Wie die Inflation aus dem Nichts ein Universum erschafft?

Ich habe ein grundlegendes, meist rein konzeptionelles Verständnis der Quantenfeldtheorie, und nach viel Youtube (danke PBS Spacetime!) habe ich eine Vorstellung davon, wie Inflation funktioniert, um das Vakuum in ein Universum zu verwandeln. Bitte korrigiere mich wenn ich falsch liege.

Es gibt überall im Universum gleichzeitig Quantenfelder. Erregungen auf diesen Feldern, verursacht durch Energie, sind die Schwingungen, die wir als Teilchen wahrnehmen

Ein Feld in seinem niedrigstmöglichen Energiezustand hat immer noch Quantenfluktuationen, da es aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik unmöglich ist, dass das Feld genau Null Energie hat. Diese Quantenfluktuationen sind kleine Schwingungen im Feld, die sich normalerweise schnell bilden und gegenseitig aufheben, und sie können als „virtuelle Teilchen“ betrachtet werden (obwohl dies hauptsächlich der Visualisierung dient, da sie nicht genau dieselben Eigenschaften haben). ' in und aus der Existenz knallen.

Am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs werden einige der Schwingungen aufgrund der Einbahngrenze, die der Ereignishorizont ist, „abgeschnitten“, sodass die Schwingungen, die von diesen aufgehoben würden, dies nicht tun, sodass sie als wahrgenommen werden 'echte Teilchen', was wir Hawking-Strahlung nennen.

Also mein Verständnis ist folgendes. Ein frühes Universum befindet sich im Vakuumzustand, in dem nur Quantenfluktuationen den Kosmos durchdringen. Der Prozess der Inflation führt dazu, dass Punkte, die zuvor sehr nahe waren, plötzlich extrem weit voneinander entfernt sind und in einem winzigen Bruchteil einer Sekunde von einer Entfernung auf der Quantenskala der Dinge zu Lichtjahren voneinander entfernt sind. Da Punkte des Quantenfelds, die sehr nahe beieinander lagen, plötzlich viel zu weit entfernt sind, um miteinander zu kommunizieren, werden die Schwingungen an einem Punkt effektiv vom Rest des Universums „abgeschnitten“, wodurch diese Quantenfluktuationen in „echte Teilchen“ umgewandelt werden.

Ist das richtig?

