Inflation in der Kosmologie

Einführung

Es soll Vorgänge in der Natur gegeben haben, die extrem viel schneller waren als die Lichtgeschwindigkeit.  Manche denken dies sei auch heute noch der Fall. Es geht um die kosmologische Expansion des Weltraums. Über die Inflation wurden viele Theorien entwickelt. Wenn es um Raum und Zeit geht, schaute ich schon immer genauer auf das dazu Gesagte und Geschriebene. Es geht ja bei der kosmologischen Inflation unmittelbar um das Verständnis der Entstehung des Kosmos.

Es gibt viele Theorien über die Entstehung unseres Kosmos. Meines Wissens gibt es aber solche wissenschaftliche Theorien über die Entstehung des Universums nicht. Manche Wissenschftler postulieren mehrere Gebilde ähnlich zu unserem Kosmos, die sich nebeneinander im Universum befinden könnten und noch anderes wie eine Ursuppe könne sich außerhalb unseres Kosmos befinden. Das bedingt aus meiner Sicht die Trennung der Begriffe Kosmos und den des alles beinhaltenden Universums wie in meinem Beitrag „Universum und Kosmos“ erläutert.

Wer meint Universum und Kosmos seien ein und das selbe wird kein Problem damit haben, wenn ich mich in der Folge nur mit unserem Kosmos befassen werde. Wer über größere  Theorien nachdenkt wird mit der getroffenen Unterscheidung besser fahren.

Unter diesem Motte: „Wer das eine will, muss das andere mögen!“, steht nicht nur das eben zum Kosmos und Universum Gesagte, sondern es trifft auch auf die Urknalltheorie zu. Es ist die Standardtheorie der Astrophysiker/Kosmologen über den Beginn unseres Kosmos, die von einem Punkt aus einfach nicht ohne Inflationstheorie funktionieren will..

Der Knackpunkt ist eine Naturkonstante, die Lichtgeschwindigkeit. Nichts kann sich schneller fortbewegen/ausbreiten als das Licht. Nun befindet sich aber in unserem beobachtbaren Kosmos Materie weit weg von dem winzigen Punkt an dem alles begonnen haben soll.  Und zwar hat sich die Materie soweit weg bewegt, das selbst das Licht über 13 Milliarden Jahre gebraucht hat dorthin zu kommen, wo die Materie auch unsere Erde heute ist. Das sich Materie genauso wie oder schneller als das Licht ausbreiten kann, widerspricht aber der von Albert Einstein ins Leben gerufenen speziellen Relativitätstheorie!

Und genau hier wurde die Inflationstheorie ins Spiel gebracht damit die Urknalltheorie gehalten werden kann. Wikipedia ((Stichwort: Inflation (Kosmologie) Stand 21.02.2016)) definiert das so:“ Als kosmologische Inflation wird eine Phase extrem rascher Expansion des Universums bezeichnet, von der man annimmt, dass sie unmittelbar nach dem Urknall stattgefunden hat.“ Das heute bevorzugte Modell, die ”chaotische Inflation” wurde von A. Linde 1983 vorgestellt. Linde zeigt, dass unter Annahme chaotischer Anfangsbedingungen Inflation prinzipiell in jedem Modell mit einem ausreichend flachen effektiven Potential möglich ist. Von extrem rascher Expansion gleich nach dem Urknall gehen fast alle Modelle aus. Extrem rasche Expansion heißt aber nichts anderes, als dass sich die zu dem Zeitpunkt existierenden Teilchen mit sehr hoher Überlichtgeschwindigkeit von einander entfernt haben.

Wer also die Urknalltheorie will, muss die Inflation mögen. Sonst geht es so nicht. Gemeint ist die Entstehung unseres gesamten Kosmos mit Energie, Materie und den Naturgesetzen aus einen winzigen Punkt heraus, aus einer sogenannten Singularität.

