Sternengeschichten   /     Sternengeschichten Folge 573: Die ewige Inflation

Description

Der Urknall war der Anfang von Allem. Oder doch nicht? Die Theorie der ewigen Inflation sagt, dass st√§ndig Universen entstehen und unseres nur eines davon ist. Was das bedeutet, erfahrt ihr in der neuen Folge der Sternengeschichten. Wer den Podcast finanziell unterst√ľtzen m√∂chte, kann das hier tun: Mit PayPal (https://www.paypal.me/florianfreistetter), Patreon (https://www.patreon.com/sternengeschichten) oder Steady (https://steadyhq.com/sternengeschichten)

Subtitle
Das Universum ist nicht alleine...
Duration
828
Publishing date
2023-11-17 06:00
Link
https://sternengeschichten.podigee.io/573-sternengeschichten-folge-573-die-ewige-inflation
Contributors
  Florian Freistetter
author  
Enclosures
https://audio.podigee-cdn.net/1280063-m-5045c69604f69250719b435d78a84195.mp3?source=feed-scienceblogs
audio/mpeg

Shownotes

Das Universum ist nicht alleine...

Sternengeschichten Folge 573: Die ewige Inflation

Ewige Inflation! Das klingt nach einem sehr deprimierenden Konzept der Wirtschaftswissenschaft. Ist es aber nat√ľrlich nicht - es geht um Kosmologie. Wir werden heute beim Urknall anfangen und am Ende feststellen, dass der Urknall vielleicht gar nicht der Anfang war sondern immer noch stattfindet und unser Universum nicht das einzige sein k√∂nnte, das existiert. Und wie immer, wenn es um Kosmologie geht, wird die Angelegenheit ein wenig verwirrend werden. Aber keine Sorge, wir kommen da schon gut durch. Bis zum Ende. Oder zum Anfang, je nachdem.

Schauen wir uns zuerst mal das an, was in der Kosmologie als "Inflation" bezeichnet wird. Ich habe dar√ľber schon ausf√ľhrlich in den Folgen 69 und 70 gesprochen. Aber das ist lange her, deswegen lohnt sich vielleicht ein kurzer R√ľckblick. Seit den Arbeiten von Albert Einstein, Edwin Hubble und ihren Kolleginnen und Kollegen zu Beginn des 20. Jahrhunderts war klar, das Universum expandiert. Es dehnt sich aus und war demnach in der Vergangenheit kleiner als heute. Und irgendwann in der Vergangenheit gab es einen Punkt, an dem es ein Punkt war. Oder anders gesagt: Das Universum hat einen Anfang in der Zeit. Vor 13,8 Milliarden Jahren war alles was wir heute sehen in einem extrem kleinen Raum verdichtet; alle Orte waren ein Ort und ausgehend von diesem extrem dichten und hei√üen Zustand hat sich das Universum zu dem Kosmos ausgedehnt, den wir jetzt sehen k√∂nnen.

Es gibt sehr viele Beobachtungsdaten, die diesen Befund st√ľtzen und ich habe dar√ľber schon in vergangenen Folgen gesprochen. In der zweiten H√§lfte des 20. Jahrhunderts hat man aber festgestellt, dass diese Urknalltheorie auch ein paar Probleme hat. Wir sehen zum Beispiel auf gro√üen kosmologischen Skalen keinerlei Raumkr√ľmmung. Das Universum erscheint uns v√∂llig flach - was zwar nicht unm√∂glich ist, aber sehr unwahrscheinlich. Die, wenn man so viel, Form des Universums, wird einerseits durch die Menge an Materie und Energie bestimmt, die es enth√§lt, denn die sorgt ja daf√ľr, dass der Raum sich kr√ľmmt. Andererseits aber auch durch die Geschwindigkeit der Expansion. Und um ein Universum zu kriegen, das flach ist und nicht in die eine oder andere Richtung gekr√ľmmt, m√ľssten die Anfangsbedingungen beim Urknall enorm exakt aufeinander abgestimmt gewesen sein. Es gibt noch ein paar andere √§hnliche Probleme, aber die lasse ich jetzt mal weg, bevor es zu kompliziert wird.

