Wie kam das Universum ins Dasein?

[Halman]

Hat die Raumzeit einen Anfang?

Beim Stöbern im Urknall-Thread bin ich auf eine kosmologische Theorie gestoßen, welche hier noch nicht genannt wurde und zwar Vilenkins Tunnelerzeugung in einer übersichtlichen Auslistung von Agent Scullie:

• im Urknall-Szenario geht das Universum aus einer Anfangssingularität, einem Zustand unendlich starker Krümmung der Raumzeit, hervor
• in Vilenkins Tunnelerzeugung tunnelt das Universum aus dem Zustand "Nichts" in einen Zustand endlicher Krümmung. Wenn du so willst, entsteht die Raumzeit einfach so, aber nicht die Materie alleine
• ähnlich beim Instanton-Szenario: die euklidische Raumzeit-Region am Anfang des Universums ist einfach so da.
• ganz anders bei der ewigen Inflation und dem Big Bounce: Raumzeit und Materie existierten schon immer, da entstand nie etwas einfach so

(Hervorhebung durch mich)

Die hier aufgeführten kosmologischen Theorien lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

• Theorien, in denen Raum und Zeit einen Anfang haben (Urknall, Instanton-Szenario und Vilenkins Tunnelerzeugung
• Theorien, in denen die Raumzeit ewig ist (Big Bounce und ewige Inflation)

Übrigens lohnt sich der via Zitat verlinkte Thread für alle, die an diesem Thema Interesse haben ...

[Halman]

Zyklisches Universum

AFAIK gab es früher mal eine Theorie über ein zyklisches Universum, indem das Universum kollabiert und dieser Kollaps zu einem neuen Urknall führt. Doch IHMO gilt diese Theorie aufgrund der Beobachtung als falsifiziert, da die Expansion des Universums zunimmt (Dunkle Energie) und folglich nicht kollabiert.

Doch zu meiner Überraschung musste ich feststellen, dass es sehr wohl eine neue Theorie über ein zyklisches Universum gibst, welche auf der Brane-Theorie basiert (dies dürfte McWire freuen ).

Das neue zyklische Urknall-Modell von den Astrophysikern Paul J. Steinhardt (Princeton University) und Neil Turok (Cambridge University) klingt fantastisch. Vor 14 Milliarden Jahren soll unser Universum mit einem membranartigen Paralleluniversum kollidiert sein, woraus sich der Urknall entzündete. Dieser Vorgang soll sich alle paar Billionen Jahre wiederholen - bis in alle Ewigkeit. Doch die in der aktuellen Science explizierte Theorie wird von anderen Forschern mit Skepsis zur Kenntnis genommen

Allerdings brachte u.a. der Kosmologe Andrei Linde (bekannt durch sein Modell von der ewigen Inflation) folgende Kritik gegen Steinhardts und Turoks zyklisches Universum vor:

Zitat von Andrei Linde:
"Es ist einfach eine sehr schlechte Idee, die höchstens unter Journalisten populär ist. Es ist eine extrem komplizierte Theorie, die schlichtweg nicht funktionieren kann."

Quelle Ist der Urknall in einer gewaltigen Zeitschleife gefangen? | Telepolis


Hier noch mal ein informativer Link zur Thematik des Multiversums:
SCHATTENBLICK - ASTRO/179: Multiversum in Beweisnot (Spektrum der Wissenschaft)

[Dannyboy]

Ähm, neu? Die Theorie des ekpyrotischen Universums wurde vor 10 Jahren veröffentlicht.

[Thomas W. Riker]

Der Telepolis link ist immerhin schon 10 Jahre alt und diese Hypothesen sind wohl noch immer nur sophistische Spekulation.
Ein wenig verwundert bin ich, dass der zweite link so im Spektrum war.
Wie soll man 42 Mia Lj weit sehen können, wenn das Universum erst 13,75 Mia jahre alt ist?

[Mondkalb]

Ein wenig verwundert bin ich, dass der zweite link so im Spektrum war.
Wie soll man 42 Mia Lj weit sehen können, wenn das Universum erst 13,75 Mia jahre alt ist?

Durch die Expansion hat sich der Raum "dazwischen" inzwischen soweit ausgedehnt. Das bedeutet, die tatsächliche Entfernung ist inzwischen größer als die vom Licht zurück gelegte Strecke.
Der aktuelle Durchmesser des beobachtbaren Universums beträgt derzeit ungefähr 92 Milliarden Lichtjahre.

[Halman]

Ähm, neu? Die Theorie des ekpyrotischen Universums wurde vor 10 Jahren veröffentlicht.

Nun, relativ neu. Lindes ewige Inflation bspw. stammt aus dem Jahre 1983.

