Ist die dunkle Energie ein falsches Vakuum?

[Alexander]

Hallo!

Das Universum expandiert ja beschleunigt, und man nimmt ja an, dass die dunkle Energie dies auslöst.
Beim Urknall existierte für kurze Zeit ein falsches Vakuum, welches ebenfalls extrem expandierend wirkte.

Meine Frage nun: Kann es sein, dass die dunkle Energie ein falsches Vakuum ist?
Das falsche Vakuum zerfällt ja mal, aber sein exponetielles Wachstum ist schneller als sein exponentieller Zerfall, also verschwindet es doch nie?

MfG
Alexander!

[tomS]

Hallo Alexander!

Erst mal herzlich willkommen hier im Forum.

Das ist eine interessante Frage, die du da stellst.

Zunächst mal zu deiner Anmerkung "Das falsche Vakuum zerfällt ja mal, aber sein exponetielles Wachstum ist schneller als sein exponentieller Zerfall, also verschwindet es doch nie?".
=> Du musst genauer erklären, wie du das meinst.
Der Zerfall in einen anderen (den echten) Vakuumzustand und die Expansion hängen ja über irgendeine Dynamik bzw. Kopplung zwischen der Gravitation und einem anderen Feld zusammen. Der Zerfall des Vakuums findet dabei so statt, dass das Feld von einem Zustand in den anderen übergeht (vgl. Tunneleffekt) während sich der Raum (beschleunigt) ausdehnt. Wie sich diese Effekte gegenseitig beeinflussen, hängt dabei von der speziellen Dynamik des Feldes ab und kann m.E. nicht allgemein beantwortet werden.

Zu deinem Vergleich zwischen der heute beobachteten beschleunigten Expansion und der inflationären Expansion: erstere ist im einfachsten Fall "konstant exponentiell beschleunigt", da die dafür kosmologische Konstante eben konstant ist und nicht "zerfällt"; insbs. handelt es sich dabei nicht um ein Feld; letztere benötigt ein völlig anderes Verhalten des Feldes, nämlich ein falsches Vakuum. D.h. nach dem kosmologischen Standardmodell haben die beiden Phänomene nichts miteinander zu tun.

Theorien, in denen die kosmologische Konstante durch ein Feld ersetzt wird, leiden unter der Krankheit, dass die dafür in Frage kommenden Felder schon sehr extravagante Eigenschaften haben müssten und sicher durch nichts heute Bekanntes erklärt werden können. Das inflationäre Szenario benötigt zwar auch einiges an theoretischem Input, allerdings handelt es sich dabei um eher herkömmliche Felder. Üblicherweise betrachtet man ein sogenanntes Inflatonfeld mit einem speziellen Potential, es gibt jedoch auch Theorien, in denen praktisch jedes Materiefeld unabhängig von einem speziellen Potential einfach durch WW mit der Raumzeit zur Inflation führen kann.
=> Also in welches Vakuum soll denn das heutige Universum zerfallen?

Wir haben hier im Forum auch schon ernstzunehmende Alternativen diskutiert, nach denen die kosmologische Konstante bzw. der beobachtete Effekt eher ein Scheineffekt sein könnte, eine Art optische Täuschung, die dadurch zustande kommt, dass man von einem homogenen und isotropen Universum ausgeht. Abweichungen von dieser Isotropie könnten nun genau zu den beobachteten Effekten führen, d.h. durch eine anders verursachte Rotverschiebung die exponentielle Expansion lediglich vortäuschen.

Meiner Meinung nach wird sich die heutige exponentielle Expansion auf andere Weise klären als über ein zusätzliches Feld mit hochspezifischen Eigenschaften. Die Inflation sehe ich als Ergebnis der WW zwischen Gravitation und anderen Feldern. Ich denke, beide haben nichts miteinander zu tun - aber das ist nur meine persönliche Meinung.

[Alexander]

Erstmal danke für die Antwort.

Jetzt wo du das so sagst glaube ich auch nicht mehr, dass der Antrieb für die (vermeintlich) beschleunigte Expansion des Universums ein falsches Vakuum ist, vorallem da mir gerade eben noch einfällt, dass das Universum erst seit guten 7 Milliarden Jahren beschleunigt expandieren soll, wenn es ein falsches Vakuum noch vom Urknall gewesen wäre, hätte es ja von Anfang an gleich beschleunigt expandieren müssen.

Du hast schon ein Inflatonfeld erwähnt, das letztenendes die Inflation auslöst. Ich frage mich imemr wieder: Aus was besteht das eigentlich?
Das hier ist ja der Ansatz der Inflation:

]Bild entfernt, bis geklärt ist, wo die Urheberrechte liegen.

Dieser blaue Ball soll wohl das Inflatonfeld sein. Aber was ist dieses Feld eigentlich? Also aus was soll es bestehen?

Und dieser Raum, in dem der Potentialverlauf liegt, der soll das Universum sein, oder?

MfG
Alexander!

[tomS]

Ich habe eben deinen Vorstellungsthread gelesen - du interessierst dich nicht gerade für einfache Sachen :-)

