Jim's Simple Physics Issue #i: The Big Bang Theory and Inflation [geschlossen]

Vor dem Zweiten Weltkrieg wurde von Astronomen entdeckt, dass sich die anderen Galaxien in jede Richtung von uns entfernen (vielleicht riecht unsere Galaxie schlecht oder so). Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie (GR) war noch ziemlich neu, aber mit etwas ausgefallener Mathematik konnten Kosmologen zeigen, dass GR diese Rezession erklären könnte, wenn sich das Universum ausdehnt.

Um mit diesen Beobachtungen fertig zu werden, tauchten viele konkurrierende Theorien auf, aber es gab zwei Haupttheorien, zwischen denen sich die meisten Kosmologen entschieden. Eine wurde die Steady-State-Theorie genannt. Diese Theorie war, dass das Universum für immer ziemlich gleich aussah. Sie würde sich ausdehnen und Galaxien zurückziehen, aber in dieser Theorie verursachte die Ausdehnung des Universums, dass in regelmäßigen Abständen Materie geschaffen wurde, die dann neue Galaxien bildete. An der Verteilung von Galaxien und Materie würde sich also eigentlich nicht viel ändern; es scheint immer dasselbe zu sein, aber sich ausdehnend. Die zweite Theorie, die aufkam, war, dass, wenn man die Bahnen dieser Galaxien in der Zeit zurückverfolgt, Sie würden feststellen, dass das Universum weiter in der Vergangenheit heißer und dichter wird und dass alles zusammenlaufen sollte (ähnlich wie sie den Weg eines Schrapnells rückwärts verfolgen, um den Ort einer Explosion in diesen CSI-Shows zu finden). Diese Theorie wurde später (scherzhaft) als Urknalltheorie bezeichnet. Zu der Zeit (das war jetzt nach dem Zweiten Weltkrieg) gab es Mathematik, um beide Theorien zu stützen, und obwohl sie sehr unterschiedliche Vorhersagen und Implikationen hatten, gab es einen deutlichen Mangel an Beobachtungen, die zeigen konnten, welche besser war. Die meisten Kosmologen der damaligen Zeit bevorzugten jedoch die Steady-State-Theorie, zum Teil, weil die Urknalltheorie bedeutete, dass es einen Anfang des Universums gab, und diese Idee „abstoßend“ und übermäßig religiös erschien. Angeblich,

