Physik,

Astronomie

• Übersetzung

Dies ist keine spekulative Theorie mehr, da vier davon bestätigt wurden.

Wissenschaftliche Ideen sollten einfach, erklärend und voraussagend sein. Und soweit wir heute wissen, hat das inflationäre Multiversum solche Eigenschaften nicht.
-Paul Steinhart, 2014

Wenn wir an den Urknall denken, stellen wir uns den Ausgangspunkt des Universums vor: den heißen, dichten, expandierenden Zustand, aus dem alles hervorgegangen ist. Indem wir die gegenwärtige Expansion des Universums bemerken und messen – Galaxien, die auseinander fliegen, können wir nicht nur das Schicksal des Universums bestimmen, sondern auch seinen Anfang.

Aber gerade dieser heiße und dichte Zustand ist mit vielen Fragen behaftet, darunter:

Warum sind sehr weit entfernte, unterschiedliche Regionen des Weltraums, die seit Anbeginn der Zeit keine Informationen austauschen konnten, mit der gleichen Materiedichte und Strahlung gleicher Temperatur gefüllt?

Warum sollte das Universum, das sonst wieder zusammenbrechen würde mehr Substanz, oder würde es sich zu einem Zustand der Nichtexistenz ausdehnen, wenn es weniger Materie hätte, so perfekt ausbalanciert?

Und wo, wenn sich das Universum früher in einem sehr heißen und dichten Zustand befand, sind all diese hochenergetischen Reliktteilchen (z. B. magnetische Monopole), die heute theoretisch leicht zu erkennen sein sollten?

Antworten auf Fragen wurden Ende 1979, Anfang 1980 gefunden, als Alan Guth die Theorie der kosmischen Inflation vorstellte.

Angenommen, dem Urknall ging ein Zustand voraus, in dem das Universum nicht mit Materie und Strahlung gefüllt war, sondern nur große Menge Energie, die dem Gewebe des Kosmos selbst innewohnt, gelang es Gut, all diese Probleme zu lösen. Darüber hinaus gab es in den 1980er Jahren weitere Entwicklungen, die es ermöglichten, neue Klassen von Modellen zu finden, die inflationären Modellen helfen, das aktuelle Universum zu reproduzieren:

Erfüllt mit Substanz und Strahlung
isotrop (in alle Richtungen gleich),
homogen (an allen Stellen gleich),
im Ausgangszustand heiß, dicht und expandierend.

Solche Modelle wurden von Andrey Linde, Paul Steinhart, Andy Albrecht entwickelt, und zusätzliche Details wurden von Henry Tai, Bruce Allen, Alexey Starobinsky, Michael Turner, David Schramm, Rocky Kolb und anderen ausgearbeitet.

Wir haben etwas Bemerkenswertes gefunden: zwei generische Klasse Modelle gaben uns alles, was wir brauchten. Es gab eine neue Inflation, mit einem Potenzial-Flat an der Spitze, von der aus das Inflationsfeld „langsam nach unten rollen“ konnte, und es gab eine chaotische Inflation mit einem U-förmigen Potenzial, von dem man auch langsam abrutschen konnte.

In beiden Fällen expandierte der Raum exponentiell, richtete sich aus, seine Eigenschaften waren überall gleich, und als die Inflation endete, kehrten Sie in ein Universum zurück, das dem unseren sehr ähnlich war. Außerdem haben Sie fünf weitere Vorhersagen erhalten, für die es zu diesem Zeitpunkt keine Beobachtungen gab.

1) Flaches Universum. In den frühen 1980er Jahren schlossen wir Übersichtsstudien über Galaxien und Galaxienhaufen ab und begannen, die großräumige Struktur des Universums zu verstehen. Basierend auf dem, was wir gesehen haben, konnten wir zwei Indikatoren messen:

Die kritische Dichte des Universums, dh die für das ideale Gleichgewicht des Universums zwischen Wiederkollaps und ewiger Expansion notwendige Materiedichte.
echte Dichte Materie im Universum, nicht nur leuchtende Materie, Gas, Staub und Plasma, sondern alle Quellen, einschließlich dunkler Materie, die eine Gravitationswirkung hat.

Wir fanden heraus, dass der zweite Indikator je nach Datenquelle zwischen 10 % und 35 % des ersten ausmachte. Mit anderen Worten, die Materie im Universum war viel geringer als die kritische Menge – was bedeutet, dass das Universum offen ist.

Aber die Inflation sagte ein flaches Universum voraus. Es nimmt dem Universum eine beliebige Form und streckt es in einen flachen Zustand oder entsprechend wenigstens, zu einem Zustand, der nicht von flach zu unterscheiden ist. Viele Menschen haben versucht, Inflationsmodelle zu erstellen, die dem Universum eine negative Krümmung (offen) verleihen, waren aber nicht erfolgreich.

Mit dem Aufkommen der Ära der Dunklen Energie, der Supernova-Beobachtung im Jahr 1998, gefolgt von der Sammlung von Daten aus dem WMAP-Projekt, das erstmals 2003 veröffentlicht wurde (und Daten aus dem Boomerang-Projekt, das etwas früher veröffentlicht wurde), kamen wir zu dem Schluss, dass Das Universum ist eigentlich flach, und der Grund für die geringe Materiedichte war das Vorhandensein dieser neuen, unerwarteten Energieform.

2) Ein Universum mit Schwankungen auf Skalen, die größer sind als das Licht überwinden kann. Inflation – indem sie bewirkt, dass sich der Raum des Universums exponentiell ausdehnt – bläst auf, was auf sehr kleinen Skalen geschieht, zu sehr großen. Das Universum von heute weist inhärente Ungewissheit auf Quantenebene, kleine Energiefluktuationen aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation.

Aber während der Inflation hätten sich diese kleinräumigen Energieschwankungen über das Universum zu gigantischen makroskopischen Maßstäben ausdehnen müssen, die sich über seine gesamte Ausdehnung erstrecken! (Im Allgemeinen und noch weiter, da wir nichts beobachten können, was außerhalb des beobachtbaren Universums liegt).

Aber wenn man sich die Schwankungen anschaut Relikte Strahlung Im größten Umfang, den das COBE-Projekt 1992 in gewissem Umfang erreichen konnte, fanden wir diese Schwankungen. Und mit den verbesserten Ergebnissen von WMAP konnten wir ihre Größenordnung messen und sehen, dass sie mit den Inflationsprognosen übereinstimmen.

3) Ein Universum mit adiabatischen Fluktuationen, also mit überall gleicher Entropie. Schwankungen können unterschiedlich sein: adiabat, konstante Krümmung oder eine Mischung aus beiden Arten. Die Inflation sagte 100 % adiabatische Schwankungen voraus, was bedeutete, dass wohldefinierte CMB-Parameter vorhanden waren, die in WMAP gemessen werden konnten, und großräumige Strukturen, die in den 2dF- und SDSS-Projekten gemessen wurden. Wenn CMB und großräumige Fluktuationen miteinander in Beziehung stehen, sind sie adiabat, und wenn nicht, können sie eine konstante Krümmung aufweisen. Wenn das Universum andere Fluktuationen hätte, würden wir es bis zum Jahr 2000 nicht wissen!

Aber dieser Punkt wurde dank der übrigen Fortschritte in der Inflationstheorie als so selbstverständlich angesehen, dass seine Bestätigung fast unbemerkt blieb. Es war nur eine Bestätigung dessen, was wir bereits „wissen“, obwohl es genauso revolutionär war wie alle anderen.

4) Ein Universum, in dem das Schwankungsspektrum etwas kleiner war als das einer Skaleninvariante (n s< 1). Это серьёзное предсказание! Конечно, инфляция, в общем, предсказывает, что флуктуации должны быть масштабно-инвариантными. Но есть подвох, или уточнение: форма инфляционных потенциалов влияет на то, как спектр флуктуаций отличается от идеальной масштабной инвариантности.

In den 1980er Jahren entdeckte Arbeitsmodelle sagten voraus, dass das Schwankungsspektrum (skalarer Spektralindex, n s ) etwas kleiner als 1 sein sollte, irgendwo zwischen 0,92 und 0,98, je nach verwendetem Modell.

Als wir die Beobachtungsdaten erhielten, stellten wir fest, dass die gemessene Menge n s etwa 0,97 betrug, mit einem Fehler (gemäß den CMB-Messungen des BAO-Projekts) von 0,012. Sie wurden erstmals in WMAP bemerkt, und diese Beobachtung wurde von anderen nicht nur bestätigt, sondern im Laufe der Zeit auch verstärkt. Es ist in der Tat weniger als eins, und nur die Inflation hat diese Vorhersage gemacht.

5) Und schließlich das Universum mit einem bestimmten Schwankungsspektrum von Gravitationswellen. Dies ist die neueste Vorhersage, die einzige der großen, die noch nicht bestätigt wurde. Einige Modelle, wie das chaotische Inflationsmodell von Linde, erzeugen große Gravitationswellen (was BICEP2 hätte auffallen müssen), andere, wie das Albrecht-Steinhard-Modell, können sehr kleine Gravitationswellen erzeugen.

Wir wissen, welches Spektrum sie haben sollten und wie diese Wellen mit Schwankungen in der CMB-Polarisation interagieren. Die Unsicherheit liegt nur in ihrer Stärke, die zu klein sein kann, um sie zu beobachten, je nachdem, welches Inflationsmodell richtig ist.

Denken Sie daran, wenn Sie das nächste Mal einen Artikel über die spekulative Natur der Inflationstheorie lesen oder darüber, wie einer der Begründer der Theorie an ihrer Richtigkeit zweifelt. Ja, die Leute versuchen, Löcher zu finden Die besten Theorien und nach Alternativen suchen; Wir Wissenschaftler tun dies.

Aber die Inflation ist kein theoretisches Monster, das von der Beobachtung losgelöst ist. Sie hat fünf neue Vorhersagen gemacht, von denen wir vier bestätigt haben! Sie hat vielleicht Dinge vorhergesagt, von denen wir noch nicht wissen, wie wir sie testen sollen, wie das Multiversum, aber das schmälert ihren Erfolg nicht.

