Vakuumfluktuationen, Energieerhaltung und Urknall

[Ipsissimus]

wenn das dann mal das Ende der Kette ist^^ falls aber auch die Superstringtheorie scheitert, muss man vielleicht ins noch Kleinere nachdenken^^

[Traitor]

Ben, die Energieerhaltung ist in dem Sinne überprüft, dass noch nie stichhaltig eine Verletzung beobachtet wurde. Obwohl man anscheinende Verletzungen messen kann, findet sich stets eine Erklärung.
So wurde das Neutrino vorhergesagt, weil im Betazerfall ein zusätzliches Teilchen fehlte, das die fehlende Energie mitnahm. Und dunkle Materie sucht man in Beschleunigerexperimenten, indem man nach Spuren sucht, deren Energien und Impulse sich nicht korrekt aufaddieren, also etwas unsichtbares fehlen muss.
Man beobachtet also ein Fehlen. Da die Energieerhaltung sonst immer stimmte, nimmt man sie auch hier an. Man formuliert eine Hypothese, dass etwas Unbekanntes die scheinbare Verletzung verursacht, und sagt seine sonstigen Eigenschaften voraus. Dann sucht man es und hat es bisher noch immer gefunden.

Ebenso müsste man, um Energieverluste in höhere Dimensionen zu postulieren, erstmal einen Anlass haben, sprich Teilchen, die plötzlich im freien Raum ihre Richtung oder Geschwindigkeit ändern, oder nicht zusammenpassende Kollisions- oder Zerfallsenergien, die man nicht anderweitig erklären kann.

Ipsissimus, das Problem der Teilchennatur ist geklärt. Die Quantenfeldtheorie fasst Teilchen nur als lokalisierte Anregungszustände der fundamentalen Felder auf, komplementär dazu sind klassische Wellen maximal delokalisierte Anregungen.
Die Frage nach Subelementarteilchen ist also "eigentlich nur" eine danach, ob diese Felder doch nicht fundamental, sondern Überlagerungen anderer sind. Und das ist eben die Stringtheorie, die mit zweidimensionalen, aber weniger vielfältigen Anregungszuständen arbeitet und daraus die gesamte Teilchenwelt ableiten will. Oder eine gleichwertige Alternative.

Experimentell gibt es derweil keinerlei Hinweise auf eine lokalisierte Substruktur. Dass Protonen aus Quarks bestehen, kann man nachweisen, indem man Streuprozesse mit hoher Auflösung (=hohe Energie) vermisst und dadurch feststellt, dass sie sich weder wie Punktteilchen noch wie harte Kugeln verhalten, sondern eben wie ein Konglomerat kleinerer Bestandteile. Bei Elektronen und anderen Elementarteilchen hat man dagegen bisher keinerlei Abweichung vom Punktteilchenverhalten gefunden.

Die üblichen Inflationstheorien nehmen eine globale, langreichweitige Kraft an. Prinzipiell wäre dein Ansatz dank der winzigen vorinflationären Gesamtgröße des Universums aber durchaus möglich, ob es da ernsthafte Arbeiten in dieser Richtung gibt, ist mir nicht bekannt.

[Ipsissimus]

In dem Fall wäre die Inflationskraft also eine echte eigenständige Kraft, eine fünfte neben den vier klassischen. Oder drücken sich Physiker lieber ein bisschen um solche klaren Aussagen in dem Gebiet?^^

Wäre zu fragen: Die ektromagnetische Kraft kommt durch den Austausch von Photonen zustande, die schwache Kernkraft durch den Austausch von Z- und W-Bosonen, die starke Kernkraft durch den Austausch von Gluonen, die Gravitation mutmaßlich durch den Austausch von Gravitonen. Was wechselwirkt bei der Inflation und zwischen was wechselwirkt es?

[Ipsissimus]

im Prinzip wäre die Frage mit dem Higgs-Boson beantwortet, oder? Wenn es im ersten Zeitalter des Universums, also während der Planck-Zeit, noch kein Higgs-Boson gab, wären all die vielen Dinge, die zukünftig als Elementarteilchen Karriere machen sollten, zwar dicht zusammen gepresst, trügen aber keinerei Masse. Keine Masse - keine Gravitation - keine Gegenkraft zur Expansion.

