Die während der Inflation auftretenden Quantenfluktuationen dehnen sich über das Universum aus, und wenn die Inflation endet, werden sie zu Dichtefluktuationen. Dies führt im Laufe der Zeit zu einer großräumigen Struktur im heutigen Universum sowie zu den im CMB beobachteten Temperaturschwankungen. Diese neuen Vorhersagen sind unerlässlich, um die Gültigkeit eines Feinabstimmungsmechanismus zu demonstrieren. (E. SIEGEL, MIT BILDERN VON ESA / PLANCK UND DER INTERAGENZAUFGABE DOE / NASA / NSF FÜR CMB-FORSCHUNG)

Fragen Sie Ethan: Wie gut wurde die kosmische Inflation überprüft?

Einige behaupten, dass Inflation keine Wissenschaft ist, aber sie hat einige unglaublich erfolgreiche wissenschaftliche Vorhersagen getroffen.

Sie möchten wissen, wie das Universum begann? Du bist nicht allein. Jedes andere neugierige Mitglied der Menschheit hat sich, solange es eine aufgezeichnete Geschichte gibt (und wahrscheinlich noch viel länger), über genau diese Frage Gedanken gemacht: „Woher kommt das alles?“ Im 20. Jahrhundert rückte die Wissenschaft bis zu einem Punkt vor, an dem eine große Zahl entstand Eine Reihe von Beweisen deutete auf eine einzigartige Antwort: den heißen Urknall.

Dennoch gab es eine Reihe von Rätseln, die der Urknall nicht lösen konnte, und eine theoretische Ergänzung des Urknalls wurde als ultimative kosmische Lösung vorgeschlagen: Inflation. In diesem Dezember jährt sich der Vorschlag von Alan Guth zur Inflation zum 40. Mal. Paul Erlich möchte wissen, wie gut sich die Inflation bewährt hat und fragt:

Bis zu welcher Fehlerquote oder mit welcher statistischen Signifikanz wurde Ihrer Meinung nach die Inflation überprüft?

Die kurze Antwort lautet "besser als die meisten Leute denken". Die lange Antwort ist noch überzeugender.

Die Rotverschiebungs-Entfernungs-Beziehung für ferne Galaxien. Die Punkte, die nicht genau auf die Linie fallen, verdanken die geringfügigen Abweichungen von den spezifischen Geschwindigkeiten, die nur geringfügige Abweichungen von der insgesamt beobachteten Ausdehnung bieten. Die Originaldaten von Edwin Hubble, die zum ersten Mal für die Erweiterung des Universums verwendet wurden, passen alle in das kleine rote Feld unten links. (ROBERT KIRSHNER, PNAS, 101, 1, 8–13 (2004))

Der Urknall ist eine unglaublich erfolgreiche Theorie. Es begann mit nur zwei einfachen Ausgangspunkten und führte von dort aus eine Extrapolation durch. Erstens bestand es darauf, dass das Universum mit der Allgemeinen Relativitätstheorie übereinstimmt, und das ist die Gravitationstheorie, die wir als Grundlage für die Erstellung eines realistischen Modells des Universums verwenden sollten. Zweitens wurde gefordert, dass wir die astronomischen Beobachtungen ernst nehmen, dass Galaxien im Durchschnitt mit Geschwindigkeiten von uns abzurücken scheinen, die in direktem Verhältnis zu ihrer Entfernung von uns stehen.

Der einfachste Weg ist, sich von den Daten leiten zu lassen. Wenn Sie im Kontext der Allgemeinen Relativitätstheorie zulassen, dass das Universum gleichmäßig (oder ungefähr gleichmäßig) mit Materie, Strahlung oder anderen Energieformen gefüllt ist, bleibt es nicht statisch, sondern muss sich entweder ausdehnen oder zusammenziehen. Die beobachtete Rotverschiebungs-Entfernungs-Beziehung kann direkt erklärt werden, wenn sich das Raumgefüge im Laufe der Zeit erweitert.

Die Ballon / Münz-Analogie des expandierenden Universums. Die einzelnen Strukturen (Münzen) dehnen sich nicht aus, aber die Abstände zwischen ihnen in einem expandierenden Universum. Dies kann sehr verwirrend sein, wenn Sie darauf bestehen, die scheinbare Bewegung der Objekte, die wir sehen, auf ihre relativen Geschwindigkeiten durch den Raum zurückzuführen. In Wirklichkeit ist es der Raum zwischen ihnen, der sich ausdehnt. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Wenn dies das Bild des von Ihnen zusammengestellten Universums ist, kann es einige enorme Konsequenzen für die Fahrt mit sich bringen. Während sich das Universum ausdehnt, bleibt die Gesamtzahl der darin enthaltenen Partikel gleich, aber das Volumen nimmt zu. Dadurch wird es weniger dicht. Die Schwerkraft zieht die Dinge im Laufe der Zeit zu immer größeren Klumpen zusammen. Und Strahlung - deren Energie durch ihre Wellenlänge definiert wird - sieht, wie sich ihre Wellenlänge ausdehnt, wenn sich das Universum ausdehnt. daher wird die Temperatur kühler und die Energie geringer.