Die Theorie der kosmischen Inflation ist nicht länger spekulativ. Dank Beobachtungen des CMB und großräumiger Strukturen des Universums konnten wir ihre Vorhersagen bestätigen. Dies ist das allererste Ereignis, das in unserem Universum passiert ist. Kosmische Inflation gab es schon einmal Urknall und bereitete alles für seine Ankunft vor. Und vielleicht können wir dank ihr noch viel mehr lernen!

Neben der Frage nach dem Ursprung des Universums stehen moderne Kosmologen vor einer Reihe weiterer Probleme. Damit der Standard die von uns beobachtete Verteilung der Materie vorhersagen kann, muss sein Ausgangszustand durch einen sehr hohen Organisationsgrad gekennzeichnet sein. Es stellt sich sofort die Frage: Wie könnte eine solche Struktur entstehen?

Physiker Alan Guth aus Massachusetts Technologisches Institut schlug seine eigene Version vor, die die spontane Entstehung dieser Organisation erklärt und die Notwendigkeit beseitigt, exakte Parameter künstlich in die Gleichungen einzuführen, die den Anfangszustand des Universums beschreiben. Sein Modell wurde das „inflationäre Universum“ genannt. Seine Essenz besteht darin, dass sich in einem schnell expandierenden, überhitzten Universum ein kleiner Bereich des Weltraums abkühlt und beginnt, sich stärker auszudehnen, so wie unterkühltes Wasser schnell gefriert und sich gleichzeitig ausdehnt. Diese Phase der schnellen Expansion eliminiert einige der Probleme, die den üblichen Urknalltheorien innewohnen.

Allerdings ist Guths Modell auch nicht fehlerfrei. Damit Guths Gleichungen das inflationäre Universum korrekt beschreiben, musste er die Anfangsparameter für seine Gleichungen sehr genau festlegen. Somit stand er vor dem gleichen Problem wie die Schöpfer anderer Theorien. Er hoffte, die Notwendigkeit loszuwerden, die genauen Parameter der Bedingungen des Urknalls anzugeben, aber dafür musste er seine eigene Parametrisierung einführen, die unerklärt blieb. Guth und sein Co-Autor P. Steingart geben zu, dass in ihrem Modell „Rechnungen nur dann zu akzeptablen Vorhersagen führen, wenn die gegebenen Anfangsparameter der Gleichungen in einem sehr engen Bereich variieren. Die meisten Theoretiker (uns eingeschlossen) halten solche Anfangsbedingungen für unwahrscheinlich.“ Die Autoren sprechen weiter über ihre Hoffnung, dass eines Tages neue mathematische Theorien entwickelt werden, mit denen sie ihr Modell plausibler machen können.

Diese Abhängigkeit besteht noch nicht Offene Theorien ist ein weiteres Manko des Guth-Modells. Theorie Einheitliches Feld, auf dem das Modell des inflationären Universums basiert, ist völlig hypothetisch und eignet sich "wenig für eine experimentelle Überprüfung, da die meisten seine Vorhersagen können im Labor nicht quantitativ getestet werden.“ (Die vereinheitlichte Feldtheorie ist ein ziemlich zweifelhafter Versuch von Wissenschaftlern, einige der fundamentalen Kräfte des Universums miteinander zu verknüpfen.)

Ein weiterer Mangel von Guths Theorie ist, dass sie nichts über die Entstehung überhitzter und expandierender Materie aussagt. Guth prüfte die Kompatibilität seiner Inflationstheorie mit drei Hypothesen zur Entstehung des Universums. Er betrachtete zuerst die Standard-Urknalltheorie. In diesem Fall hätte die inflationäre Episode laut Gut in einem der frühen Stadien der Evolution des Universums stattfinden müssen. Dieses Modell wirft jedoch ein unlösbares Singularitätsproblem auf. Die zweite Hypothese postuliert, dass das Universum aus dem Chaos entstanden ist. Einige Teile davon waren heiß, andere kalt, einige dehnten sich aus und andere zogen sich zusammen. In diesem Fall hätte die Inflation in einer überhitzten und expandierenden Region des Universums beginnen müssen. Zwar gibt Guth zu, dass dieses Modell den Ursprung des primären Chaos nicht erklären kann.

Die dritte, von Guth favorisierte Möglichkeit ist, dass ein überhitzter, sich ausdehnender Materieklumpen quantenmechanisch aus dem Nichts entsteht. In einem Artikel, der 1984 in Scientific American erschien, argumentierten Guth und Steingart: „Das inflationäre Modell des Universums gibt uns eine Vorstellung davon möglicher Mechanismus, mit deren Hilfe das beobachtbare Universum aus einem unendlich kleinen Bereich des Weltraums erscheinen könnte. Wenn man das weiß, ist es schwer, der Versuchung zu widerstehen, noch einen Schritt weiter zu gehen und zu dem Schluss zu kommen, dass das Universum buchstäblich aus dem Nichts entstanden ist."

So attraktiv diese Idee für Wissenschaftler sein mag, die bereit sind, sich gegen jede Erwähnung der Möglichkeit der Existenz eines höheren Bewusstseins zu wehren, das das Universum erschaffen hat, bei näherer Betrachtung hält sie nicht stand. Das „Nichts“, von dem Guth spricht, ist ein hypothetisches quantenmechanisches Vakuum, beschrieben durch die noch unentwickelte einheitliche Feldtheorie, die die Gleichungen vereinheitlichen soll Quantenmechanik und der allgemeinen Relativitätstheorie. Mit anderen Worten, dieses Vakuum kann derzeit nicht einmal theoretisch beschrieben werden.

Es sei darauf hingewiesen, dass Physiker eine einfachere Art von quantenmechanischem Vakuum beschrieben haben, das ein Meer aus sogenannten "virtuellen Teilchen" ist, Fragmenten von Atomen, die "fast existieren". Von Zeit zu Zeit gelangen einige dieser subatomaren Teilchen aus dem Vakuum in die Welt. materielle Wirklichkeit. Dieses Phänomen wird Vakuumfluktuationen genannt. Vakuumschwankungen können nicht direkt beobachtet werden, aber Theorien, die ihre Existenz postulieren, wurden experimentell bestätigt. Nach diesen Theorien entstehen Teilchen und Antiteilchen ohne Grund aus einem Vakuum und verschwinden fast sofort, wobei sie sich gegenseitig vernichten. Guth und seine Kollegen gingen davon aus, dass irgendwann statt eines winzigen Teilchens ein ganzes Universum aus dem Vakuum auftauchte, und anstatt sofort wieder zu verschwinden, existierte dieses Universum irgendwie schon seit Milliarden von Jahren. Die Autoren dieses Modells lösten das Singularitätsproblem, indem sie postulierten, dass der Zustand, in dem das Universum aus dem Vakuum auftaucht, sich etwas vom Singularitätszustand unterscheidet.

Dieses Szenario hat jedoch zwei große Nachteile. Erstens kann man nur überrascht sein über die Kühnheit der Vorstellungskraft von Wissenschaftlern, die eine eher begrenzte Erfahrung mit verbreitet haben subatomare Partikel zum ganzen Universum. S. Hawking und G. Ellis warnen ihre allzu enthusiastischen Kollegen weise: „Die Annahme, dass die im Labor entdeckten und untersuchten Gesetze der Physik auch an anderen Stellen im Raum-Zeit-Kontinuum gültig sein werden, ist natürlich sehr gewagt Hochrechnung.“ Zweitens kann das quantenmechanische Vakuum streng genommen nicht als "Nichts" bezeichnet werden. Beschreibung des quantenmechanischen Vakuums, selbst in der einfachsten Form bestehende Theorien nimmt viele Seiten hochabstrakter mathematischer Berechnungen ein. Ein solches System ist zweifellos „etwas“, und sofort stellt sich die gleiche hartnäckige Frage: „Wie ist ein so komplex organisiertes „Vakuum“ entstanden?“

Kehren wir zu dem ursprünglichen Problem zurück, zu dessen Lösung Guth das Inflationsmodell geschaffen hat: das Problem der genauen Parametrisierung des Anfangszustands des Universums. Ohne eine solche Parametrisierung ist es unmöglich, die beobachtete Verteilung der Materie im Universum zu erhalten. Wie wir gesehen haben, konnte Gut dieses Problem nicht lösen. Darüber hinaus ist die Möglichkeit, dass irgendeine Version der Urknalltheorie, einschließlich Guths Version, die beobachtete Verteilung der Materie im Universum vorhersagen kann, zweifelhaft.

Aus dem hochorganisierten Anfangszustand in Guths Modell wird nach Guths eigenen Worten schließlich ein „Universum“ mit einem Durchmesser von 10 Zentimetern, gefüllt mit einem homogenen, superdichten, überhitzten Gas. Es wird sich ausdehnen und abkühlen, aber es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass es sich jemals in etwas anderes als eine homogene Gaswolke verwandeln wird. Tatsächlich führen alle Urknalltheorien zu diesem Ergebnis. Wenn Guth zu vielen Tricks greifen und zweifelhafte Annahmen treffen musste, um das Universum schließlich in Form einer Wolke aus homogenem Gas zu bekommen, dann kann man sich vorstellen, was der mathematische Apparat der Theorie sein sollte, die zum Universum führt, wie wir es kennen es!

Eine gute wissenschaftliche Theorie ermöglicht es, viele komplexe Naturphänomene anhand einfacher vorherzusagen theoretisches Schema. Aber in Guths Theorie (und jeder anderen Version) ist das Gegenteil der Fall: Als Ergebnis komplexer mathematischer Berechnungen erhalten wir eine expandierende Blase eines homogenen Gases. Trotzdem drucken wissenschaftliche Zeitschriften begeisterte Artikel über die Inflationstheorie, begleitet von zahlreichen farbenfrohen Illustrationen, die dem Leser den Eindruck vermitteln sollen, dass Guth endlich sein hochgestecktes Ziel erreicht hat – er fand eine Erklärung für den Ursprung des Universums. Es wäre ehrlicher, einfach eine permanente Rubrik zu öffnen wissenschaftliche Zeitschriften darin die Theorie des Ursprungs des Universums zu veröffentlichen, die diesen Monat in Mode ist.