@Thomas W. Riker
@Mondkalb
Im verlinkten Beitrag erklärt Agent Scullie, wie sich das mit der Expansion des Universums verhält.
http://www.scifi-forum.de/off-topic/...ml#post2306987

[Thomas W. Riker]

@ Halman: Danke für den link!
Bei den ältesten Galaxien, die 480 Millionen nach dem Urknall entstanden ist z = 10,3, bei den davor ältesten Galaxien, die 600 Millionen nach dem Urknall entstanden ist z= 8,6.
Steigt z logarhytmisch oder exponentiell an, je weiter man in die Vergangenheit kommt? Wie wäre der Wert bei Objekten, die das Alter des Urknalls (~13,75 Mia Jahre) hätten?

[Halman]

@ Halman: Danke für den link!
Bei den ältesten Galaxien, die 480 Millionen nach dem Urknall entstanden ist z = 10,3, bei den davor ältesten Galaxien, die 600 Millionen nach dem Urknall entstanden ist z= 8,6.
Steigt z logarhytmisch oder exponentiell an, je weiter man in die Vergangenheit kommt? Wie wäre der Wert bei Objekten, die das Alter des Urknalls (~13,75 Mia Jahre) hätten?

Für ein Alter von 13,8 Milliarden Jahre gab Agent Scullie eine Entfernung von 41,4 Mrd. Lj. an. Dies bestätigt den von Mondkalb angebenden Wert von ungefähr 92 Milliarden Lichtjahre Durchmesser mit uns im "Zentrum" (jeder Ort im Universum erscheint gleichermaßen als "Zentrum")

[Agent Scullie]

@ Halman: Danke für den link!
Bei den ältesten Galaxien, die 480 Millionen nach dem Urknall entstanden ist z = 10,3, bei den davor ältesten Galaxien, die 600 Millionen nach dem Urknall entstanden ist z= 8,6.
Steigt z logarhytmisch oder exponentiell an, je weiter man in die Vergangenheit kommt? Wie wäre der Wert bei Objekten, die das Alter des Urknalls (~13,75 Mia Jahre) hätten?

Das Verhalten von z hängt vom Verlauf der Expansion ab. Sei z(t) der Rotverschiebungsfaktor einer Galaxie, deren Licht zur Zeit t ausgesandt wurde, so gilt

z(t) = S(t0) / S(t)

wobei S(t0) der Skalenfaktor (gewissermaßen der Radius des Universums) in der heutigen Zeit ist und S(t) der Skalenfaktor zur Zeit t. In einem von staubartiger Materie dominierten Universum, in dem die Dichte gleich der kritischen Dichte ist, wäre z.B.

S(t) ~ t^(2/3)

so dass

z(t) ~ 1/t^(2/3) = t^(-2/3)

herauskäme. In einem solchen Universum wäre die Expansion aber fortwährend verlangsamt (die Geschwindigkeit, mit der S(t) zunimmt, würde immer kleiner werden), im realen Universum ist sie aber seit etwa 5 Mrd. Jahren beschleunigt, so dass die zeitliche Entwicklung von S(t) komplizierter ist.

Für t = 0, den Zeitpunkt des Urknalls, gilt aber in jedem Fall S(t) = 0, und damit wird z unendlich groß.

[Thomas W. Riker]

Am Anfang des Threads gab es mal die Angabe, dass das Universum beim Urknall die Planck-Dichte von 10^93g/cm3 hatte.
Laut wiki wird für das Universum eine beobachtbare Masse von 10^53kg =10^56g angenommen

Damit hätte das Universum ein Volumen von cm³/10^37 beim Urknall gehabt.

Ist das korrekt oder eine "Milchmädchenrechnung"

[Mondkalb]

Das ist eine Milchmädchenrechnung.
Beim Urknall lag das Volumen wohl sehr nahe bei Null (ob es wirklich eine unendlich kleine Singularität war oder das Universum tatsächlich aus dem absoluten Nichts entstand, ist noch nicht geklärt).
Die heute beobachtbare Masse ist nur ein Bruchteil der Masse, die nach dem Urknall entstand und sich anschließend größtenteils wieder zerstrahlte.
Diese Masse war aber nicht direkt zum Zeitpunkt des Urknalls schon vorhanden sondern entstand erst später quasi als Kondensat aus dem sich ausdehnenden Universum in den ersten Momenten der (Hyper-)Inflation.

[Halman]

Am Anfang des Threads gab es mal die Angabe, dass das Universum beim Urknall die Planck-Dichte von 10^93g/cm3 hatte.
Laut wiki wird für das Universum eine beobachtbare Masse von 10^53kg =10^56g angenommen

Damit hätte das Universum ein Volumen von cm³/10^37 beim Urknall gehabt.

