Die Expansion des Universums beschleunigt sich also, wie schon beim Urknall, also was kam dazwischen?

Die Expansion des Universums wird durch die vorherrschenden Formen von Energie und Materiedichte vorangetrieben. Dies ist im Wesentlichen ein Ausdruck einer berühmten Aussage von John Wheeler (aus dem Gedächtnis, bitte entschuldigen Sie, wenn ich den genauen Wortlaut falsch verstehe): "Raumzeit sagt der Materie, wie sie sich bewegt, Materie sagt der Raumzeit, wie sie sich krümmt". In diesem Fall sagt die Materie dem Universum, wie es sich ausdehnen soll. Mathematisch reduzieren sich Einsteins Gleichungen zur Beschreibung der Schwerkraft, wenn sie auf homogene und isotrope Universen (relevant für die Kosmologie) beschränkt sind, auf die Friedmann-Gleichungen , die die Expansionsrate mit dem Materiegehalt in Beziehung setzen.

Es gibt viele verschiedene Arten von Energiedichten, aber für die Kosmologie gibt es (bis zur nullten Ordnung) drei, die wirklich wichtig sind:

• Wenn das Universum von nicht-relativistischer Materie dominiert wird (Atome und Moleküle, aber auch dunkle Materie), wächst die Größe des Universums mit der Zeit ungefähr an$\sim t^{2/3}$.
• Wenn das Universum von relativistischer Materie dominiert wird (wie Photonen oder ein sehr heißes Gas aus Teilchen, die sich relativistisch bewegen), wächst das Universum$\sim t^{1/2}$.
• Wenn das Universum von einer ungefähr konstanten Energiedichte dominiert wird (mehr dazu gleich), wächst das Universum exponentiell$\sim e^{Ht}$, Wo$H$ist die Expansionsrate.

Beachten Sie, dass gewöhnliche Materie (relativistisch und nicht-relativistisch) keine konstante Energiedichte hat. Wenn sich das Universum ausdehnt, sinkt die Energiedichte (Energie pro Volumeneinheit), weil es die gleiche Anzahl von Teilchen, aber ein größeres Volumen gibt. (Nun, es kann sein, dass sich die Anzahl der Teilchen ändert, aber auf der Ebene dieser Diskussion ist das ein Detail, das nicht so wichtig ist, das Entscheidende ist, dass die Energie pro Volumeneinheit für gewöhnliche Materie abnimmt).

Also wird etwas Seltsames benötigt, um eine konstante Energiedichte bereitzustellen, wenn sich das Universum ausdehnt. Physikalisch können wir uns vorstellen, dass mit jedem Raumvolumen eine bestimmte Menge an Energie verbunden ist – dann, wenn sich der Raum ausdehnt, in gewissem Sinne mehr Raum schafft, ist auch mehr Energie mit diesem Raum verbunden. Dies ist im Wesentlichen die kosmologische Konstante. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass es ein dynamisches Feld (ein "Skalarfeld") gibt, das den Raum durchdringt, und eine damit verbundene potenzielle Energie, die überall ungefähr gleich ist.

Vor diesem Hintergrund lautet das derzeit allgemein anerkannte Modell der Kosmologie:

1. Die Energiedichte wird zunächst in einem Skalarfeld dominiert, dessen große potentielle Energie den Raum durchdringt und eine exponentielle Expansion verursacht.
2. Das Skalarfeld rollt sein Potential nach unten und rollt schließlich zu einem Bereich seines Potentials, wo seine potentielle Energie sehr klein ist. Dabei überträgt das Skalarfeld seine Energie auf gewöhnliche Materie- und Strahlungsfelder.
3. Das Universum tritt in eine Phase ein, in der es von relativistischer, heißer Materie dominiert wird.
4. Schließlich kühlt das Universum bis zu einem Punkt ab, an dem die Materie, die den Energiehaushalt dominiert, nicht relativistisch ist, sodass sich die Wachstumsrate ändert.
5. Wenn das Universum noch weiter abkühlt und seine Energiedichte abnimmt, wird die Energiedichte des Universums schließlich von einem kleinen konstanten Wert dominiert, der wahrscheinlich schon immer vorhanden war, aber (bis vor kurzem) nur einen vernachlässigbaren Beitrag zum Gesamtbudget leistete. Diese letzte Komponente wurde Ende der 90er Jahre als beschleunigte Expansion des Universums entdeckt.

Dies ist zwar eine Art Standardbild, aber nicht alle Punkte stehen auf gleicher Grundlage. Die ersten beiden Aufzählungspunkte werden nicht allgemein akzeptiert. Der erste Aufzählungspunkt wird "Inflation" genannt und erklärt (falls zutreffend), warum das Universum, das wir sehen, räumlich flach ist und warum wir beobachten, dass der CMB dieselbe Temperatur hat, obwohl die verschiedenen Flecken, aus denen der CMB besteht, dies nicht waren vor dem Urknall in Modellen ohne Inflation in ursächlichem Zusammenhang miteinander stehen. Die Inflationsperiode erklärt auch die Entstehung des Spektrums des CMB. Der zweite Aufzählungspunkt ist ein mysteriöser Prozess, von dem angenommen wird, dass er eine Kombination des Zerfalls von Skalarteilchen in andere Materie ("Wiedererwärmung") oder einen dynamischen Prozess beinhaltet, bei dem das Skalarfeld kohärent Energie in andere Felder pumpt ("Vorwärmung").

