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Was knallt beim Urknall? Inflation und Expansion im Universum

Von / 23. Mai 2010 / 17 Kommentare / Seite 4 von 4 / Auf einer Seite lesen
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Normale Materie (rot) und dunkle Materie (blau) im Galacienhaufen MACS J0025 (Credit:
X-ray(NASA/CXC/Stanford/S.Allen); Optical/Lensing(NASA/STScI/UC Santa
Barbara/M.Bradac)

Eigentlich sollte man ja davon ausgehen, dass das Universum sich immer langsamer ausdehnt. Zuerst war da die inflationäre Phase, die die Expansion angestoßen hat – und dann sollte die Masse im Universum mit ihrer Gravitationskraft dafür sorgen, dass die Expansion immer weiter gebremst wird. Das hat man auch gemessen – aber nur für die ersten 7 Milliarden Jahre! Danach begann die Expansion des Universums sich zu beschleunigen! Und hier kommt wieder Einsteins kosmologische Konstante ins Spiel. Anscheinend ist das Universum wirklich von einer noch unbekannten, konstanten Energie durchdrungen (die man momentan erstmal “dunkle Energie” nennt), die der Gravitationskraft entgegenwirkt! Die ersten 7 Milliarden Jahre lang war die Gravitation stärker und bremste die Expansion ab. Dann aber war die Materie so weit über den Raum verteilt, dass sie der kosmologischen Konstante nichts mehr entgegenzusetzen hatte und das Universum begann wieder schneller zu expandieren. Und noch besser: die verschiedenen Messungen zeigen, dass die dunkle Energie genau die bei der Materie/Energiedichte fehlenden 70 bis 75 % ausmacht!

Wir sind also schon ein ganzes Stück weit gekommen! Die inflationäre Kosmologie ist eine mächtige Theorie, die enorm viel erklären kann. Aber natürlich gibt es immer noch jede Menge offene Fragen. Wo kommt das Inflaton-Feld her? Warum ist das Universum mit einem Mix von so unterschiedlichen Dingen (dunkle Materie, dunkle Enerie, normale Materie) angefüllt und das in so unterschiedlichen Verhältnissen? Kann das nicht einfach sein? In den nächsten Kapiteln stellt Greene daher neue Ideen und Theorien vor, die vielleicht helfen können, diese Fragen zu beantworten.


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Kommentare (17)

  1. #1 Daniel
    23. Mai 2010

    Vielen Dank für die Buchrezension, es ist echt spannend mehr über das Thema zu erfahren ohne vorher Physik studiert zu haben 😉

    Ich denke es lohnt sich das Buch mal selbst zu lesen. Wird denn dort auch später auf die Schleifenquantengravitation eingegangen oder kommt nur die String-Theorie zur Sprache?

  2. #2 Stargazer
    25. Mai 2010

    Frage nebenbei, auch wenn das mit dem eigentlichen Thema nicht viel zu tun hat: Was passiert eigentlich genau bei diesem Experiment mit dem unterkühlten Wasser?

  3. #3 Ender
    14. Juni 2010

    @Stargazer:
    Kommt zwar etwas spät (ich hinke mit dem Lesen hinterher), aber vielleicht liest du oder jemand anders es doch noch.
    Wenn Stoffe abgekühlt werden, haben sie irgendwann so viel Energie verloren, dass es für sie energetisch günstiger ist, eine andere Formation einzunehmen — in diesem Fall also sich zum Kristall zu ordnen (Stichworte Freie Enthalpie bzw. Freie Energie). Dies geschieht aber nur, wenn es Unregelmäßigkeiten gibt, also Stellen, an denen der Zwang der Umordnung groß genug ist: die Kondensationskeime.
    Vermutlich wurde das Wasser in der Plastikflasche, deren innere Oberfläche sehr glatt sein muss, vorsichtig abgekühlt, ohne dass es Kondensationskeime gab. Sobald es aber in die Schüssel gegossen wird, kann die Kondensation starten und von da an dient das entstandene Eis selbst als Keim — am günstigsten ist es natürlich an schon vorhandene Strukturen anzubauen, statt selbst neue zu bilden. Daher scheint das Eis zu wachsen. Anstelle von Kratzer oder so etwas im Gefäß kann das Erstarren auch durch Erschütterung oder eingebrachte Fremdstoffe herbeigeführt werden.