Gesetzt den Fall ich würde die kosmische Inflation „mögen“ so haben sich mir in diesem Zusammenhang einige Fragen gestellt: Wie groß ist unser Kosmos denn von der Inflation „aufgeblasen“ worden? Reicht das die heutigen Beobachtungen der Materie wieder mit der Lichtgeschwindigkeit übereinstimmen zu lassen? Wo läge eine logische Grenze der überlichtschnellen Vergrößerung des Kosmos? Was heißt es genauer für die Größe des Kosmos nach dem Ende der Inflationsperiode, wenn gesagt wird, der Kosmos habe sich mit der Inflation um den Faktor 1026 (hier Wikipedia, wird verschieden angegeben) vergrößert? Reicht die Größe dann, die Widersprüche zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Materie und die des Lichts zu klären? Und dann sind da noch die Fragen zum Raum und zum Vakuum.

Auf diese und weiteren Fragen bin ich gekommen, weil die Antworten in entsprechenden Publikationen vielfach verschleiert oder komplett ausgespart werden. Was ist da los mit der kosmischen Inflation? Kann es sie überhaupt gegeben haben?

Der Mathematiker, Astronom und Astrophysiker Rudof Kippenhahn, der von 1975 bis 1991 Direktor des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching bei München war, braucht in seinem Bild vom Urknall die Inflation nicht. In meinem Beitrag Widersprüche der Urknalltheorie ging ich darauf näher ein.

Die Meinungen über die kosmische Inflation reichen von: Eine Inflationstheorie wird zur Erklärung des Urknallmodells nicht benötigt, da der Urknall nicht von einem Punkt ausging. Es gab sie in einem winzigen Zeitraum gleich nach dem Urknall mit bescheidenem Ergebnis, bis hin dass sie sich in die Unendlichkeit ausdehnt und heute immer noch anhält. Angaben zur Größe des Kosmos und zu dem was sich da eigentlich bewegt sind durchweg äußert verwirrend.

Nachfolgend einige Beispiele, Erläuterungen und Meinungen zur Inflation.

Beispiel Wikipedia

Wikipedia ((Stichwort: Inflation (Kosmologie) Stand 21.02.2016)) definiert und erklärt die kosmologische Inflation und sagt wann sie stattgefunden und wie lange sie ungefähr gedauert haben soll. Zitat:“ Innerhalb dieser Ära begann die Inflation etwa bei 10−35 s und dauerte bis zu einem Zeitpunkt zwischen 10−33 s und 10−30 s nach dem Urknall.“ Zur Größe des Kosmos wird nur gesagt Zitat:“Es wird davon ausgegangen, dass sich das Universum in dieser Zeit um mindestens den Faktor 1026 ausgedehnt hat.“

Welch eine riesige Zahl. Damit wird der nach der Größe des Kosmos nach der inflationären Phase suchende Leser dann staunend alleine gelassen. Allerdings stimmt dies nicht ganz. Er wird weiter verwirrt. Es wird die Lösung einiger größerer kosmologischer Probleme durch die Annahme einer Inflation beschrieben. Da steht noch etwas zur Größe des Kosmos. Zitat: „Der Bereich des heute sichtbaren Universums weist keine messbare Raumkrümmung auf. Im Rahmen einer Standard-Expansion wäre dazu unmittelbar nach dem Urknall eine extrem exakte Abstimmung von Materiedichte und kinetischer Energie erforderlich gewesen, für die es keine Erklärung gibt. Für den Fall einer inflationären Expansion dagegen wäre die beobachtete Flachheit des Raumes lediglich eine Folge seiner ungeheuren Ausdehnung, da das heute sichtbare Universum nur einen winzigen Ausschnitt repräsentieren würde.“

Heißt das nun, die Inflation hat diese ungeheuere Ausdehnung verursacht?

