Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie - Inflation  

Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie

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Interessierte: Inflation

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Inhalt

Das Standardmodell beinhaltet einige theoretische Konzepte, die über den Stand des Wissens der Laborphysik hinausgehen. Die Inflation ist ein wichtiges Beispiel dafür. Sie soll helfen, gewisse Fragen zu beantworten, die sich im Kontext des Standardmodells stellen, auf die wir sonst keine Antwort erhalten würden. Allerdings gibt es keine direkte Beobachtungsevidenz zu ihren Gunsten. Sie lebt vielmehr von physikalischen Theorien, die das Laborwissen weit überschreiten.

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evolution, schöpfung Horizontproblem

evolution, schöpfung Weitere Gedanken zur Inflation

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Inflation

 

Praktisch ganz am Anfang seiner Geschichte wurde das Universum durch die sog. Inflation „aufgebläht“. Inflation bedeutet, dass das Universum sich äußerst rasch exponentiell um viele Größenordnungen ausdehnte. Dieser Vorgang findet ungefähr in den ersten 10-33 (=1 geteilt durch eine Zahl mit 33 Nullen) Sekunden statt und wird vor allem durch die Teilchenphysik begründet, insbesondere durch sog. GUTs (grand unified theories), die noch nicht zum Standardmodell der Teilchenphysik gehören. Es gibt mehrere solche Theorien und keine ist bisher allgemein anerkannt. Die Auslösung der Inflation sehen die meisten Kosmologen im Vorhandensein gewisser Energiefelder. Das Universum wäre demnach zu dieser Zeit durch die Energiedichte dominiert gewesen, die durch die sog. kosmologische Konstante gegeben war, die damals noch einen viel höheren Wert gehabt haben sollte als heute (siehe Dunkle Materie und dunkle Energie). Warum sie heute einen so tiefen Wert hat, ist unbekannt.

 
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Horizontproblem

 

Inflation wird postuliert, um einige Eigenschaften des Universums zu begründen, die sonst sehr verblüffend scheinen. Ein Beispiel dafür ist die Homogenität (=gleichmäßige räumliche Verteilung) des Universums, die z.B. durch den äußerst homogenen Mikrowellenhintergrund begründet werden kann. Worin besteht das Problem? Heute stellen wir fest, dass die Temperatur des Mikrowellenhintergrundes räumlich gesehen praktisch nicht variiert. Dies ist der Fall, obwohl gegenüberliegende Teile des Universums (z.B. die nördliche und die südliche Richtung) im frühen Universum nie die Möglichkeit hatten, miteinander in einem kausalen Austausch zu stehen. Warum aber sollten sie dann dieselbe Temperatur haben und damit vortäuschen, sie seien in einem thermodynamischen Gleichgewicht gestanden? Das wird auch das Horizontproblem genannt. Die Inflation bietet nun einen Mechanismus, die Kausalität im Universum zu gewährleisten, womit die homogene Temperaturverteilung ableitbar wird. Ohne Inflation hingegen erhält man auf die oben gestellte Frage keine Antwort.

 
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Weitere Gedanken zur Inflation

 

Neben der Lösung des Horizontproblems vermag die Inflation auch Antworten auf weitere Fragen zu geben, die im Standardmodell sonst unbeantwortet bleiben würden. Ein Beispiel dafür ist das sogenannte Flachheitsproblem. Die neueren Daten des Mikrowellenhintergrundes favorisieren ein flaches oder fast flaches Universum. Das Wort flach bezieht sich auf die Geometrie der Raumzeit des Universums und bedeutet, dass für einen fixen Zeitpunkt das räumliche Universum ungekrümmt (Euklidisch) ist (Abb. 158). Warum ist die Geometrie des Universums ausgerechnet flach? Die Inflation vermag – theoretischen Berechnungen folgend – die Geometrie des Universums zu „glätten“.

 
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Ein anderes Beispiel für die Wirkungsweise der Inflation ist die Entstehung der anfänglichen Dichtefluktuationen, die im Verlaufe des Universums zu der heute ausgebildeten, grossräumigen Struktur des Universums durch Strukturformation (siehe Standardmodell) geführt haben sollen.