    Ähnliches funktioniert auch beim Verdampfen und nennt sich dort Siedeverzug.

  4. #4 Walter26
    21. Juli 2012

    kurze Frage zum Absatz-
    “die Expansion des Raumes kann durchaus auch überlichtschnell erfolgen”.

    Wie verträgt sich das mit Einstein: Nichts ist schneller als die Lichtgeschwindigkeit?

  5. #5 Walter26
    21. Juli 2012

    kurze Frage zum Absatz-
    “die Expansion des Raumes kann durchaus auch überlichtschnell erfolgen”.

    Wie verträgt sich das mit Einstein: Nichts ist schneller als die Lichtgeschwindigkeit?

  6. #6 Florian Freistetter
    21. Juli 2012

    @Walter26: “Wie verträgt sich das mit Einstein: Nichts ist schneller als die Lichtgeschwindigkeit? “

    Sehr gut. Weil sich Einstein auf die Bewegung DURCH den Raum bezieht. Die Ausdehnung des Raumes selbst ist was ganz anderes. Da bewegt sich ja nichts im Raum.

  7. #7 mannomann
    21. Oktober 2013

    sehr interessant!

  8. #8 Christian
    20. März 2014

    Aufgrund der aktuellen Entdeckung (BICEP2) versuche ich gerade, mein Wissen bezüglich der Inflation aufzufrischen. Jetzt habe ich aber ein Denkfehler bei dem Horizontproblem (wenn dem nicht so wäre, bin ich ein Kandidat für Stockholm): Du schreibst: “Die entfernten Regionen des Alls waren immer zu weit außeinander um den Licht genügend Zeit zu geben, von einem Ende zum anderen zu gelangen.”
    Es ist doch aber so, dass sich das Universum von einem unendlich kleinen Punkt an ausgedehnt hat. Wenn wir jetzt mal die Inflation weglassen, dann hatte das Universum doch am Anfang auch die Größe einer Erbse, einer Nuß, eines Balls usw. Mit anderen Worten: in der Zeit, als das Universum so klein war, konnte sich doch alles gut vermischen und die Gleichförmigkeit herstellen. Somit benötigen wie die Theorie der Inflation doch nicht.

    Wo ist bei mir der Denkfehler? Oder hat dich das Universum schon immer mit Lichtgeschwindigkeit ausgehnt? Aber auch dann kann man doch von einem gleichförmigen Ausgangszustand ausgehen, warum also einen Zeitraum zum Herstellen einer Gleichförmigkeit postulieren?

    *grübel* 🙂

  9. #9 Alderamin
    20. März 2014

    @Christian

    Mit anderen Worten: in der Zeit, als das Universum so klein war, konnte sich doch alles gut vermischen und die Gleichförmigkeit herstellen.

    In der kosmischen Hintergrundstrahlung macht ein Winkel von 1° ungefähr einen Abstand von 380000 Lichtjahren aus (wenn ich mich recht entsinne), das ist der Abstand, den ein Lichtstrahl während des Weltalters bis zur Hintergrundstrahlung überwunden haben könnte (und somit für einen Temperaturausgleich gesorgt haben könnte). Aber nicht mehr.

    Die Frage lautet also eigentlich, warum war das (beobachtbare) Weltall nach 380000 Jahren schon so groß, dass ein Winkelgrad schon einem so großen Abstand am Himmel entspricht, und nicht etwa der ganze Himmelskreis diesen Abstand einnimmt. Und dafür bietet die Inflation die Erklärung: das All wuchs halt zu Beginn sehr viel schneller.

  10. #10 Christian
    20. März 2014

    @Alderamin
    Danke für die schnelle Antwort. Jedoch habe ich kein Physik studiert, kann also mit Winkelabständen und deren Zusammenhang mit dem Weltenalter nichts anfangen.