Die Darstellung des Potentials ist sehr schematisch. Man denkt sich dazu folgendes: angenommen es gäbe ein Feld (elektromagnetisch taugt nicht, es muss was anderes sein ...), das das gesamte Universum ausfüllt (es kann natürlich auch den Wert Null haben). Dann machen wir die Näherung, dass es überall den selben festen Wert hat. Das ist natürlich in der Praxis nicht richtig, es wird immer Fluktuationen geben, aber als erste Näherung ist das brauchbar. Dann soll das Feld eine bestimmte potentielle Energie haben - die ist in der Zeichnung eingezeichnet. Der blaue Punkt ist der aktuelle Wert des Feldes - und da dieser überall gleich ist - sozusagen das gesamte Universum aus Sicht dieses einen Feldes. Dieses Potential hat nun eine ganz besondere Form, nämlich eine mit einem echten und einem falschen Vakuum. Das ist extrem künstlich bzw. gebastelt und klingt ziemlich unrealistisch; es gibt inzwischen bessere Modelle, die das selbe leisten, aber die sind nicht so einfach zu erklären. Nun gelangt das Feld im gesamten Universum während der Phase kurz nach dem Urknall in den falschen Vakuumzustand und bleibt dort gewissermaßen gefangen. Zu Beginn ist die Temperatur und die Energie so hoch, dass das Feld leicht diese hohe Energie haben kann. Während des Abkühlens solte das Feld eigentlich ebenfalls Energie abgeben, kann es aber wegen der Form des Potentials nicht. Statt dessen "tunnelt" es irgendwann durch den Poetntalwall durch und gibt seine Energie nun wieder ans Universum ab, das sich dadurch nochmals extrem aufheizt (also die anderen Felder: elektromagnetische Wellen, Elektronen, ...).

Der Raum, in dem sich die blaue Kugel bewegt ist nicht das Universum. Diese Bewegung des Feldes in dem Potential findet an jedem Punkt des Universums genauso statt. Das Feld gelangt im gesamten Universum von einem ins andere Vakuum. Graphisch wird dies durch die blaue Kugel dargestellt. Es ist aber nicht so, dass sich hier im Universum etwas "von rechts nach links bewegt".

Zu deiner Frage was das Inflatonfeld eigentlich sein soll: Das ist genau das große Problem; man kennt heute kein Elementarteilchen, dem dieses Feld entsprechen könnte und das dieses seltsame Potential hat. Insbs. kommt das Higgs-Teilchen nicht in Frage, aber auch andere Felder bzw, Teilchen (Photonen, Elektronen, Quarks, ...) können es nicht sein.

Es gibt jedoch eine Theorie, die ohne dieses seltsame Potential auskommt. Dabei genügt ein ganz normales Potential mit nur einem Minimum, so wie das für die bekannten Felder üblich ist. Man muss sich also kein neues Feld und kein kompliziertes Potential ausdenken. Durch die Wechselwirkung des Feldes mit der Raumkrümmung bleibt das Feld gewissermaßen weit oben im Potential "kleben" und rutsch nicht sofort ins Minimum. Dadurch entsteht ein ähnlicher Effekt, die Inflation kommt zustande, ohne dass man derartige künstlicher Annahmen treffen muss. Diese Theorie ist jedoch vergleichsweise unsicher und teilweise noch spekulativ, daher werden auch immer wieder andere Alternmativen betrachtet.

[Alexander]

Die Darstellung des Potentials ist sehr schematisch.

Also ist das nicht wie so ein Energie-Berg, auf dem ein Feld herumklettert?

Der blaue Punkt ist der aktuelle Wert des Feldes- und da dieser überall gleich ist - sozusagen das gesamte Universum aus Sicht dieses einen Feldes.

Ach so, der blaue Punkt ist gar nicht das Inflatonfeld, sondern das ganze Feld, in dem sich der Potentialverlauf befindet, ist das Inflatonfeld? Also es ist beim Urknall kein Inflatonfeld im Universum auf diesem Potentialverlauf herumgeklettert?

Während des Abkühlens solte das Feld eigentlich ebenfalls Energie abgeben, kann es aber wegen der Form des Potentials nicht. Statt dessen "tunnelt" es irgendwann durch den Poetntalwall durch und gibt seine Energie nun wieder ans Universum ab, das sich dadurch nochmals extrem aufheizt (also die anderen Felder: elektromagnetische Wellen, Elektronen, ...).

Hmmm, wenn ich das richtig verstanden habe ist doch der blaue Ball nicht das eigentliche Feld, sondern nur zur Demonstration des aktuellen Wertes da. Welches Feld tunnelte dann da? Das gesamte Feld, in dem sich der Potentialverlauf befindet?

Was sich mir ebenfalls nicht so richtig erschließen will, ist das mit der Temperatur: In der vorhergehenden Ära, der Planck-Ära betrug sie gute 10 hoch 32K, in der darauffolgenden Inflation noch gute 10 hoch 27K. Wo hat sich das Universum da nochmal aufgeheitzt?

Der Raum, in dem sich die blaue Kugel bewegt ist nicht das Universum. Diese Bewegung des Feldes in dem Potential findet an jedem Punkt des Universums genauso statt. Das Feld gelangt im gesamten Universum von einem ins andere Vakuum. Graphisch wird dies durch die blaue Kugel dargestellt. Es ist aber nicht so, dass sich hier im Universum etwas "von rechts nach links bewegt".

Das ist ja nur diese schemtische Darstellung, wie du gesagt hast. Aber das ganze Geschehen mit dem Durchtunneln und dem Potentilaverlauf geschah schon im Universum?

Es gibt jedoch eine Theorie, die ohne dieses seltsame Potential auskommt. Dabei genügt ein ganz normales Potential mit nur einem Minimum, so wie das für die bekannten Felder üblich ist. Man muss sich also kein neues Feld und kein kompliziertes Potential ausdenken. Durch die Wechselwirkung des Feldes mit der Raumkrümmung bleibt das Feld gewissermaßen weit oben im Potential "kleben" und rutsch nicht sofort ins Minimum. Dadurch entsteht ein ähnlicher Effekt, die Inflation kommt zustande, ohne dass man derartige künstlicher Annahmen treffen muss. Diese Theorie ist jedoch vergleichsweise unsicher und teilweise noch spekulativ, daher werden auch immer wieder andere Alternmativen betrachtet.

Gibt es zu dieser Version einen weiterführenden Link?

P.S: vielen Dnak, dass du mir gerne helfen möchtest. Das ist ein hochinteressantes Thema, allerdings nicht das allerleichteste.

MfG
Alexander!

[tomS]

Also ist das nicht wie so ein Energie-Berg, auf dem ein Feld herumklettert?

