorien zu entwickeln, die erklären, wie sich ein solches Universum entwickelt hat. Zur Messung dieser Inhomogenitäten werden Satelliten wie COBE, WMAP und Planck mit sehr hoher Genauigkeit erstellt.
Die Inflation beantwortet die Frage, woher die Heterogenität stammt. In der üblichen Urknalltheorie gab es keine Erklärung. Es wurde einfach angenommen, dass es Heterogenitäten gab, und sie künstlich hinzugefügt, aber es gab keine Theorie, woher sie kommen könnten. In Inflationsmodellen, in denen alle Materie durch Inflation erzeugt wird, werden Heterogenitäten ebenfalls durch diese Inflation gesteuert und treten aufgrund von Quanteneffekten auf.
Es ist kaum zu glauben, dass Quanteneffekte für die großräumige Struktur des Universums wichtig sein können. Die Andromeda-Galaxie sieht nicht wie eine Quantenschwingung aus. Aber wenn Sie diese Theorie quantitativ betrachten, funktioniert sie wirklich sehr gut. Die Theorie besagt, dass die Schwingungen, die wir in der kosmischen Hintergrundstrahlung sehen, tatsächlich eine reine Folge der Quantentheorie waren, hauptsächlich des Unsicherheitsprinzips, das besagt, dass es unmöglich ist, etwas völlig Homogenes zu haben. Dies steht nicht im Einklang mit dem Prinzip der Unsicherheit.
Wenn wir die Grundideen der Quantenmechanik verwenden, können wir die Eigenschaften dieser Schwingungen berechnen. Dazu müssen wir mehr über die Physik der sehr hohen Energie wissen, die während der Inflationsperiode relevant war, um die Amplitude dieser Schwingungen vorhersagen zu können. Wir können die Amplitude nicht vorhersagen. Im Prinzip würde uns die Inflation dies ermöglichen, wenn wir genug über die zugrunde liegende Teilchenphysik wüssten, aber wir wissen zu wenig darüber. Daher können wir in der Praxis die Amplitude nicht vorhersagen.
Inflationsmodelle bieten jedoch eine sehr klare Vorhersage des Spektrums solcher Schwankungen. Damit meine ich eine Änderung der Intensität der Schwingungen in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Das Spektrum bedeutet hier dasselbe wie für Schall, außer dass man die Wellenlänge und nicht die Frequenz berücksichtigen muss, da diese Wellen nicht tatsächlich schwingen. Aber sie haben Wellenlängen wie Schallwellen, und wenn wir über die Intensität verschiedener Wellenlängen sprechen, ist die Idee des Spektrums wirklich dieselbe wie im Schall.
Es kann gemessen werden. Dies sind nicht die letzten Messungen, dies sind die letzten Messungen, für die ich eine Grafik habe. Die rote Linie ist eine theoretische Vorhersage. Schwarze Punkte sind echte Maße. Dies sind siebenjährige WMAP-Daten. Es ist schwer zu vermitteln, wie glücklich ich war, als ich diese Kurve sah.
Ich habe auch Grafiken darüber, was andere Theorien vorhersagen. Zum Beispiel waren die Menschen einige Zeit sehr ernst mit der Idee, dass die Inhomogenitäten, die wir im Universum sehen, diese Schwingungen, möglicherweise durch die zufällige Bildung der sogenannten kosmischen Ketten verursacht wurden, die sich in Phasenübergängen im frühen Universum bildeten. Dies war natürlich zu einer Zeit eine realisierbare Idee, aber sobald diese Kurve gemessen wurde, stellte sich heraus, dass die Vorhersage von kosmischen Strings überhaupt nicht so aussah. Seitdem wurden sie als Quelle von Dichteschwankungen im Universum ausgeschlossen. Hier werden auch verschiedene andere Modelle gezeigt. Ich werde keine Zeit damit verschwenden, weil es andere Dinge gibt, über die ich sprechen möchte.
In jedem Fall ist dies zweifellos ein Erfolg. Und das sind die neuesten Daten. Dies sind Daten des Planck-Satelliten, der im März letzten Jahres gestartet wurde. Ich habe es nicht in der gleichen Skala auf dem Diagramm, aber Sie sehen wieder eine theoretische Kurve, die auf Inflation und Punkten basiert und Daten mit winzigen kleinen Fehlern zeigt. Absolut klare Entsprechung.
STUDENT: Was ist mit der Inflationstheorie passiert, nachdem sie dunkle Energie entdeckt haben? Hat sie sich signifikant verändert?