Die große Idee des Urknalls ist es, diese Idee in der Zeit rückwärts zu extrapolieren, auf höhere Energien, höhere Temperaturen, größere Dichten und einen gleichmäßigeren Zustand.

Nach dem Urknall war das Universum nahezu gleichförmig und voller Materie, Energie und Strahlung in einem sich schnell ausdehnenden Zustand. Die Entwicklung des Universums wird zu jeder Zeit von der Energiedichte dessen bestimmt, was sich in ihm befindet. Wenn es sich jedoch heute ausdehnt und abkühlt, muss es in der fernen Vergangenheit dichter und heißer gewesen sein. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Dies führte neben dem bereits beobachteten expandierenden Universum zu drei neuen Vorhersagen. Sie waren wie folgt:

  1. Die frühesten, heißesten und dichtesten Zeiten sollten eine frühzeitige Kernfusion ermöglichen und bestimmte Häufigkeitsverhältnisse für die leichtesten Elemente und Isotope vorhersagen, noch bevor sich die ersten Sterne bilden.
  2. Während sich das Universum weiter abkühlt, sollte es zum ersten Mal neutrale Atome bilden, wobei die übrig gebliebene Strahlung von jenen frühen Zeiten ungehindert weiter wandert und sich bis in die Gegenwart rot verschiebt, wo sie nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt liegen sollte.
  3. Und was auch immer anfängliche Dichtemängel vorhanden sind, sie sollten zu einem riesigen kosmischen Netz von Sternen, Galaxien, Galaxienhaufen und kosmischen Hohlräumen heranwachsen, die sie über die Milliarden von Jahren, die seit diesen frühen Stadien vergangen sind, voneinander trennen.

Alle drei Vorhersagen wurden bestätigt, und deshalb steht der Urknall allein unter den Theorien über die Ursprünge des Universums.

Eine visuelle Geschichte des expandierenden Universums umfasst den heißen, dichten Zustand, der als Urknall bekannt ist, und das anschließende Wachstum und die Bildung von Strukturen. Die gesamte Datenreihe, einschließlich der Beobachtungen der Lichtelemente und des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, lässt nur den Urknall als gültige Erklärung für alles, was wir sehen, übrig. Während sich das Universum ausdehnt, kühlt es auch ab und ermöglicht die Bildung von Ionen, neutralen Atomen und schließlich Molekülen, Gaswolken, Sternen und schließlich Galaxien. (NASA / CXC / M. WEISS)

Das heißt aber nicht, dass der Urknall alles erklärt. Wenn Sie auf beliebig hohe Temperaturen und Dichten hochrechnen - bis hin zu einer Singularität - erhalten Sie eine Reihe von Vorhersagen, die in der Realität nicht zutreffen.

Wir sehen kein Universum mit unterschiedlichen Temperaturen in verschiedene Richtungen. Aber wir sollten, da eine Raumregion zu Ihrer Linken Zehn Milliarden Lichtjahre und eine weitere zu Ihrer Rechten Zehn Milliarden Lichtjahre entfernt ist, seit dem Urknall niemals Zeit gehabt haben, Informationen auszutauschen.

Wir sehen kein Universum mit Teilchenresten, die Relikte aus einer willkürlich heißen Zeit sind, wie magnetische Monopole, obwohl sie in großer Menge hätten produziert werden sollen.

Und wir sehen kein Universum mit einem messbaren Grad an räumlicher Krümmung, obwohl der Urknall keinen Mechanismus besitzt, um Energiedichte und räumliche Krümmung von einem extrem frühen Zeitpunkt an exakt auszugleichen.

Wenn das Universum nur eine etwas höhere Dichte hätte (rot), wäre es bereits wieder zusammengebrochen; Wenn es nur eine etwas geringere Dichte hätte, hätte es sich viel schneller ausgedehnt und wäre viel größer geworden. Der Urknall allein bietet keine Erklärung dafür, warum die anfängliche Expansionsrate zum Zeitpunkt der Geburt des Universums die Gesamtenergiedichte so perfekt ausgleicht und überhaupt keinen Raum für räumliche Krümmungen lässt. Unser Universum erscheint räumlich vollkommen flach. (KOSMOLOGIE-TUTORIAL VON NED WRIGHT)

Der Urknall allein bietet keine Lösung für diese Rätsel. Es gelingt, wenn wir auf einen heißen, dichten, fast perfekt gleichmäßigen Frühzustand zurückrechnen, aber es erklärt nicht mehr als das. Um über diese Grenzen hinauszugehen, bedarf es einer neuen wissenschaftlichen Idee, die den Urknall ersetzt.

Aber den Urknall zu verdrängen ist gar nicht so einfach. Dazu müsste eine neue Theorie alle drei der folgenden Schritte ausführen:

  1. Reproduzieren Sie alle Erfolge des Urknalls, einschließlich der Schaffung eines sich ausdehnenden, heißen, dichten und nahezu perfekt einheitlichen Universums.
  2. Stellen Sie einen Mechanismus zur Erklärung dieser drei Rätsel bereit - die Temperaturgleichmäßigkeit, das Fehlen energiereicher Relikte und das Ebenheitsproblem -, für das der Urknall keine Lösung hat.
  3. Schließlich und vielleicht am wichtigsten ist es, neue, überprüfbare Vorhersagen zu treffen, die sich von dem Standard-Urknall unterscheiden, den es zu ersetzen versucht.

Die Idee der Inflation und die Hoffnung darauf begannen Ende 1979, als Alan Guth die Idee in sein Notizbuch schrieb.

Es war die Betrachtung einer Reihe fein abgestimmter Szenarien, die Alan Guth dazu veranlasste, sich die kosmische Inflation vorzustellen, die führende Theorie des Ursprungs des Universums. (ALAN GUTHS NOTIZBUCH 1979)

Insbesondere wurde die Inflationshypothese aufgestellt, dass der Urknall nicht der Anfang war, sondern von einem früheren Stadium des Universums ausgelöst wurde. In diesem frühen Zustand - von Guth als inflationärer Zustand bezeichnet - war die vorherrschende Energieform nicht Materie oder Strahlung, sondern das Raumgefüge selbst und besaß eine sehr große Energiedichte.

Dies würde dazu führen, dass sich das Universum sowohl schnell als auch unerbittlich ausdehnt, wodurch bereits vorhandene Materie auseinander gerissen wird. Das Universum würde so groß sein, dass es nicht mehr von der Ebene zu unterscheiden wäre. Alle Teile, auf die ein Beobachter (wie wir) zugreifen könnte, hätten jetzt überall die gleichen einheitlichen Eigenschaften, da sie aus einem zuvor verbundenen Zustand in der Vergangenheit stammten. Und da es eine maximale Temperatur geben würde, die das Universum am Ende der Inflation erreichen würde, und die dem Weltraum eigene Energie in Materie, Antimaterie und Strahlung umgewandelt würde, könnten wir die Produktion von übrig gebliebenen, energiereichen Relikten vermeiden.

Im oberen Bereich hat unser modernes Universum überall dieselben Eigenschaften (einschließlich der Temperatur), da sie aus einer Region stammen, die dieselben Eigenschaften besitzt. In der mittleren Tafel wird der Raum, der eine willkürliche Krümmung hätte haben können, bis zu einem Punkt aufgeblasen, an dem wir heute keine Krümmung beobachten können, wodurch das Problem der Ebenheit gelöst wird. Im unteren Bereich werden bereits vorhandene Hochenergie-Relikte aufgeblasen und bieten so eine Lösung für das Hochenergie-Relikt-Problem. Auf diese Weise löst die Inflation die drei großen Rätsel, die der Urknall nicht alleine lösen kann. (E. SIEGEL / ÜBER DIE GALAXIE HINAUS)

Alle drei Rätsel, die der Urknall nicht erklären konnte, wurden auf einmal gelöst. Dies war wirklich ein Wendepunkt für die Kosmologie und führte sofort zu einer Flut von Wissenschaftlern, die daran arbeiteten, das ursprüngliche Modell von Guth zu korrigieren, um alle Erfolge des Urknalls zu reproduzieren. Guths Idee wurde 1981 veröffentlicht und 1982 hatten zwei unabhängige Teams - Andrei Linde und das Duo aus Paul Steinhardt und Andy Albrecht - es geschafft.

Der Schlüssel bestand darin, sich die Inflation als einen langsam rollenden Ball auf einem Hügel vorzustellen. Solange der Ball auf dem Plateau blieb, würde die Inflation das Raumgefüge weiter dehnen. Aber wenn der Ball den Hügel hinunter rollt, hört die Inflation auf. Während der Ball ins Tal rollt, wird die dem Weltraum innewohnende Energie in Materie, Antimaterie und Strahlung umgewandelt, was zu einem heißen Urknall führt, aber mit einer endlichen Temperatur und Energie.

Wenn es zu einer kosmischen Inflation kommt, ist die Energie, die dem Raum innewohnt, so groß wie oben auf diesem Hügel. Während der Ball ins Tal rollt, wandelt sich diese Energie in Partikel um. Dies bietet einen Mechanismus, mit dem nicht nur der heiße Urknall ausgelöst, sondern auch die damit verbundenen Probleme gelöst und neue Vorhersagen getroffen werden können. (E. SIEGEL)

Endlich hatten wir nicht nur eine Lösung für alle Probleme, die der Urknall nicht lösen konnte, sondern wir konnten alle seine Erfolge reproduzieren. Der Schlüssel wäre dann, neue Vorhersagen zu treffen, die dann getestet werden könnten.

Die achtziger Jahre waren voll von solchen Vorhersagen. Die meisten von ihnen waren sehr allgemein und traten in praktisch allen realisierbaren Inflationsmodellen auf, die man konstruieren konnte. Insbesondere haben wir erkannt, dass Inflation ein Quantenfeld sein muss und dass diese Quanteneffekte Auswirkungen auf kosmologische Skalen haben können, wenn diese schnelle, exponentielle Expansion mit einer extrem hohen Energie auftritt, die dem Raum selbst eigen ist.

Die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund, gemessen mit COBE (auf großen Maßstäben), WMAP (auf mittleren Maßstäben) und Planck (auf kleinen Maßstäben), ergeben sich nicht nur aus einer skaleninvarianten Menge von Quantenschwankungen. aber von so geringer Größe, dass sie unmöglich aus einem willkürlich heißen, dichten Zustand hervorgegangen sein könnten. Die horizontale Linie stellt das anfängliche Spektrum der Schwankungen (durch Inflation) dar, während die wackelige Linie darstellt, wie Schwerkraft und Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie das expandierende Universum in den frühen Stadien geformt haben. (NASA / WMAP SCIENCE TEAM)

Kurz gesagt waren die sechs allgemeinsten Vorhersagen:

  1. Es sollte eine Obergrenze für die maximale Temperatur geben, die das Universum nach dem Aufblasen erreicht. es kann sich der Planck-Skala von ~ 10¹ 10 GeV nicht annähern.
  2. Superhorizont-Fluktuationen oder Fluktuationen auf Skalen, die größer als das Licht sind, könnten seit dem Urknall vorhanden sein.
  3. Die Quantenfluktuationen während des Aufblasens sollten Dichtefluktuationen hervorrufen und zu 100% adiabatisch und zu 0% isokurvatiert sein. (Wo Adiabatik und Isokurvatur die beiden erlaubten Klassen sind.)
  4. Diese Schwankungen sollten nahezu maßstabsunabhängig sein, jedoch auf größeren Maßstäben geringfügig größere Beträge aufweisen als auf kleineren.
  5. Das Universum sollte nahezu, aber nicht ganz flach sein, wobei Quanteneffekte eine Krümmung nur bei 0,01% oder darunter erzeugen.
  6. Und das Universum sollte mit primordialen Gravitationswellen gefüllt sein, die sich als B-Moden auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund prägen sollten.
Die Größen der heißen und kalten Punkte sowie ihre Skalen zeigen die Krümmung des Universums an. Nach bestem Wissen und Gewissen messen wir es als vollkommen flach. Baryonische akustische Schwingungen und der CMB bieten zusammen die besten Methoden, um dies auf eine kombinierte Genauigkeit von 0,4% zu beschränken. (SMOOT COSMOLOGY GROUP / LBL)

Es ist jetzt 2019 und die ersten vier Vorhersagen wurden beobachtend bestätigt. Der fünfte Wert wurde bis auf ein Niveau von ~ 0,4% getestet und entspricht der Inflation, aber wir haben das kritische Niveau noch nicht erreicht. Lediglich der sechste Punkt wurde überhaupt nicht getestet. Eine berühmte falsch-positive Entdeckung wurde Anfang dieses Jahrzehnts aufgrund der Zusammenarbeit mit BICEP2 entdeckt.

Die Maximaltemperatur wurde durch Betrachten des kosmischen Mikrowellenhintergrunds als nicht größer als etwa 10¹ & sup5; GeV verifiziert.