Einziger Nachteil der Erklärung: es müsste dann entweder angenommen werden, dass die Zeitspanne, in der die Materie massefrei blieb, ausgereicht hat, um den Materieklumpen soweit auseinander zu treiben, dass die mit den Higgs einsetzende Gravitation nicht mehr in der Lage war, die Expansion ad hoc zu stoppen. Oder aber, dass es einen Entstehungs-Gradienten für das Higgs gab - die Higgs sind nicht gleichzeitig entstanden sondern erst nur wenige, dann zunehmend mehr. Nachweisen lässt sich wahrscheinlich weder das eine noch das andere.

[Traitor]

Zum einen gibt es wie gesagt die Idee, dass im präinflationären Universum noch keine oder nur sehr wenig konventionelle Materie existierte, sondern diese erst aus der beim Zerfall des Inflatons freiwerdenden Energie entstand. Also nicht nur keine Masse, sondern noch nichtmal (viele) Massenträger.
Zum anderen die beliebte "spontane Symmetriebrechung" des Higgs - erst beim Übergang des Grundfeldes aus einem früheren in den heutigen Zustand wird der Massenmechanismus aktiv. Dabei ist aber zu beachten, dass es beim Higgs immer um klassische Masse geht, für die Gravitation aber jede andere Form von Energie genauso relevant ist. Masselose Teilchen und exotische Felder haben also die gleiche gravitative Wirkung. Es braucht weiterhin ein gravitativ treibendes statt zusammenziehendes Inflationsfeld.
Besonders gut ließen sich die beiden Punkte natürlich verbinden, wenn das falsche Vakuum des Higgs gleich dem Inflaton wäre. Aber das ist nur eines von dutzenden Modellen, und kein sonderlich aussichtsreiches. Ich glaube, dass es einfach so 1:1 geht, wurde sogar explizit widerlegt. Mit exotischen Bonuszutaten könnte es vielleicht noch passen, aber das trifft für fast alles zu.

[Ipsissimus]

ich muss dann aber trotzdem noch mal auf eine frühere Frage zurück kommen. Nach allem, was ich über die Inflation bisher gelesen habe, führte sie zu einer gigantischen Ausweitung der frühen Raumzeit, so ungefähr von der Größenordnung eines Atomkerns zu einem Ball von gut einem Meter Durchmesser. Also gigantisch. Spätestens ab diesem Zeitpunkt aber waren Masseträger und somit Gravitation vorhanden.

Alle Masse des Universums. In einem Ball von einem Meter Durchmesser. Nach der Inflation.

Wie zum Teufel konnte das Universum sich weiter ausdehnen?

Bis zum Ende der Inflation kann ich mit der Erklärung der unkonventionellen Materie gut leben. Aber dann kam halt die konventionelle Materie und mit ihr und dem Higgs die Masse, und ab dem Zeitpunkt werde ich aus dem Verlauf nicht mehr schlau, weil spätestens ab dann sich nichts mehr gegen die Gravitation halten können dürfte. Es sei denn, das Higgs wäre noch mal deutlich später auf der Bühne erschienen, nicht schon zum Ende der Planck-Ära.

Das ist für mich immer noch die eigentliche Frage, wie expandiert ein aus einem Urknall hervorgegangenes frühes Universum gegen seinen eigenen Gravitationssog? Selbst wenn man die Planckzeit weit hinter sich lässt, noch nach 1000 Jahren und später muss die Dichte der Materie so hoch gewesen sein, dass die Gravitation gegen nahezu unendlich ging. Ich kann es mir fast nur so erklären, dass Masse eine spätere Eigenschaft von Materie ist.

Und dann wäre die Frage, warum ist das Higgs überhaupt erschienen?

[Traitor]

Wie gesagt, das Higgs ist für die Gravitation eigentlich nicht weiter relevant, da es nicht um die higgs-vermittelte Ruhemasse, sondern um Gesamtenergie geht. Und ruhemasselose Strahlung ist sogar besser darin, die Expansion aufzuhalten, als massive Materie - in der "strahlungsdominierten Phase" kurz nach Ende der Inflation wurde die Expansion stärker abgebremst als später in der "materiedominierten Phase". (Und heute sind wir dann in der wieder beschleunigenden DE-dominierten Phase.)

Enscheidend ist dabei, dass die Expansion sozusagen Trägheit hat: der aktuelle Zustand (Materie, Energie und ihre Konzentration) bewirkt immer nur eine Veränderung der Geschwindigkeit, also eine allmähliche Abbremsung oder Beschleunigung.

Und warum das Higgs erst "plötzlich erschien": die erwähnte "spontane Symmetriebrechung". Wenn du nach Artikeln zu den Nobelpreisen vor 2(?) Jahren suchst, findes du sicher viele bessere Erklärungen, als ich hinbekäme.