Es unterscheidet sich von der Hawking-Strahlung, die am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs auftritt. Das Schwarze Loch hat viel Energie/Masse. Bitte lesen Sie dies en.wikipedia.org/wiki/Inflation_(Kosmologie)
Offenbar wird die Wissenschaft zur Religion. Jeder glaubt blind an das, was noch nie jemand gesehen hat und es werden Geschichten der „Schöpfung“ erzählt, die nichts mit der Realität zu tun haben.
@safesphere du musst dann wissen, wenn du weißt "dass sie nichts mit der realität zu tun haben", musst du die realität kennen.. In der Physik spricht man immer von mathematischen Modellen, das ist alles. Wenn die Modelle nicht zu Daten und Beobachtungen passen, werden sie falsifiziert.
@annav Keines der Dinge im OP-Beitrag wurde beobachtet, keine Inflation, keine Hawking-Strahlung, keine virtuellen Paare, die "ein- und ausgehen". Es ist in Ordnung, ein wenig zu spekulieren, um eine Theorie an ihre Grenzen zu bringen, aber wenn die ganze Beschreibung der Welt zu einer wilden und unbegründeten Spekulation wird, muss man die „Realität kennen“, um Unsinn zu erkennen.
Welches Gesetz der Quantenmechanik verbietet Null als Eigenwert des Hamiltonoperators?
Allgemeiner gesagt ist das, was als "Vakuumfluktuation" bekannt ist, nichts, was die Quantenmechanik von Natur aus erfordert (wie das Superpositionsprinzip oder nichtkommutierende Operatoren usw.). Vielmehr ist es ein Merkmal (wenn auch quantenmechanisch) bestimmter Arten von QFTs, nämlich interagierender QFTs. Eine freie QFT hat keine Vakuumschwankungen und ist perfekt quantenmechanisch.
@safesphere Niemand glaubt tatsächlich mit absoluter Sicherheit an eine bestimmte Kosmologie des frühen Universums. Im Gegenteil, jeder ist sich der Antwort unsicher und deshalb arbeiten alle daran. Und es gibt Gründe, die Existenz von Hawking-Strahlung mit hoher Wahrscheinlichkeit anzunehmen. Niemand glaubt willkürlich an einen Cracker, der aus einem Schwarzen Loch kommt. Ich teile die Verachtung für die Abzock-Pop-Sci-Kanäle, aber diese haben nichts mit tatsächlichen Kosmologen zu tun.
@FeynmansOutforGrumpyCat Gute Kommentare, einverstanden. Das OP-Szenario funktioniert jedoch nicht, da Materie (Energie/Impuls) ein Fourier-Konjugat der Raumzeit ist. Materie kann also nicht durch die Inflation entstehen, die eine leere Raumzeit ausdehnt, es sei denn, Sie betrachten das Inflationsfeld als "Materie" (erzeugt durch den Urknall), die sich später aufgrund der schnellen Expansion in eine andere Art von Materie (Teilchenpaare) umwandelt. Macht trotzdem keinen Sinn, weil dem singulären Zustand mathematisch nicht sofort Inflation folgen kann, sondern nur durch eine beliebig kurze Expansion. All dies sind nur wilde Spekulationen.
Zum Wohle des OP möchte ich darauf hinweisen, dass es mehrere tragfähige (potenziell falsifizierbare) kosmologische Modelle gibt, die sowohl für die Vergangenheit als auch für die Zukunft ewig sind: "Konforme zyklische Kosmologie", formuliert im Jahr 2010 von der der mathematische Physiker Roger Penrose, Gewinner des Nobelpreises für Physik 2020; „Kosmologie mit Torsion“, formuliert 2010 von Nikodem Poplawski; und "Steady-state ewige Inflation", formuliert 2003 von Anthony Aguirre und Steve Gratton.
Das Aguirre-Gratton-Modell wurde in der letzten Fußnote zur letzten (2003) Überarbeitung des Borde-Guth-Vilenkin-Theorems als plausibel geprüft, das oft fälschlicherweise als Verbot der Ewigkeit für die Vergangenheit ausgelegt wird. Es gibt kulturelle und religiöse Gründe für den Widerstand gegen die vergangene Ewigkeit, aber keiner dieser Gründe ist physikalischer oder (nach Ansicht von Anna V.) mathematischer Natur.

Antworten (3)

Ich denke, es ist nicht möglich, Ihre Frage mit einem klaren Ja oder Nein zu beantworten, da es sich um eine Frage zu einem Forschungsgebiet handelt, in dem es noch viele Modelle gibt, die nicht miteinander übereinstimmen, und wir wissen einfach nicht, welche falls welche stimmen. Das Forschungsgebiet ist die Inflationstheorie.

Inflation oder ähnliches kann passiert sein, oder es kann nicht passiert sein. Die größten Unbekannten haben hier mit der Entropie zu tun. Versuche, das frühe Universum im Detail zu modellieren, evozieren typischerweise (ohne sich immer bewusst zu sein, dass sie dies getan haben) äußerst spezielle Sachverhalte. Dies macht es schwierig zu beurteilen, ob eine bestimmte Theorie etwas nicht so sehr erklärt hat, sondern gezeigt hat, dass es das Ergebnis von etwas noch Unerklärlicherem wäre. Die Inflation entgeht diesem Problem nicht.