Mit diesen Beispielen wird deutlich, dass die Inflation im Prinzip mehrere Probleme auf „einen Streich“ lösen kann. Damit wurde sie für die Urknalltheoretiker zu einem wichtigen Konzept, das heute von den meisten Kosmologen akzeptiert wird. Damit soll aber der hypothetische Charakter dieser Theorie nicht ausser Acht gelassen werden. Narlikar et al. (2001) schreiben beispielsweise über die Inflation: „Zum gegenwärtigen Zeitpunkt existiert keine direkte Unterstützung für die Inflation durch Beobachtungen. Noch gibt es irgend eine eindeutige, falsifizierbare Vorhersage aus der Inflation.“ Und weiter schreibt Narlikar (2002): „Über die Jahre durchlief die Idee der Inflation mehrere Modifikationen, um die Herausforderungen durch die Beobachtungen zu meistern, und nun ist es möglich, ein Modell zu finden, welches beinahe einen beliebigen Wert für Ωtotal (=bestimmt die Geometrie des Universums (offen, flach, geschlossen – Abb. 158)) und irgend eine Form für Pin (=Beschreibung der anfänglichen Dichtefluktuationen) liefert.“

 
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Kommentar

 

Wie in anderen Bereichen (siehe Dunkle Materie und dunkle Energie), weist das Standardmodell auch im Bereich der Inflation eine gewisse Flexibilität auf, die die Falsifikationsmöglichkeiten des Standardmodells einschränken. In dieser frühen inflationären Phase des Universums geht die Physik des Standardmodells zudem weit über die bekannte Laborphysik hinaus. Dabei ist es nicht sicher, ob alle gemachten Extrapolationen der physikalischen Gesetze über die Laborphysik hinaus zulässig sind. Es kann auf jeden Fall festgehalten werden, dass diese inflationäre Phase eine hoch theoretische und hypothetische Angelegenheit ist.

Aus diesem Grund wäre es ist sicher angebracht, sich vorsichtig über diese frühe Phase des Universums zu äussern. Narlikar (2001) meint zur Theoriebildung über das sehr frühe Universum: „Gewöhnlich wird argumentiert, dass die Singularität (=anfängliches Urknallereignis, das durch unsere physikalischen Gesetze nicht mehr nachvollziehbar ist.) schliesslich durch ein perfekteres Modell der Quantengravitation ersetzt werden wird. In der Tat könnte das eine Rechtfertigung sein, vorausgesetzt man gibt auch zu, dass die Physik nahe dieser singulären Epoche mit äusserster Vorsicht gehandhabt werden muss […]. Heute werden die meisten Arbeiten der Strukturformation und Astroteilchen Physik, die auf der Entwicklung aus anfänglichen Bedingungen beruhen, mit einer Bestimmtheit vorgestellt, die die oben genannte Vorsicht untergraben. Einige Forscher haben in der Vergangenheit mit derselben Bestimmtheit über Modelle geurteilt, die sich gegenseitig ausschliessen!“ Angesichts der Tatsache dass das Universum in seiner Frühphase bis zum Ende der Inflation etwa 12 Grössenordnungen in der Energie, 17 Grössenordnungen in der Temperatur und über 50 Grössenordnungen in der Dichte durchlaufen hat, ist der Hinweis auf Vorsicht sicher nicht übertrieben. Dieser Sachverhalt kann umso mehr betont werden, da es sich bei diesem hypothetischen, anfänglichen Szenario um einen einmaligen Vorgang handelt, der im Universum keine Wiederholung finden wird.

 
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Literatur

 

Narlikar J.V., Padmanabhan T. (2001) Standard Cosmology and Alternatives: A Critical Appraisal. Annu. Rev. Astron. Astrophys. 39, 211-248.

Narlikar J.V. (2002) An Introduction to Cosmology. Cambridge University Press. Third Edition.

 
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Autor: Studiengemeinschaft Wort und Wissen, 12.08.2004

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