Die Punkte 3-5 stehen jedoch auf einer recht soliden Beobachtungsbasis. Wir haben Beobachtungen in der gesamten Geschichte des Universums, die das Universum während dieser verschiedenen Epochen untersuchen. Wir verstehen zwar nicht ganz, was das Universum heute antreibt, aber ein vollkommen zufriedenstellendes Modell, das alle Beobachtungen erklärt, ist, dass es eine sehr kleine konstante Energiedichte gibt, die das Universum während seiner gesamten Geschichte immer durchdrungen hat, aber wir sehen es nur jetzt, weil wir warten mussten, bis das Universum verdünnt genug wurde, um seine Auswirkungen zu sehen.

Die beiden Phasen sind unterschiedlich. Die beschleunigte Expansion unmittelbar nach dem Urknall ist als kosmische Inflation bekannt . Seine Ursache ist ungewiss, aber es ist nicht auf dunkle Energie zurückzuführen, wie der Begriff normalerweise verstanden wird. Die andere Periode beschleunigter Expansion begann vor ungefähr 5 Milliarden Jahren, und diesmal ist sie auf dunkle Energie zurückzuführen.

Es ist in der Tat so, dass sich das Universum in der Zeit nach der kosmischen Inflation, aber vor der gegenwärtigen beschleunigten Expansion, verlangsamte. Das liegt an der Schwerkraft – die Schwerkraft ist anziehend und verlangsamt immer die Expansionsrate des Universums. Dunkle Energie war damals nicht „in Kraft“, weil ihre Energiedichte gering ist. Die Energieskala der Dunklen Energie beträgt ca$10^{-12} GeV$. Wenn die durchschnittliche Dichte des Universums größer als dieser Wert ist, dominiert dunkle Energie das Universum nicht und die Expansionsrate verlangsamt sich. Die durchschnittliche Dichte des Universums fiel vor etwa 5 Milliarden Jahren unter diesen Wert (was Sinn macht – das Universum expandierte immer, es verlangsamte sich nur, daher sinkt die durchschnittliche Dichte) und dunkle Energie übernahm.

Es ist eine gute Frage und Sie sollten sich aller Meinungen dazu bewusst sein.

Die Urknalltheorie hat viele Erfolge, aber sie hatte auch Probleme, vielleicht könnten Sie sich mit dem „Horizontproblem“ und dem „Ebenheitsproblem“ befassen.

Um diese Probleme zu lösen, wurde die „Inflation“ eingeführt.

Später hatte das Modell „Urknall plus Inflation“ noch Probleme. Es waren keine übereinstimmenden Daten von Supernovae, die ein sich derzeit beschleunigendes Universum zu benötigen schienen. Also wurde dunkle Energie eingeführt.

Die Konkordanz-Kosmologie ist Big Bang plus die scheinbar ad-hoc und wenig verstandenen Ergänzungen.

Es ist nicht genau bekannt, wann oder warum die Inflation begann und endete und wann oder warum die Beschleunigung aufgrund der dunklen Energie begann. Die Ursache von jedem wird nicht verstanden.

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Das Beste, was die Konkordanzkosmologie tun kann, ist, Modelle zu erstellen, die diese Größen beinhalten. Diese Modelle zeigen, was dazwischen passiert ist, aber sie sind nur Modelle mit vielen variablen Parametern.

Die Konkordanzkosmologie kann viele Beobachtungen erklären und ist daher bei vielen Kosmologen beliebt, hat aber immer noch Probleme:

Das Koinzidenzproblem, bei dem Materiedichte und kosmologische konstante Dichteparameter zum jetzigen Zeitpunkt ungefähr gleich sind, ebenso die 'Hubble-Spannung' - unterschiedliche Werte für Hubbles Konstanten, die aus lokalen Messungen und den Modellen abgeleitet werden.

Um Ihre Frage zu beantworten, besteht eine Möglichkeit darin, dass unser derzeitiges kosmologisches Modell falsch ist und verbessert werden muss.

Nach dem Standardmodell dauerte die rasche Expansion des Universums unmittelbar nach dem Urknall (Inflationsepoche) nur einen winzigen Moment. Diese schnelle Expansion ermöglicht es, das Universum heute als homogen (durchweg einheitlich) und isotrop (in jeder Richtung gleich) zu betrachten. Es wird angenommen, dass es aufgrund von Effekten auf Quantenebene aufgetreten ist. Diese Quantenaktivitäten führen zur Vorstellung des Multiversums, wo viele Universen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften entstanden sind und sich weiter bilden werden.

Nach diesem kurzen Moment kehrte unser Universum zu einer normaleren Expansionsrate zurück, die mit der Zeit aufgrund von Gravitationseffekten verlangsamt wurde. Vor etwa 5 Milliarden Jahren wurde dunkle Energie dominant und führte zu einer Zunahme der Rezessionsrate von Galaxien, wie durch die Rotverschiebung des Lichts aus fernen Galaxien beobachtet wurde.

Das Interessante ist, dass es, wenn es über die Lebensdauer des Universums gemittelt wird, so aussieht, als ob das Universum einfach mit einer konstanten Expansionsrate dahingerollt wäre. Dies wird durch den Kehrwert der Hubble-Konstante bestimmt. Dies ist eine interessante Herausforderung in der Kosmologie, weil es darauf hindeutet, dass wir gerade jetzt in einem ganz besonderen Moment in der Geschichte des Universums leben.

Es gibt andere Möglichkeiten, dies zu betrachten, indem man vorschlägt, dass sich das Universum nicht wirklich ausdehnt, sondern dass es im Laufe der Zeit einfach mehr Raum im Universum gibt. https://www.barnesandnoble.com/w/from-falling-apples-to-the-universe-john-r-laubenstein/1139449122?ean=9781649908254