Doch. Es tut dies im gesamten Universum gleichzetig, d.h. der Berg und die Position ds Feldes am Berg sind im gesamten Universum identisch (das ist die genannte Näherung).

Ach so, der blaue Punkt ist gar nicht das Inflatonfeld, sondern das ganze Feld, in dem sich der Potentialverlauf befindet, ist das Inflatonfeld? Also es ist beim Urknall kein Inflatonfeld im Universum auf diesem Potentialverlauf herumgeklettert?

Der blaue Punkt ist das Inflatonfeld - besser: der im gesamten Universum identische Wert des Infaltonfeldes! Was meinst du mit "das ganze Feld"? Es gibt hier nur ein Feld, nämlich das Infaltonfeld.

... ist doch der blaue Ball nicht das eigentliche Feld, sondern nur zur Demonstration des aktuellen Wertes da. Welches Feld tunnelte dann da?

In dieser Näherung tunnelt das gesamte Feld im gesamten Universum gleichzetig durch den Potentialwall.

In der vorhergehenden Ära, der Planck-Ära betrug sie gute 10 hoch 32K, in der darauffolgenden Inflation noch gute 10 hoch 27K. Wo hat sich das Universum da nochmal aufgeheitzt?

Man muss sich den Prozess so vorstellen, dass das Inflatonfeld eine hohe Energiedichte besaß. Das Zerfallen des falschen Vakuums führte zum Freiwerden dieser Energie in Form gewöhnlicher Teilchen, also Elektronen, Positronen und el.-mag. Strahlung. Ich finde leider keine Graphik zum Temperaturverlauf. Ich bin mir auch nicht sicher, ob die Begriffe "Wiederaufheizen" und "Temperatur" hier tatsächlich gültig sind. Temperatur setzt voraus, dass sich das System in einem theramodynamischen Gleichgewicht befindet. Dies ist für das Inflatonfeld im falschen Vakuum m.E. nicht der Fall.

Aber das ganze Geschehen mit dem Durchtunneln und dem Potentilaverlauf geschah schon im Universum?

Ja!

Gibt es zu dieser Version einen weiterführenden Link?

Ja, aber ich würde dir empfehlen, erstmal hier im Forum "Quantengravitation" unter den Begriff "Loop Quantum Gravity" bzw. LQG sowie "... Cosmology" bzw. LQC nachzulesen. Die LQG beschäftigt sich mit der Problematik der Quantisierung des Gravitationsfeldes - ein bis heute nicht vollständig verstandenes Unterfangen - und produziert in der "Näherung" der LQGC eine Inflation ohen die o.g. zusätzlichen Annahmen.


Lass' dich nicht abschrecken, einige Beiträge sind sicher relativ kompliziert geschrieben; hier eine Empfehlung zum Einstieg: Schleifenquantengravitation für Einsteiger

[Alexander]

Ach so, der blaue Punkt ist gar nicht das Inflatonfeld, sondern das ganze Feld, in dem sich der Potentialverlauf befindet, ist das Inflatonfeld? Also es ist beim Urknall kein Inflatonfeld im Universum auf diesem Potentialverlauf herumgeklettert?

Der blaue Punkt ist das Inflatonfeld - besser: der im gesamten Universum identische Wert des Infaltonfeldes! Was meinst du mit "das ganze Feld"? Es gibt hier nur ein Feld, nämlich das Infaltonfeld.

Damit meinte ich, ob das Inflatonfeld nur ein Feld im gesamten Universum ist, welches ich auch als Feld bezeichnet habe (aufgrund einer Antwort von dir weiter oben).
Kann ich das so sagen: "Das Inflatonfeld ist ein Feld, welches nicht genau beschrieben werden kann, da man heute noch kein Feld/Elementarteilchen kennt, dass die Fähigkeit hat, eine Inflation auszulösen. Es klettert innerhalb des Universums auf dem Potentialverlauf vom falschen Vakuum zum niedrigen Vakuum durch den Tunnelprozess. Das falsche Vakuum ist dabei Zerfallen und hat das Universum mit Teilchen angereichert. Hier tereffen sich Das Inflationsmodell und das Standard-Urknallmodell.


Während des Schreibens obiger Zeilen ist mir eingefallen: Das falsche Vakuum hat also durch seinen Zerfall das Universum mit Teilchen angereichert. Doch wo ist das Inflatonfeld hin verschwunden? Ist das mit zerfallen oder wie? Du hast ja geschrieben, dass das Inflatonfeld eine sehr hohe Energie besitzt, die in Form von Teilchen frei wurde. Das heißt doch, dass sowohl das falsche Vakuum und das Inflatonfeld zerfallen sind?
Falls das so ist: Wieso ist denn überhaupt das Inflatonfeld zerfallen, nur weil es die Barriere durchquert hat?

Wieso startete das Inflatonfeld eigentlich mit einer so hohen potentieller Energie?


MfG
Alexander!

[tomS]

Das Inflatonfeld ist ein Feld, welches nicht genau beschrieben werden kann, da man heute noch kein Feld/Elementarteilchen kennt, dass die Fähigkeit hat, eine Inflation auszulösen. Es klettert innerhalb des Universums auf dem Potentialverlauf vom falschen Vakuum zum niedrigen Vakuum durch den Tunnelprozess. Das falsche Vakuum ist dabei Zerfallen und hat das Universum mit Teilchen angereichert. Hier tereffen sich Das Inflationsmodell und das Standard-Urknallmodell.