Es ist sogar schwer vorstellbar, wie komplex der Ausgangszustand und die Bedingungen für die Entstehung unseres Universums mit all der Vielfalt seiner Strukturen und Organismen sind. Im Falle unseres Universums ist diese Komplexität so hoch, dass sie kaum durch physikalische Gesetze allein erklärt werden kann.

Was würde passieren, wenn sich der Raum des Universums in ferner Vergangenheit in einem Zustand eines falschen Vakuums befände? Wenn die Materiedichte in dieser Ära geringer war als erforderlich, um das Universum auszugleichen, hätte die abstoßende Schwerkraft dominiert. Dies würde dazu führen, dass sich das Universum ausdehnt, auch wenn es sich ursprünglich nicht ausdehnt.

Um unsere Vorstellungen genauer zu machen, nehmen wir an, dass das Universum geschlossen ist. Dann bläht sie sich auf Heißluftballon. Mit zunehmendem Volumen des Universums wird die Materie dünner und ihre Dichte nimmt ab. Die falsche Vakuummassendichte ist jedoch eine feste Konstante; es bleibt immer gleich. So wird die Materiedichte sehr schnell vernachlässigbar, wir haben ein sich gleichmäßig ausdehnendes Meer aus falschem Vakuum.

Die Expansion wird durch die Spannung des falschen Vakuums verursacht, die größer ist als die mit seiner Massendichte verbundene Anziehungskraft. Da sich keine dieser Größen mit der Zeit ändert, bleibt die Expansionsrate mit hoher Genauigkeit konstant. Diese Rate ist durch den Anteil gekennzeichnet, in dem sich das Universum pro Zeiteinheit (z. B. eine Sekunde) ausdehnt. In der Bedeutung ist dieser Wert der Inflationsrate in der Wirtschaft sehr ähnlich - dem prozentualen Anstieg der Preise pro Jahr. 1980, als Guth ein Seminar in Harvard abhielt, lag die US-Inflationsrate bei 14 %. Würde dieser Wert unverändert bleiben, würden sich die Preise alle 5,3 Jahre verdoppeln. Ebenso impliziert eine konstante Expansionsrate des Universums, dass es ein festes Zeitintervall gibt, in dem sich die Größe des Universums verdoppelt.
Wachstum, das durch eine konstante Verdopplungszeit gekennzeichnet ist, wird als exponentielles Wachstum bezeichnet. Es führt bekanntlich sehr schnell zu gigantischen Zahlen. Wenn heute ein Stück Pizza 1 $ kostet, dann beträgt der Preis nach 10 Verdopplungszyklen (in unserem Beispiel 53 Jahre) 10^(24)$ Dollar und nach 330 Zyklen 10^(100)$ Dollar. Diese kolossale Zahl, eine Eins gefolgt von 100 Nullen, hat einen besonderen Namen - Googol. Guth schlug vor, den Begriff Inflation in der Kosmologie zu verwenden, um die exponentielle Expansion des Universums zu beschreiben.

Die Verdopplungszeit für ein mit falschem Vakuum gefülltes Universum ist unglaublich kurz. Und je höher die Vakuumenergie, desto kürzer ist sie. Im Falle eines elektroschwachen Vakuums expandiert das Universum in einer dreißigstel Mikrosekunde um den Faktor Googol, und in Gegenwart eines Vakuums der Großen Vereinigung geschieht dies 10^(26)$ mal schneller. In einem so kurzen Bruchteil einer Sekunde wird sich eine Region von der Größe eines Atoms auf eine Größe aufblähen, die weit größer ist als das gesamte heute beobachtbare Universum.

Da das falsche Vakuum instabil ist, zerfällt es schließlich und seine Energie entzündet einen Feuerball aus Partikeln. Dieses Ereignis markiert das Ende der Inflation und den Beginn der normalen kosmologischen Evolution. So entsteht aus einem winzigen Anfangsembryo ein riesiges, heißes, expandierendes Universum. Und als zusätzlichen Bonus eliminiert dieses Szenario auf wundersame Weise die Horizont- und Flachgeometrieprobleme, die für die Urknall-Kosmologie charakteristisch sind.

Das Wesen des Horizontproblems besteht darin, dass die Entfernungen zwischen einigen Teilen des beobachtbaren Universums so groß sind, dass sie seit dem Urknall immer größer zu sein scheinen als die Entfernung, die das Licht zurückgelegt hat. Dies deutet darauf hin, dass sie nie miteinander interagiert haben, und dann ist es schwierig zu erklären, wie sie eine nahezu exakte Gleichheit von Temperaturen und Dichten erreichten. In der Standardtheorie des Urknalls wächst der vom Licht zurückgelegte Weg proportional zum Alter des Universums, während die Entfernung zwischen den Regionen langsamer zunimmt, da die kosmische Expansion durch die Schwerkraft verlangsamt wird. Bereiche, die heute nicht interagieren können, können sich in Zukunft gegenseitig beeinflussen, wenn das Licht endlich die Entfernung zwischen ihnen zurücklegt. Aber in der Vergangenheit wurde die vom Licht zurückgelegte Entfernung sogar noch kürzer, als sie sein sollte. Wenn die Regionen also heute nicht interagieren können, waren sie dazu sicherlich vorher nicht in der Lage. Die Wurzel des Problems hängt daher mit der Anziehungskraft der Schwerkraft zusammen, aufgrund derer sich die Expansion allmählich verlangsamt.

In einem falschen Vakuumuniversum ist die Schwerkraft jedoch abstoßend, und anstatt die Expansion zu verlangsamen, beschleunigt sie sie. In diesem Fall ist die Situation umgekehrt: Bereiche, die Lichtsignale austauschen können, werden diese Möglichkeit in Zukunft verlieren. Und was noch wichtiger ist: Die Bereiche, die heute füreinander unzugänglich sind, müssen in der Vergangenheit interagiert haben. Das Horizontproblem ist weg!
Das Problem des flachen Platzes ist genauso einfach gelöst. Es stellt sich heraus, dass sich das Universum nur dann von der kritischen Dichte entfernt, wenn sich seine Expansion verlangsamt. Bei einer beschleunigten inflationären Expansion ist das Gegenteil der Fall: Das Universum nähert sich einer kritischen Dichte, wird also flacher. Weil die Inflation das Universum um einen kolossalen Faktor vergrößert, sehen wir nur einen winzigen Bruchteil davon. Diese beobachtbare Region erscheint flach, ähnlich wie unsere Erde, die auch flach erscheint, wenn man sie nahe an der Oberfläche betrachtet.

Eine kurze Periode der Inflation macht das Universum also groß, heiß, gleichmäßig und flach und schafft genau die Art von Anfangsbedingungen, die für die Standard-Urknall-Kosmologie erforderlich sind.
Die Inflationstheorie begann die Welt zu erobern. Für Gut selbst ist sein Postdoc-Status vorbei. Er nahm ein Angebot seiner Alma Mater, dem Massachusetts Institute of Technology, an, wo er bis heute arbeitet.

Auszug aus dem Buch „Many Worlds in One: The Search for Other Universes“ von A. Vilenkin

Es schien unwahrscheinlich, dass ein Echo der Ereignisse, die in den ersten Millisekunden der Geburt des Universums stattfanden, uns erreichen könnte. Es stellte sich jedoch als möglich heraus.

Kosmologie, der Aufbau des Universums, die Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft unserer Welt – diese Fragen beschäftigen uns seit jeher die besten Köpfe Menschheit. Für die Entwicklung der Kosmologie und der Wissenschaft im Allgemeinen ist es äußerst wichtig, das Universum als Ganzes zu verstehen. Eine besondere Rolle spielen dabei die experimentelle Überprüfung abstrakter Konstruktionen, deren Bestätigung durch Beobachtungsdaten, das Nachvollziehen und Vergleichen von Forschungsergebnissen sowie eine adäquate Bewertung bestimmter Theorien. Jetzt befinden wir uns mitten auf dem Weg, der von der Lösung der Einsteinschen Gleichungen zur Kenntnis des Geheimnisses der Geburt und des Lebens des Universums führt.

Der nächste Schritt auf diesem Weg wurde vom Schöpfer der Theorie der chaotischen Inflation, einem Absolventen der Moskauer Staatsuniversität und jetzt Professor an der Stanford University, Andrey Dmitrievich Linde, gemacht, der einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis der frühesten Entwicklungsstufe der Inflation geleistet hat das Universum. Viele Jahre arbeitete er in einem der führenden akademischen Russische Institutionen- Physikalisches Institut. Lebedev Academy of Sciences (FIAN), untersuchte in Zusammenarbeit mit Professor David Abramovich Kirzhnits die Konsequenzen moderner Elementarteilchentheorien.

1972 kamen Kirzhnits und Linde zu dem Schluss, dass in frühes Universum es gab eigentümliche Phasenübergänge, wenn die Unterschiede zwischen verschiedene Typen Wechselwirkungen verschwanden plötzlich: Starke und elektroschwache Wechselwirkungen verschmolzen zu einer einzigen Kraft. ( Einheitliche Theorie schwache und elektromagnetische Wechselwirkungen, die von Quarks und Leptonen durch den Austausch von masselosen Photonen (elektromagnetische Wechselwirkung) und schweren Zwischenprodukten durchgeführt werden Vektorbosonen(schwache Wechselwirkung), entstanden in den späten 1960er Jahren. Steven Weinberg, Sheldon Glashow und Abdus Salam.) Anschließend konzentrierte sich Linde auf die Untersuchung von Prozessen in noch früheren Stadien der Entwicklung des Universums, in den ersten 10–30 s nach seiner Geburt. Bisher schien es unwahrscheinlich, dass ein Echo von Ereignissen, die in den ersten Millisekunden der Geburt des Universums stattfanden, uns erreichen könnte. Allerdings hinein letzten Jahren moderne Methoden Astronomische Beobachtungen haben es ermöglicht, in die ferne Vergangenheit zu blicken.