[Ipsissimus]

na ja, "spontane Symmetriebrechung" suggeriert sprachlich so was wie eine Erklärung, aber man könnte dafür genau so gut "ein Wunder, ein Wunder" sagen und hätte damit genau so viel erklärt, nämlich dass da einfach was passiert ist, was man sich zumindest derzeit noch nicht erklären kann^^

Wir sind uns doch aber einig, dass das Zeitalter der Inflation nach der Planckzeit vorbei war? Die Vorgänge innerhalb der Planckzeit sind zweifelsohne faszinierend, aber betrachten wir die Planckzeit vorübergehend als Blackbox, es kommt heraus, was herauskommt, in unserem Fall also eine Art Kugel von einem Meter Durchmesser, die bereits alle (!?!?) Informationen enthält, die wir später als unser Universum bezeichnen werden.

Zu diesem Zeitpunkt ist die Inflation bereits gestoppt, das Universum dehnt sich nur noch mit Lichtgeschwindigkeit weiter aus. Wenn diese Behauptung stimmt, gibt es eigentlich nur zwei Möglichkeiten. Entweder die Gravitation existierte noch nicht; dann müsste erklärt werden, wann sie in Existenz kam. 10 Jahre nach null+Planck, 1 Million Jahre nach null+Planck? Und warum sie zu diesem Zeitpunkt in Existenz kam.

Oder sie existierte schon. Dann müsste geklärt werden, wieso sich dieser Ball von einem Meter weiter ausdehnen kann, und zwar ohne Inflation, denn die ist bereits vorbei. Käme dafür der antigravitative Effekt der Dunklen Energie in Frage?

Oder gibt es einen Gradienten? Sie entstand allmählich?

[janw]

Könnte der Wechsel in der Ausdehnungsgeschwindigkeit vielleicht etwas mit der Materiekonformation zu tun haben?
Konkret, stellen die Vorgänge in der Planckzeit vielleicht die Kondensation des Materieplasmas zu Wasserstoffkernen, vielleicht auch zu Wasserstoffatomen dar, verbunden mit der Entstehung neuer Eigenschaften der Materieteilchen?
Könnte vielleicht auch der erreichte Abstand der Materieteilchen zueinander eine Rolle spielen - Überschreitung des Wirkraumes der Kernkräfte?

[Ipsissimus]

die ersten beiden Fragen müsste Traitor beantworten, hinsichtlich der letzten Frage lehne ich mich mal zum Fenster raus und sage, dass das fast nicht sein kann. Bedenke, wir haben immer noch eine Kugel von weniger als einem Meter Durchmesser - die Informationsdichte darin war unvorstellbar. Außerdem kann ich mir nicht vorstellen, dass der Mechanismus der Inflation bei vorhandenen Masseträgern, z.B. Wasserstoffkernen, funktioniert, weil dann "klassische" Gravitation nahezu unendlicher Größe vorhanden gewesen wäre. Außerdem gab es zur Planckzeit noch keine Kräfte, nur eine vereinheitlichte Kraft, aus der sich die anderen dann sukzessive abspalteten.

Arg am Kauen bin ich noch daran, dass die Inflation träge gewesen sein soll. Der ganze Spuk war immerhin nach 10^-35 Sekunden vorbei^^ das würde eine "Elastizität" voraussetzen, die ganz ungeheuerlich ist^^

[Ipsissimus]

hat eigentlich mal jemand versucht, den Urknall per Rückwärtsrechnung in einem Finite Elemente Programm zu erreichen?

[Traitor]

Zur neuen Frage (03.09.2012): Rückwärts von was ausgehend? Und was sollen konkret Finite Elemente dazu beitragen?
Schon ganz naiv folgt der Urknall aus dem analytischen Zurückrechnen der beobachteten kosmischen Expansion. Will man es detaillierter, wird üblicherweise in der positiven Zeitrechnung gearbeitet, man nimmt sich ein unter Urknallannahme generiertes Frühuniversum und entwickelt es per N-body-Simulation soweit, bis man das Ergebnis wiederum mit Beobachtungsdaten vergleichen kann. Finite Elemente kommen dabei meines Wissens nicht vor, oder werden zumindest anders genannt.
Prinzipiell könnte man das auch problemlos umdrehen, aus beobachteten Galaxienkatalogen eine Massenverteilung ableiten und die zurückevolvieren. Ist aber weniger sinnvoll, weil man dann Unmengen Ungenauigkeiten mitpropagiert und nur eine Realisation hat. Umgekehrt kann man beliebige Modelle mit beliebiger Genauigkeit vorgeben und sehen, was rauskommt.

