Die Sterne und Galaxien, die wir heute sehen, existierten nicht immer, und je weiter wir zurückgehen, desto näher rückt das Universum an die perfekte Glättung, aber es gibt eine Grenze für die Glätte, die es hätte erreichen können, sonst hätten wir keine Struktur überhaupt heute. Um das 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 auf spektakuläre Weise bestätigt wurde.

Wenn wir unser Universum untersuchen und die Planeten, Sterne, Galaxien und riesigen kosmischen Hohlräume betrachten, die sie voneinander trennen, ist „glatt“ nicht 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 wenige Teile von 100.000 waren, oder es hätte nicht Hunderte von Millionen von Jahren gedauert, um die ersten Galaxien zu bilden. Diese winzigen Unvollkommenheiten waren jedoch lebenswichtig, sonst hätten wir die Struktur, die wir heute sehen, überhaupt nicht geformt! Nach Jahrhunderten des Unverständnisses, wie dies geschah, lieferte eine der umstrittensten Theorien der Kosmologie, die Inflation, die Antwort. Und jetzt, da unsere Messungen eine beispiellose Präzision erreicht haben, werden die 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 die Struktur zu erhalten, die wir heute sehen, hätte das Universum jedoch nicht perfekt reibungslos geboren werden können. (NASA / CXC / M. Weiss)

Entsprechend der kosmischen Inflation war der heiße Urknall nicht der Anfang von Raum und Zeit, sondern lediglich ein heißer, dichter, sich rasch ausdehnender früher Zustand. Es war die kosmische Inflation, eine Phase, in der das Universum nicht von Materie und Strahlung beherrscht wurde, sondern von der Energie, die dem Raum selbst innewohnt, die den Urknall auslöste. Diese Inflationsphase war durch eine exponentielle Ausdehnung des Raums gekennzeichnet, in der sich die Größe des Universums im Laufe der Zeit verdoppelte, dann vervierfachte und dann verdoppelte (usw.). Nach nur 10–33 Sekunden wäre ein Bereich von der Größe einer theoretischen Zeichenfolge aus der Zeichenfolgentheorie auf einen Maßstab ausgedehnt worden, der größer ist als der des heute beobachtbaren Universums. Mit anderen Worten, die kosmische Inflation nimmt alles, was vorher existierte, und streckt es wirklich, wirklich und vollkommen flach und glatt.

Durch das Aufblasen vergrößert sich 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 aufweist, hat es einen Krümmungsradius, der hunderte Male größer ist als das, was wir beobachten können. (E. Siegel (L); Ned Wrights Kosmologie-Tutorial (R))

Dies scheint auf den ersten Blick ein gewaltiges Problem zu sein. Wenn die Inflation den Raum flach, gleichmäßig und glatt ausdehnt, so wie es von der Perfektion nicht zu unterscheiden ist, wie sind wir dann heute zu einem klumpigen Universum gekommen? Sowohl Newtons als auch Einsteins Gravitationstheorien sind gegen Unvollkommenheiten instabil, was bedeutet, dass die Unvollkommenheiten im Laufe der Zeit zunehmen und mit der Struktur enden. Aber wenn Sie mit perfekter Glätte beginnen, die buchstäblich keine Unvollkommenheiten aufweist, 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 Verklumpungs- / Clusterungsmusters, das Galaxien in unserem Universum heute aufweisen. Die Voraussetzung, um dorthin zu gelangen, sind anfängliche Unvollkommenheiten 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 nicht vollkommen flach und glatt, sondern zeigt auf den kleinsten Skalen Quantenfluktuationen.

Visualisierung einer quantenfeldtheoretischen Berechnung mit virtuellen Teilchen im Quantenvakuum. Auch im leeren Raum ist diese Vakuumenergie ungleich Null. (Derek Leinweber)

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

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

Normalerweise gleichen sich diese Schwankungen im Durchschnitt aus, sodass Sie nur mit einer winzigen Nullpunktsenergie enden, die dem Raum selbst positiv inhärent ist. Während der Inflation haben diese Quantenfluktuationen jedoch nicht die Möglichkeit, sich auszumitteln, da sich der Raum selbst mit dieser exponentiellen Rate ausdehnt!

Stattdessen dehnen sich diese Schwankungen über das Universum aus, sodass die Idee einer Quantenfluktuation nicht mehr auf einen sehr kleinen Maßstab beschränkt ist. In Zeitskalen, die nur einen winzigen Bruchteil einer Sekunde lang sind, können diese Quanteneffekte ausgedehnt werden und Schwankungen in der Energie auf Stern-, Galaktik- oder sogar Universums-umfassenden Skalen darstellen!