    Wenn ich dich so einigermaßen verstanden habe, meinst du, dass sich das Universum von vornherein vielleicht sogar mit Überlichtgeschwindigkeit ausgedehnt hat (eben die Inflation). Aber hat es nicht auch eine gewisse Zeit gedauert, bis diese Inflation begann? Konnte sich das Universum nicht bis dahin (wo es eben noch recht klein war) gleichförmig machen?

  11. #11 Alderamin
    20. März 2014

    @Christian

    Ein Winkel von 1° sind zwei Vollmonddurchmesser (90° sind bekanntlich ein rechter Winkel, etwa vom Horizont zum Zenit; da könntest Du entsprechend rund 180 Monde in einer Linie stapeln). Ein Objekt einer bestimmten Größe (Beispiel: Mond oder 380000 Lichtjahre) nimmt am Himmel einen bestimmten Sehwinkel ein. Und für die 380000 Lichtjahre in der Entfernung der Hintergrundstrahlung ist das eben 1°.

    Die Hintergrundstrahlung stammt aber gerade aus einer Zeit, als das Weltall erst 380000 Lichtjahre alt war. Eigentlich müssten 380000 Lichtjahre dann wie 180° am Himmel erscheinen, da die damals am weitest-möglichen voneinander entfernten Punkte heute an gegenüber liegenden Seiten des Himmels liegen müssten. Das tun sie aber nicht, weil das Weltall eben zur Zeit 380000 Jahre schon sehr viel größer als 380000 Lichtjahre war. Also hat es sich in den 380000 Jahren mindestens zu einer gewissen Zeit schneller vergrößert als mit Lichtgeschwindigkeit.

    Aber hat es nicht auch eine gewisse Zeit gedauert, bis diese Inflation begann? Konnte sich das Universum nicht bis dahin (wo es eben noch recht klein war) gleichförmig machen?

    Ja, hat es gedauert (10^-37 s bis 10^-35 s) und hat es getan: das ist gerade die Idee der Inflation. Das All kann ja nur dann heute noch homogen sein, wenn es vor der Inflation schon homogen war und die Inflation diesen homogenen Bereich aufgeblasen hat.

    Hätte die Inflation den Raum nicht aufgeblasen, wäre er zwar homogen, aber kleiner geblieben.

    Nun weiß man aber, dass er zur Zeit der Hintergrtundstrahlung schon so groß war. Dann müsste er entweder älter als 380000 Jahre sein (ist er nicht, sonst wäre er kühler), nicht homogen (ist er aber) oder eben schneller gewachsen (bingo).

  12. #12 Christian
    20. März 2014

    Vielen Dank für deine Mühe. Aber sorry, ich verstehe es immer noch nicht so richtig.

    “Und für die 380000 Lichtjahre in der Entfernung der Hintergrundstrahlung ist das eben 1°.”

    Also von der Erde aus gesehen sind 380000 Lichtjahre in einer Entfernung von knapp 14 Milliarden Lichtjahre 1°, richtig?

    „Die Hintergrundstrahlung stammt aber gerade aus einer Zeit, als das Weltall erst 380000 Lichtjahre alt war. Eigentlich müssten 380000 Lichtjahre dann wie 180° am Himmel erscheinen, da die damals am weitest-möglichen voneinander entfernten Punkte heute an gegenüber liegenden Seiten des Himmels liegen müssten.“

    Auch nach nunmehr knapp 14 Milliarden Jahren nach dem Urknall bzw. Entstehung der Hintergrundstrahlung und sich das Universum mit konstanter Geschwindigkeit ausgedehnt hätte? Oder wäre obiges Szenario nur dann der Fall, wenn das Weltall heute 380000 Lichtjahre groß wäre?

    „ Das tun sie aber nicht, weil das Weltall eben zur Zeit 380000 Jahre schon sehr viel größer als 380000 Lichtjahre war. Also hat es sich in den 380000 Jahren mindestens zu einer gewissen Zeit schneller vergrößert als mit Lichtgeschwindigkeit.“

    Und dadurch, dass das Universum HEUTE größer ist, sehen wir die 380000 Lichtjahre nur als Größe von 1°, richtig?