In den sp√§ten 1970er und fr√ľhen 1980er Jahren hat man dann eine L√∂sung f√ľr diese Probleme gefunden. Der sowjetische Kosmologe Alexei Starobinsky und vor allem und unabh√§ngig davon der Amerikaner Alan Guth hatten die Idee der kosmologischen Inflation. Und nat√ľrlich waren noch viele andere Forscherinnen und Forscher beteiligt, aber ein historischer √úberblick √ľber diese Forschung muss auf eine andere Folge der Sternengeschichten warten. Die Grundidee ist eigentlich ganz simpel: Kurz nach dem Urknall hat sich das Universum f√ľr eine sehr kurze Phase unvorstellbar schnell ausgedehnt. Warum l√∂st das das Problem, das ich eben beschrieben habe? Wenn ein Raum gekr√ľmmt, aber absurd gro√ü ist, dann merkt man nichts von der Kr√ľmmung. Man kann das an der Erdoberfl√§che sehen: Die ist definitiv gekr√ľmmt, aber weil die Erde im Vergleich zu uns Menschen so gro√ü ist, erscheint sie uns flach. Und weil das Universum sich eben in seiner inflation√§ren Phase so absurd stark ausgedehnt hat, spielt es keine Rolle, wie stark oder schwach die Kr√ľmmung davor war. Danach war es auf jeden Fall gro√ü genug, so dass es uns heute als flach erscheint.

Die ganze Angelegenheit ist nat√ľrlich deutlich komplexer als "Das Universum hat sich in sehr kurzer Zeit sehr schnell ausgedehnt". Das f√§ngt schon bei "sehr kurz" und "sehr schnell" an. Die Phase der Inflation hat 10 hoch minus 35 Sekunden nach dem Urknall begonnen. Darunter kann man sich nichts vorstellen. 0,000‚Ķ insgesamt 34 Nullen und dann 1 Sekunden nach dem Urknall. Und gedauert hat die Phase bis ungef√§hr 10 hoch minus 33 oder 10 hoch minus 30 Sekunden nach dem Urknall. Kann man sich auch nicht vorstellen. In dieser absurd kurzen Zeit ist das Universum um das 10 hoch 26fache gr√∂√üer geworden. Also 100 Quadrillionen mal gr√∂√üer, als es vorher war - was sich aber auch niemand vorstellen kann. Deswegen also: in sehr kurzer Zeit sehr schnell ausgedehnt".

So weit, so gut. Aber es bleiben trotzdem auf jeden Fall noch mindestens zwei Fragen offen. Erstens: Warum hat das Universum angefangen, sich inflation√§r auszudehnen? Und zweitens: Warum hat es dann wieder damit aufgeh√∂rt? Damit sind wir genau bei den zentralen Punkten f√ľr diese Folge. Punkte, f√ľr die man leider sehr viel sehr komplexe Mathematik ben√∂tigen w√ľrde, um sie wirklich detailliert zu erkl√§ren. Ich probiere es also jetzt mal in einer sehr, sehr vereinfachten Form. Wir m√ľssen daf√ľr mit dem Begriff des "falschen Vakuums" anfangen. Wir wissen aus der Quantenmechanik, dass ein Vakuum ja nie wirklich leer ist. Aufgrund der Quantenfluktuationen steckt immer ein bisschen Energie im Vakuum, denn auch wenn dort absolut nichts drin ist, gibt es immer noch die diversen Quantenfelder, die ja quasi immer da sind. Das sind die Dinger, die ich schon in Folge 247 genauer erkl√§rt habe; die Grundlage der Materie, vereinfacht gesagt. Wenn ausreichend viel Energie in ein Quantenfeld gesteckt wird, kann ein Teilchen entstehen. Wenn nicht, dann nicht - aber sie sind immer da. Jetzt kann so ein Vakuum theoretisch verschiedene m√∂gliche Energiezust√§nde haben. Das "wahre Vakuum" w√§re eines, das sich im niedrigstm√∂glichen Zustand befindet. Und ein falsches Vakuum ist dann logischerweise in einem Zustand, in dem die Energie h√∂her ist. Man kann das mit einem Ball vergleichen. Der will auch immer einen Zustand mit m√∂glichst wenig Energie einnehmen oder anders gesagt: Wenn er kann, dann rollt der Ball nach unten. Stellen wir uns jetzt einen Berg vor, der auf halben Weg nach unten eine kleine Grube hat. Wenn der Ball am Gipfel liegt und einen kleinen Schubs bekommt, wird er nach unten rollen. Wenn er dabei in die Grube f√§llt, wird er dort bleiben, auch wenn er den Zustand mit der niedrigstm√∂glichen Energie noch nicht erreicht hat. Man muss ihn nochmal anschubsen, damit er aus der Grube rauskommt und bis ganz nach unten ins Tal rollt. So √§hnlich ist es auch mit dem Vakuum, auch wenn es schwer ist sich vorzustellen, wie man ein Vakuum aus einer Grube schubsen kann‚Ķ