Ja, damit hast du recht. Das Inflationsmodell ist eine Ergänzung des Urknallmodells, denn die Inflation findet ja nach dem Urknall statt. Das Inflationsmodell haben sich die Physiker ausgedacht, um einige Probleme zu lösen (insbs. das Horizontproblem und das Flachheitsproblem - dazu evtl. später mehr), die im Standardurknallmodell nicht erklärt werden können. Dazu musste man eben auch das Inflatonfeld „erfinden“. Es kommt öfters vor, dass die Physiker sich ein theoretisches Konstrukt ausdenken, um einige Probleme lösen zu können, ohne dass die experimentellen Befunde dafür bereist vorliegen. Im Falle der Inflation könnte es aber eben tatsächlich so sein, dass der Mechanismus der Inflation weiterhin grundsätzlich funktioniert, man jedoch gleichzeitig lernt, wie dies auch ohne ein zusätzliches Feld möglich ist.

Das Inflatonfeld ist im Zuge des Wiederaufheizens auf den Wert Null zerfallen; das Zerfallen des falschen Vakuums und das Zerfallen des Inflatonfeldes ist das selbe! Das Inflatonfeld „will“ eigentlich im Zustand mit geringstmöglicher Energie sein. Das passiert, sobald es die Barriere durchtunnelt hat. Dass man heute keine „Reste“ mehr davon sieht, also keine Teilchen findet, die diesem Feld entsprechen, ist genau das zentrale Problem des Modells.

Das Inflatonfeld startet deswegen mit einer so hohen potentieller Energie, weil es diese durch die insgs. hohe Energiedichte im frühen Universum erhält. Dabei stammt diese Energie quasi auch aus dem extrem starken Gravitationsfeld im frühen Universum- wobei dieses Bild evtl. irreführend sein könnte - also bitte nicht zu wörtlich nehmen.

[Alexander]

Vor der Inflation wird ja allgemein noch die Planck-Ära angenommen. Das Universum befand sich ja nach dem Urknall im Zustand des falschen Vakuums, war das von anfang an, also schon in der Planck-Ära, oder befand es sich vorerst noch im wahren Vakuum?
Damit meine ich, waren die "Zutaten" für die Inflation schon in der Planck-Ära enthalten?

Wie ist denn das Inflatonfeld entstanden? Du sagtest ja, es ist nur ein Feld, mit sehr hoher Energie, welches auf dem Energie-Berg nach unten rollt. Kann ich mir das wie eine Kugel innerhalb des frühen Universums vorstellen, dass einfach mehr Energie hat, als seine Umgebung oder habe ich hier einen Fehler drin?

MfG
Alex!

[Alexander]

Da ich nun verstanden habe (zumindest meien ich es verstanden zu haben), kann ich ja mal danach fragen: Was ist eigentlich von der Theorie zu halten, dass während der Inflation viele verschiedene Universen entstanden sein sollen? Ich beziehe mich auf diesen Text hier:

http://www.gm.nw.schule.de/~moltke/inflation.htm

Unter dem zweiten Bild heißt es, dass der Zerfall des falschen Vakuums nicht gleichmäßg von statten ging und dass wie bei siedendem Wasser blasen echten Vakuums entstanden, die dann weiter expandierten.

Meine Frage: Ist unser Universum so entstanden, oder ist das nicht richig?

MfG
Alex!

[tomS]

Die "Zutaten" für die Inflation sollten bereits in der Planck-Ära vorhanden sein. Wenn es das Inflatonfeld gibt, dann ist es "entstanden" wie ein gewöhnliches Feld (elektromagnetisch = Photon, Elektron, Quark, ..., Higgs, ...) auch.

Das Feld hat zunächst nicht mehr Energie als seine Umgebung. Das Potential des Feldes ist kompliziert und hat die zwei genannten Minima. Zu Beginn ist die Energie aller Felder so hoch, dass die des Inflatonfeldes sogar deutlich höher ist als die des falschen Vakuums. Das Universum kühlt ab, das Inflatonfeld verliert Energie, und gelangt dabei in einen (evtl. völlig zufälligen) Vakuumzustand. Wenn es nun eben gerade der obere, falsche Vakuumzustand ist, dann bleibt das Feld in diesem Zustand gefangen, während sich das Universum weiter abkühlt (das Feld kann nicht einfach über die Potentialbarriere springen; die Wahrscheinlichkeit zum Durchtunneln ist klein, so dass das Feld "lange" in diesem falschen Vakuum bleibt). Sobald es nun aber eben doch durchtiunnelt, hat es deutlich zu viel Energie, es fällt auf die Temperatur des umgebenden Universums einschließlich aller anderen Felder. Das Inflatonfeld gibt also seine Energie ab und heizt dadurch die anderen Felder wieder an (so wie wenn du zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Temperatur mischst).

Bitte stell dir das Feld nicht als Kugel vor. Es ist ein Feld, das das gesamte Universum ausfüllt.

Die unter deinem Link genannten theoretischen Probleme gibt es tatsächlich:
- reicht die Inflation aus, um die Flachheit des heutigen Universums zu erklären (Fachsprache: Anzahl der e-Foldings)
- wie kommt die Inflation zum Stillstand (graceful exit)
- Kollision zweier Branen (brane-cosmology, ekpyrotisches Modell): das ist ein völlig neues Thema - bei Gelegenheit ...
- eternal inflation und Multiversum

Der letzte Punkt bezieht sich auf die Idee der "Blasenbildung wie in kochendem Wasser". Unser gesamtes Universum entspräche dabei einer einzigen derartigen Blase. Außerdem wäre dieses Universum (die gesamte Blase) um ein vielfaches größer als das heute beobachtbare Universum. Tatsächlich wären solche Blasen an den verschiedensten Stellen und zu den unterschiedlichsten Zeiten entstanden. Auch in unserem Universum würden aus Quantenfluktuationen ggf. derartige Blasen entstehen und neue Univeresen hervorbringen. Unser Universum wäre dann nur eine Blase eingebettet in ein "Multiversum", das bereits seit unendlich langer "Zeit" existiert und unendlich viele Universen (Blasen) hervorgebracht hat. Dieses Modell ist ziemlich "in" und erscheint aus verschiedenen Gründen sinnvoll zu sein, hat jedoch einen entscheidendne Nachteil: Es kann durch kein Experiment bestätigt oder widerlegt werden - und ist deswegen eigentlich völlig unphysikalisch (metaphysisch - spekulativ). D.h. die Frage nach dem Wahrheitsgehalt kann nicht beantwortet werden!