LEHRER: Hat sich die Theorie geändert?
STUDENT: In der vorherigen Tabelle gab es eine andere Kurve.
LEHRER: In Bezug auf Inflation ohne dunkle Energie. Ich denke, dass die Inflationstheorie für diese beiden Kurven nicht so sehr unterschiedlich ist, aber die Kurve, die Sie heute sehen, ist das Ergebnis der Inflation und der Entwicklung, die seitdem stattgefunden hat. Und es ist die Entwicklung, die seitdem stattgefunden hat, die einen großen Unterschied zwischen diesen Kurven macht.
Die Inflationstheorie hätte sich also nicht wesentlich ändern dürfen. Und sie hat sich wirklich nicht verändert. Aber natürlich sieht die Kurve nach der Entdeckung der Dunklen Energie viel besser aus, da die richtige Massendichte bekannt wurde und wir nach und nach immer mehr Daten über diese Schwankungen erhielten, die perfekt in die Inflationsvorhersagen passen.
Jetzt möchte ich zur Idee des Multiversums übergehen. Ich werde versuchen, es schnell durchzugehen, damit wir fertig werden können. Wir werden immer noch nicht versuchen, alle Details zu verstehen, daher werde ich in den verbleibenden 10 Minuten der Vorlesung über einige davon sprechen. Ich möchte ein wenig darüber sprechen, wie Inflation zur Idee eines Multiversums führt. Wir werden ganz am Ende des Kurses darauf zurückkommen, und es ist sicherlich ein aufregender Aspekt der Inflation.Das gravitationsabstoßende Material, das Inflation erzeugt, ist, wie gesagt, metastabil. Es löst sich auf. Dies bedeutet, dass wenn Sie sich an einem Ort befinden, an dem Inflation auftritt, und Sie sich fragen, wie wahrscheinlich es ist, dass sie etwas später auftritt, diese Wahrscheinlichkeit exponentiell abnimmt - sie sinkt um die Hälfte für jede Verdoppelung, jede Halbwertszeit. Gleichzeitig wächst aber auch das Volumen eines aufgeblasenen Gebiets exponentiell, was auf die Inflation zurückzuführen ist. In jedem vernünftigen Inflationsmodell ist das Wachstum viel schneller als der Zerfall. Wenn Sie sich den Bereich ansehen, der anschwillt, und auf die Halbwertszeit warten, schwillt die Hälfte des Volumens dieses Bereichs gemäß der Definition der Halbwertszeit nicht mehr an. Die verbleibende Hälfte ist jedoch deutlich größer als das Volumenwomit wir angefangen haben. Das ist der springende Punkt.Dies ist eine sehr ungewöhnliche Situation, weil sie kein Ende zu haben scheint. Der Bereich, der anschwillt, wird immer größer, selbst wenn er sich teilt, weil die Expansion schneller ist als der Zerfall. Dies führt zu dem Phänomen der fortwährenden Inflation. Die Größe des Quellbereichs nimmt mit der Zeit zu, obwohl die Quellmasse abnimmt. Dies führt zu einer so genannten ewigen Inflation. Ewig bedeutet hier ewig in der Zukunft, soweit wir das beurteilen können, aber nicht ewig in der Vergangenheit. Die Inflation beginnt zu einem endlichen Zeitpunkt, aber sobald sie beginnt, wird sie für immer andauern.Immer wenn ein Teil dieser Schwellungsregion einen Phasenübergang durchläuft und normal wird, sieht er lokal wie ein Urknall aus. Unser Urknall ist eines dieser lokalen Ereignisse, und das Universum, das durch eines dieser lokalen Ereignisse gebildet wird, bei denen eine expandierende Region zerfällt, wird als Taschenuniversum bezeichnet. Tasche einfach, weil es viele solcher Universen auf der Skala dieses Multiversums gibt. Sie sind in gewisser Weise klein, obwohl sie genauso groß sind wie das Universum, in dem wir leben. Und unser Universum ist ein solches Taschenuniversum.Anstelle eines einzelnen Universums erzeugt die Inflation also eine unendliche Anzahl von ihnen. Das nennen wir das Multiversum. Es ist erwähnenswert, dass das Wort Multiversum auch in anderen Kontexten und anderen Theorien verwendet wird, aber Inflation ist meiner Meinung nach der plausibelste Weg, um ein Multiversum aufzubauen. Das meinen die meisten Kosmologen, wenn sie über das Multiversum sprechen.