Ich denke, die Hauptaussage hier ist, dass in unserer Zeit in der Interaktion zwischen der Forschungswissenschaft und der breiten Öffentlichkeit etwas ziemlich Seltsames passiert. Die Unterscheidung zwischen sorgfältig konstruierten und getesteten Ideen und bloßer Spekulation ist in vielen populären Büchern verschwommen, und YouTube-Kanäle sind noch schlimmer. In der Elementarteilchenphysik hat der Fortschritt der letzten 80 Jahre eine Partnerschaft zwischen Experiment und Theorie erfordert. Gelegentlich gibt es Beispiele, bei denen das theoretische Verständnis etwas weit außerhalb des experimentellen Bereichs eingesetzt hat, sich aber als richtig erwiesen hat (der Higgs-Mechanismus ist ein gutes Beispiel). Aber es gibt auch viele Beispiele von Fällen, in denen Experimente zu Überraschungen führten. Inflation ist ein Versuch, sich mit der Physik auf der Energieskala auseinanderzusetzen ≥ 10 15 GeV. Experimente haben bis zu zugegriffen 10 4 GeV.

Ich denke, der beste Weg, auf Ihre Frage zu antworten, besteht darin, ein anhaltendes Interesse an diesen Bereichen zu fördern, aber auch, der Einstellung "Nun, wir wissen es wirklich noch nicht" eine größere Rolle zu geben.

Aber eines wissen wir, dass jedes wissenschaftliche Modell, das jemals für irgendetwas aufgestellt wurde, eine Kontinuität zwischen einem Ding und einem anderen, zwischen einer früheren Situation und einer nachfolgenden Situation beschworen hat. Die Vorstellung, dass die Physik suggeriert, dass etwas aus dem Nichts entstehen könnte, ist einfach eine Irreführung, ein bewusst falscher Gebrauch von Wörtern, vermutlich um Leser zu gewinnen oder so etwas. Ich erwähne dies einfach, weil der Titel Ihrer Frage darauf hindeutet, dass Sie möglicherweise auf diese Art des Jonglierens mit Wortbedeutungen fehlgeleitet wurden.

Unter den Autoren, die gut geeignet sind, hier einen Kommentar abzugeben, und der meiner Meinung nach eine einigermaßen ausgewogene Arbeit leistet, ist Sean Carroll.

Bearbeitung hinzugefügt, um einen bestimmten Punkt am Ende der Frage zu beantworten.

Ob mit oder ohne Inflation, es wird angenommen, dass der Weltraum von einem frühen Zustand ausgegangen ist, der vermutlich durch die Quantengravitation beschrieben wurde, und er wuchs in frühen Zeiten extrem schnell. Dies führte dazu, dass Energiedichteschwankungen auf so ziemlich allen Entfernungsskalen vorhanden waren. Dies wird theoretisch modelliert, indem die Quantentheorie verwendet wird, um einen Wert für die Standardabweichung der Verteilung bereitzustellen, und diese Verteilung anschließend als klassisches Feld behandelt wird, das Schwankungen über Raum und Zeit mit der gegebenen Standardabweichung aufweist. Der Übergang von Quantum zu Klassik wird hier in der Forschungsliteratur eher beschönigt; es ist mit den Feinheiten verbunden, die an dem Prozess beteiligt sind, der als Symmetriebruch bezeichnet wird. ( Was ist spontane Symmetriebrechung in QUANTUM-Systemen? )

Wie auch immer, der Hauptpunkt für Ihre Frage ist, dass dies nicht wie Hawking-Strahlung ist. Die Schwankungen gelten bereits als klassisch oder werden als klassisch behandelt, unabhängig davon, ob es eine nachfolgende Inflation gab, um sie auszudehnen oder nicht. (Ich arbeite nicht direkt auf diesem Forschungsgebiet; ich habe die obigen Informationen aus einem Buch von Hobson, Efstathiou und Lasenby und aus verschiedenen Rezensionen und anderen Artikeln).

Richtig, aber funktioniert das Inflationsmodell so, wie ich es beschrieben habe?
@ user140323 Ich habe einen zusätzlichen Abschnitt hinzugefügt, um darauf zu antworten.

Inflationstheorien sind nicht dasselbe wie Universe-from-Nothing-Theorien.