Die während der Inflation auftretenden Quantenfluktuationen dehnen sich zwar über das Universum aus, verursachen jedoch auch Fluktuationen der Gesamtenergiedichte, so dass wir heute im Universum eine räumliche Krümmung ungleich Null zurücklassen. Diese Feldschwankungen verursachen im frühen Universum Dichtemängel, die dann zu Temperaturschwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund führen. (E. Siegel / Jenseits der Galaxis)

Mit fortschreitender Inflation entstehen neue Schwankungen in der Quantenskala, die zu zusätzlichen kleineren Schwankungen führen, die über die größeren Schwankungen gelegt werden. Dies geht weiter und weiter und erzeugt ein Muster von Schwankungen und zufälligen Regionen aller Größen mit über- und unterdichten Energiedichten, solange die Inflation anhält.

Dann endet die Inflation nach unbestimmter Zeit. Und wenn dies geschieht, wird die gesamte Energie, die dem Raum selbst innewohnt, in Materie, Antimaterie und Strahlung umgewandelt. Mit dem Ende der Inflation beginnt der heiße Urknall und das Universum füllt sich mit Dingen.

Die Analogie eines Balls, der über eine hohe Oberfläche gleitet, besteht darin, dass die Inflation anhält, während die Struktur, die bröckelt 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 ein kleines bisschen mehr Materie, Antimaterie und Strahlung als im Durchschnitt an diesen Orten vorhanden sein. In Regionen mit geringer Dichte werden dort etwas weniger als die durchschnittliche Materie, Antimaterie und Strahlung vorhanden sein. Und dieses Spektrum von Über- und Unterdichten sollte dazu führen, dass die Regionen im Universum im Hinblick auf die Temperatur immer etwas kühler und heißer werden.

Regionen im Weltraum, die etwas dichter als der Durchschnitt sind, erzeugen größere Schwerkraftpotentialtöpfe, aus denen man herausklettern kann. Dies bedeutet, dass das von diesen Regionen ausgehende Licht kälter erscheint, wenn es auf unsere Augen trifft. Umgekehrt sehen Regionen mit geringer Dichte wie Hotspots 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, beginnt die Gravitation zu wirken. Dies vergrößert die Schwankungen, die in welcher Richtung auch immer bestanden, und weicht vom Durchschnitt ab. Die etwas heißeren Regionen, die unterdichten, geben ihre Materie leichter an dichtere Regionen ab. Die kälteren Regionen, die zu dicht sind, ziehen Materie vorzugsweise effizienter an als Regionen mit zu geringer Dichte oder mittlerer Dichte.

Es besteht ein kompliziertes Gleichgewicht zwischen der Gravitation, die alles gemäß der obigen Logik anzieht, und der Strahlung, die gegen Regionen drückt, die zu schnell zu dicht werden. Es ist dieses Wechselspiel der Kräfte zwischen Gravitation, Strahlung und den anfänglichen Inflationsschwankungen, das die Unebenheiten, Wackelbewegungen und Unvollkommenheiten hervorruft, die wir im kosmischen Mikrowellenhintergrund sehen.

Die Schwankungen des CMB basieren auf den durch die Inflation hervorgerufenen ursprünglichen Schwankungen. Insbesondere der

Die anfänglichen Fluktuationen müssen im Durchschnitt einen Mittelwert von etwa 1: 30.000 gehabt haben. So kommen wir zu den Fluktuationen, die wir im Restglühen 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 wächst die Gravitation zu Sternen, Galaxien, Clustern und den großen kosmischen Hohlräumen, 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 benötigt werden und dass wir den Ursprung dieser Mysterien nicht kennen. Die Fluktuationen im CMB, die Bildung und Korrelation 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 reibungslos geboren würde, gäbe es keine Möglichkeit, die detaillierte Struktur zu erhalten, die wir heute sowohl in großen als auch in kleinen Maßstäben haben. Unsere Beobachtungen setzen voraus, dass irgendwie auf allen Skalen Fluktuationen gleichen Ausmaßes existieren und dass das Universum auf diese Weise geboren werden musste. Als die Inflation in den späten 1970er und frühen 1980er Jahren erstmals theoretisiert wurde, war nicht abzusehen, wie sich diese Schwankungen auswirken würden. Dies war eine Voraussage, dass die Inflation über Jahrzehnte hinweg nicht bestätigt werden konnte. Die Bestätigung hier ist jedoch spektakulär, da keine andere Theorie diese Fluktuationen erzeugen kann. Die Beobachtungen stimmten mit der in perfekter, unumstößlicher Weise vorhergesagten Inflation überein, als Satelliten wie COBE, WMAP und zuletzt Planck ihre Daten zurückgaben.

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. (E. Siegel, mit Bildern, die von ESA / Planck und der DoE / NASA / NSF-Task Force für die CMB-Forschung stammen.)

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

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.