Astronomie

Die Inflationstheorie

Nach der weithin akzeptierten Urknallhypothese ist das Universum durch eine anfängliche Explosion entstanden, die die Materie aus einem Zustand starker Verdichtung heraus zur Expansion trieb. Dennoch gibt es einige Probleme, die die Inflationstheorie zu lösen versucht.

Was ist die Inflationstheorie und warum ist sie hilfreich?

Bei der ursprünglichen Formulierung der Urknalltheorie blieben einige wichtige Fragen ungelöst. Zum Zeitpunkt der Explosion war der Zustand der Materie so, dass die konventionellen physikalischen Regeln nicht angewendet werden konnten.

Auch der Grad der Gleichförmigkeit des Universums war schwer zu erklären, da das Universum nach dieser Vorstellung zu schnell gewachsen wäre, um diese Gleichförmigkeit zu erreichen.

Die Urknalltheorie besagt, dass sich die Ausdehnung des Universums verlangsamt, während die Inflationstheorie besagt, dass sie sich beschleunigt und eine schnellere Trennung bestimmter Elemente von anderen bewirkt. Diese Trennungsgeschwindigkeit übersteigt die Lichtgeschwindigkeit, ohne die Relativitätstheorie zu verletzen, die besagt, dass sich niemand mit endlicher Masse schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Der Raum um die Gegenstände herum vergrößert sich schneller als das Licht, doch die Körper bleiben im Verhältnis zu ihm ruhig.

Die Homogenität des beobachtbaren Kosmos wird auf diese enorme anfängliche Expansionsgeschwindigkeit zurückgeführt; die Teile, aus denen er bestand, lagen so nahe beieinander, dass sie die gleiche Dichte und Temperatur aufwiesen.

Alan H. Guth, Physiker und Kosmologe am Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.), schlug 1981 vor, dass das heiße Universum in einem Zwischenstadium exponentiell wachsen könnte.

Die Inflationstheorie war geboren

Guth stellte die Hypothese auf, dass sich dieser Inflationsprozess entwickelte, als sich der ursprüngliche Kosmos in einem instabilen, unterkühlten Zustand befand. Dieser unterkühlte Zustand tritt bei Phasenübergängen auf; so bleibt beispielsweise Wasser unter 0 Grad Celsius unter geeigneten Umständen flüssig. Unterkühltes Wasser gefriert natürlich schließlich; dies geschieht gegen Ende der Inflationsphase.

Im Jahr 1982 veröffentlichte der russische Kosmologe Andrei Linde die „neue Theorie des inflationären Kosmos“. Linde beobachtete, dass die Inflation in vielen fundamentalen Teilchentheorien, einschließlich der einfachsten Modelle von Skalarfeldern, spontan auftritt.

Nehmen wir an, die meisten Physiker gehen davon aus, dass das Universum auf einmal geboren wurde, dass es am Anfang kochte und dass das Skalarfeld zu Beginn eine minimale potentielle Energie hatte. In diesem Fall erscheint die Inflation als natürlich und notwendig und nicht als exotisches Phänomen, das von Theoretikern zur Lösung ihrer Probleme herangezogen wird. Es handelt sich um eine Version, die keine Phänomene der Quantengravitation, keine Phasenübergänge, keine Unterkühlung und auch keine beginnende Überhitzung erfordert.

Betrachtet man alle möglichen Arten und Werte von Skalarfeldern im ursprünglichen Universum und versucht festzustellen, ob eines von ihnen zu einer Inflation führt, so stellt man fest, dass sie in Bereichen, in denen keine Inflation auftritt, klein bleiben. Im Gegensatz dazu werden sie in Bereichen, in denen es zu einer Inflation kommt, exponentiell groß und dominieren das Gesamtvolumen des Universums. Da Skalarfelder im frühen Universum jeden Wert haben können, nannte Andrei Linde dieses Konzept „chaotische Inflation“.

Das Universum ist flach, so die Inflationstheorie

Da die Dichte der Materie in einem flachen Universum direkt mit seiner Expansionsgeschwindigkeit zusammenhängt, sagt die Inflationstheorie voraus, dass die Welt grundsätzlich flach sein muss, was wissenschaftlich bewiesen werden kann.

Die während der Inflation entstehenden Dichtestörungen sind eine weitere überprüfbare Vorhersage dieser Theorie. Dabei handelt es sich um Störungen in der Verteilung der Materie im Kosmos, die von Gravitationswellen begleitet werden können. Die Störungen hinterlassen ihre Spuren im kosmischen Mikrowellenhintergrund, der das Universum seit etwa 13,8 Milliarden Jahren erfüllt.

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