Man geht bei der Theorie der Inflation jedenfalls davon aus, dass es ein spezielles Feld gegeben hat bzw. gibt, das Inflatonfeld. Je nachdem wie dieses Feld sich ver√§ndert, kann es dazu f√ľhren, dass sich das Universum ausdehnt oder nicht beziehungsweise absurd schnell ausdehnt. Der Zustand des Feldes h√§ngt, sehr vereinfacht gesagt, von der Temperatur ab und den energetisch g√ľnstigstens Zustand des Feldes nennt man das "wahre Vakuum". Wenn man jetzt davon ausgeht, dass dieses Inflatonfeld kurz nach dem Urknall in einem falschen Vakuum war, dann k√∂nnten zuf√§llige Quantenfluktuationen daf√ľr gesorgt haben, dass es in ein wahres Vakuum oder ein anderes falsches Vakuum mit niedriger Energie als zuvor gewechselt ist. Dadurch hat sich der Zustand des Feldes so weit ge√§ndert, dass eine exponentielle Expansion des Universums ausgel√∂st worden ist: In diesem Moment ist die Inflationsphase gestartet. Bei diesem √úbergang von einem Vakuumzustand in den anderen hat das Inflationfeld Energie abgegeben und zwar in Form von Strahlung und Materie. Und diese Materie, die jetzt im Universum vorhanden war, hat die Inflation wieder eingebremst und beendet, so dass der Kosmos ab da wieder "normal" expandiert hat, also nicht mehr exponentiell schnell.

Wie gesagt: Das war eine sehr stark vereinfachte Erkl√§rung der Inflation. In Wahrheit hat man sehr lange gebraucht um zu verstehen, was da passiert und musste unterwegs mehrere Probleme l√∂sen. Die allererste Idee zur Inflation hat zum Beispiel keinen vern√ľnftigen Mechanismus gehabt, um die Inflation nach dem Start wieder zu beenden. Erst sp√§ter fand man einen Weg, wie man das hinbekommt und als man sich diese "neue Inflation", wie die Theorie mittlerweile genannt hat, genauer angesehen hat, ist man auf ein spannendes Ph√§nomen gesto√üen. Die Inflation muss n√§mlich nicht √ľberall zu Ende gehen. Es k√∂nnen sich - wieder sehr vereinfacht gesagt - durch die zuf√§lligen Quantenfluktuationen quasi einzelne "Blasen" bilden, in denen das Inflatonfeld gerade den passenden Wert hat, um die Inflation zu beenden. Anderswo geht sie aber ungehemmt weiter. Das, was wir "unser Universum" nennen, w√§re dann eben nur eine dieser Blasen, in denen die Inflation geendet hat und dadurch Strahlung, Materie und all das andere produziert hat. In der langsamer expandierenden Blase konnte sich dann der Kosmos entwicklen, den wir heute sehen und auf die Weise entwickeln, die wir durch unser Urknallmodell beschreiben. Aber wenn das alles wirklich so ist, dann ist unsere Blase definitiv nicht die einzige. Es muss durch die Quantenfluktuationen immer und immer wieder dazu gekommen sein, dass sich aus dem √ľbergeordneten inflation√§r expandierenden Raum Blasen abgespalten haben, in denen die Inflation stoppt. Und das muss auch passiert sein, bevor unsere Universumsblase sich gebildet hat. Das, was wir "Urknall" nennen, w√§re demnach nicht der Anfang von allem, sondern nur der Anfang des Endes der Inflation in der Blase, die unser Universum darstellt. Tats√§chlich gibt es keinen "Anfang von Allem", sondern nur die ewige Inflation, aus der sich immer wieder neue Universumsblasen abspalten.