Diese Debatte dauerte fast zwei Jahrzehnte. In dieser Zeit tauchten einige Beobachtungen auf, die darauf hindeuteten, dass das Urknall-Modell wahrscheinlicher war; aber nichts, was die Steady-State-Theorie endgültig widerlegen könnte. Eine der Vorhersagen der Urknalltheorie war jedoch, dass das Universum irgendwann in der Vergangenheit so heiß und so dicht gewesen sein würde, dass der Weltraum selbst nicht mehr durchsichtig wäre. Wenn man damals in den Weltraum hinausblicken würde, hätte es, anstatt die vertraute Schwärze des Weltraums mit Sternen und so weiter am Himmel zu sehen, stattdessen so ausgesehen, als wäre jeder Punkt im Weltraum wie der Blick auf die Oberfläche eines leuchtend orangefarbenen Sterns ( Ihr Ofenelement wird so heiß, dass es rot leuchtet; das Universum war heiß genug, um orange zu leuchten). Die Theorie besagt weiter, dass das Universum irgendwann schnell (schnell bedeutet in nur einem Dutzend oder so tausend Jahren) durchsichtig wurde. Zu diesem Zeitpunkt schoss jedes Licht, das erzeugt wurde, als es heiß und undurchsichtig war, einfach in den Weltraum, bis es auf etwas traf (einige davon trafen nie etwas). Als sich das Universum weiter ausdehnte, kühlte es ab und dieses Licht wechselte allmählich von orange nach rot und schließlich in den Bereich der Mikrowellenstrahlung (entsprechend einer Temperatur von 270,45 °C unter Null). Da dieses Licht ungefähr zur gleichen Zeit von jedem Punkt im Universum ausging, sagte das Urknallmodell, dass wir erwarten sollten, Mikrowellenstrahlung über den gesamten Himmel aus einer Entfernung zu sehen, die der Zeit entspräche, zu der das Licht emittiert wurde (denken Sie daran, Licht braucht Zeit, um eine Strecke zurückzulegen. Je weiter man in den Weltraum blickt, je weiter in die Vergangenheit man sieht). Andererseits sagte das Steady-State-Modell, da das Universum immer ungefähr gleich aussieht, es keine Zeit gegeben hätte, in der diese „Cosmic Microwave Background Radiation“ (CMB) hätte emittiert werden können, also sollten wir nichts sehen der Sorte. Nun, im Jahr 1964 entdeckten wir, dass man überall, wo man in den Himmel schaut, Mikrowellenstrahlung findet, genau wie die Urknalltheorie es vorhergesagt hat. Wie unser liebenswerter Dr. Stephen Hawking es damals so poetisch ausdrückte, war dies „der letzte Nagel im Sarg der Steady-State-Theorie“. Während es einige Wissenschaftler gab, die immer noch alternative Theorien unterstützten, wurde der Urknall zur dominierenden akzeptierten Theorie in der Kosmologie. es hätte keine Zeit gegeben, in der diese „Cosmic Microwave Background Radiation“ (CMB) hätte emittiert werden können, also sollten wir nichts dergleichen sehen. Nun, im Jahr 1964 entdeckten wir, dass man überall, wo man in den Himmel schaut, Mikrowellenstrahlung findet, genau wie die Urknalltheorie es vorhergesagt hat. Wie unser liebenswerter Dr. Stephen Hawking es damals so poetisch ausdrückte, war dies „der letzte Nagel im Sarg der Steady-State-Theorie“. Während es einige Wissenschaftler gab, die immer noch alternative Theorien unterstützten, wurde der Urknall zur dominierenden akzeptierten Theorie in der Kosmologie. es hätte keine Zeit gegeben, in der diese „Cosmic Microwave Background Radiation“ (CMB) hätte emittiert werden können, also sollten wir nichts dergleichen sehen. Nun, im Jahr 1964 entdeckten wir, dass man überall, wo man in den Himmel schaut, Mikrowellenstrahlung findet, genau wie die Urknalltheorie es vorhergesagt hat. Wie unser liebenswerter Dr. Stephen Hawking es damals so poetisch ausdrückte, war dies „der letzte Nagel im Sarg der Steady-State-Theorie“. Während es einige Wissenschaftler gab, die immer noch alternative Theorien unterstützten, wurde der Urknall zur dominierenden akzeptierten Theorie in der Kosmologie. Stephen Hawking formulierte es damals so poetisch, dies sei „der letzte Nagel im Sarg der Steady-State-Theorie“. Während es einige Wissenschaftler gab, die immer noch alternative Theorien unterstützten, wurde der Urknall zur dominierenden akzeptierten Theorie in der Kosmologie. Stephen Hawking formulierte es damals so poetisch, dies sei „der letzte Nagel im Sarg der Steady-State-Theorie“. Während es einige Wissenschaftler gab, die immer noch alternative Theorien unterstützten, wurde der Urknall zur dominierenden akzeptierten Theorie in der Kosmologie.