    „Nun weiß man aber, dass er zur Zeit der Hintergrundstrahlung schon so groß war.“

    Woher weiß man das?

    Entschuldige bitte, wenn ich vielleicht nerve. Aber es ärgert mich maßlos, wenn ich auf meine Fragen keine Antworten bekomme. Und leider hat es sich nicht ergeben, dass sich mein Leben in die Richtung des beruflichen Wissenschaftlers bewegt hat.

  13. #13 Alderamin
    20. März 2014

    @Christian

    Also von der Erde aus gesehen sind 380000 Lichtjahre in einer Entfernung von knapp 14 Milliarden Lichtjahre 1°, richtig?

    Ja. Klingt komisch, ist aber so. Objekte werden mit zunehmender Entfernung bekanntlich immer kleiner (winkeldurchmessertechnisch). Wenn’s dann aber in Entfernungen geht, die so groß sind, dass das Weltall noch deutlich kleiner war, als das Licht zu uns losgeschickt wurde, dann werden sie wieder größer, wie durch eine Lupe. Nimmt man beispielsweise den Sehwinkel eines Standardlineals als Maß für die (scheinbare) Entfernung, dann gibt es zwei Rotverschiebungen (tatsächliche Entfernungen), für die das Lineal den gleichen Winkeldurchmesser hat. Eine Entfernungsskala rein auf der Basis des Winkeldurchmessers hat deshalb über der Rotverschiebung den seltsamen Verlauf der untersten Kurve in diesem Bild.

    Auch nach nunmehr knapp 14 Milliarden Jahren nach dem Urknall bzw. Entstehung der Hintergrundstrahlung und sich das Universum mit konstanter Geschwindigkeit ausgedehnt hätte?

    Ja, wegen der komischen Kurve aus dem Bild. Könnten wir durch die Hintergrundstrahlung hindurch sehen, würden wir Punkte, die am Ende der Inflation nur einen Meter auseinander lagen, am Himmel in gegenüber liegenden Richtungen finden. Krass, oder?

    Und dadurch, dass das Universum HEUTE größer ist, sehen wir die 380000 Lichtjahre nur als Größe von 1°, richtig?

    Nein, weil’s schon 380000 Jahre nach dem Urknall viel größer als 380000 Lichtjahre war, sehen wir die 380000 Lichtjahre nur 1° klein (und nicht viel größer). Wir sehen sie 1° groß (und nicht viel kleiner), weil das Weltall seitdem noch weiter gewachsen ist (der Effekt mit der Kurve oben).

    Woher weiß man das?

    Na ja, man sieht ja, dass um die 1°, die 380000 Lichtjahre in der Hintergrundstrahlung ausmachen, noch viel mehr herum ist. Die 1°, als Kreisscheibe, sind halt wie vier Vollmonde gegen den Rest des Himmels.

    Jetzt wirst Du Dich fragen, woher wir wissen, das 380000 Lichtjahre 1° sind. Nun, das wissen wir z.B. daraus, dass eben über solche Entfernungen hinaus keine statistischen Verbindungen mehr zwischen (minimal unterschiedlich) warmen und kühlen Orten der Hintergrundstrahlung nachzuweisen sind, wie sie in dem nach der Inflation entstanden homogenen Gas noch entstehen konnten (danach hat man mit WMAP und PLANCK gesucht).

    Hier das passende Bild dazu. Der große Peak über 1° sagt uns, dass es bei höheren Winkeln (nach links) keine Abhängigkeiten mehr zwischen verschiedenen Stellen am Himmel gibt. Und da sich diese Inhomogenitäten nach 380000 Jahren höchstens 380000 Lichtjahre weit ausgebreitet haben können, entspricht 1° eben 380000 Lichtjahren.

    So, woher die 380000 Jahre? Rückrechnung der heutigen Dichte auf das Volumen, das die entsprechende Temperatur liefert, bei der die beobachtete Temperatur der Hintergrundstrahlung herauskommt.
    Oder: das muss die Temperatur sein, bei der Plasma in neutrales Gas über geht, diese Temperatur (3000 K) mit der beobachteten (2,7 K) vergleichen, folglich wurde die Wellenlänge um den Faktor a=3000/2,7=1100 gestreckt. Aus a kann man mit der passenden Gleichung (Friedmann-Lemaitre) das Weltalter für diesen Skalenfaktor a berechnen.