Es besteht nat√ľrlich keinerlei Chance, diese anderen Universen zu beobachten oder irgendwie in Kontakt mit ihnen zu treten. Wir sind von ihnen durch den seit ewig inflation√§r expandierenden Raum getrennt. Diese anderen Universen sind so unerreichbar f√ľr uns, dass wir auch behaupten k√∂nnten, sie w√ľrden gar nicht existieren. Aber wenn das mit der ewigen Inflation stimmt, dann muss es sie geben. Dann leben wir in einem Raum, der noch viel unvorstellbar viel gr√∂√üer ist als das eh schon unvorstellbar gro√üe Universum, das wir beobachten k√∂nnen. Wir leben in einer kleinen Blase die vor 14 Milliarden Jahren in diesem Raum aufgepoppt ist; in einem Raum, in dem immer wieder neue Universen auftauchen - und √ľbrigens auch wieder verschwinden k√∂nnen. Es ist sogar m√∂glich, dass jedes dieser Universen andere Naturgesetze hat.

Ob das aber wirklich so ist, wissen wir nicht. Wir gehen davon aus, dass so etwas wie die inflation√§re Phase existiert haben muss. Nur dann machen unsere Beobachtungen des Universums Sinn und alles was wir bis jetzt beobachtet haben, stimmt gut mit dem Konzept einer inflation√§ren Phase √ľberein. Und wenn die Inflation so abgelaufen ist, wie wir es uns derzeit vorstellen, dann stehen die Chancen gut, dass es eine ewige Inflation gewesen ist. Aber nat√ľrlich kann es auch sein, dass die Inflation anders funktioniert als wir es uns vorstellen und es gibt durchaus Forscherinnen und Forscher die Modelle der Inflation entwickelt haben, die ohne ewige Inflation auskommen; Stephen Hawking zum Beispiel. Manche dieser Modelle kann man unter Umst√§nden auch durch Beobachtungen √ľberpr√ľfen oder widerlegen. Ohne in die Details gehen zu wollen: Wir k√∂nnten Spuren der Inflation in der kosmischen Hintergrundstrahlung sehen; also der Strahlung, die gut 400.000 Jahre nach dem Urknall entstanden ist, die immer noch im Universum registrierbar ist und in der sich der Zustand des Kosmos unmittelbar nach dem Urknall quasi eingebrannt hat. Bis jetzt haben wir in der kosmischen Hintergrundstrahlung nichts gesehen, dass unseren Inflationsmodellen widerspricht. Aber leider auch noch nichts, was uns eindeutig sagt, dass sie stattgefunden hat, das es sich um eine ewige Inflation handelt - oder eben nicht.

So oder so: Irgendwann werden wir vielleicht mehr wissen. Und bis dahin bleibt es ein faszinierender Gedanke, dass selbst so etwas gewaltiges wie unser Universum nur eine kleine Blase in einem viel größeren Raum ist, in dem unzählige andere Universum aufploppen und verschwinden wie der Seifenschaum in der Badewanne.