Aber was genau ist der Urknall? Um dies zu beantworten, lassen Sie mich zunächst beschreiben, was ich meine, wenn ich sage, dass sich das Universum ausdehnt. Stellen Sie sich einen teilweise aufgeblasenen Ballon vor. Stellen Sie sich nun zwei Ameisen vor, die einfach an zwei verschiedenen Stellen auf der Oberfläche des Ballons chillen. Sie bewegen sich nicht; Wahrscheinlich im Urlaub oder so. Dies repräsentiert das Universum, wie es heute ist, und die Ameisen sind zwei riesige Weltraumameisen, die sich nicht von ihrer Position bewegen werden. Wenn wir damit fortfahren, den Ballon aufzublasen, ist das so, als ob sich das Universum ausdehnt. Beachten Sie, dass sich die Ameisen zwar nicht bewegen, der Abstand zwischen ihnen jedoch zunimmt. Tatsächlich sehen wir, dass sich jeder Punkt auf dem Ballon weiter von jedem anderen Punkt entfernt und dass sich weiter entfernte Punkte schneller entfernen, was auch für die Expansion des Universums gilt. Wenn wir dann den Ballon entleeren, das ist wie eine Reise in die Vergangenheit und wir sehen, wie der Abstand zwischen den Ameisen schrumpft, obwohl sie sich immer noch nicht bewegt haben. Dies bringt uns zur Definition des Urknalls. Wenn wir den Ballon weiter entleeren würden, würde irgendwann der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten Null werden. Das bedeutet nicht, dass sich unsere Ameisen am selben Punkt befinden, es bedeutet, dass es keine Entfernung zwischen ihren Standorten gibt. Der Urknall ist definiert als der Zeitpunkt, an dem der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten im Raum gleich Null war. Daraus sehen wir, dass der Urknall kein Ereignis war, wie eine Explosion, die an einem bestimmten Ort stattfand, sondern ein Moment der Zeit, wie „gestern“. Wenn also jemand fragen würde, wo der Urknall passiert ist, ist das wie die Frage „Wo ist gestern passiert?“. Überall. obwohl sie sich immer noch nicht bewegt haben. Dies bringt uns zur Definition des Urknalls. Wenn wir den Ballon weiter entleeren würden, würde irgendwann der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten Null werden. Das bedeutet nicht, dass sich unsere Ameisen am selben Punkt befinden, es bedeutet, dass es keine Entfernung zwischen ihren Standorten gibt. Der Urknall ist definiert als der Zeitpunkt, an dem der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten im Raum gleich Null war. Daraus sehen wir, dass der Urknall kein Ereignis war, wie eine Explosion, die an einem bestimmten Ort stattfand, sondern ein Moment der Zeit, wie „gestern“. Wenn also jemand fragen würde, wo der Urknall passiert ist, ist das wie die Frage „Wo ist gestern passiert?“. Überall. obwohl sie sich immer noch nicht bewegt haben. Dies bringt uns zur Definition des Urknalls. Wenn wir den Ballon weiter entleeren würden, würde irgendwann der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten Null werden. Das bedeutet nicht, dass sich unsere Ameisen am selben Punkt befinden, es bedeutet, dass es keine Entfernung zwischen ihren Standorten gibt. Der Urknall ist definiert als der Zeitpunkt, an dem der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten im Raum gleich Null war. Daraus sehen wir, dass der Urknall kein Ereignis war, wie eine Explosion, die an einem bestimmten Ort stattfand, sondern ein Moment der Zeit, wie „gestern“. Wenn also jemand fragen würde, wo der Urknall passiert ist, ist das wie die Frage „Wo ist gestern passiert?“. Überall. Es würde eine Zeit kommen, in der der Abstand zwischen zwei beliebigen getrennten Punkten Null wird. Das bedeutet nicht, dass sich unsere Ameisen am selben Punkt befinden, es bedeutet, dass es keine Entfernung zwischen ihren Standorten gibt. Der Urknall ist definiert als der Zeitpunkt, an dem der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten im Raum gleich Null war. Daraus sehen wir, dass der Urknall kein Ereignis war, wie eine Explosion, die an einem bestimmten Ort stattfand, sondern ein Moment der Zeit, wie „gestern“. Wenn also jemand fragen würde, wo der Urknall passiert ist, ist das wie die Frage „Wo ist gestern passiert?“. Überall. Es würde eine Zeit kommen, in der der Abstand zwischen zwei beliebigen getrennten Punkten Null wird. Das bedeutet nicht, dass sich unsere Ameisen am selben Punkt befinden, es bedeutet, dass es keine Entfernung zwischen ihren Standorten gibt. Der Urknall ist definiert als der Zeitpunkt, an dem der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten im Raum gleich Null war. Daraus sehen wir, dass der Urknall kein Ereignis war, wie eine Explosion, die an einem bestimmten Ort stattfand, sondern ein Moment der Zeit, wie „gestern“. Wenn also jemand fragen würde, wo der Urknall passiert ist, ist das wie die Frage „Wo ist gestern passiert?“. Überall. 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Großartig, also wurde die Urknalltheorie zur Lieblingstheorie und alles im Leben wurde für immer wunderbar, richtig? Nö. Es wurde bald darauf hingewiesen, dass es eine klaffende Lücke in der Urknalltheorie gab. Wenn wir auf das CMB blicken, sehen wir, dass es in allen Richtungen fast genau gleich ist, als ob sich die Temperatur an jedem Punkt im Weltraum hätte ausgleichen können, bevor die Strahlung emittiert wurde. Aber halten Sie fest, nichts kann sich schneller fortbewegen als das Licht, und das Licht von einer Seite des Himmels erreicht uns gerade jetzt; auf halbem Weg zwischen den beiden gegenüberliegenden Seiten des Himmels, nachdem er etwa 13,8 Milliarden Jahre gereist ist. Wie konnten also die beiden gegenüberliegenden Seiten des Himmels jemals miteinander gesprochen haben, um ihre Temperaturen auszugleichen? Als wir nachrechneten, Wir fanden heraus, dass es nie eine Zeit gab, in der diese Regionen des Universums miteinander in Verbindung standen, und dennoch sehen wir, dass sie in Kontakt gewesen sein müssen, um ihre Temperaturen auszugleichen (andernfalls würden Sie zumindest eine gewisse Variation erwarten). Das ist das Horizontproblem des alten Urknallmodells.