[Alexander]

Die "Zutaten" für die Inflation sollten bereits in der Planck-Ära vorhanden sein. Wenn es das Inflatonfeld gibt, dann ist es "entstanden" wie ein gewöhnliches Feld (elektromagnetisch = Photon, Elektron, Quark, ..., Higgs, ...) auch.

Also kann man die Entstehung eines Feldes so beschreiben: Ein Feld entsteht, wenn die Entsprechenden Teilchen vorhanden sind. DIe genannten von dir, also Photon, Elektron, Quark, haben doch zum Zeitpunkt der Inflation noch gar nicht existiert. Zu dem Zeitpunkt befand sich das Universum doch noch im Zustand purer Energie, oder? Also laut Wikipedia zumindest, sind Leptonen, damit meine ich nur die Elektronen, erst nach der Inflation entstanden, also kann es doch zum Zeitpunkt der Inflation noch gar keine elektromagnetischen Felder gegeben haben?
Quarks waren ja die ersten Teilchen, die beim Urknall entstanden sind, aber zählen Quarks zu den Leptonen?
Seit wann existierten eigentlich beim Urknall die ersten Photonen? Die müssten doch schon ganz am Anfang dagewesen sein, da es ja heißt, in der Planck-Ära habe Supersymmetrie geherrscht, also alles total homogen war. Seit wann gibt es die Photonen?

Zu Beginn ist die Energie aller Felder so hoch, dass die des Inflatonfeldes sogar deutlich höher ist als die des falschen Vakuums.

Welche Felder gabs denn noch, außer dem Inflatonfeld?

Das Universum kühlt ab, das Inflatonfeld verliert Energie, und gelangt dabei in einen (evtl. völlig zufälligen) Vakuumzustand.

Niedrigere Temperatur heißt doch niedrigere Energie, oder?

- reicht die Inflation aus, um die Flachheit des heutigen Universums zu erklären (Fachsprache: Anzahl der e-Foldings)

Die beobachtete Flachheit des Raumes hat man doch nach der Innenwinkelsumme eines Dreiecks festgestellt, wäre sie nicht exakt 180° gewesen, wäre der Raum nicht flach gewesen? Und die Flachheit ist doch nur eine Folge der ungeheueren Ausdehnung des Raumes. Kann man sich das so vorstellen: Man hält einen Ball in der Hand, der das Universum darstellt. Wenn man jetzt immer näher an eine Seite des Balls "heranzoomt", wird er immer flacher, bis er irgendwann total flach erscheint? Kann man sich das so vorstellen?

- wie kommt die Inflation zum Stillstand (graceful exit)

War sie nicht vorbei, als das Inflaton und das falsche Vakuum zerfallen waren?

- Kollision zweier Branen (brane-cosmology, ekpyrotisches Modell): das ist ein völlig neues Thema - bei Gelegenheit ...

Da sollen ja zwei Universen miteinander Kollidieren, oder? Wird das schon nach dieser "Blasenbildung in kochendem Wasser" angenomen?

- eternal inflation und Multiversum

Dieses Multiversum soll ja eine fraktale Struktur haben, oder?

Der letzte Punkt bezieht sich auf die Idee der "Blasenbildung wie in kochendem Wasser". Unser gesamtes Universum entspräche dabei einer einzigen derartigen Blase. Außerdem wäre dieses Universum (die gesamte Blase) um ein vielfaches größer als das heute beobachtbare Universum.

Also das mit den Blasen, kann ich mir das so vorstellen, wie etwa eine Seifenblase, mit Oberflächenspannung? Sind wir in einer Blase "gefangen"?

Tatsächlich wären solche Blasen an den verschiedensten Stellen und zu den unterschiedlichsten Zeiten entstanden. Auch in unserem Universum würden aus Quantenfluktuationen ggf. derartige Blasen entstehen und neue Univeresen hervorbringen. Unser Universum wäre dann nur eine Blase eingebettet in ein "Multiversum", das bereits seit unendlich langer "Zeit" existiert und unendlich viele Universen (Blasen) hervorgebracht hat. Dieses Modell ist ziemlich "in" und erscheint aus verschiedenen Gründen sinnvoll zu sein, hat jedoch einen entscheidendne Nachteil: Es kann durch kein Experiment bestätigt oder widerlegt werden - und ist deswegen eigentlich völlig unphysikalisch (metaphysisch - spekulativ). D.h. die Frage nach dem Wahrheitsgehalt kann nicht beantwortet werden!

Hmm, da kann sich eine neue Frage stellen: Die Inflation folgt ja auf die Planck-Ära, ist dann die Planck-Ära sozusagen das Mulitiversum? Oder gilt die Entstehung unseres Universums (also Planck-Ära, Inflation, Quark-Ära...)dann erst, wenn aus diesem "siedenden Wasser" diese Blasen entstanden sind? Also gibt es innerhalb dieser sich bildenden Blasen nochmals eine Inflation?

MfG
Alex!

[tomS]

Also kann man die Entstehung eines Feldes so beschreiben: Ein Feld entsteht, wenn die entsprechenden Teilchen vorhanden sind.

Nein! Das Feld ist mathematisch in einer Quantenfeldtheorie immer vorhanden. Dass es sich als Teilchen zeigt, ist ein Spezialfall. Auch im absoluten Vakuum ist das Feld nicht wirklich Null, es gibt immer noch sogenannte Vakuumfluktuationen.

... Photon, Elektron, Quark, haben doch zum Zeitpunkt der Inflation noch gar nicht existiert. Zu dem Zeitpunkt befand sich das Universum doch noch im Zustand purer Energie, oder?

