Was bedeutet eine Sekunde nach dem Urknall?

Wir wissen, dass die Zeit für verschiedene Beobachter unterschiedlich vergeht, und die Frage ist, wie eine Zeit angegeben werden kann, ohne zu sagen, in welchem ​​Rahmen sie sich befindet. Die Antwort ist, dass es in der Kosmologie einen bevorzugten Referenzrahmen gibt, den sich bewegenden Rahmen , weil es einen gibt Materie und Strahlung darin.

Intuitiv ist der spezielle Rahmen derjenige, der in Bezug auf diesen Materie- und Strahlungsinhalt "statisch" ist. Genauer gesagt ist es dasjenige, in dem alle Beobachter, die ein isotropes Universum sehen, statisch sind. Die in diesem System gemessene Zeit wird als Mitbewegungszeit bezeichnet. Die Zeit seit Beginn des Universums wird normalerweise auf diese Weise als Mitbewegungszeit angegeben.

Um eine gewisse Intuition über den mitbewegten Rahmen zu bekommen, könnte man die mitbewegten Beobachter betrachten, diejenigen, die Isotropie sehen und daher konstante mitbewegte Koordinaten haben. Ein mitbewegter Beobachter ist so beschaffen, dass er, wenn er sich umschaut und die Bewegung der Objekte hinzufügt, keine Nettobewegung sieht.

Zum Beispiel können wir den kosmischen Mikrowellenhintergrund betrachten und je nach Richtung eine Variation der Rotverschiebung feststellen. Es wird durch den Doppler-Effekt verursacht und bedeutet, dass wir eine gewisse Geschwindigkeit relativ zum sich bewegenden Rahmen haben. Andererseits sieht ein sich mitbewegender Beobachter in jeder Richtung die gleiche Rotverschiebung.

Ein weiteres Beispiel: Wir können die Entfernungen und Geschwindigkeiten von Galaxien messen. Nach dem Gesetz von Hubble erwarten wir, dass die Geschwindigkeit proportional zur Entfernung ist. Wenn wir eine Abweichung von diesem Verhalten finden, wissen wir, dass sich die Galaxie in Bezug auf das mitbewegte Koordinatensystem bewegt und daher eine besondere Geschwindigkeit hat (wir haben auch eine besondere Geschwindigkeit). Wenn alle Galaxien konstante, sich mitbewegende Koordinaten hätten, würden wir eine perfekte Übereinstimmung mit dem Gesetz von Hubble sehen: Die Relativbewegungen von Galaxien wären nur auf die Expansion des Universums zurückzuführen.

Obwohl dies überhaupt nicht offensichtlich ist, stellt sich heraus, dass unsere besten Modelle der Kosmologie darauf hindeuten, dass es einen speziellen Bezugsrahmen gibt, in dem die Verteilung der Materie und Energie des gesamten Universums auf sehr großen (dh kosmologischen) Skalen äußerst gleichmäßig erscheint. Wenn wir vom Alter des Universums sprechen, meinen wir immer das Alter in diesem speziellen Rahmen. Sie haben völlig Recht, dass Teilchen, die sich in Bezug auf dieses spezielle System sehr schnell bewegen, ein sehr unterschiedliches Alter des Universums messen.

(Beachten Sie, dass die Existenz dieses speziellen Rahmens vollständig mit der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie vereinbar ist, die besagen, dass die Gesetze der Physik selbst in jedem Trägheitsbezugssystem gleich aussehen, nicht aber die Verteilung der Materie.)

Andere Antworten haben zu Recht darauf hingewiesen, dass es ein spezielles Zeitmaß gibt, das als kosmologische Zeit bezeichnet wird und durch die Symmetrien der sich ausdehnenden Materie hervorgehoben wird, und Zeiten "seit dem Urknall" Intervalle der kosmologischen Zeit sind.

Keine Antwort hat bisher erwähnt, dass bei t=0 wahrscheinlich nichts Besonderes passiert ist . Das heißt, es gab wahrscheinlich keinen Urknall oder irgendein anderes ungewöhnliches Ereignis 1 Sekunde vor der Zeit, die wir „1 Sekunde nach dem Urknall“ nennen.