Zu den alten Fragen: "Spontane Symmetriebrechung" klingt von der Wortwahl sehr nach "Wunder", das ist aber reiner Zufall, es ist genauso stringente Mathematik wie der Rest der Teilchenphysik auch.

Dass das Universum kurz nach der Inflation nicht wieder zusammengestürzt ist, liegt wie gesagt an der "Trägheit" der Expansion - selbst die damalige hohe Energiedichte konnte diese nicht schnell genug bremsen, bevor sie soweit ausgedünnt wurde, dass die Dunkle Energie überwog und sogar wieder Beschleunigung einsetzte. Ein Hauptdenkfehler, der dir das so absurd erscheinen lässt, dürfte sein, dass nichtinflationäre Expansion maximal mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt - tatsächlich kann sie problemlos darüber liegen. Anschaulich erkennbar daran, ob unser "sichtbares Universum" im Laufe der Zeit mehr oder weniger ferne Galaxien enthält.

@Jan: Die genaue Form der vorliegenden Materie ist der Gravitation an sich erstmal egal, selbst Strahlung (Photonen) wirkt noch gravitativ anziehend. Im Detail hängt die Expansionsgeschwindigkeit schon davon ab, wieviel von der Gesamtenergie relativistisch (annähernd bis voll lichtschnell) oder langsamer ist, aber für die Grundfrage des Expansionsvorzeichens ist das egal.

[Ipsissimus]

das mit der Inflation habe ich ja schon verstanden, trotzdem ist der Kern meiner Frage damit nicht beantwortet. Dieser Kern lautet: was ist so stark, dass es die gesamte Masse eines Universums, die auf eine Distanz von einer Plancklänge komprimiert ist, gegen deren eigenen Gravitationszug expandieren kann? Und wenn es überhaupt etwas gibt, das das kann, warum passiert das dann nicht auch in Schwarzen Löchern?

Das mit der spontanen Symmetriebrechung ist ganz sicher Mathematik. Ob sie als solche aber reale Physik ist oder nur wissenschaftswahre Behauptung, wird mir dadurch nicht klarer^^

[Traitor]

Die einfache Antwort ist, diesem "was" nur einen Namen zu geben - Inflaton, oder eine Variante davon. Das ist schon geschehen, viel zu oft sogar. Die nächstschwierigere Aufgabe ist, herauszufinden, welcher dieser Namen am passendsten ist - sprich, welches mathematische Modell am besten zu den Beobachtungen passt. Da könnte es in den nächsten Jahren bis Jahrzehnten einige Fortschritte geben, einen ersten Schritt bringen hoffentlich schon die Planck-Daten (Veröffentlichung irgendwann 2013, wenn nichts schiefgeht). Deine wirkliche Kernfrage, physikalisch zu verstehen, was dieses "was" ist, und es sich vorstellen zu können - ganz, ganz weit weg, wenn überhaupt informationstheoretisch möglich. Auch der mittlere Schritt könnte erschreckend früh an prinzipielle Grenzen stoßen.

Warum es in Schwarzen Löchern nicht passiert?
a) Weil sie keine Singularitäten oder nahe dran sind, sondern innerhalb des Ereignishorizonts relativ schnell eine stabile Struktur auftaucht (Gravasterne und co) oder zumindest rechtzeitig vor oder an der Plancklänge diskrete Raumzeit ansetzt. Die Energiedichte also einfach nicht hoch genug ist.
b) Weil sie zwar singulär sind, im Inneren aber einen anderen (modernen, langweiligen) Vakuumzustand haben als das frühe Universum. Die Energiedichte also wie im frühen Universum unendlich ist, aber trotzdem nicht die richtigen Bedingungen für Inflation herrschen.
c) Tut es doch, jedes Schwarze Loch beinhaltet ein eigenes Universum, und wir wohnen auch nur in einem. Beliebte, da coole Idee. Ob zumindest theoretisch überprüfbar, darüber wird heiß diskutiert.

Irrealer als der Rest des Standardmodells der Teilchenphysik ist die spontane Symmetriebrechung nicht, sie ist Teil der konsistenten Erklärung der beobachteten Teilchenwelt. Also eben keine reine Mathematik mehr, sondern derzeit bestmögliche Erklärung - genauso "wissenschaftswahr" und nahe an "der Realität" wie newtonsche Mechanik.