Die Sterne und Galaxien, die wir heute sehen, existierten nicht immer, und je weiter wir zurückgehen, desto näher rückt das Universum, um perfekt zu glätten, aber es gibt eine Grenze für die Glätte, die es hätte erreichen können, sonst hätten wir keine Struktur überhaupt heute. Um alles zu erklären, brauchen wir eine Modifikation des Urknalls: die kosmologische Inflation. (NASA, ESA und A. Feild (STScI))

Warum ist unser Universum nicht perfekt glatt?

Wenn es so wäre, wären wir nicht hier. Aber es gibt eine wissenschaftliche Antwort, die spektakulär bestätigt wurde.

Wenn wir unser Universum untersuchen und auf die Planeten, Sterne, Galaxien und riesigen kosmischen Hohlräume schauen, die sie trennen, ist „glatt“ nicht gerade das erste Wort, das uns in den Sinn kommt. Das enorme kosmische Netz ist eines der klumpigsten Dinge, die man sich im Universum vorstellen kann. Ein Planet wie die Erde ist etwa 1030 Mal dichter als der Durchschnitt. Das Universum war jedoch nicht immer so klumpig, oder es hätte sich nicht so entwickelt, wie wir es heute sehen. Es musste fast vollkommen glatt geboren worden sein, wo die Unvollkommenheiten nur ein paar Teile von 100.000 waren, sonst hätte es nicht Hunderte Millionen Jahre gedauert, um die ersten Galaxien zu bilden. Doch diese winzigen Unvollkommenheiten waren lebenswichtig, sonst hätten wir die Struktur, die wir heute sehen, überhaupt nicht geformt! Nach Jahrhunderten des Unverständnisses, wie dies geschah, gab eine der umstrittensten Theorien der Kosmologie, die Inflation, die Antwort. Und jetzt, da unsere Messungen eine beispiellose Präzision erreicht haben, sind ihre Vorhersagen spektakulär.

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. Um jedoch die Struktur zu erhalten, die wir heute sehen, hätte das Universum nicht perfekt glatt geboren werden können (NASA / CXC / M. Weiss).

Nach der kosmischen Inflation war der heiße Urknall nicht der Anfang von Raum und Zeit, sondern lediglich ein heißer, dichter, sich schnell ausdehnender früher Zustand. Es war die kosmische Inflation, eine Phase, in der das Universum nicht von Materie und Strahlung dominiert wurde, sondern von der Energie, die dem Raum selbst innewohnt, die den Urknall auslöste. Diese Inflationsphase war durch eine exponentielle Ausdehnung des Weltraums gekennzeichnet, in der sich das Universum im Laufe der Zeit verdoppelte, dann vervierfachte und dann die Größe vervierfachte (usw.). Nach nur 10 bis 33 Sekunden wäre eine Region von der Größe eines theoretischen Strings aus der Stringtheorie auf eine Skala ausgedehnt worden, die größer ist als das heutige beobachtbare Universum. Mit anderen Worten, die kosmische Inflation nimmt alles, was vorher existiert hat, und streckt es wirklich, wahrhaftig und vollkommen flach und glatt.

Durch die Inflation wächst der Raum exponentiell, was sehr schnell dazu führen kann, dass bereits vorhandene gekrümmte oder nicht glatte Räume flach erscheinen. Wenn das Universum überhaupt eine Krümmung hat, hat es einen Krümmungsradius, der hundertmal größer ist als das, was wir beobachten können. (E. Siegel (L); Ned Wrights Kosmologie-Tutorial (R))

Dies scheint auf den ersten Blick ein enormes Problem zu sein. Wenn die Inflation den Raum flach, gleichmäßig und glatt ausdehnt, ununterscheidbar von der Perfektion, wie sind wir dann heute zu einem klumpigen Universum gekommen? Sowohl Newtons als auch Einsteins Gravitationstheorien sind gegen Unvollkommenheiten instabil. Wenn Sie also mit einem fast, aber nicht ganz perfekt glatten Universum beginnen, werden die Unvollkommenheiten im Laufe der Zeit wachsen und Sie werden mit Struktur enden. Aber wenn Sie mit perfekter Glätte beginnen, buchstäblich ohne Unvollkommenheiten, werden Sie für immer glatt bleiben. Dies stimmt jedoch nicht mit dem Universum überein, das wir überhaupt beobachten. es musste mit Unvollkommenheiten in seiner Materiedichte geboren worden sein.