Es gab schon „etwas“, als die Inflation begann. Bei der Inflation existierte das Universum (sowohl Raumzeit als auch Quanten in dieser Raumzeit) bereits, aber es wurde dann exponentiell größer aufgrund der Energie und des Drucks eines theoretisierten skalaren „Inflaton“-Felds, das einem Higgs-Feld etwas ähnlich wäre.

In Universe-from-Nothing-Theorien entsteht das Universum aus einem Zustand ohne Raumzeit und ohne Quanten, vielleicht durch Quantentunneln.

Wenn Sie meinten „Wie kann die Inflation so viel Materie und Strahlung erzeugen?“, dann gibt es zwei mögliche Antworten. Der erste ist, dass die Energieerhaltung möglicherweise nicht für das Universum als Ganzes gilt. Das zweite ist, dass es gilt, wenn es zutrifft, weil die potenzielle Gravitationsenergie all dieser neuen Materie und Strahlung negativ ist (genau wie die potenzielle Gravitationsenergie der Erde und der Sonne negativ ist) und die gesamte positive Energie von ausgleicht die geschaffene Materie und Strahlung.

„In Universe-from-Nothing-Theorien taucht das Universum aus einem Zustand ohne Raumzeit und ohne Quanten auf, vielleicht durch Quantentunneln.“ Ich denke, das läuft auf ein Problem der Nomenklatur hinaus, aber selbst in Theorien, in denen wir zum Anfangszustand tunneln, gibt es bereits "etwas" zum Tunneln. Wahre „Etwas-aus-Nichts“-Theorien sind metaphysischer Natur. Siehe zum Beispiel arxiv.org/abs/1802.02231 .
Mein Punkt ist, dass selbst solche Szenarien die Existenz von Dingen wie Quantenfeldern voraussetzen, was definitiv kein „Nichts“ ist. Auch dies ist in erster Linie ein metaphysischer Punkt darüber, was „nichts“ wirklich bedeutet. Wie in Carrolls Rezension betont wird: "Das hat überhaupt nichts mit dem Ursprung des Universums selbst zu tun, und schon gar nicht damit, warum es überhaupt eine Quantenwellenfunktion gibt." Ihre Antwort ist sicherlich richtig, wenn wir "nichts" als "Zustand ohne Raumzeit und ohne Quanten" definieren können (was vernünftig erscheinen mag), lässt aber die Frage offen, warum es überhaupt "Zustände" gibt.
OK, wir sind uns einig, dass mathematisches Zeug in diesen Theorien bereits vorhanden ist.
Unter den Entwicklern der Inflationstheorie (die von so bedeutenden Physikern wie Penrose nicht akzeptiert wird) scheinen die in dieser Antwort beschriebenen Ansichten mit denen von Guth vereinbar zu sein, aber nicht mit denen von Vilenkin, der gelegentlich St. Augustinus zitiert hat (dessen Überzeugungen waren Einfluss auf mindestens eine der Religionen, die die vergangene Ewigkeit akzeptieren, und möglicherweise ein Faktor bei der Überprüfung der vergangenen Ewigkeit als eine Möglichkeit, die mit dem BGV-Theorem vereinbar ist, das ich in einem früheren Kommentar erwähnt habe).
Die geografische und/oder genealogische Verfolgung der Orte der Teilnehmer und der von ihnen zitierten Physiker könnte schließlich für zukünftige Historiker von Interesse sein: Ich glaube, dass die Regionen, in denen der Kreationismus (die Alternative zur vergangenen Ewigkeit) vorherrscht, Teile von N .Amerika und Teile des Nahen Ostens.

Es war der Urknall, der das Universum erschaffen hat, und das „Nichts“, aus dem es entstanden ist, war höchstwahrscheinlich der Feuerball eines früheren Universums, der zu einem Big Crunch zusammenbrach, gefolgt von einem Big Bounce. Dies ist im Moment nicht die vorherrschende Theorie, obwohl sie nicht vollständig verworfen wurde. Einmalige Big Bangs, die keine ersichtliche Ursache haben und buchstäblich aus dem Nichts ein Universum erschaffen und sich schließlich im dunklen Nichts des Weltraums auflösen, werfen aus logischer Sicht allerlei Probleme auf, die durch einen Big Crunch vermieden werden. Theorien kommen und gehen, ebenso wie die Beweise, auf denen sie basieren, also wird der Big Crunch vielleicht eines Tages wieder in Mode kommen.

Ich bin sehr skeptisch, was das Inflationsszenario angeht, und denke, wir sollten weitere Beweise dafür abwarten. Ebenso mit virtuellen Teilchen, da es gute Beweise gibt, um sie in Zweifel zu ziehen. Der Cassimir-Effekt zum Beispiel lässt sich durch profanere Mechanismen erklären. Die Diskrepanz von 40 Größenordnungen zwischen der von QM benötigten Vakuumenergie und den kosmologischen Beobachtungen, mit denen sie in Konflikt steht, weckt kein Vertrauen in die Theorie virtueller Teilchen.

Ich sehe keine Probleme mit dem Urknall als weißer Singularität oder konzeptionell sogar mit dem Big Crunch als schwarzer Singularität. Beide sind geodätisch unvollständig, was bedeutet, dass die Raumzeit beim Urknall beginnt und beim Big Crunch endet. Ich kann jedoch nicht sehen, wie Sie mathematisch vom Big Crunch zum Big Bang übergehen können. Es gibt keinen Zusammenhang von Geodäten. Diese Konzepte sind keine Feuerballobjekte, die im Raum existieren und zeitlich aufeinander folgen könnten. Sie sind Singularitäten, die zusammen mit Materie Raum und Zeit erschaffen und zerstören. Können Sie eine Verbindung vom Big Crunch zum Big Bang aufzeigen?
Das blauverschobene Universum wird zu einem Feuerball zusammenbrechen, der dem ähnelt, aus dem es entstanden ist, bevor es in einer Singularität eines Schwarzen Lochs verschwindet. Es wurde viel darüber spekuliert, dass Schwarze Löcher zu einem anderen Zeitpunkt oder an einem anderen Ort als Weiße Löcher auftauchen. Ich werde diese spezielle Angelegenheit vorerst in der Schwebe lassen, aber im größeren Maßstab der Universen ist dies vielleicht das, was den Big Bounce ausmacht, bei dem das recycelte Universum als weißes Loch wieder auftauchen wird.
Verstanden (und +1, da ich nicht denke, dass die Ablehnungen gerechtfertigt sind, nur um das bekannte Konzept des Big Bounce zur Sprache zu bringen).
... das Konzept gilt; Die Antwort könnte jedoch durch mehr harte Fakten und Referenzen und weniger Ausdrücke wie „höchstwahrscheinlich“, „Theorien kommen und gehen“ und „alle möglichen Probleme“ verbessert werden.
Der CMBR wurde ursprünglich als Beweis für den Big Bounce angesehen. Robert Dicke glaubte an eine zyklische Kosmologie.
Das ursprüngliche Big Bounce-Modell (Tolmans aus den 1930er Jahren) gilt als gescheitert, weil es zu einer unendlichen Entropiedichte geführt hätte. Poplawskis Big Bounce-Modell vermeidet dies, indem es zulässt, dass die Materie jedes „lokalen Universums“ (einschließlich unseres „Universums“) in seinem Multiversum im nächsten vom Raum besetzt wird, durch Wechselwirkungen zwischen Fermionen auf Skalen, die sich um viele Größenordnungen unterscheiden, und verwendet die Einstein-Cartan-Theorie (ausgearbeitet 1929 in Zusammenarbeit zwischen Einstein und dem Mathematiker Cartan), die sich von GR in der Zuordnung einer winzigen räumlichen Ausdehnung zu Fermionen unterscheidet.
Wie die Inflation aus dem Nichts ein Universum erschafft?
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