Die von WMAP und Planck zur Verfügung gestellten Polarisationsdaten haben gezeigt, dass Schwankungen des Superhorizonts mit den Inflationsvorhersagen vollkommen übereinstimmen.

Die neuesten Daten aus der Strukturbildung zeigen, dass diese frühen Saatgutschwankungen mindestens 98,7% adiabatisch und nicht mehr als 1,3% isokurvativ sind, was mit den Inflationsvorhersagen übereinstimmt.

Der beste Test - und was ich als bedeutendste Bestätigung der Inflation bezeichne - ist die Messung des Spektrums der anfänglichen Schwankungen.

Korrelationen zwischen bestimmten Aspekten der Größe von Temperaturschwankungen (y-Achse) als Funktion der abnehmenden Winkelskala (x-Achse) zeigen ein Universum, das mit einem skalaren Spektralindex von 0,96 oder 0,97, aber nicht 0,99 oder 1,00 übereinstimmt. (P. A. R. ADE ET AL. UND DIE PLANCK-ZUSAMMENARBEIT)

Die Inflation ist sehr speziell, wenn es darum geht, welche Art von Struktur sich in verschiedenen Maßstäben bilden soll. Wir verwenden eine Größe, um zu beschreiben, wie viel Struktur sich auf großen kosmischen Skalen im Vergleich zu kleineren bildet: n_s. Wenn Sie auf allen Skalen die gleiche Menge an Struktur bilden würden, würde n_s ohne Variationen genau 1 entsprechen.

Die Inflation sagt jedoch im Allgemeinen voraus, dass wir fast, aber etwas weniger als 1 haben werden. Der Betrag, um den wir von 1 abweichen, wird durch das spezifische Inflationsmodell bestimmt. Als die Inflation zum ersten Mal vorgeschlagen wurde, war die Standardannahme, dass n_s genau gleich 1 sein würde. Erst in den 2000er Jahren wurden wir in der Lage, dies sowohl durch die Schwankungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds als auch durch die Signatur von Baryon-Akustik zu testen Schwingungen.

Derzeit liegt n_s bei ungefähr 0,965 mit einer Unsicherheit von ungefähr 0,008. Dies bedeutet, dass eine 4: 5-Sigma-Sicherheit besteht, dass n_s tatsächlich kleiner als 1 ist, was eine bemerkenswerte Bestätigung der Inflation darstellt.

Unsere gesamte kosmische Geschichte ist theoretisch gut verstanden, aber nur qualitativ. Indem wir verschiedene Stadien in der Vergangenheit unseres Universums beobachtend bestätigen und aufdecken, wie zum Beispiel die Entstehung der ersten Sterne und Galaxien und die Ausdehnung des Universums im Laufe der Zeit, können wir unseren Kosmos wirklich verstehen. Die Reliktsignaturen, die aus einem inflationären Zustand vor dem heißen Urknall in unser Universum eingeprägt wurden, geben uns eine einzigartige Möglichkeit, unsere kosmische Geschichte zu testen. (NICOLE RAGER FULLER / STIFTUNG FÜR NATIONALE WISSENSCHAFTEN)

Der Urknall wurde zu unserer Theorie des Universums, als das übrig gebliebene Leuchten in Form des kosmischen Mikrowellenhintergrunds entdeckt wurde. Bereits 1965 waren die kritischen Beweise eingegangen, die es dem Urknall ermöglichten, dort erfolgreich zu sein, wo seine Konkurrenten versagten. In den folgenden Jahren und Jahrzehnten verstärkten Messungen des Spektrums des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, der Fülle der Lichtelemente und der Strukturbildung nur den Urknall. Obwohl es immer noch Alternativen gibt, können sie der wissenschaftlichen Überprüfung durch den Urknall nicht standhalten.

Die Inflation hat buchstäblich jede Schwelle erreicht, die die Wissenschaft verlangt, und es wurden clevere neue Tests mit verbesserten Beobachtungen und Instrumenten möglich. Wann immer die Daten erhoben werden konnten, wurden die Vorhersagen der Inflation überprüft. Obwohl es vielleicht schmackhafter und modischer ist, ein Contrarianer zu sein, ist Inflation die führende Theorie, und zwar aus dem besten Grund: Es funktioniert. Wenn wir jemals eine kritische Beobachtung machen, die mit der Inflation nicht einverstanden ist, ist dies vielleicht der Vorbote einer noch revolutionäreren Theorie, wie alles begann.

Senden Sie Ihre Fragen an Ask Ethan an startswithabang at gmail dot com!

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.