Möglicherweise waren diese Teilchen alle noch als Quanten eines vereinheitlichten Feldes vorhanden, aber die Felder an sich waren auf jeden Fall existent. Es gibt keine Möglichkeit, dass "etwas" reine Energie ist, wenn nicht irgendein Feld diese Energie trägt.

... erst nach der Inflation entstanden, also kann es doch zum Zeitpunkt der Inflation noch gar keine elektromagnetischen Felder gegeben haben?

Es mag sein,dass sich diese Felder nicht als physikalische Teilchen manifestiert haben, aber es waren dennoch die entsprechenden Felder vorhanden.

Quarks waren ja die ersten Teilchen, die beim Urknall entstanden sind, aber zählen Quarks zu den Leptonen?

Man geht davon aus, dass meist die Materieteilchen überwiegen, die die höchstmögliche Masse tragen, die bei der vorherrschenden Temperatur noch existieren kann. Demzufolge existieren früher mehr schwere Teilchen, also z.B. Quarks, während die Elektronen erst später wichtig wurden. Man kann jedoch auch davon ausgehen, dass bei sehr hohen Energien (aber noch unterhalb der Planck-Energie) ein "vereinheitlichtes Feld" existierte, so dass die Unterschiede zwichen verschiedenen Teilchensorten verschwanden bzw. irrelevant wurden. Insbs. spielen die geringfügig unterschiedlichen Ruhemassen dann keine Rolle mehr und man kann alle Teilchen als praktisch masselos ansehen.

Quarks zählen nicht zu den Leptonen. Leptonen sind Spin 1/2 Teilchen, die nicht der starken Wechselwirkung (= der QCD unterliegen), also Elektronen (sowie deren Antiteilchen, die Positronen), die schwerer Partner Myon und Tau, sowie die Neutrinos.

Welche Felder gabs denn noch, außer dem Inflatonfeld?

Wie oben gesagt: grundsätzlich alle bekannten Felder, evtl. jedoch vereinheitlicht in einem Feld, dessen verschiedene "Ausprägungen" dann den unterschiedlichen Teilchen entspechen (wobei die Unterschiede bei hohen Energien eben irrelevant werden).

Wenn man jetzt immer näher an eine Seite des Balls "heranzoomt", wird er immer flacher, bis er irgendwann total flach erscheint? Kann man sich das so vorstellen?

Jein! Natürlich erscheint ein extrem großer Ball aus der Nähe betrachtet praktisch flach. Trotzdem liegt die gemessene Krümmung so nahe bei Null, dass man aus physikalischen Gründen eben von exakt Null ausgeht. Eine winzig kleine Krümmung oder exakt Null ist aber grundsätzlich schwierig zu erklären, es sei denn, man nimmt an, dass ein bestimmter Parameter eben zufällig exakt Null ist. Warum sollte das aber so sein? Die Physiker lieben aber dieses fine-tuning eines Parameters nicht, sondern hätten gerne eine Erklärung, ein grundlegendes Prinzip, ein natürlich erscheinendes Modell, ... warum eben die Krümmung Null geworden ist.

Da sollen ja zwei Universen miteinander Kollidieren, oder?

Ja. Jede dreidimensionale Bran entspricht einem Universum. Das hat aber nichts mit den Blasen zu tun sondern ist ein völlig neues Modell!

Dieses Multiversum soll ja eine fraktale Struktur haben, oder?

Das Konzept des Multiversums ist (mir) zu spekulativ, als dass man über derartige Details diskutieren sollte. Wir wissen überhaupt nicht, was genau dieses Multiversum genau sein soll. Wie sollen wir dann seine fraktale Struktur diskutieren?

... wie etwa eine Seifenblase, ... Sind wir in einer Blase "gefangen"?

Nein. Hier spielt dir die Vorstellung einen Streich. Stell dir lieber eine zweidimensionale Luftballonhaut vor, die zufällig fluktuiert und manchmal an verschiedenen Stellen einen winzig kleinen Baby-Luftballon "absondert". Diese Fluktuationen entstehen zufällig und können auf völlg unterschiedlichen Längenskalen auftreten, so wie Dampfblasen in kochendem Wasser. Diese können beliebig groß werden (minimal: im Bereich einiger Moleküle, maximal: so groß wie der Topf) und sie können miteinander verschmelzen. Wir wären dann auf der Oberfläche eines der Baby-Luftballons gefangen (eine Dimension müssen wir dabei aus Gründen der Anschaulichkeit vernachlässigen)

[Alexander]

Welche Felder gabs denn noch, außer dem Inflatonfeld?

Wie oben gesagt: grundsätzlich alle bekannten Felder, evtl. jedoch vereinheitlicht in einem Feld, dessen verschiedene "Ausprägungen" dann den unterschiedlichen Teilchen entspechen (wobei die Unterschiede bei hohen Energien eben irrelevant werden).

Kann ich mir das so vorstellen: Innerhalb des frühen Universums waren diese Felder wie "aneinandergelegt", also eines "berührte" das nächste?

[tomS]

Ich weiß nicht, was du damit meinst.

Ein Feld ist ein Objekt, das das gesamte Universum durchzieht. Es kann natürlich auch an manchen Stellen oder in gewissen Gebieten Null sein, aber es ist zunächst mal "da". Dann gibt es spezielle Feldkonfigurationen: so "zeigt" sich das e.-mag. Feld eben beispielsweise als Coulombpotential eines geladenen Teilchens oder als Photon (Lichtquant). Das Feld des Elektrons "zeigt" sich als Elektron, oder als Eleketronen- bzw. Wahrscheinlichkeitswolke im Atom. Aber das fundamentale Objekt ist das Feld selbst, und dieses ist "da", auch wenn es sich nicht als Teilchen zeigt, sondern als beliebige Quantenfluktuation.