Je weiter Sie in der Zeit zurückgehen, desto höher wird die Energiedichte des Universums. Je höher die Dichte, desto weniger Ahnung haben wir davon, wie Physik funktioniert. Wenn Sie davon ausgehen, dass bei beliebig hoher Dichte nichts grundlegend Neues passiert, können Sie zu einem endlichen Zeitpunkt in der Vergangenheit auf eine unendliche Dichte (die Urknall-Singularität) zurückextrapolieren. Die Zeiten „seit dem Urknall“ werden ab diesem Zeitpunkt gemessen.

Aber wir haben keinen guten Grund zu der Annahme, dass dieses Modell genau ist, und zumindest einen guten Grund zu der Annahme, dass dies nicht der Fall ist, das sogenannte Horizontproblem : Wir wissen (aus dem CMBR), dass sich das frühe Universum in einem extrem guten thermischen Gleichgewicht befand. und in diesem Modell ist seit dem angeblichen Urknall nicht annähernd genug Zeit, um das Universum ins Gleichgewicht zu bringen.

Es besteht also ein großes Interesse an Modellen, die dieses Problem vermeiden. Die bekanntesten sind die Inflationsmodelle, bei denen es eine Periode mit ungefähr exponentiellem Wachstum des Skalierungsfaktors gibt, die sich dann in einen Vorläufer der gut verstandenen Ära mit hoher Dichte verwandelt.

„Exponentielles Wachstum“ klingt schnell und wird normalerweise als schnell beschrieben, aber es ist tatsächlich langsamer als das Wachstum des Modells, das es ersetzt. Hier ist ein Bild:

Dies verbindet einfach eine Exponentialkurve auf der linken Seite (für Inflation) mit einer Quadratwurzelkurve auf der rechten Seite (für strahlungsdominierte Expansion). In Wirklichkeit ist die Inflation nicht genau exponentiell, und der Übergang, der als Wiedererwärmung bezeichnet wird, findet nicht nur an einem Punkt statt, aber dies vermittelt die allgemeine Idee.

Die gepunktete Linie entspricht dem Skalierungsfaktor, wenn die „Nichts-Neues-passiert“-Theorie richtig wäre. Der Zeitpunkt des Auftreffens auf der x-Achse ist der Zeitpunkt, ab dem Zeiten „seit dem Urknall“ gemessen werden. Aber im realen Modell, dargestellt durch die durchgezogene Linie, passiert bei t=0 nichts Besonderes. Es ist nur ein unbedeutender Moment in der spätinflationären Epoche, kurz vor ihrem Ende.

Warum also Zeiten nach einem Modell messen, das wahrscheinlich falsch ist? Weil es nützlicher ist, konsequent zu sein als Recht zu haben. „Nach dem Urknall“ wäre eine unbequeme Maßnahme, wenn es nach den neusten Vorstellungen über das sehr frühe Universum immer wieder herumspringen würde. Alle diese Modelle stimmen zu späteren Zeiten überein (Zeiten, wenn die Dichte niedrig genug ist, dass die Physik gut verstanden wird), sodass wir genauso gut das einfachste Modell als unseren Messstandard verwenden können, wenn wir über gut verstandene Zeiten sprechen.

Außerdem können die meisten alternativen Modelle die Zeit seit dem Urknall nicht vorhersagen oder haben nicht einmal einen Urknall, sodass sie als Ersatz für den Nach-Urknall-Nullpunkt ohnehin nicht funktionieren würden.

Die Terminologie nach dem Urknall verwirrt die Leute. Zum Beispiel, wenn es heißt, die Inflation sei beendet$10^{-32}$Sekunden nach dem Urknall geht man oft davon aus, dass es höchstens gedauert haben könnte$10^{-32}$Sekunden. Tatsächlich muss sie jedoch mindestens 100-mal länger andauern, um das Horizontproblem* zu lösen, und in den meisten (allen?) Inflationsmodellen dauert sie viele Größenordnungen länger als dieses Minimum.

(*Weil normalerweise gesagt wird, dass die Inflation mindestens 60 E-Falten dauern muss , um das Horizontproblem zu lösen, und das Intervall zwischen 0 und$t_R$in diesem Diagramm ist ½ e-fach.)

Wenn wir ein wenig mehr Argument über die Mitbewegung hinzufügen, wissen wir, dass der Impuls erhalten bleibt, sogar in der Relativitätstheorie, also können wir über den Schwerpunktrahmen sprechen, den Rahmen, bei dem der Gesamtimpuls null ist. Dies ist der bevorzugte Rahmen.