An anderer Stelle auf Wikipedia (Stichwort: Urknall Pkt. 3.2.1 Inflationstheorie Stand 21.02.2016) findet man zur Größe des Universums nach dem Ende der kosmischen Inflation mehr, Zitat:“Die Inflation wird zeitlich in der GUT-Ära angesiedelt. Während dieser sogenannten Inflation dehnte sich das Universum innerhalb von 10−35 bis 10−32 Sekunden um einen Faktor zwischen 1030 und 1050 aus. Diese überlichtschnelle Ausdehnung des Universums steht nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie, da diese nur eine überlichtschnelle Bewegung im Raum, nicht jedoch eine überlichtschnelle Ausdehnung des Raumes selbst verbietet. Der Bereich, der dem heute beobachtbaren Universum entspricht, hätte dabei der Theorie zufolge von einem Durchmesser, der den eines Protons weit unterschreitet, auf etwa 10 cm expandieren müssen.“

O.k., das ist mal eine Ansage. Nach dem Ende der inflationären Expansion des Kosmos unmittelbar nach dem Urknall war der Durchmesser des Kosmos also 10 cm groß! Da waren ja noch alle Energie und Strahlung auf kleinstem Raum versammelt. Materie vom Proton angefangen bildete sich erst viel später. Warum muss hier betont werden bei der überlichtschnellen Ausdehnung des Universums auf die Größe einer Orange hätte sich nur der Raum überlichtschnell ausgedehnt nicht aber die Dinge, die in ihm waren.

Wenn die inflationäre Expansion des Kosmos bei Orangengröße zu Ende war, bleiben die Widersprüche zur speziellen Relativitätstheorie bestehen. Eine Galaxie, die wir heute in 12,2 Milliarden Lichtjahren Entfernung sehen, kann niemals an einem Punkt mit uns vereint gewesen sein.

Beispiel „Kosmologie für die Westentasche“ von Rudolf Koppenhahn 

Der Autor teilt die Zeit nach dem Urknall in Epochen ein. Zu der weißen Epoche, die Zeit vor der Planck-Zeit, lassen sich keine Aussagen machen. In der grauen Epoche könnte mann aus kosmologischen Beobachtungen wenigstens schon eine Ahnung von den damals evt. geltenden Naturgesetzen entwickeln. Zitat (Seite 108-110): „Vier Kräfte regieren heute die physikalische Welt: die elektromagnetische Kraft, zwei Arten von Kernkräften, welche den Aufbau und den Zerfall von Atomen bestimmen, und die Schwerkraft. Es gibt Gründe anzunehmen, daß bei hinreichend hohen Temperaturen diese vier Kräfte verschiedene Formen einer einzigen Universalkraft sind.

Wenn das stimmt, waren also irgendwann vor der Planck-Zeit alle vier Kräfte eine einzige, die Welt beherrschende Kraft gewesen. Doch dann trennte sich die Schwerkraft von der Universalkraft ab. Danach, als sich das Weltall weiter abgekühlt hatte, löste sich die starke Kernkraft als gesonderte Kraft. Das war in der grauen Epoche, hinter dem Komma sind jetzt nur noch 34 Nullen: 0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 01 Sekunden. Die dabei frei werdende Energie zwang das Weltall, sich in kürzester Zeit so stark auszudehnen, daß ein Raumgebiet von der Größe eines Stecknadelkopfes sich danach über Hunderte von Milliarden Lichtjahren erstreckte. Nach dieser Phase der Inflation flog die Materie wieder gemächlich auseinander, wie es das Hubblesche Gesetz befiehlt. An dieses Bild glauben viele Kosmologen.“

Einige Bemerkungen des Astrophysikers lassen mich aufmerken. Einmal die ungeheuere Größe des Kosmos von mehreren Hundert Milliarden Lichtjahren nach der inflationären Phase in dieser vorgestellten Inflationstheorie. Er schreibt von auseinanderfliegender Materie und nicht von Ausdehnung des Raums selbst. Und er schreibt, dass viele Kosmologen an diese Inflationstheorie glauben, aber er schreibt nicht, dass er selber daran glaubt.

Beispiel „Quantum und Lotus“ von Matthieu Ricard  und Trinh Xuan Thuan 

Matthieu Ricard arbeitete als Forscher auf dem Gebiet der Molekularbiologie. Danach wurde er ein buddhistischer Mönch. Trinh Xuan Thuan ist Astrophysiker und Professor an der Universität von Virginia. Die Aussagen gelten für das Jahr 2000, als das Buch entstand.