[Alexander]

Ein Feld ist ein Objekt, das das gesamte Universum durchzieht. Es kann natürlich auch an manchen Stellen oder in gewissen Gebieten Null sein, aber es ist zunächst mal "da".

Heißt das: Ein Feld ist da, auch wenn es nicht da ist?

Dann gibt es spezielle Feldkonfigurationen: so "zeigt" sich das e.-mag. Feld eben beispielsweise als Coulombpotential eines geladenen Teilchens oder als Photon (Lichtquant). Das Feld des Elektrons "zeigt" sich als Elektron, oder als Eleketronen- bzw. Wahrscheinlichkeitswolke im Atom. Aber das fundamentale Objekt ist das Feld selbst, und dieses ist "da", auch wenn es sich nicht als Teilchen zeigt, sondern als beliebige Quantenfluktuation.

Was ist denn Coulombpotential? Ist das eine Situation, in der Potential gegeben ist, dass eine Coulombstreuung stattfinden kann?

[tomS]

In der klassischen Feldtheorie (z.B. Elektrodynamik) ist ein Feld nur "da", wenn es einen von Null verschiedenen Wert hat. Es "entsteht" dann in einem Raumbereich z.B. durch Ausbreitung von Wellen in diesen Bereich hinein. Z.B. strahlt ein Sender eine el.-mag. Welle ab wodurch ein el.-mag Feld im zuvor feldfreien Raum entsteht.

In der Quantenfeldtheorie ist das Feld immer "da" in dem Sinne, dass es zwar einen Erwartungswert von Null haben kann, dass aber trotzdem immer kleine Fluktuationen des Feldes existieren, so dass es eben nie exakt Null ist. Diese Vakuumfluktuationen folgen aus der Quantenmechanik. Sie sind nachweisbar im sogenannten Casimir-Effekt. http://de.wikipedia.org/wiki/Casimir-Effekt

Dadurch muss man sich nicht mehr überlegen wie dieses Feld "entsteht". Es ist bereits in der Planck-Ära "vorhanden", auch wenn z.B. noch keine freien Teilchen dieses Feldes entstehen, sondern eben nur Quantenfluktuationen. Bei bestimmte Temperaturen können dann bestimmte Teilchensorten enstehen und erhalten bleiben, so dass diese im gewöhnlichen Sinne existent sind.

So sind z.B. die Photonen der kosmischen Hintergrundstrahlung "Überbleibsel des Urknalls". Physikalisch korrekt ist folgends Bild: es gab bis einihe hundertausend Jahre nach dem Urknall ein sehr stark wechselwirkendes Plasma aus Elektronen, Photonen und Atomkernen (im Wesentlichen Protonen, also Wasserstoffatomkernen). Dabei konnte man nicht von einzelnen Photonen sprechen, da diese fortwährend mit anderen Teilchen in Wechselwirkung traten, also nie isoliert in Escheinung getreten sind. Bei der weiteren Abkühlung kombinierten dann die Elektronen mit den Protonen zu neutralen Atomen, an denne die Photonen nur noch streuten. Als die Temperatur soweit gesunken war, dass die Photonen die Elektronen nicht mehr anregen oder ionisieren konnten, fand keine WW mehr statt und das Universum wurde für die Photonen "durchsichtig". Insofern sind diese Photonen ca. 300000 Jahre jünger als das Universum und existieren seither als gewöhnliche Teilchen. Für andere Teilchensorten fiunktioniert das analog.

Das Coulombpotential ist einfach das elektrische Potential einer isolierten Ladung, z.B. einer Kugel oder eines geladenen Teilchens. Es hat die Form V(r) ~ q/r. Dieses Potential gilt z.B. für ein Elektron oder ein Proton. Streut man ein Elektron einem einem Proton, so spricht man von Coulombstreuung. Gemäß der Quantenelektrodynamik ist dieses Coulombpotential jedoch nicht einfach "da", sondern es "entsteht" als kollektiver Effekt. Im Grunde ist es eine bestimmte "Manifestation des quantisierten el.-mag. Feldes". D.h. das Feld selbst ist "da", aber es zeigt sich eben nicht unbedingt als Photon (oder freie el.-mag. Welle), sondern in diesem Fall als Coulombpotential.

[Alexander]

Dadurch muss man sich nicht mehr überlegen wie dieses Feld "entsteht". Es ist bereits in der Planck-Ära "vorhanden", auch wenn z.B. noch keine freien Teilchen dieses Feldes entstehen, sondern eben nur Quantenfluktuationen. Bei bestimmte Temperaturen können dann bestimmte Teilchensorten enstehen und erhalten bleiben, so dass diese im gewöhnlichen Sinne existent sind.

Diese Fluktuationen virtueller Teilchen da, was sind denn diese virtuellen Teilchen nun? Sind das Teilchen, die Masse haben (ich habe gelesen, dass virtuelle Teilchen Materieteilchen sind/sein können)? Oder sind sie wirklich nur mathematische Krücken, damit man Singularitäten vermeiden kann?

Virtuelle Teilchen treten ja während einer WW auf, heißt es, aber mit was wechselwirkt der Raum in der Planck-Ära? Da waren doch noch alle 4 Kräfte in der Superkraft vereinigt?

Insofern sind diese Photonen ca. 300000 Jahre jünger als das Universum und existieren seither als gewöhnliche Teilchen.

Der Urknall war ja sehr sehr hell. Woher kam diese Helligkeit? Sind das diese Photonen?
Wenn ja, dann müssten sie doch gleich alt wie das Universum sein, nicht 300.000 Jahre jünger?

Es hat die Form V(r) ~ q/r.

Was heißt das?
Also wie würde das in Worten ausgedrückt heißen?

[tomS]

Zu dem ersten Punkt lade ich dich ein, meine Beiträge unter Elementarteilchenphysik zu lesen.