Probleme der Kosmologie

In Anbetracht der Theorie des Urknalls sahen sich Forscher mit Problemen konfrontiert, die zuvor als metaphysisch wahrgenommen wurden. Allerdings tauchten immer wieder Fragen auf und verlangten nach Antworten.

Was ist passiert, als nichts war? Wenn das Universum aus einer Singularität geboren wurde, dann hat es zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht existiert. In Theoretical Physics von Landau und Lifshitz heißt es, dass die Lösung der Einsteinschen Gleichungen nicht in den Bereich der negativen Zeit fortgesetzt werden kann und daher im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie die Frage „Was war vor der Geburt des Universums ?" Es ist nicht sinnvoll. Diese Frage bewegt uns jedoch weiterhin alle.

Schneiden sich parallele Geraden? In der Schule sagten sie uns nein. Wenn es jedoch um die Kosmologie geht, ist die Antwort nicht so eindeutig. Beispielsweise schneiden sich in einem geschlossenen Universum, das der Oberfläche einer Kugel ähnelt, Linien, die am Äquator parallel waren, im Norden und Südpole. Hat Euklid also Recht? Warum scheint das Universum flach zu sein? War sie von Anfang an so? Um diese Fragen zu beantworten, ist es notwendig festzustellen, wie das Universum in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung beschaffen war.

Warum ist das Universum homogen? Eigentlich ist das nicht wahr. Es gibt Galaxien, Sterne und andere Inhomogenitäten. Wenn Sie sich den Teil des Universums ansehen, der sich im Sichtbereich moderner Teleskope befindet, und analysieren durchschnittliche Dichte Verteilung der Materie im kosmischen Maßstab, stellt sich heraus, dass sie in alle Richtungen mit einer Genauigkeit von 10 -5 gleich ist. Warum ist das Universum homogen? Warum rein verschiedene Teile Gelten für das Universum die gleichen Gesetze der Physik? Warum ist das Universum so groß? Woher kam die Energie, die für die Herstellung benötigt wurde?

Zweifel kamen immer wieder auf, und je mehr Wissenschaftler über die Struktur und Geschichte der Existenz unserer Welt erfuhren, desto mehr mehr Fragen blieb unbeantwortet. Die Menschen versuchten jedoch, nicht an sie zu denken, und nahmen ein großes homogenes Universum und sich nicht schneidende parallele Linien als gegeben wahr, die nicht zur Diskussion standen. Der letzte Strohhalm, der die Physiker zwang, ihre Einstellung zur Theorie des frühen Universums zu überdenken, war das Problem der Reliktmonopole.

Die Existenz magnetischer Monopole wurde 1931 vom englischen theoretischen Physiker Paul Dirac vorgeschlagen. Wenn solche Teilchen wirklich existieren, dann sie magnetische Ladung muss ein Vielfaches von einigen sein gegebenen Wert, die wiederum durch die Fundamentalgröße bestimmt wird elektrische Ladung. Fast ein halbes Jahrhundert war dieses Thema praktisch vergessen, aber 1975 wurde eine sensationelle Aussage darüber gemacht magnetischer Monopol darin entdeckt kosmische Strahlung. Die Information wurde nicht bestätigt, aber die Nachricht weckte erneut das Interesse an der Problematik und trug zur Entwicklung eines neuen Konzepts bei.

Gemäß einer neuen Klasse von Elementarteilchentheorien, die in den 1970er Jahren aufkamen, könnten Monopole im frühen Universum als Ergebnis von Phasenübergängen auftreten, die von Kirzhnits und Linde vorhergesagt wurden. Die Masse jedes Monopols ist millionenmilliardenfach mehr Masse Proton. 1978–1979 Zel'dovich, Khlopov und Preskill stellten fest, dass eine ganze Menge solcher Monopole geboren wurden, so dass es jetzt für jedes Proton einen Monopol geben würde, was bedeutet, dass das Universum sehr schwer wäre und unter seinem eigenen Gewicht schnell zusammenbrechen müsste. Die Tatsache, dass wir noch existieren, widerlegt diese Möglichkeit.

Überarbeitung der Theorie des frühen Universums

Die Antwort auf die meisten dieser Fragen erhielt man erst nach dem Aufkommen der Inflationstheorie.

Die Inflationstheorie hat lange Geschichte. Die erste Theorie dieser Art wurde 1979 von Aleksey Aleksandrovich Starobinsky, korrespondierendes Mitglied der Russischen Akademie der Wissenschaften, vorgeschlagen. Seine Theorie war ziemlich komplex. Im Gegensatz zu späteren Arbeiten versuchte sie nicht zu erklären, warum das Universum groß, flach, homogen und isotrop ist. Sie hatte jedoch viele wichtige Eigenschaften. Inflationäre Kosmologie.

1980 wurde ein Mitarbeiter des Massachusetts Institute of Technology Alan Goose ( Alan Gut) im Artikel „The Inflating Universe: Mögliche Lösung Probleme von Horizont und Ebenheit" skizziert interessantes Szenario expandierendes Universum. Ihr Hauptunterschied zur traditionellen Theorie des Urknalls war die Beschreibung der Geburt des Universums im Zeitraum von 10–35 bis 10–32 s. Gus schlug vor, dass sich das Universum zu dieser Zeit in einem Zustand des sogenannten "falschen" Vakuums befand, in dem seine Energiedichte außergewöhnlich hoch war. Daher erfolgte die Expansion schneller als nach der Urknalltheorie. Dieses Stadium der exponentiell schnellen Expansion wurde Inflation (Inflation) des Universums genannt. Dann löste sich das falsche Vakuum auf und seine Energie ging in die Energie gewöhnlicher Materie über.

Gooses Theorie basierte auf der von Kirzhnits und Linde entwickelten Theorie der Phasenübergänge im frühen Universum. Im Gegensatz zu Starobinsky wollte Gus anhand eines einfachen Prinzips erklären, warum das Universum groß, flach, homogen und isotrop ist und warum es keine Monopole gibt. Eine Inflationsstufe könnte diese Probleme lösen.

Leider stellte sich nach dem Zusammenbruch des falschen Vakuums im Goos-Modell heraus, dass das Universum entweder sehr inhomogen oder leer war. Tatsache ist, dass der Zerfall eines falschen Vakuums wie kochendes Wasser in einem Wasserkocher auf die Bildung von Blasen einer neuen Phase zurückzuführen ist. Damit die in diesem Fall freigesetzte Energie in die thermische Energie des Universums umgewandelt werden konnte, mussten die Wände riesiger Blasen kollidieren, was zu einer Verletzung der Gleichmäßigkeit und Isotropie des Universums nach der Inflation führen sollte , was dem gestellten Problem widerspricht.

Obwohl das Gus-Modell nicht funktionierte, regte es die Entwicklung neuer Szenarien für ein sich aufblähendes Universum an.

Neue Inflationstheorie

Mitte 1981 schlug Linde die erste Version eines neuen Szenarios für ein expandierendes Universum vor, basierend auf einer detaillierteren Analyse von Phasenübergängen im Modell der Großen Vereinigung. Er kam zu dem Schluss, dass in manchen Theorien die exponentielle Expansion nicht unmittelbar nach der Blasenbildung endet, sodass die Inflation nicht nur vor dem Phasenübergang mit der Blasenbildung, sondern auch danach, bereits in ihnen stattfinden kann. In diesem Szenario wird angenommen, dass der beobachtbare Teil des Universums in einer einzigen Blase enthalten ist.

In dem neuen Szenario zeigte Linde, dass die Erwärmung nach dem Aufblasen auf die Erzeugung von Partikeln während der Oszillationen des Skalarfelds zurückzuführen ist (siehe unten). Dadurch wurden die Kollisionen der Blasenwände, die Inhomogenitäten erzeugten, unnötig, und somit wurde das Problem der großräumigen Homogenität und Isotropie des Universums gelöst.

Das neue Szenario enthielt zwei Kernpunkte: Erstens sollten sich die Eigenschaften des physikalischen Zustands innerhalb der Blase langsam ändern, um eine Inflation innerhalb der Blase sicherzustellen; zweitens für mehr späten Stadien es muss Prozesse geben, die für die Erwärmung des Universums nach dem Phasenübergang sorgen. Ein Jahr später überarbeitete der Forscher seinen Ansatz, der in der neuen Inflationstheorie vorgeschlagen wurde, und kam zu dem Schluss, dass Phasenübergänge überhaupt nicht erforderlich sind, ebenso wie Unterkühlung und falsches Vakuum, von denen Alan Hus ausging. Es war ein emotionaler Schock, denn es war notwendig, die als wahr geltenden Vorstellungen über das heiße Universum aufzugeben, Phasenübergänge und Unterkühlung. Es war notwendig, zu finden neuer Weg Probleme lösen. Dann wurde die Theorie der chaotischen Inflation aufgestellt.

Chaotische Inflation

Die Idee, die Lindes Theorie der chaotischen Inflation zugrunde liegt, ist sehr einfach, aber um sie zu erklären, müssen wir das Konzept eines Skalarfelds einführen. Es gibt Richtungsfelder – elektromagnetische, elektrische, magnetische, Gravitationsfelder, aber es kann noch mindestens eines geben – Skalare, die nirgendwohin gerichtet sind, sondern einfach eine Funktion von Koordinaten sind.