Zitat: „Die Energie der uranfänglichen Leere stößt also in einem unvermittelten Ausbruch, den die Astrophysiker „Inflation“ nennen, das Universum aus. Die Inflation bewirkt ein geradezu Schwindel erregendes Anwachsen des kosmischen Volumens in unglaublich kurzer Zeit. In dem unvorstellbar kurzem Zeitraum zwischen der 10−35. Sekunde und der 10−32. Sekunde nach dem Urknall wächst das Universum von einem Größenwert, der dem zehnmillionstel Milliardstel von einem Milliardstel der Größe eines Wasserstoffatoms entspricht, exponentiell bis zur Größe einer Orange an.“

Diese Angaben über den Ablauf der Inflation und die anschließende Größe des Kosmos stimmen mit den Angaben bei Wikipedia überein.

Auch hier gilt: Wenn die inflationäre Expansion des Kosmos bei Orangengröße zu Ende war, bleiben die Widersprüche zur speziellen Relativitätstheorie bestehen. Eine Galaxie, die wir heute in 12,2 Milliarden Lichtjahren Entfernung sehen, kann niemals an einem Punkt mit uns vereint gewesen sein.

Beispiel „Eine kurze Geschichte der Zeit“ von Stephen W. Hawking

Zitat „In dem Bemühen, ein Modell des Universums zu entwickeln, in dem sich viele verschiedene Anfangszustände zu einem Gebilde wie dem gegenwärtigen Universum hätten entwickeln können, hat Alan Guth vom Massachusetts Institute of Technology die
Vermutung geäußert, das frühe Universum könnte eine Zeit sehr rascher Ausdehnung durchlaufen haben. Eine solche Ausdehnung wird «inflatorisch» genannt, was heißen soll, daß sich das Universum zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht, wie heute, mit abnehmender, sondern mit zunehmender Geschwindigkeit ausgedehnt hat. Laut Guth wuchs der Radius des Universums in einem winzigen Sekundenbruchteil um das Million-Millionen-Millionen-Millionen-Millionenfache (eine 1 mit dreißig Nullen) an. Guth meint, der Zustand des Universums sei unmittelbar nach dem Urknall sehr heiß, aber ziemlich chaotisch gewesen. Bei so hohen Temperaturen hätten sich die Teilchen im Universum sehr rasch bewegt und über hohe Energien verfügt.“

Zitat: „Ein besseres Modell, die sogenannte chaotische Inflationstheorie, wurde 1983 von Linde vorgeschlagen. In ihr gibt es keinen Phasenübergang und keine Unterkühlung, statt dessen ein Feld mit dem Spin 0, das im frühen Universum infolge von Quantenfluktuationen hohe Werte in einigen Regionen aufwies. Nach dieser Theorie verhielt sich die Feldenergie in jenen Regionen wie eine kosmologische Konstante. Sie hatte einen abstoßenden Gravitationseffekt und veranlaßte die betreffenden Regionen, sich inflatorisch auszudehnen. Bei dieser Ausdehnung nahm die Feldenergie der Regionen langsam ab, bis aus der inflatorischen Ausdehnung eine Expansionsbewegung wurde, wie sie im heißen Urknallmodell vorliegt. Eine dieser Regionen, so Linde, wurde zu dem, was wir heute als beobachtbares Universum vor Augen haben.“

In seinem bekannten Buch über die Zeit beschreibt Hawking unter anderem die Inflationstheorien. Die beiden von mir zitierten Textstellen beinhalten Angaben zum Zustand des Kosmos nach der inflationären Phase.

Da die Zahlen im Guth`schen Model den schon vorher gelesenen ähnlich sind, nehme ich hier nach dem Ende der Inflation wieder die Größe einer Orange an. Aus dem Text über das Linde-Model bin ich mir nicht sicher, ob der Text meint, dass die Inflation unseren Kosmos bis auf die heutige Größe gebracht hat.

Wird mit weiteren Beispielen fortgesetzt.