Zum Alter der Photonen: die "älteren" Photonen wurden ja meist wieder absorbiert, neu emittiert usw. Obwohl man Photonen nicht einfach unterscheiden kann, ihnen also keine Namen oder Nummern geben kann, sagt man doch, das es nicht mehr "die selben" waren. Die Photonen, die nach der Entkopplung der Strahlung von der Materie noch übrig waren - nach den besagten ca. 300000 Jahren - sind seither wechselwirkungsfrei durch den Kosmos geeilt - es sind also "die selben" Photonen wie damals.

V(r) ~ q/r bedeutet, dass die potentielle Energie V eines geladenen Teilchens mit Ladung q umgekehrt proportional zum Anstand r vom Kraftzentrum abfällt.

[Alexander]

Mir ist nochmal was eingefallen:

Es heißt, dass das falsche Vakuum nur ein lokales Minimum ist, aber kein globales, hat es dann nicht das gesamte Universum kurz ausgefüllt? Oder war es nur ein Teil des Raumes?

[tomS]

"Lokal" und "global" bezieht sich auf das von dir hier reingestellte Bild: "lokal" bedeutet, dass ein Minimum des Potentials vorliegt, dass es aber einen weiteren, noch tieferen Punkt des Potentialverlaufes gibt; der tiefste Punkt ist dann das "globale" Vakuum. Dieses Minimum findet man aber nicht an einem anderen Ort im Universum, sondern bei einem anderen Wert des Inflatonfeldes - d.h. "woanders im Werte-Bereich des Inflationfeldes" - genau wie die Graphik besagt.

[Alexander]

Also war schon das gasnze Universum mit falschem Vakuum ausgefüllt?

[tomS]

Im einfachsten Modell ja; in dem Modell mit den Blasen nicht unbedingt. Eine Blase wäre das richtige Vakuum (man darf die Analogie nicht zu weit treiben, aber so grob stimmt es).

[Alexander]

In dem Blasenmodell zerfällt also das falsche Vakuum in Blasen echten Vakuums. Ich habe ja schon gefragt, ob wir in einer Blase gefangen sind. Da hast du mir dann zurückgeschrieben, dass dem nicht so ist, sondern dass ich mir eher eine Ballonoberfläche vorstellen soll, von der sich neue Ballons abschnüren. Gilt das auch für den Zerfall des falschen Vakuums in Blasen echten Vakuums? Oder darf ich mir hier das frühe Universum vorstellen, in dem Blasen wie Seifenblasen entstanden sind?

Wieso müssen das, wenn es wirklich richtige Blasen sind, so wie man sich eine Blase vorstellt, denn eigentlich Blasen sein?

[tomS]

Hier kollidieren zwei anschauliche Bilder miteinander. Die Blasen entsprechen dem flüssig-gasförmig Phasenübergang in kochendem Wasser. Beim Zerfall des falschen Vakuums findet ebenfalls eine Art Phasenübergang statt, d.h. dass in einem Teilbereich des Universums ein Phasenübergang stattfindet. Dieser Teilbereich entspräche nun einer Blase, in der wir gefangen wären ... soweit - so gut.

Der Unterschied zum Phasenübergang in Wasser ist aber, dass der Phasenübergang im Universum ja zur Inflation desselben führt. Und bei der Inflation entsteht ja neuer Raum, während bei Wassser nur der existierende Raum statt von Wasser dann von Dampf ausgefüllt wird. Dieses Entstehen von neuem Raum kann man aber in drei Dimensionen nicht mehr anschaulich darstellen, denn der Raum ist ja schon um uns herum da, wo soll also neuer Raum entstehen?

Deswegen lassen wir jetzt mal eine Dimension weg und stellen uns das Universum als zweidimensionale Ballonhaut vor. Die Expansion des Universums entspräche dann dem Aufblasen des Ballons. Wenn nun ein derartiger Phasenübergang stattfindet, dann beschränkt sich dieser möglicherweise auf ein winzig kleines Gebiet des (bereits extrem großen) Universums (also des bereits aufgeblasenen Ballons). Außerdem findet er möglicherweise an vielen verschiedenen Stelen mehr oder weniger gleichzeitig statt. Das winzig kleine Gebit auf dem Ballon (ein kleiner Kreis, der auf den Ballon aufgemalt ist) wäre dann die Momentaufnahme einer Blase bei ihrer Enstehung.

Der Kreis wird nun nicht einfach größer, denn wenn das passieren würde, dann könnten sich zwei Kreise einfach treffen und verschmelzen, so wie bei den Dampfblasen in Wasser. Genau das passiert nicht!!! Statt dessen schnürt sich aus dem Gebiet der Blase ein neuer Ballon ab (er bleibt meinetwegen immer noch mit dem alten Ballon verbunden, aber das ist nicht so wichtig, so exakt kann das Bild gar nicht sein). Der sich ausstülpende Ballon expandiert nun inflationär, d.h. er expandiert in Sekundenbruchteilen um viele Zehnerpotenzen in den umgebenden Raum hinein (auch dieser umgebende Raum ist für das Universum eigentlich kein zutreffendes Bild, aber eben das beste, das wir veranschaulichen können). Mehrere sich ausstülpende Ballons - alsomehrere Universen (!) verschmelzen bzw. berühren bzw. beeinflussen sich nicht; außerdem hinterlassen sie keine Spur auf dem Ballon, von dem die Ausstülpung gestartet wurde. Jeder neue Ballon kann seinerseits wieder kleine Ballons hervorbringen.

Zusammenfassung: thermodynamisch ähnelt der Prozess dem Phasenübergang von Wasser zu Dampf. Da jedoch durch die Inflation neuer Raum ensteht (d.h. diese nicht einfach in den existierenden Raum hinein stattfindet) ist das Dampfblasenmodell unzureichend; geometrisch ähnelt der Prozess also dem Hervorbringen eines Baby-Ballons (= Universum) aus einem Vater-Ballon (= Universum).

Dies ist das Bildder eternal inflation