    Sorry, Du hast gefragt…

  14. #14 Niels
    20. März 2014

    @Christian
    Alderamin hat völlig recht, ich probier es auch mal, vielleicht helfen ja ein paar Grafiken.

    Man kann ausrechnen, wie sich der Radius des beobachtbaren Universum mit der Zeit entwickelt hat.
    https://www.ngawhetu.com/Resources/Cosmology/images/inflation.jpg
    Die rote Linie ist die Rechnung nur für das Urknallmodell, die blaue Linie ist das Modell mit Inflation, dass nach der Inflationszeit in die rote Linie übergeht.

    Wichtig ist es auch, dass es hier immer nur um das für uns sichtbare Universum geht (der Fachbegriff dafür ist “beobachtbares Universum”), nicht um das Gesamt-Universum.
    Wäre unser Universum jenes der roten Linie (würde es also richtig durch das Standard-Urknall-Modell beschrieben), würde man Folgendes erwarten:
    In der Zeit 10^(-45) Sekunden nach dem Urknall bis heute wuchs das Universum nur um einen Faktor von 10^40.
    Unser beobachtbares Universum umfasst einen recht großen Ausschnitt des Universums zur Zeit t = 10^(-45) Sekunden. Der Ausschnitt ist dabei so groß, dass wir in unserem beobachtbaren Universum Regionen beobachten können müssten, die zum Zeitpunkt 10^(-45) Sekunden nach dem Urknall nicht miteinander in Kontakt waren. Das Universum hat sich seitdem so schnell ausgedehnt, dass sie auch anschließend niemals in Kontakt kommen konnten.
    Diese Regionen müssten also unterschiedlich aussehen. Tatsächlich beobachten wir aber ein homogenes beobachtbares Universum, obwohl es dafür eigentlich keinen Grund gibt.

    Wenn es aber eine Inflationsphase gab, die das Universum nochmal zusätzlich vergrößerte, können wir heute in unserem beobachtbaren Universum nur einen sehr viel kleineren Ausschnitt des Universums zur Zeit t = 10^(-45) Sekunden sehen. Ein winziger Teil, der damals miteinander wechselwirken konnte, wurde durch die Inflation in unglaublich kurzer Zeit um einen Faktor 10^50 aufgebläht. Alle inhomogenen Bereiche wurden weit über unser beobachtbares Universum “hinausgeschleudert”. Erst danach fand dann die normale Expansion um den Faktor 10^40 statt, die es auch im reinen Urknall-Modell gibt.

    Noch mal als Bildchen:
    https://www.astronomynotes.com/cosmolgy/inflation-horizon.png

    Übrigens gibt es auch einen ziemlich ausführlichen deutschen Wikipediaeintrag namens “Horizontproblem”.
    Ich hoffe, das hilft dir ein bisschen weiter.

  15. #15 Christian
    24. März 2014

    Ihr seid echt klasse, das muss hier mal gesagt werden! 🙂

    Die ganzen letzten Tage durchforste ich schon das Internet, habe unzählige Seiten gelesen und komme, so glaube und hoffe ich, dem Ganzen nun langsam näher. Aber um ganz ehrlich zu sein, erschließt sich mir das Problem noch nicht so richtig. Wenn vor der Inflation, als das Universum noch seeehr klein war, ein thermischer Ausgleich herrschte, warum benötigen wir dann eine Inflation?

    Klar, wenn das Universum schon immer die heutige Größe hatte, dann kann keine Information und somit auch kein thermischer Ausgleich von einem Ende zum anderen gelangen. Doch kurz nach dem Urknall? Das Universum gleicht sich thermisch aus, wird isotrop und dehnt sich dann „langsam“ aus.

    Und dann habe ich gelesen, dass das Universum nach der Inflation gerade mal 5-10 cm groß war. Nicht gerade sehr beeindruckend. Und hätte es nicht in der Größe auch ausgereicht, sich thermisch auszugleichen? Okay, hier ist sicherlich das beobachtbare Universum gemeint. Der ganze Rest (um es mal so auszudrücken) ist schon „unendlich“ größer geworden.

