Das hier ist die Rezension eines
Kapitels von “Der Stoff aus dem der Kosmos
ist” von Brian Greene. Links zu den Rezensionen der anderen Kapitel kann man hier finden.
Gestern habe ich von der inflationären Kosmologie erzählt (bzw. ich habe das zusammengefasst was Brian Greene darüber geschrieben hat). Die erklärt auf ziemlich coole Art und Weise wo der “Knall” beim Urknall herkam und löst einige der großen Probleme die die kosmologische Standardtheorie hatte. Wenn man die Inflation aber mit der Quantenmechanik kombiniert, dann zeigt sich, dass sie noch ein paar mehr überraschende Erklärungen liefern kann!
Quanten am Himmel
Da ist zum Beispiel die Frage nach den Galaxien, den Sternen und den Planeten: warum gibt es sowas überhaupt? Denn bisher sind wir bei den kosmologischen Betrachtungen ja davon ausgegangen, dass das Universum extrem gleichförmig ist. Und wenn man es auf großen Skalen betrachtet, dann ist es das auch. Auch in der Frühzeit des Universums, aus der wir heute noch die kosmische Hintergrundstrahlung beobachten können, war dort alles extrem gleichförmig. Das ganze Universum war gleichmäßig von einem heißen Gas erfüllt und das ist auch der Ursprung des Zeitpfeils. Aber wenn damals wirklich alles so extrem gleichförmig gewesen wäre, dann müsste es das heute noch immer sein.
Unser Universum allerdings ist – zumindest auf “kleineren” Skalen – nicht homogen sondern voller “Klumpen” wie Galaxien oder Sternen. Und diese Klumpen verdanken wir der Quantenmechanik! Greene hat in früheren Kapiteln schon über die Heisenbergsche Unschärferelation geschrieben; eine der grundlegenden Aussagen der Quantenmechanik. Sie besagt, dass wir zum Beispiel nicht gleichzeitig über den Ort und die Geschwindigkeit eines Teilchens Bescheid wissen können. Das gleiche gilt auch für Felder: wir können nicht gleichzeitig exakt über den Wert eines Feldes und seine Änderungsrate Bescheid wissen. Oder, wie es Greene sagt:
“Die Quantenmechanik macht die Dinge quirliger und turbulenter.”
Ein Feld fluktuiert also immer ein bisschen. Diese Quantenfluktuationen finden nur im subatomaren Bereich statt und sind normalerweise im Alltag nicht bemerkbar. Wenn wir allerdings die Inflation berücksichtigen, dann ergibt sich ein interessantes Bild: damals wurde ein winzig kleiner Bereich des Universums enorm schnell enorm groß. Und damit wurden auch die winzigen Quantenfluktuationen aufgeblasen und vergrößert. Diese winzigen Inhomogenitäten sind im Laufe der Zeit durch die Gravitation größer und größer geworden und heute sehen wir sie als Galaxien am Himmel:
“Laut Inflationstheorie sind die mehr als hundert Milliarden Galaxien, die im All wie himmlische Diamanten schimmern, nichts als Quantenmechanik, die in großen Buchstaben an den Himmel geschrieben wurden. Für mich ist diese Erkenntnis eines der größten Wunder des modernen wissenschaftlichen Zeitalters.”
Allerdings!
Galaxienhaufen Abell 1689 – alles Quantenfluktuationen!
Und die Inflationstheorie ist nichts, was die Wissenschaftler einfach so aus dem Ärmel geschüttelt haben und was nun eben geglaubt werden muss. Sie macht konkrete, überprüfbare Vorhersagen. Denn die Inhomogenitäten die aus den Quantenfluktuationen entstanden sind, äußern sich nicht nur in der Existenz von Galaxien sondern wirken sich auch auf die Hintergrundstrahlung aus. Die sollte ebenfalls winzige Temperaturunterschiede zeigen. Man kann genau vorhersagen, wie diese Unterschiede aussehen sollten – und mit Satelliten wie COBE, WMAP oder Planck kann man die Unterschiede messen. Die Übereinstimmung zwischen Messung und Vorhersage ist verblüffend exkat!
Zehn Kilo reichen für ein Universum!
Die Inflation kann aber auch noch Licht auf andere Fragen werfen. Zum Beispiel die, nach dem Ursprung der Masse/Energie. Mit der Inflation und dem Higgsmechanismus kann man erklären, wie die Dinge die Masse bekommen, die wir heute messen. Aber können wir auch erklären, wo überhaupt die ganze Energie/Masse im Universum herkommt? Tatsächlich kann die Inflationstheorie auch hier interessante Einsichten liefern. Die Sache ist allerdings etwas kompliziert; und ich bin mir nicht sicher ob ich sie hier in der Kürze richtig erklären kann (im Zweifelsfall lest also lieber direkt bei Greene nach). Das Inflaton-Feld verkörpert Energie – und als es nach der Inflationsphase seinen nichtverschwindenen Wert annahm wurde die ganze “überschüssige” Energie in die Produktion von Materie gesteckt. Diese Energie ist allerdings während der Inflationsphase angewachsen, weil das Inflaton-Feld Energie aus der Gravitation gewonnen hat. Greene vergleicht das mit einer Kiste, in der Gummibänder gespannt sind. Dehnt man die Wände der Kiste aus, dann steigt die in den Gummibändern gespeicherte Energie. Es muss also am Anfang gar nicht so viel Energie im Inflaton-Feld gesteckt haben. Greene schreibt:
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