Das nächste (wenn auch nicht exakte) Analogon eines Skalarfelds ist das elektrostatische Potential. Die Spannung in den Stromnetzen der Vereinigten Staaten beträgt 110 V und in Russland 220 V. Wenn jemand mit einer Hand den amerikanischen Draht und mit der anderen den russischen festhalten würde, würde ihn die Potentialdifferenz töten. Wenn die Spannung überall gleich wäre, gäbe es keinen Potentialunterschied und es würde kein Strom fließen. In einem konstanten Skalarfeld gibt es also keine Potentialdifferenz. Daher können wir kein konstantes Skalarfeld sehen: Es sieht aus wie ein Vakuum, das in einigen Fällen auftreten kann Hohe Dichte Energie.

Es wird angenommen, dass es ohne solche Felder sehr schwierig ist, eine realistische Theorie der Elementarteilchen zu erstellen. In den letzten Jahren wurden fast alle Teilchen entdeckt, die von der Theorie der elektroschwachen Wechselwirkung vorhergesagt wurden, mit Ausnahme der skalaren. Die Suche nach solchen Teilchen ist eines der Hauptziele des riesigen Beschleunigers, der derzeit am CERN in der Schweiz gebaut wird.

Das skalare Feld war in fast allen Inflationsszenarien vorhanden. Gus schlug vor, das Potenzial mit mehreren tiefen Tiefs auszuschöpfen. Lindes neue Inflationstheorie brauchte ein Potenzial mit fast flache Oberseite, aber später stellte sich im Szenario der chaotischen Inflation heraus, dass es ausreicht, die übliche Parabel zu nehmen, und alles funktioniert.

Betrachten Sie das einfachste Skalarfeld, die Dichte potenzielle Energie die proportional zum Quadrat seiner Größe ist, genauso wie die Energie eines Pendels proportional zum Quadrat seiner Abweichung von der Gleichgewichtsposition ist:

Ein kleines Feld wird nichts über das Universum wissen und wird beginnen, in der Nähe seines Minimums zu schwanken. Wenn das Feld jedoch groß genug ist, rollt es sehr langsam herunter und beschleunigt das Universum aufgrund seiner Energie. Im Gegenzug wird die Geschwindigkeit des Universums (und nicht irgendwelcher Teilchen) den Fall des Skalarfelds verlangsamen.

Ein großes Skalarfeld führt also zu einer hohen Expansionsrate des Universums. Die hohe Expansionsrate des Universums verhindert ein Absinken des Feldes und damit keine Abnahme der potentiellen Energiedichte. SONDERN Hohe Dichte Energie beschleunigt das Universum mit immer größerer Geschwindigkeit. Dieses sich selbst erhaltende Regime führt zur Inflation, der exponentiell schnellen Expansion des Universums.

Um diesen erstaunlichen Effekt zu erklären, ist es notwendig, die Einstein-Gleichung für den Skalierungsfaktor des Universums gemeinsam zu lösen:

und die Bewegungsgleichung für das Skalarfeld:

Hier ist H die sogenannte Hubble-Konstante, proportional zur Energiedichte des skalaren Feldes der Masse m (diese Konstante hängt tatsächlich von der Zeit ab); G - Gravitationskonstante.

Forscher haben sich bereits Gedanken darüber gemacht, wie sich das Skalarfeld in der Nähe eines Schwarzen Lochs und beim Kollaps des Universums verhalten wird. Aber aus irgendeinem Grund wurde der exponentielle Expansionsmodus nicht gefunden. Und ich hätte einfach schreiben sollen vollständige Gleichung für ein skalares Feld, das in der Standardversion (also ohne Berücksichtigung der Expansion des Universums) wie eine Pendelgleichung aussah:

Aber ein zusätzlicher Begriff kam dazwischen - die Reibungskraft, die mit der Geometrie verbunden war; niemand hat es zuerst berücksichtigt. Sie ist das Produkt aus der Hubble-Konstante und der Feldgeschwindigkeit:

Wenn die Hubble-Konstante groß war, war auch die Reibung groß und das Skalarfeld nahm sehr langsam ab. Daher blieb die Hubble-Konstante, die eine Funktion des Skalarfeldes ist, lange Zeit nahezu unverändert. Die Lösung der Einstein-Gleichung mit einer sich langsam ändernden Hubble-Konstante beschreibt ein exponentiell schnell expandierendes Universum.

Dieses Stadium der exponentiell schnellen Expansion des Universums wird als Inflation bezeichnet.

Wie unterscheidet sich dieses Regime von der üblichen Ausdehnung des Universums, das mit gewöhnlicher Materie gefüllt ist? Nehmen wir an, das mit Staub gefüllte Universum hat sich um das Zweifache ausgedehnt. Dann erhöhte sich sein Volumen um das 8-fache. Das bedeutet, dass in 1 cm 3 8 mal weniger Staub ist. Wenn wir die Einstein-Gleichung für ein solches Universum lösen, stellt sich heraus, dass nach dem Urknall die Dichte der Materie rapide abnahm und die Expansionsrate des Universums rapide abnahm.

Das Gleiche gilt für ein Skalarfeld. Aber solange das Feld sehr groß blieb, hielt es sich selbst, wie Baron Münchhausen sich am Zopf aus dem Sumpf zieht. Dies war aufgrund der Reibungskraft möglich, die bei hohen Feldwerten erheblich war. In Übereinstimmung mit den Theorien eines neuen Typs dehnte sich das Universum schnell aus, und das Feld blieb fast unverändert; dementsprechend änderte sich auch die Energiedichte nicht. Die Expansion war also exponentiell.

Allmählich nahm das Feld ab, die Hubble-Konstante nahm ebenfalls ab, die Reibung wurde klein und das Feld begann zu oszillieren und erzeugte Elementarteilchen. Diese Teilchen kollidierten, tauschten Energie aus und gelangten allmählich in einen Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts. Dadurch wurde das Universum heiß.

Früher war das Universum von Anfang an heiß. Zu diesem Schluss kam die Untersuchung der Mikrowellenstrahlung, die als Folge des Urknalls und der anschließenden Abkühlung interpretiert wurde. Dann begannen sie zu glauben, dass das Universum zuerst heiß war, dann eine Inflation auftrat und danach das Universum wieder heiß wurde. In der Theorie der chaotischen Inflation erwies sich die erste heiße Phase jedoch als unnötig. Aber warum brauchen wir eine Inflationsphase, wenn am Ende dieser Phase das Universum sowieso heiß wurde, wie in der alten Urknalltheorie?

Exponentielle Expansion

Es gibt drei einfache Modelle des Universums: flach, offen und geschlossen. Ein flaches Universum ist wie die Oberfläche eines flachen Tisches; Parallele Linien in einem solchen Universum bleiben immer parallel. Das offene Universum ähnelt der Oberfläche eines Hyperboloids, und das geschlossene Universum ähnelt der Oberfläche einer Kugel. Parallele Linien in einem solchen Universum schneiden sich an seinem Nord- und Südpol.

Nehmen wir an, wir leben in einem abgeschlossenen Universum, das zunächst klein wie eine Kugel war. Nach der Urknalltheorie wuchs es zu einer anständigen Größe heran, blieb aber immer noch relativ klein. Und nach der Inflationstheorie eine winzige Kugel, die aus einer exponentiellen Explosion in einem sehr entsteht eine kurze Zeit wurde riesig. Auf ihr würde der Betrachter eine ebene Fläche sehen.

Stellen Sie sich den Himalaya vor, wo es viele verschiedene Felsvorsprünge, Spalten, Abgründe, Mulden, Felsbrocken, also Heterogenitäten gibt. Aber plötzlich hat jemand oder etwas auf absolut unglaubliche Weise die Berge zu gigantischen Ausmaßen vergrößert, oder wir sind geschrumpft, wie Alice im Wunderland. Wenn wir dann auf dem Gipfel des Everest stehen, werden wir sehen, dass er völlig flach ist – er wurde sozusagen gestreckt, und die Inhomogenitäten haben keine Bedeutung mehr. Die Berge bleiben, aber um mindestens einen Meter zu erklimmen, muss man unglaublich weit gehen. Somit kann das Problem der Homogenität gelöst werden. Das erklärt auch, warum das Universum flach ist, warum sich parallele Linien nicht schneiden und warum es keine Monopole gibt. Parallele Linien können sich kreuzen und Monopole können existieren, aber nur so weit entfernt, dass wir es nicht sehen können.

Die Entstehung von Galaxien

Das kleine Universum wurde kolossal und alles wurde homogen. Aber was ist mit Galaxien? Es stellte sich heraus, dass während der exponentiellen Expansion des Universums kleine Quantenfluktuationen, die immer existieren, sogar in Freiraum, aufgrund der quantenmechanischen Unschärferelation, zu kolossalen Ausmaßen ausgedehnt und in Galaxien verwandelt. Nach der Inflationstheorie sind Galaxien das Ergebnis erhöhter Quantenfluktuationen, also verstärktem und eingefrorenem Quantenrauschen.

Auf diese erstaunliche Möglichkeit wurde zum ersten Mal von den FIAN-Forschern Vyacheslav Fedorovich Mukhanov und Gennady Vasil'evich Chibisov in einem Artikel hingewiesen, der auf dem 1979 von Starobinsky vorgeschlagenen Modell basiert. Kurz darauf wurde ein ähnlicher Mechanismus im neuen Inflationsszenario und in der Theorie der chaotischen Inflation entdeckt.

Gepunkteter Himmel

Quantenfluktuationen führten nicht nur zur Geburt von Galaxien, sondern auch zum Auftreten von Anisotropie der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung mit einer Temperatur von etwa 2,7 K, die auf uns zukommt entfernte Regionen Universum.

Moderne Technologien helfen Wissenschaftlern, die Reliktstrahlung zu untersuchen. künstliche satelliten Erde. Die wertvollsten Daten wurden mit der Raumsonde WMAP ( Wilkinson Mikrowellen-Anisotropie-Sonde), benannt nach dem Astrophysiker David Wilkinson ( David Wilkinson). Die Auflösung seiner Geräte ist 30-mal höher als die seines Vorgängers - Raumfahrzeug KOBE.

Früher wurde angenommen, dass die Temperatur des Himmels überall 2,7 K beträgt, aber WMAP konnte sie mit hoher Winkelauflösung auf 10–5 K genau messen. Nach den Daten der ersten 3 Beobachtungsjahre stellte sich heraus, dass der Himmel inhomogen war: irgendwo heiß und irgendwo kälter. Die einfachsten Modelle der Inflationstheorie sagten Wellen am Himmel voraus. Aber bis die Teleskope ihre Beobachtung festlegten, wurde nur eine Strahlung von drei Grad beobachtet, was als stärkste Bestätigung der Theorie eines heißen Universums diente. Nun stellte sich heraus, dass die Theorie eines heißen Universums nicht ausreicht.

Es war möglich, Fotografien von angeschwollenen Quantenfluktuationen zu erhalten, die 10–30 s nach der Geburt des Universums auftauchten und bis heute überlebt haben. Die Forscher detektierten nicht nur Himmelsflecken, sondern untersuchten auch das Spektrum der Flecken, also die Signalintensität in verschiedenen Winkelrichtungen.

Die Ergebnisse von hochpräzisen Messungen der Strahlungspolarisation, die mit WMAP durchgeführt wurden, bestätigten die Theorie der Expansion des Universums und ermöglichten festzustellen, wann die Ionisation von intergalaktischem Gas auftrat, die von den allerersten Sternen verursacht wurde. Die vom Satelliten empfangenen Informationen bestätigten die Position der Inflationstheorie, dass wir in einem großen flachen Universum leben.

In der Abbildung zeigt die rote Linie die Vorhersage der Inflationstheorie, und die schwarzen Punkte entsprechen den experimentellen WMAP-Daten. Wenn das Universum nicht flach wäre, würde die Spitze des Diagramms rechts oder links liegen.

Ewig und endlos

Schauen wir uns noch einmal die Abbildung an, die das einfachste Potential eines Skalarfeldes zeigt (siehe oben). In einer Region, in der das Skalarfeld klein ist, oszilliert es und das Universum dehnt sich nicht exponentiell aus. In einem Bereich, in dem das Feld stark genug ist, fällt es langsam ab und es treten kleine Schwankungen auf. Zu diesem Zeitpunkt gibt es eine exponentielle Expansion und einen Inflationsprozess. Wenn das skalare Feld noch größer wäre (in der Grafik blau markiert), dann würde es aufgrund der enormen Reibung kaum abnehmen, die Quantenfluktuationen wären enorm und das Universum könnte fraktal werden.

Stellen Sie sich vor, das Universum dehnt sich schnell aus und irgendwann springt das Skalarfeld aufgrund von Quantenfluktuationen hoch, anstatt auf das Energieminimum zu rollen (siehe oben). Wo das Feld gesprungen ist, dehnt sich das Universum exponentiell schneller aus. Es ist unwahrscheinlich, dass ein tief liegendes Feld springt, aber je höher es ist, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit einer solchen Entwicklung von Ereignissen und damit ein exponentiell größeres Volumen. neues Gebiet. In jedem dieser flachen Bereiche kann das Feld auch hochspringen, was zur Entstehung neuer exponentiell wachsender Teile des Universums führt. Infolgedessen sieht unsere Welt nicht wie ein riesiger, wachsender Ball aus, sondern wie ein ständig wachsender Baum, der aus vielen solcher Bälle besteht.

Die Inflationstheorie liefert uns die einzige derzeit bekannte Erklärung für die Homogenität des beobachtbaren Teils des Universums. Paradoxerweise sagt dieselbe Theorie voraus, dass unser Universum in einem extrem großen Maßstab absolut inhomogen ist und wie ein riesiges Fraktal aussieht.

Die Abbildung zeigt schematisch, wie eine sich aufblähende Region des Universums immer mehr ihrer Teile erzeugt. In diesem Sinne wird es ewig und selbstregenerierend.

Eigenschaften der Raumzeit und Wechselwirkungsgesetze der Elementarteilchen untereinander in verschiedene Bereiche Das Universum kann anders sein, ebenso wie die Dimensionen des Weltraums und die Arten von Vakuum.

Diese Tatsache verdient eine genauere Erklärung. Nach der einfachsten Theorie mit einem potentiellen Energieminimum rollt das Skalarfeld auf dieses Minimum herunter. Realistischere Versionen ermöglichen jedoch viele Tiefs mit unterschiedlicher Physik, ähnlich wie Wasser, in dem man es finden kann verschiedene Staaten: flüssig, gasförmig und fest. Verschiedene Teile des Universums können auch in verschiedenen sein Phasenzustände; dies ist in der Inflationstheorie auch ohne Quantenfluktuationen möglich.

Der nächste Schritt, basierend auf der Untersuchung von Quantenfluktuationen, ist die Theorie eines selbstheilenden Universums. Diese Theorie berücksichtigt den Prozess der ständigen Neuerstellung von Schwellungsbereichen und Quantensprünge von einem Vakuumzustand zum anderen, sortieren durch verschiedene Möglichkeiten und Dimensionen.

So wird das Universum ewig, unendlich und vielfältig. Das gesamte Universum wird niemals zusammenbrechen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass es keine Singularitäten gibt. Im Gegenteil, ein erheblicher Teil des physikalischen Volumens des Universums befindet sich immer in einem nahezu singulären Zustand. Aber da verschiedene Volumina ihn zu unterschiedlichen Zeiten passieren, gibt es kein einzelnes Ende der Raumzeit, nach dem alle Regionen verschwinden. Und dann bekommt die Frage nach der Pluralität der Welten in Zeit und Raum eine ganz andere Bedeutung: Das Universum kann sich endlos in all seinen möglichen Zuständen reproduzieren.

Diese Behauptung, die auf Lindes Arbeit von 1986 basierte, erhielt vor einigen Jahren eine neue Bedeutung, als Stringtheoretiker (der führende Kandidat für die Theorie aller fundamentalen Kräfte) zu dem Schluss kamen, dass in dieser Theorie 10 100 – 10 1000 möglich sind Zustände. Diese Zustände unterscheiden sich durch die außerordentliche Vielfalt der möglichen Struktur der Welt auf kleinstem Raum.

Zusammen mit der Theorie eines sich selbst heilenden inflationären Universums bedeutet dies, dass das Universum während der Inflation in unendlich viele Teile mit unglaublich vielen Teilen zerfällt unterschiedliche Eigenschaften. Kosmologen nennen dieses Szenario die Theorie des ewigen inflationären Multiversums ( Multiversum), und Stringtheoretiker nennen es eine Stringlandschaft.

Vor 25 Jahren sah die inflationäre Kosmologie wie etwas dazwischen aus Physikalische Theorie und Science-Fiction. Im Laufe der Zeit wurden viele der Vorhersagen dieser Theorie getestet, und sie nahm allmählich die Merkmale eines kosmologischen Standardparadigmas an. Aber es ist noch zu früh, um sich zu beruhigen. Diese Theorie entwickelt sich ständig weiter und ändert sich schnell. Das Hauptproblem ist die Entwicklung inflationärer Kosmologiemodelle auf der Grundlage realistischer Versionen der Elementarteilchentheorie und der Stringtheorie. Dieses Problem kann Gegenstand eines separaten Berichts sein.

Nachdem ich von der Urknalltheorie erfahren hatte, stellte ich mir die Frage, woher kam diese Explosion?
Die Frage nach dem Ursprung des Universums mit all seinen bekannten und noch unbekannten Eigenschaften beschäftigt die Menschen seit jeher. Aber erst im zwanzigsten Jahrhundert, nach der Entdeckung der kosmologischen Expansion, begann die Frage nach der Evolution des Universums allmählich klarer zu werden. Jüngste wissenschaftliche Daten haben zu dem Schluss geführt, dass unser Universum vor 15 Millionen Jahren als Folge des Urknalls entstanden ist. Aber was genau in diesem Moment explodierte und was tatsächlich vor dem Urknall existierte, blieb immer noch ein Rätsel. Die im 20. Jahrhundert geschaffene inflationäre Theorie des Erscheinens unserer Welt ermöglichte erhebliche Fortschritte bei der Lösung dieser Probleme. Das allgemeine Bild der ersten Momente des Universums ist bereits heute gut gezeichnet, obwohl viele Probleme noch warten in den Flügeln.
Bis Anfang des letzten Jahrhunderts gab es nur zwei Ansichten über die Entstehung unseres Universums. Wissenschaftler glaubten, dass es ewig und unveränderlich ist, und Theologen sagten, dass die Welt erschaffen wurde und ein Ende haben wird. Nachdem das 20. Jahrhundert vieles von dem zerstört hatte, was in früheren Jahrtausenden geschaffen worden war, gelang es ihm, seine eigenen Antworten auf die meisten Fragen zu geben, die die Köpfe der Wissenschaftler der Vergangenheit beschäftigten. Und vielleicht einer von größte Errungenschaften des vergangenen Jahrhunderts ist die Klärung der Frage, wie das Universum, in dem wir leben, entstanden ist und welche Hypothesen es über seine Zukunft gibt. Eine einfache astronomische Tatsache – die Ausdehnung unseres Universums – hat zu einer vollständigen Revision aller kosmogonischen Konzepte und deren Entwicklung geführt neue Physik- Physik entstehender und verschwindender Welten. Erst vor 70 Jahren entdeckte Edwin Hubble, dass Licht von weiter entfernten Galaxien „röter“ ist als Licht von näheren. Darüber hinaus stellte sich heraus, dass die Rezessionsgeschwindigkeit proportional zur Entfernung von der Erde ist (Hubbles Expansionsgesetz). Dies wurde dank des Doppler-Effekts (der Abhängigkeit der Lichtwellenlänge von der Geschwindigkeit der Lichtquelle) entdeckt. Da weiter entfernte Galaxien "roter" erscheinen, wurde angenommen, dass sie sich schneller entfernen. Übrigens streuen nicht Sterne und gar einzelne Galaxien, sondern Galaxienhaufen. Die nächstgelegenen Sterne und Galaxien sind durch Gravitationskräfte miteinander verbunden und bilden stabile Strukturen. Darüber hinaus streuen Galaxienhaufen, in welche Richtung auch immer Sie schauen, mit der gleichen Geschwindigkeit von der Erde, und es mag den Anschein haben, dass unsere Galaxie das Zentrum des Universums ist, aber das ist nicht so. Wo immer sich der Beobachter befindet, er wird überall das gleiche Bild sehen - alle Galaxien laufen vor ihm davon. Aber eine solche Ausdehnung der Materie muss einen Anfang haben. Das bedeutet, dass alle Galaxien am selben Ort entstanden sein müssen. Berechnungen zeigen, dass dies vor etwa 15 Milliarden Jahren geschah. Im Moment einer solchen Explosion war die Temperatur sehr hoch, und viele Lichtquanten hätten erscheinen müssen. Natürlich kühlt alles mit der Zeit ab und die Quanten streuen über den entstehenden Weltraum, aber die Echos des Urknalls sollen bis heute überlebt haben. Die erste Bestätigung der Tatsache der Explosion erfolgte 1964, als die amerikanischen Radioastronomen R. Wilson und A. Penzias elektromagnetische Reliktstrahlung mit einer Temperatur von etwa 3 ° Kelvin (–270 ° C) entdeckten. Es war diese für Wissenschaftler unerwartete Entdeckung, die sie davon überzeugte, dass der Urknall wirklich stattgefunden hat und dass das Universum anfangs sehr heiß war. Die Urknalltheorie hat geholfen, viele der Probleme zu erklären, mit denen die Kosmologie konfrontiert ist. Aber leider, oder vielleicht zum Glück, hat es auch eine Reihe neuer Fragen aufgeworfen. Insbesondere: Was geschah vor dem Urknall? Warum hat unser Raum keine Krümmung und warum ist Euklids Geometrie, die in der Schule studiert wird, korrekt? Wenn die Urknalltheorie richtig ist, warum ist dann die aktuelle Größe unseres Universums so viel größer als die von der Theorie vorhergesagten 1 Zentimeter? Warum ist das Universum überraschend homogen, während sich die Materie bei jeder Explosion äußerst ungleichmäßig in verschiedene Richtungen zerstreut? Was führte zur anfänglichen Erwärmung des Universums auf eine unvorstellbare Temperatur von über 10 13 K?
All dies deutete darauf hin, dass die Urknalltheorie unvollständig war. Lange Zeit es schien unmöglich, weiter zu gehen. Erst vor einem Vierteljahrhundert wurde dank der Arbeit der russischen Physiker E. Gliner und A. Starobinsky sowie des Amerikaners A. Gus ein neues Phänomen beschrieben - die superschnelle inflationäre Expansion des Universums. Die Beschreibung dieses Phänomens basiert auf gut untersuchten Abschnitten theoretische Physik- Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie. Heute ist allgemein anerkannt, dass diese als „Inflation“ bezeichnete Periode dem Urknall vorausging.
Beim Versuch, eine Vorstellung von der Essenz zu geben Anfangszeit Das Leben des Universums muss mit so ultrakleinen und supergroßen Zahlen funktionieren, dass unsere Vorstellungskraft sie kaum wahrnimmt. Lassen Sie uns versuchen, eine Analogie zu verwenden, um das Wesen des Inflationsprozesses zu verstehen.
Stellen Sie sich einen schneebedeckten Berghang vor, der mit heterogenen kleinen Objekten durchsetzt ist - Kieselsteinen, Ästen und Eisstücken. Jemand oben auf diesem Hang hat einen kleinen Schneeball gemacht und ihn den Berg hinunterrollen lassen. Nach unten wird der Schneeball größer, da neue Schneeschichten mit allen Einschlüssen daran haften bleiben. Und dann größere Größe Schneeball, desto schneller wird es zunehmen. Sehr bald wird aus einem kleinen Schneeball ein riesiger Klumpen. Endet der Hang in einem Abgrund, dann fliegt er mit immer größerer Geschwindigkeit hinein. Wenn der Klumpen den Boden erreicht hat, trifft er auf den Grund des Abgrunds und seine Bestandteile werden in alle Richtungen zerstreut (übrigens wird ein Teil der kinetischen Energie des Klumpens die Umgebung und den fliegenden Schnee erwärmen).
Lassen Sie uns nun die Hauptbestimmungen der Theorie unter Verwendung der obigen Analogie beschreiben. Zunächst mussten die Physiker ein hypothetisches Feld einführen, das „Inflation“ (vom Wort „Inflation“) genannt wurde. Dieses Feld füllte den gesamten Raum aus (in unserem Fall Schnee auf der Piste). Aufgrund zufälliger Schwankungen dauerte es unterschiedliche Bedeutungen in beliebigen räumlichen Regionen und zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Es geschah nichts Wesentliches, bis zufällig eine homogene Konfiguration dieses Feldes mit einer Größe von mehr als 10 -33 cm gebildet wurde. Was das von uns beobachtete Universum betrifft, so hatte es in den ersten Momenten seines Lebens anscheinend eine Größe von 10 -27 cm, und es wird angenommen, dass in solchen Größenordnungen die uns heute bekannten Grundgesetze der Physik bereits gültig sind, so ist es möglich, das weitere Verhalten des Systems vorherzusagen. Es stellt sich heraus, dass unmittelbar danach der von der Fluktuation eingenommene räumliche Bereich (von lat. fluctuatio - „Fluktuation“, zufällige Abweichungen beobachtete physikalische Größen von ihren Durchschnittswerten), beginnt sehr schnell an Größe zuzunehmen, und das Inflationsfeld neigt dazu, eine Position einzunehmen, in der seine Energie minimal ist (der Schneeball rollte). Eine solche Expansion dauert nur 10 -35 Sekunden, aber diese Zeit reicht aus, damit sich der Durchmesser des Universums mindestens 1027-mal vergrößert, und am Ende der Inflationsperiode hat unser Universum eine Größe von etwa 1 cm erreicht Das Inflationsfeld erreicht ein Minimum an Energie - es gibt keinen anderen Ort, an dem es fallen kann. In diesem Fall wird die angesammelte kinetische Energie in die Energie der Entstehung und Expansion von Teilchen umgewandelt, mit anderen Worten, es kommt zur Erwärmung des Universums. Dieser Moment wird heute Urknall genannt.
Der oben erwähnte Berg kann ein sehr komplexes Relief haben - mehrere verschiedene Tiefs, Täler darunter und alle Arten von Hügeln und Unebenheiten. Schneebälle (zukünftige Universen) werden aufgrund von Feldschwankungen kontinuierlich auf der Spitze des Berges geboren. Jeder Klumpen kann in jedes der Minima gleiten, wodurch ein eigenes Universum mit spezifischen Parametern entsteht. Darüber hinaus können sich die Universen erheblich voneinander unterscheiden. Eigenschaften unseres Universums erstaunlich angepasst, um Anlass zu geben intelligentes Leben. Andere Universen hatten vielleicht nicht so viel Glück.
Ich möchte noch einmal betonen, dass der beschriebene Prozess der Geburt des Universums „praktisch aus dem Nichts“ auf streng wissenschaftlichen Berechnungen beruht. Dennoch hat jeder, der sich zum ersten Mal mit dem oben beschriebenen Inflationsmechanismus vertraut macht, viele Fragen.
Heute besteht unser Universum aus einer großen Anzahl von Sternen, ganz zu schweigen von verborgener Masse. Und es könnte scheinen, dass die Gesamtenergie und Masse des Universums enorm ist. Und es ist völlig unverständlich, wie das alles in das Ausgangsvolumen von 10-99 cm3 passen konnte. Im Universum gibt es jedoch nicht nur Materie, sondern auch ein Gravitationsfeld. Es ist bekannt, dass die Energie der letzteren negativ ist, und wie sich herausstellte, kompensiert die Energie der Schwerkraft in unserem Universum genau die Energie, die in Partikeln, Planeten, Sternen und anderen massiven Objekten enthalten ist. Somit ist das Energieerhaltungsgesetz perfekt erfüllt und die Gesamtenergie und -masse unseres Universums sind praktisch gleich Null. Dieser Umstand erklärt teilweise, warum sich das entstehende Universum nicht unmittelbar nach seinem Erscheinen in ein riesiges Schwarzes Loch verwandelte. Seine Gesamtmasse war völlig mikroskopisch klein, und zunächst gab es einfach nichts zu kollabieren. Und erst in späteren Entwicklungsstadien tauchten lokale Materieklumpen auf, die in der Lage waren, solche Gravitationsfelder in ihrer Nähe zu erzeugen, denen selbst Licht nicht entkommen kann. Dementsprechend fallen auch die Partikel aus, aus denen die Sterne „gemacht“ sind Erstphase Entwicklung gab es einfach nicht. Die Geburt von Elementarteilchen begann in jener Periode der Entwicklung des Universums, als das Inflationsfeld ein Minimum an potentieller Energie erreichte und der Urknall begann.
Die vom Inflationsfeld eingenommene Fläche wuchs viel schneller als die Lichtgeschwindigkeit, aber das widerspricht Einsteins Relativitätstheorie nicht im Geringsten. schneller als das Licht nur materielle Körper können sich nicht bewegen und hinein dieser Fall Die imaginäre, immaterielle Grenze der Region, in der das Universum geboren wurde, bewegte sich (ein Beispiel superluminale Bewegung ist die Bewegung eines Lichtflecks auf der Mondoberfläche während der schnellen Rotation des ihn beleuchtenden Lasers).
Darüber hinaus widersetzte sich die Umwelt überhaupt nicht der Ausdehnung der Raumregion, die von einem immer schneller wachsenden Inflationsfeld bedeckt war, da sie für die entstehende Welt nicht zu existieren schien. Allgemeine Theorie Die Relativitätstheorie besagt, dass das physikalische Bild, das ein Beobachter sieht, davon abhängt, wo er sich befindet und wie er sich bewegt. Das oben beschriebene Bild gilt also für den „Beobachter“, der sich in diesem Bereich befindet. Außerdem wird dieser Beobachter niemals wissen, was außerhalb des Raumbereichs, in dem er sich befindet, vor sich geht. Ein anderer „Beobachter“, der sich diesen Bereich von außen anschaut, wird überhaupt keine Ausdehnung feststellen. BEIM I'm besten fall er wird nur einen kleinen Funken sehen, der laut seiner Uhr fast augenblicklich verschwindet. Selbst die raffinierteste Vorstellung weigert sich, ein solches Bild wahrzunehmen. Und doch scheint es wahr zu sein. So denken zumindest moderne Wissenschaftler und schöpfen Vertrauen in die bereits entdeckten Naturgesetze, deren Richtigkeit immer wieder verifiziert wurde.
Es muss gesagt werden, dass dieses Inflationsfeld immer noch existiert und schwankt. Aber nur wir, interne Beobachter, können das nicht sehen - schließlich hat sich für uns ein kleiner Bereich in ein kolossales Universum verwandelt, dessen Grenzen selbst Licht nicht erreichen kann.
Unmittelbar nach dem Ende der Inflation würde ein hypothetischer interner Beobachter das Universum also mit Energie in Form von materiellen Teilchen und Photonen gefüllt sehen. Wenn die gesamte Energie, die von einem internen Beobachter gemessen werden könnte, in eine Masse von Teilchen umgewandelt wird, erhalten wir ungefähr 10 80 kg. Die Abstände zwischen den Partikeln nehmen aufgrund der allgemeinen Ausdehnung schnell zu. Die Anziehungskräfte der Gravitation zwischen Teilchen verringern ihre Geschwindigkeit, sodass sich die Expansion des Universums nach dem Ende der Inflationsperiode allmählich verlangsamt.
Unmittelbar nach der Geburt wuchs das Universum weiter und kühlte ab. Gleichzeitig kam es unter anderem durch die banale Raumausdehnung zu einer Abkühlung. Elektromagnetische Strahlung gekennzeichnet durch eine Wellenlänge, die mit der Temperatur in Verbindung gebracht werden kann - umso mehr durchschnittliche Länge Strahlungswellen, die niedrigere Temperatur. Wenn sich der Raum jedoch ausdehnt, vergrößert sich der Abstand zwischen den beiden "Höckern" der Welle und folglich ihre Länge. Das bedeutet, dass bei Ausdehnung des Weltraums auch die Strahlungstemperatur sinken muss. Was stark bestätigt niedrige Temperatur moderne Reliktstrahlung.
Mit seiner Ausdehnung ändert sich auch die Zusammensetzung der Materie, die unsere Welt erfüllt. Quarks vereinigen sich zu Protonen und Neutronen, und das Universum ist mit uns bereits vertrauten Dingen gefüllt Elementarteilchen- Protonen, Neutronen, Elektronen, Neutrinos und Photonen. Es gibt auch Antiteilchen. Die Eigenschaften von Teilchen und Antiteilchen sind nahezu identisch. Es scheint, dass ihre Anzahl unmittelbar nach der Inflation gleich sein sollte. Aber dann würden sich alle Teilchen und Antiteilchen gegenseitig vernichten und es gäbe kein Baumaterial für Galaxien und uns selbst. Und auch hier haben wir wieder Glück. Die Natur hat dafür gesorgt, dass es etwas mehr Teilchen als Antiteilchen gibt. Dem ist es zu verdanken kleiner Unterschied und unsere Welt existiert. Und Reliktstrahlung ist nur eine Folge der Vernichtung (d. h. gegenseitige Vernichtung) von Teilchen und Antiteilchen. Natürlich war die Energie der Strahlung im Anfangsstadium sehr hoch, aber aufgrund der Ausdehnung des Weltraums und der daraus resultierenden Abkühlung der Strahlung nahm diese Energie schnell ab. Jetzt ist die Energie der Reliktstrahlung etwa zehntausendmal (104-mal) geringer als die Energie, die in massiven Elementarteilchen enthalten ist.
Allmählich sank die Temperatur des Universums auf 1010 K. Zu diesem Zeitpunkt betrug das Alter des Universums etwa 1 Minute. Erst jetzt konnten sich Protonen und Neutronen zu Kernen von Deuterium, Tritium und Helium verbinden. Dies war auf Kernreaktionen zurückzuführen, die die Menschen bereits gut studiert haben, auf die Detonation von thermonuklearen Bomben und den Betrieb von Atomreaktoren auf der Erde. Daher kann man mit Sicherheit vorhersagen, wie viele und welche Elemente in einem solchen Atomhaufen vorkommen können. Es stellte sich heraus, dass die derzeit beobachtete Häufigkeit leichter Elemente gut mit den Berechnungen übereinstimmt. Das bedeutet, dass wir es wissen physikalische Gesetze sind im gesamten beobachtbaren Teil des Universums gleich und waren es bereits in den ersten Sekunden nach Erscheinen unserer Welt. Außerdem sind etwa 98 % des in der Natur vorkommenden Heliums genau in den ersten Sekunden nach dem Urknall entstanden.
Unmittelbar nach der Geburt durchlief das Universum eine inflationäre Entwicklungsphase - alle Entfernungen nahmen schnell zu (aus Sicht von interner Beobachter). Allerdings kann die Energiedichte an verschiedenen Punkten im Raum nicht genau gleich sein – einige Inhomogenitäten sind immer vorhanden. Angenommen, in einem Bereich ist die Energie etwas größer als in benachbarten. Da aber alle Größen schnell wachsen, sollte auch die Größe dieses Bereichs wachsen. Nach dem Ende der Inflationsperiode wird dieser ausgedehnte Bereich etwas mehr Partikel enthalten als der Raum um ihn herum, und seine Temperatur wird etwas höher sein.
Befürworter der Inflationstheorie erkannten die Unvermeidlichkeit der Entstehung solcher Gebiete und wandten sich an die Experimentatoren: "Es ist notwendig, Temperaturschwankungen zu erkennen ..." - sagten sie. Und 1992 wurde dieser Wunsch erfüllt. Nahezu zeitgleich detektierten der russische Satellit „Relikt-1“ und der amerikanische „COBE“ die erforderlichen Temperaturschwankungen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Wie bereits erwähnt, modernes Universum hat eine Temperatur von 2,7 K, und die von Wissenschaftlern festgestellten Temperaturabweichungen vom Durchschnitt betrugen ungefähr 0,00003 K. Es ist nicht verwunderlich, dass solche Abweichungen zuvor schwer zu erkennen waren. Die Inflationstheorie erhielt also eine weitere Bestätigung.
Mit der Entdeckung von Temperaturschwankungen hat sich eine weitere spannende Möglichkeit ergeben – das Prinzip der Galaxienentstehung zu erklären. Immerhin, um Gravitationskräfte komprimierte Materie, der anfängliche Embryo wird benötigt - ein Bereich mit erhöhte Dichte. Wenn Materie gleichmäßig im Raum verteilt ist, weiß die Schwerkraft wie Buridans Esel nicht, in welche Richtung sie wirken soll. Aber gerade die Bereiche mit einem Energieüberschuss erzeugen Inflation. Jetzt wissen die Gravitationskräfte, worauf sie wirken müssen, nämlich auf die dichteren Bereiche, die während der Inflationsperiode entstanden sind. Unter dem Einfluss der Schwerkraft werden diese zunächst etwas dichteren Regionen schrumpfen und aus ihnen werden in Zukunft Sterne und Galaxien entstehen.
Der gegenwärtige Moment der Evolution des Universums ist sehr gut für das Leben geeignet und wird noch viele Milliarden Jahre andauern. Sterne werden geboren und sterben, Galaxien werden rotieren und kollidieren, und Galaxienhaufen werden immer weiter auseinander fliegen. Daher hat die Menschheit viel Zeit zur Selbstverbesserung. Es stimmt, das Konzept von "jetzt" für solche riesiges Universum, wie bei uns, ist schlecht definiert. So ist zum Beispiel das von Astronomen beobachtete Leben von Quasaren, die 10-14 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind, von unserem "Jetzt" nur durch dieselben 10-14 Milliarden Jahre getrennt. Und je weiter wir mit Hilfe verschiedener Teleskope in die Tiefen des Universums blicken, desto mehr frühe Periode Wir beobachten seine Entwicklung.
Heute sind Wissenschaftler in der Lage, die meisten Eigenschaften unseres Universums von 10 -42 Sekunden bis zur Gegenwart und darüber hinaus zu erklären. Sie können auch die Entstehung von Galaxien verfolgen und die Zukunft des Universums mit einiger Sicherheit vorhersagen. Trotzdem bleiben einige "kleine" Unverständlichkeiten. Zunächst einmal ist dies die Essenz der verborgenen Masse (dunkle Materie) und der dunklen Energie. Darüber hinaus gibt es viele Modelle, die erklären, warum unser Universum viel mehr Teilchen als Antiteilchen enthält, und wir möchten uns am Ende für die Wahl eines richtigen Modells entscheiden.
Wie uns die Wissenschaftsgeschichte lehrt, sind es meist „kleine Unvollkommenheiten“, die sich öffnen weitere Wege Entwicklung, so dass zukünftige Generationen von Wissenschaftlern sicherlich etwas zu tun haben werden. Darüber hinaus stehen auch tiefergehende Fragestellungen bereits auf der Agenda von Physikern und Mathematikern. Warum ist unser Raum dreidimensional? Warum sind alle Konstanten in der Natur so „angepasst“, dass intelligentes Leben entsteht? Und was ist Schwerkraft? Wissenschaftler versuchen bereits, diese Fragen zu beantworten.
Und natürlich Raum für Überraschungen lassen. Es sollte nicht vergessen werden, dass so grundlegende Entdeckungen wie die Expansion des Universums, das Vorhandensein von Reliktphotonen und Vakuumenergie sozusagen zufällig gemacht wurden und von der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht erwartet wurden.