Hier kommt die Inflation ins Spiel. Um das Horizontproblem (und ein paar weitere mathematische Probleme) zu lösen, wurde die Theorie der Inflation vorgeschlagen, die besagt, dass sich das Universum zunächst sehr langsam ausdehnte. Dies dauerte eine unvorstellbar kurze Zeitspanne, aber da der Abstand zwischen zwei beliebigen Punkten auch unvorstellbar gering war, war die Lichtgeschwindigkeit schnell genug, um alles zu kommunizieren und die Temperaturen auszugleichen. Sehr bald jedoch hob die Erweiterung ab wie eine Fledermaus aus der Hölle. Innerhalb von 10-30 Sekunden (oder einem Milliardstel von einem Milliardstel einer Milliardstel Millisekunde) expandierte das Universum mindestens um den Faktor 1026. Um das ins rechte Licht zu rücken, wenn Sie zwei Punkte hatten, die vor Beginn des Aufblasens durch einen Abstand von etwa der Größe einer Person (etwa 6 Fuß) voneinander getrennt waren, dann, nachdem es 10 bis 30 Sekunden später endete, Die Entfernung zwischen denselben beiden Punkten würde etwa 20 Milliarden Lichtjahre betragen. Diese Punkte konnten vielleicht vorher miteinander sprechen, aber danach sind sie eindeutig zu weit voneinander entfernt, um überhaupt zu kommunizieren.

Die schnelle Expansion während des Aufblasens kühlte das Universum erheblich ab, ähnlich wie expandierende Flüssigkeit zum Kühlen Ihres Kühlschranks verwendet wird. Nach der Inflation verlangsamte sich die Expansion jedoch schnell (sehr schnell). Was passiert also, wenn Sie in Ihrem Auto sitzen und auf die Bremse treten? Die Bremsen können sehr heiß werden. Auf seltsam ähnliche Weise verlangsamte sich die Expansion nach dem Aufblasen so schnell, dass sich das Universum wieder erwärmte (Profi-Tipp: Berühren Sie keine wirklich heißen Bremsbeläge oder Universen). Die enorme Energiemenge in diesem Wiedererwärmungsprozess führte auch dazu, dass Materie und Strahlung zuerst entstanden (es gibt einen viel komplizierteren Grund dafür, der den Zerfall des Feldes betrifft, das die Inflation antreibt, aber meistens läuft es darauf hinaus, die Energie bereitzustellen, um alles zu erschaffen). . Von dort,

Abschließend habe ich überprüft und es stellt sich heraus, dass Wissenschaftler nach vielen Jahren wiederholt bestätigen konnten, dass es KEINE Butter ist, aber ich kann immer noch nicht glauben, dass es keine Butter ist.