Beschreibung und Ursprünge der Inflationstheorie

Inflationstheorie bringt Ideen aus der Quanten- und Teilchenphysik zusammen, um die frühen Momente des Universums nach dem Urknall zu erforschen. Nach der Inflationstheorie wurde das Universum in einem instabilen Energiezustand geschaffen, der in seinen frühen Momenten eine rasche Expansion des Universums erzwang. Eine Konsequenz ist, dass das Universum viel größer ist als erwartet, viel größer als die Größe, die wir mit unseren Teleskopen beobachten können. Eine weitere Konsequenz ist, dass diese Theorie einige Merkmale vorhersagt - wie die gleichmäßige Verteilung der Energie und die flache Geometrie der Raumzeit -, die zuvor im Rahmen der Urknalltheorie nicht erklärt wurden.

Die von dem Teilchenphysiker Alan Guth 1980 entwickelte Inflationstheorie gilt heute allgemein als anerkannter Bestandteil der Urknalltheorie, obwohl die zentralen Ideen der Urknalltheorie schon Jahre vor der Entwicklung der Inflationstheorie fest etabliert waren.

Die Ursprünge der Inflationstheorie

Die Urknalltheorie hatte sich über die Jahre als recht erfolgreich erwiesen, insbesondere durch die Entdeckung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung (CMB). Trotz des großen Erfolgs der Theorie zur Erklärung der meisten Aspekte des Universums, die wir gesehen haben, blieben drei Hauptprobleme übrig:

• Das Homogenitätsproblem (oder "Warum war das Universum nur eine Sekunde nach dem Urknall so unglaublich gleichmäßig?"), Wie die Frage in Endless Universe: Jenseits des Urknalls)
• Das Ebenheitsproblem
• Die vorhergesagte Überproduktion magnetischer Monopole

Das Urknallmodell schien ein gekrümmtes Universum vorherzusagen, in dem die Energie überhaupt nicht gleichmäßig verteilt war und in dem es viele magnetische Monopole gab, von denen keiner den Beweisen entsprach.

Der Teilchenphysiker Alan Guth lernte das Problem der Flachheit 1978 in einem Vortrag an der Cornell University von Robert Dicke. In den nächsten Jahren wandte Guth Konzepte aus der Teilchenphysik auf die Situation an und entwickelte ein Inflationsmodell des frühen Universums.

Guth stellte seine Ergebnisse bei einem Vortrag am 23. Januar 1980 im Stanford Linear Accelerator Center vor. Seine revolutionäre Idee war, dass die Prinzipien der Quantenphysik im Herzen der Teilchenphysik auf die frühen Momente der Urknallkreation angewendet werden könnten. Das Universum wäre mit einer hohen Energiedichte geschaffen worden. Die Thermodynamik schreibt vor, dass die Dichte des Universums es zu einer extrem schnellen Expansion gezwungen hätte.

Für diejenigen, die sich für mehr Details interessieren, wäre das Universum im Wesentlichen in einem "falschen Vakuum" mit ausgeschaltetem Higgs-Mechanismus entstanden (oder anders ausgedrückt, das Higgs-Boson existierte nicht). Es hätte einen Prozess der Unterkühlung durchlaufen und einen stabilen Zustand niedrigerer Energie gesucht (ein "echtes Vakuum", in dem der Higgs-Mechanismus eingeschaltet war), und es war dieser Prozess der Unterkühlung, der die inflationäre Periode der raschen Expansion antrieb.

Wie schnell Das Universum hätte sich alle 10 verdoppelt^-35 Sekunden. Innerhalb von 10^-30 Sekunden hätte sich die Größe des Universums um das 100.000-fache verdoppelt, was mehr als genug ist, um das Flachheitsproblem zu erklären. Selbst wenn das Universum zu Beginn eine Krümmung hätte, würde diese Ausdehnung dazu führen, dass es heute flach erscheint. (Bedenken Sie, dass die Erde groß genug ist, um flach zu sein, obwohl wir wissen, dass die Oberfläche, auf der wir stehen, die gekrümmte Außenseite einer Kugel ist.)

In ähnlicher Weise wird Energie so gleichmäßig verteilt, weil wir zu Beginn ein sehr kleiner Teil des Universums waren und dieser Teil des Universums sich so schnell ausdehnte, dass sie zu weit entfernt wären, wenn es größere ungleiche Energieverteilungen gäbe für uns wahrzunehmen. Dies ist eine Lösung für das Homogenitätsproblem.

Die Theorie verfeinern

Das Problem mit der Theorie bestand, soweit Guth das beurteilen konnte, darin, dass die Inflation, sobald sie begonnen hatte, für immer anhalten würde. Es schien keinen klaren Absperrmechanismus zu geben.

Wenn sich der Raum mit dieser Geschwindigkeit kontinuierlich ausdehnen würde, würde eine frühere Idee über das frühe Universum, die von Sidney Coleman vorgestellt wurde, nicht funktionieren. Coleman hatte vorausgesagt, dass Phasenübergänge im frühen Universum durch die Entstehung winziger Blasen stattfanden, die sich zusammenschlossen. Mit dem Aufblasen bewegten sich die winzigen Blasen zu schnell voneinander weg, um sich jemals zu vereinigen.

Fasziniert von der Aussicht, griff der russische Physiker Andre Linde dieses Problem an und stellte fest, dass es eine andere Interpretation gab, die sich um dieses Problem kümmerte, während Andreas Albrecht und Paul J. Steinhardt auf dieser Seite des Eisernen Vorhangs (dies waren die 1980er Jahre, erinnern Sie sich) hinkamen mit einer ähnlichen Lösung.

Diese neuere Variante der Theorie hat in den achtziger Jahren wirklich an Boden gewonnen und wurde schließlich Teil der etablierten Urknalltheorie.

Andere Namen für die Inflationstheorie

Die Inflationstheorie wird unter mehreren anderen Namen geführt, darunter: