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Der Urknall Wie unser Universum aus fast
Nichts entstand
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Die großen Fragen Woraus besteht das Universum ? Wie sah das Universum am Anfang aus ? Plasma ! und vorher ? Woraus haben sich Strukturen entwickelt ? Gibt es Leben und Intelligenz in anderen Regionen des
Universums ? Woher kommen Materie und Strahlung ? Was war vor dem Urknall ? Was wird aus unserem Universum in der Zukunft ? Was liegt außerhalb unseres Horizonts ?
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Grenzen der Physik
über die Schwierigkeit , Antworten zu finden …
Thermische Grenze Energiegrenze , Auflösungsgrenze Raumgrenze Komplexitätsgrenze Grenzen der jetzigen Gesetze der Physik ?
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Thermische Grenze
Das frühe Universum war im thermischen Gleichgewicht .
Das Universum “ vergisst “ ! Werfen Sie einmal ein Buch auf die Sonne und
versuchen , es 10 000 Jahre später zu lesen …
andererseits : nur wenige Größen werden zur Beschreibung des frühen Universums benötigt !
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Thermisches Gleichgewicht Energie ~ Masse ~ Temperatur
Welche Teilchensorten gibt es mit Masse < Temperatur ? ( Elektronen ,Quarks , Photonen , Neutrinos , W-Bosonen , …???? ) Was ist ihre Masse ?
Elementarteilchen - Physik
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Näher an den Urknall
Je näher an den Urknall, desto höher die Temperatur und Energie der Teilchen
Physik bei hohen Energien weniger gut bekannt Erst ab 10-12 Sekunden abb : Im wesentlichen
bekannte Physik
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Teilchenphysik nähert sich Urknall
vor Zeiten von 10-12 Sekunden abb sind die Teilchen mit Masse < Temperatur nicht experimentell bekannt
LHC erforscht Physik , die für 10-12 Sekunden abb wichtig ist
spontane Symmetriebrechung , Phasenübergang
Energiegrenze …
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Energiegrenze
LHC , CERN , Genf
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Komplexitätsgrenze
Galaxien-Entstehung
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Komplexitätsgrenze :
Details der Galaxienentstehung vermutlich nicht wichtig für Verständnis der Entwicklung des Universums als Ganzem
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Grenzen der Gesetze : Waren die Naturkonstanten konstant ?
Gelten die Gesetze der Physik auch noch eine Minute abb ?
Oder hatten damals Naturkonstanten andere Werte ?
anderes Verhältnis Elektronmasse/Protonmasse oder andere Gravitationskonstante , oder ???
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Ωb = 0.045
nur 4,5 % des Universums bestehen aus Atomen : bekannt von Hintergrundstahlung , Nucleosynthese 400 000 Jahre abb Atomphysik
Minute abb Kernphysik
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Präzise Bestätigung unseres Verständnisses der Physik
und Kosmologie
Auch vor 13.7 Milliarden Jahren hatten die Konstanten der Physik die
( fast ) gleichen Werte
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Wir verfügen über zuverlässiges Wissen über die Entwicklung des Universums seit den ersten 10 -12 Sekunden ! aber vorher ?
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Abenteuerreise an den Anfang der Welt
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Eternal inflation A. Linde
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Was ist reell ? Was ist Vorstellung ?
Was ist pure Spekulation ?
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Quantenfluktuationen am Urknall werden beobachtbar !
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Inflationäres Universum
Ca 10 -30 - 10 -40 Sekunden abb Entstehung der primordialen Fluktuationen aus Quantenfluktuationen Signale vom Urknall !
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Das Vakuum ist nicht leer !
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Quantenfelder
Fluktuierende Felder : Feldwerte ändern sich mit Zeit und im Raum
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Quantenfluktuationen im Vakuum
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Quantentheorie ist probabilistisch
Quantentheorie gibt nur Wahrscheinlichkeiten für verschiedene Verläufe ( Trajektorien , Geschichten )
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Quantentheorie für Felder Mittelwert Fluktuationen um Mittelwert : gekennzeichnet durch Korrelationen Unschärfe – Prinzip ( Heisenberg ) : Untergrenze für Stärke der Fluktuationen
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Inflationäres Universum
Ca 10 -30 - 10 -40 Sekunden abb Entstehung der primordialen Fluktuationen aus Quantenfluktuationen Signale vom Urknall !
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t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )
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t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )
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Kosmische Strukturbildung im Grossrechner Simon White, Mainz, 1.7.
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Strukturbildung Aus winzigen Anisotropien wachsen die
Strukturen des Universums Sterne , Galaxien, Galaxienhaufen Ein primordiales Fluktuationsspektrum beschreibt
alle Korrelatonsfunktionen !
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(1) Die Strukturen im Universum sind aus Quantenfluktuationen während des
Urknalls entstanden
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Vortrag F.Wilczek, 20.5.14
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Unzulänglichkeiten des Friedmann- Universums
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Warum hat das Universum die kritische Dichte ?
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Kritische Dichte
Ωtot =1 flaches Universum
Ωtot >1 Kugeloberfläche
Ωtot <1 hyperbolische Geometrie
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gekrümmte Bahnen der Lichtstrahlen
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Instabilität der flachen räumlichen Geometrie
Zeitentwicklung von Ω für Friedmann- Gleichung mit gekrümmter Geometrie
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Kausalität
Horizont bei CMB - Emission
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Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile
Physik : Korrelationen
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Langreichweitige Korrelationen Korrelationen in der Hintergrundstrahlung über Abstände , die größer sind als der Horizont
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(2) Grenzen der Einstein- Gleichungen: kein Verständnis von
Homogenität, Isotropie, flacher räumlicher Geometrie, langreichweitigen Korrelationen
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Inflationäres Universum
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Gleichung für die kosmologische Evolution :
Friedmann Gleichung
a(t) : Skalenfaktor ρ(t) : Energie- Dichte t : Zeit
M : Planck-Masse verknüpft mit Gravitationskonstante G
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Friedmann Gleichung
Mit Friedmann Gleichung läßt sich Evolution des Universums einfach verstehen Spezialfall der Einstein Gleichung
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Friedmann Gleichung
beschreibt die Änderung der
kosmologischen Abstände mit der Zeit ; a(t) enthält Ableitung Differentialgleichung erlaubt Bestimmung der Zukunft und Vergangenheit
wenn a und ρ zu bestimmtem Zeitpunkt t gegeben benötigt Eigenschaften von ρ
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wenn Materie dominiert :
n : Teilchendichte
Expansion wird langsamer , wenn a größer wird
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wenn Energiedichte konstant ist :
Dunkle Energie und Dunkle Materie sind (heute) Gegenspieler : Dunkle Materie verlangsamt Expansion Dunkle Energie beschleunigt Expansion
ρ konstant: Expansion wird schneller wenn a größer wird
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wenn Energiedichte konstant ist :
Inflation : Periode mit fast konstanter Energiedichte explosionsartige Expansion Inflation = Urknall
ρ konstant: Expansion wird schneller wenn a größer wird
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Explosionsartige Expansion der Inflation löst Problem der Kausalität
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Explosionsartige Expansion der Inflation löst Problem der Kausalität und erklärt, wie Information bis heute gespeichert
werden kann
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Explosionsartige Expansion der Inflation erklärt räumlich flache Geometrie
?
?
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(3) Fast konstante Energiedichte führt zu explosionsartiger Ausdehnung
des Raums
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Inflaton : das Skalarfeld der Inflation
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Skalarfeld und fast konstante Energiedichte
potentielle Energie V trägt zur Energiedichte bei
flaches Potential : langsame Änderung
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Urknall : Explosion des Raums
am Anfang waren Raum und Zeit und Felder während der Inflation ist Universum leer Materie und Strahlung werden am Ende der
Inflation erzeugt
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Erzeugung von Teilchen, Strahlung und Entropie
am Ende der Inflation
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Quantenfluktuationes des Skalarfelds sind berechenbar
Signale
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Vorhersage der Temperaturschwankungen in Abhängigkeit von Fleckengröße ( im Winkel )
ca 1 Grad ca 10 Grad
Kontrast
Winkel
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(4) Am Anfang war das Universum öd und leer :
Skalarfeld, Gravitationsfeld, Quantenfluktuationen der Felder
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Chancen der Verifizierung ?
Es fehlt vereinheitlichte Theorie aller Wechselwirkungen !
Dennoch : Beobachtungen geben
Aufschluss über extreme frühe Epochen der kosmologischen Entwicklung !
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Vorhersage: räumlich flaches Universum
Theorie (Inflationäres Universum )
Ωtot =1.0000……….x Beobachtung ( Planck )
Ωtot =0.99 ( ±0.006)
Ωtot = 1
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Vorhersagen der Inflation
Universum hat kritische Dichte ☺
Quantenfluktuationen aus der Zeit der Inflation werden zu “Schallwellen“ zum Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung ☺
Fluktuationen sind adiabatisch ( erhaltene Entropie ) ☺
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Vorhersagen der Inflation Fluktuationen sind Gauss-verteilt ☺
Fluktuationen sind fast skaleninvariant☺
Quantenfluktuationen der Metrik führen zu
Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung ( B-modes )
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(5) Vorhersagen der Inflation bisher alle bestätigt !
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Viele Modelle der Inflation …
für die meisten Modelle : Am Nullpunkt der Zeit werden Lösungen der
kosmologischen Gleichungen singulär
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Was ist Ursache der Inflation ?
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Spekulative Physik ..
Zusätzliche Raumdimensionen “Kosmologie vor dem Urknall” Superstringtheorien Multiversum Kosmon - Inflation
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Dunkle Energie nur ein Viertel der Enegiedichte des Universums
besteht aus Materie drei Viertel sind völlig gleichmäßig verteilte
Dunkle Energie
Woraus besteht das Universum ?
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Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler Energie
Die Expansion des Universums beschleunigt sich heute ! ähnlich zur Inflation
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Dynamische Dunkle Energie benötigt Skalarfeld ( Kosmon ) Dieses Feld kann auch für die Inflation verantwortlich sein !
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(6) Inflaton = Kosmon ? Frühe und späte Dunkle Energie
können durch ein einziges Skalarfeld beschrieben werden
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Zusammenfassung
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(1) Die Strukturen im Universum sind aus Quantenfluktuationen während des
Urknalls entstanden
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(2) Grenzen der Einstein- Gleichungen: kein Verständnis von
Homogenität, Isotropie, flacher räumlicher Geometrie, langreichweitigen Korrelationen
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(3) Fast konstante Energiedichte führt zu explosionsartiger Ausdehnung
des Raums
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(4) Am Anfang war das Universum öd und leer :
Skalarfeld, Gravitationsfeld, Quantenfluktuationen der Felder
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(5) Vorhersagen der Inflation bisher alle bestätigt !
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(6) Inflaton = Kosmon ? Frühe und späte Dunkle Energie
können durch ein einziges Skalarfeld beschrieben werden
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Ende