Eine Karte des Klumpen- / Clustermusters, das Galaxien in unserem Universum heute aufweisen. Die Voraussetzung, um dorthin zu gelangen, sind anfängliche Mängel in der Materie / Energiedichte. (Greg Bacon / STScI / NASA Goddard Raumfahrtzentrum)

Dieses naive Bild der Inflation muss daher unvollständig sein. Es muss eine Möglichkeit geben, diese Unvollkommenheiten zu erzeugen, sonst würde das Universum nicht so existieren, wie wir es sehen. Aber eine wichtige Eigenschaft des Universums und der Inflation kommt auf spektakulärste Weise zur Rettung. Sie sehen, der leere Raum selbst ist an sich nicht perfekt flach und glatt, sondern weist im kleinsten Maßstab Quantenschwankungen auf.

Visualisierung einer quantenfeldtheoretischen Berechnung, die virtuelle Teilchen im Quantenvakuum zeigt. Selbst im leeren Raum ist diese Vakuumenergie ungleich Null. (Derek Leinweber)

Dies kann auf viele Arten gesehen werden: eine inhärente Unsicherheit für die Energie des Raums selbst; als Vakuumschwankungen; oder als Sätze von Teilchen-Antiteilchen-Paaren, die in die Existenz hinein- und herausspringen. Unabhängig davon, wie Sie es betrachten, bleibt eines klar: Wenn Sie die Energiedichte des Universums grafisch darstellen und auf extrem kleinen und körnigen Skalen betrachten, werden Sie feststellen, dass es im Raum nicht einheitlich und konstant ist oder Zeit, selbst wenn Sie die gesamte Materie und Strahlung daraus entfernt haben. Es gibt Quantenschwankungen, die dem Raumgefüge selbst inhärent sind.

Ein Beispiel für das frühe Universum, das aus Quantenschaum besteht, bei dem die Quantenfluktuationen auf kleinsten Skalen groß, vielfältig und wichtig sind. (NASA / CXC / M.Weiss)

Normalerweise heben sich diese Schwankungen im Durchschnitt gegenseitig auf, und Sie erhalten nur eine winzige Nullpunktsenergie, die dem Raum selbst positiv ist. Während der Inflation haben diese Quantenfluktuationen jedoch nicht die Möglichkeit, einen Durchschnitt zu bilden, da sich der Raum selbst mit dieser exponentiellen Rate ausdehnt!

Stattdessen werden diese Schwankungen über das Universum ausgedehnt, sodass die Idee einer Quantenfluktuation nicht mehr auf einen sehr kleinen Maßstab beschränkt ist. In Zeitskalen, die nur einen Bruchteil einer Sekunde lang sind, können diese Quanteneffekte zu Energieschwankungen auf stellaren, galaktischen oder sogar universumsübergreifenden Skalen gestreckt werden!

Die Quantenfluktuationen, die während der Inflation auftreten, werden zwar über das Universum ausgedehnt, verursachen aber auch Fluktuationen in der Gesamtenergiedichte, so dass heute im Universum eine räumliche Krümmung ungleich Null übrig bleibt. Diese Feldschwankungen verursachen im frühen Universum Dichtefehler, die dann zu Temperaturschwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund führen. (E. Siegel / Jenseits der Galaxis)

Mit fortschreitender Inflation entstehen neue Schwankungen im Quantenmaßstab, was zu zusätzlichen Schwankungen im kleineren Maßstab führt, die den Schwankungen im größeren Maßstab überlagert sind. Dies geht weiter und weiter und erzeugt ein Muster von Schwankungen und zufälligen Regionen aller Größen, die über- und unterdichte Energiedichten aufweisen, solange die Inflation anhält.

Dann, nach einer unbestimmten Zeit, endet die Inflation. Und wenn dies geschieht, wird die gesamte dem Raum selbst innewohnende Energie in Materie, Antimaterie und Strahlung umgewandelt. Wenn die Inflation endet, beginnt der heiße Urknall und das Universum wird mit Dingen gefüllt.

Die Analogie einer Kugel, die über eine hohe Oberfläche gleitet, besteht darin, dass die Inflation anhält, während die Struktur, die zerbröckelt und Energie freisetzt, die Umwandlung von Energie in Partikel darstellt. (E. Siegel)

Aber in den Regionen, die anfangs energetisch überlastet waren, wird aufgrund dieser Quantenschwankungen während der Inflation an diesen Orten ein winziges Stück mehr Materie, Antimaterie und Strahlung als der Durchschnitt existieren. In Regionen, die unterdichtet waren, werden dort etwas weniger als durchschnittliche Materie, Antimaterie und Strahlung existieren. Und dieses Spektrum über Über- und Unterdichten sollte infolgedessen zu etwas kühleren und heißeren Regionen im Universum in Bezug auf die Temperatur führen.

Regionen des Weltraums, die etwas dichter als der Durchschnitt sind, erzeugen größere Gravitationspotentialquellen, aus denen sie herausklettern können, was bedeutet, dass das Licht, das aus diesen Regionen kommt, kälter erscheint, wenn es in unsere Augen gelangt. Umgekehrt sehen unterdichte Regionen wie Hot Spots aus, während Regionen mit perfekter durchschnittlicher Dichte perfekt durchschnittliche Temperaturen aufweisen. (E. Siegel / Jenseits der Galaxis)

Nachdem das Universum eine Weile existiert hat und sich ausdehnt und abkühlt, funktioniert die Gravitation. Dies erhöht die Schwankungen, die in der Richtung bestanden, in der sie vom Durchschnitt abgewichen sind. Die etwas heißeren Regionen, die unterdicht sind, geben ihre Materie leichter an dichtere Regionen ab. Die kälteren Regionen, die überdichtet sind, ziehen Materie vorzugsweise effizienter an als Regionen mit unterdichter oder durchschnittlicher Dichte.

Es gibt ein kompliziertes Gleichgewicht zwischen Gravitation, die alles gemäß der obigen Logik anzieht, und Strahlung, die gegen Regionen drückt, die zu schnell zu dicht werden. Es ist dieses Zusammenspiel von Kräften zwischen Gravitation, Strahlung und den anfänglichen Inflationsschwankungen, die zu Unebenheiten, Wackeln und Unvollkommenheiten führen, die wir im kosmischen Mikrowellenhintergrund sehen.

Die Schwankungen im CMB basieren auf ursprünglichen Schwankungen, die durch die Inflation erzeugt werden. Insbesondere der

Die anfänglichen Schwankungen müssen im Durchschnitt einen Mittelwert von etwa 1 Teil von 30.000 gehabt haben. So kommen wir zu den Schwankungen, die wir im übrig gebliebenen Glühen des Urknalls beobachten. Diese Schwankungen nehmen dann zu, nachdem das Universum neutral geworden ist und die Strahlung nicht mehr von Elektronen gestreut wird, um die großräumige Struktur zu erzeugen, die wir heute im Universum sehen. Im Laufe der Zeit führt dies zu einem Gravitationswachstum in Sterne, Galaxien, Cluster und die großen kosmischen Hohlräume, die sie trennen.

Ein detaillierter Blick auf das Universum zeigt, dass es aus Materie und nicht aus Antimaterie besteht, dass dunkle Materie und dunkle Energie erforderlich sind und dass wir den Ursprung eines dieser Geheimnisse nicht kennen. Die Schwankungen des CMB, die Bildung und Korrelationen zwischen großräumigen Strukturen und modernen Beobachtungen von Gravitationslinsen deuten jedoch alle auf dasselbe Bild hin, das von der kosmischen Inflation herrührt. (Chris Blake und Sam Moorfield)

Wenn das Universum vollkommen glatt geboren würde, gäbe es keine Möglichkeit, die detaillierte Struktur sowohl im großen als auch im kleinen Maßstab zu erhalten, die wir heute haben. Unsere Beobachtungen erfordern, dass auf allen Skalen irgendwie Schwankungen gleicher Größenordnung existieren und dass das Universum auf diese Weise geboren werden muss. Als die Inflation Ende der 1970er und Anfang der 1980er Jahre erstmals theoretisiert wurde, gab es keine Möglichkeit zu wissen, wie sich diese Schwankungen entwickeln würden. Dies war eine Vorhersage der Inflation, die jahrzehntelang nicht verifiziert werden konnte! Die Bestätigung hier ist jedoch spektakulär, da keine andere Theorie diese Schwankungen erzeugen kann, und die Beobachtungen stimmten mit der Inflation überein, die auf perfekte, unumstößliche Weise vorhergesagt wurde, als Satelliten wie COBE, WMAP und zuletzt Planck ihre Daten zurückgaben.

Die Quantenfluktuationen, die während der Inflation auftreten, werden über das Universum ausgedehnt, und wenn die Inflation endet, werden sie zu Dichteschwankungen. Dies führt im Laufe der Zeit zu der heutigen großräumigen Struktur im Universum sowie zu den im CMB beobachteten Temperaturschwankungen. (E. Siegel, mit Bildern von ESA / Planck und der DoE / NASA / NSF Interagency Task Force für CMB-Forschung)

Das Ergebnis ist eine Geschichte, die so überzeugend und mit den Daten übereinstimmt, dass es praktisch keine Alternative gibt. Inflation ist nicht nur das, was passiert ist, um den Urknall auszulösen oder eine Reihe von Problemen zu lösen, die wir vorher kannten. es machte quantitative Vorhersagen darüber, was wir im Universum erwarten könnten, von frühen bis zu modernen Zeiten, und Beobachtungen haben dies bestätigt. Die Inflation und ihre Quantennatur sind der Grund, warum das Universum heute nicht perfekt glatt ist, und das ist eine sehr gute Sache. Ohne sie wäre es uns niemals möglich gewesen zu existieren.

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