    Alderamin schrieb:

    „Das All kann ja nur dann heute noch homogen sein, wenn es vor der Inflation schon homogen war und die Inflation diesen homogenen Bereich aufgeblasen hat.
    Hätte die Inflation den Raum nicht aufgeblasen, wäre er zwar homogen, aber kleiner geblieben.
    Nun weiß man aber, dass er zur Zeit der Hintergrtundstrahlung schon so groß war. Dann müsste er entweder älter als 380000 Jahre sein (ist er nicht, sonst wäre er kühler), nicht homogen (ist er aber) oder eben schneller gewachsen (bingo).“
    Hier könnte ich fast meinen, die Inflationstheorie wurde nicht entwickelt, um das Horizontproblem zu erklären, sondern, warum das Universum größer ist, als es die Standard-Urknalltheorie postuliert.

    Wartet, ich habe Kopfschmerzen und muss mir mal eine Tablette einwerfen…
    So, weiter geht’s…

    @Niels: Du hast geschrieben:

    „Unser beobachtbares Universum umfasst einen recht großen Ausschnitt des Universums zur Zeit t = 10^(-45) Sekunden. Der Ausschnitt ist dabei so groß, dass wir in unserem beobachtbaren Universum Regionen beobachten können müssten, die zum Zeitpunkt 10^(-45) Sekunden nach dem Urknall nicht miteinander in Kontakt waren. Das Universum hat sich seitdem so schnell ausgedehnt, dass sie auch anschließend niemals in Kontakt kommen konnten.“

    Wie kann ich mir das denn vorstellen? Ich ging immer davon aus, dass sich das Universum von einem kleinen Punkt, einer Singularität aus ausdehnte. Das hier hört sich aber nach einer… wie soll ich sagen… Fläche an, von dem wir einen gewissen Ausschnitt betrachten.

    Mensch, ist das kompliziert…

  16. #16 Alderamin
    24. März 2014

    @Christian

    Hier könnte ich fast meinen, die Inflationstheorie wurde nicht entwickelt, um das Horizontproblem zu erklären, sondern, warum das Universum größer ist, als es die Standard-Urknalltheorie postuliert.

    Korrekt, das ist nämlich das Flachheitsproblem, für das die Inflation ebenfalls die Lösung ist. Weil das Universum größer ist, als es ohne Inflation wäre, hat es sich selbst glatt gezogen. Wenn wir auf einer kleinen Kugel säßen, dann würden wir bemerken, dass der Boden unter uns gekrümmt ist. Auf einer so großen Kugel wie der Erde bemerkt man die Krümmung nicht.

    Analog: in einem Universum ohne Inflation wäre es äußerst unwahrscheinlich, dass wir keine Krümmung des Raums nachweisen können (denn diese würde sich über die letzten Milliarden Jahre vergrößert haben: eine positive Krümmung (> 1) wäre gewachsen, eine negative (< 1) geschrumpft). Nur wenn die Krümmung auf zig Nachkommastellen nahe der exakten 1 wäre, hätte sie sich bis heute erhalten. Durch die Inflation wurde der Raum so aufgebläht, dass er so eine geringe Krümmung nahe 1 aufweist.

    Ich ging immer davon aus, dass sich das Universum von einem kleinen Punkt, einer Singularität aus ausdehnte.

    Man geht davon aus, dass es unterhalb der Planck-Länge nichts kleineres gibt. Punkte gibt’s in der wahren Welt nicht.

  17. #17 Wolfgang Lafferthon
    Hamburg derzeit Lakolk
    19. Juli 2018

    Eine Frage; Im Artikel steht, dass das Universum in dieser Phase sehr klein gewesen ist. Gibt es belastbare Abgaben dazu, wie groß es am Anfang und am Ende der Inflationsphase gewesen ist und beziehen sich diese Größen auf das gesamte Universum oder nur auf den beobachtbaren Teil. Vielen Dank für eine Antwort.