Ist das korrekt oder eine "Milchmädchenrechnung"

Gemäß der Urknalltheorie hatte das Universum eine unendliche Dichte und eine Größe von Null. Allerdings könnte es durchaus sein, dass Singularitäten gar nicht möglich sind.
Sofern die maximal erreibare Dichte bei der Planck-Dichte liegt, gäbe es tatsächlich eine minimale Größe für das Universum, welche nicht unterschritten werden könnte. AFAIK beschreibt die Urpralltheorie (Big Bounce) ein solches Szenario.

[fraken]

Ich habe keine Ahnung von Astrophysik im mathematischen Sinne. Was ich nie begriffen habe: Wenn alle Masse des Universums in einem winzig kleinen Punkt verdichtet war, wie kann es dann expandieren? Müsste nicht sofort ein schwarzes Loch entstehen? Oder: Wie groß müsste der Durchmesser des Universums mindestens gewesen sein, damit kein Schwarzes Loch entsteht?

[Mondkalb]

Wie ich schon mal geschrieben habe: Ein Großteil der Materie ist wahrscheinlich erst in der Inflationsphase entstanden, es ist also nicht unbedingt so, dass alle heute sichtbare oder als Reststrahlung wahrnehmbare Materie sich an einem Punkt befunden hat.
Die Energie, die die Materie und Reststrahlung repräsentieren, wird annährend aufgehoben durch die negative Energie, die im Gravitationsfeld des gesamten Universums steckt.
Leider kann noch niemand sagen, wie das anfängliche Inflatonfeld überhaupt zustande kam. Aber es erklärt z. B. die Gleichförmigkeit der Hintergrundstrahlung und die Flachheit des Raums.

Da wird das ganz verständlich zusammen gefasst:
http://de.wikipedia.org/wiki/Inflation_%28Kosmologie%29

Interessant dabei ist, dass man nicht mal das Äquivalent von 10 kg Masse (wenn auch extrem dicht) für das ganze Universum braucht.

[Halman]

Ich habe keine Ahnung von Astrophysik im mathematischen Sinne. Was ich nie begriffen habe: Wenn alle Masse des Universums in einem winzig kleinen Punkt verdichtet war, wie kann es dann expandieren?

Dies ist eine sehr gute Frage. Sofern man eine Anfangssingularität zugrundelegt, wie es im Urknall der Fall ist, gibt es afaik keine physikalische Ursache für die Expansion: Diese muss man als eine der Anfangsbedingungen postulieren.

Das Big Bounce-Szenario liefert imho hingegen hierfür eine Ursache. Demnach entstand unser Universum aus einem großen Rückprall (Urprall) eines Vorgängeruniversums, welches kollabierte. Allerdings gibt es in dieser Theorie keine Anfangssingularität, d.h. dass Universum war nie unendlich klein (null), sonden hatte immer eine endliche Größe (auch wenn sie noch so winzig war).

Müsste nicht sofort ein schwarzes Loch entstehen? Oder: Wie groß müsste der Durchmesser des Universums mindestens gewesen sein, damit kein Schwarzes Loch entsteht?

Imho gehen alle kosmologischen Theorien davon aus, dass unser Universum in einem Zustand maximaler Dichte begann. Klassisch betrachtet wäre dies unendlich dicht. Allerdings gibt es durchaus Zweifel darüber, ob eine unendliche Dichte, also eine Singulatität, überhaupt möglich ist.
Bei Dichten > Planck-Dichte versagt imho unsere Physik. Falls die Planck-Dichte die maximale Dichte repräsentiert, müsste das Universum zu Anfang mindestens eine Größe von 10^61 Kubik-Plancklängen gehabt haben, da die Gesamtmasse des beobachtbaren Universums bei 10^50 t liegt, also 10^61 Planck-Massen. Das wäre dann das von Thomas W. Riker berechnete Volumen von cm³/10^37.

Wie ich schon mal geschrieben habe: Ein Großteil der Materie ist wahrscheinlich erst in der Inflationsphase entstanden, es ist also nicht unbedingt so, dass alle heute sichtbare oder als Reststrahlung wahrnehmbare Materie sich an einem Punkt befunden hat.

Heißt das, dass im Laufe der Expansion immer mehr Energie/Masse von Inflationsfeld in das Universum einfloss?

Die Energie, die die Materie und Reststrahlung repräsentieren, wird annährend aufgehoben durch die negative Energie, die im Gravitationsfeld des gesamten Universums steckt.

Ich zweifle.

Leider kann noch niemand sagen, wie das anfängliche Inflatonfeld überhaupt zustande kam. Aber es erklärt z. B. die Gleichförmigkeit der Hintergrundstrahlung und die Flachheit des Raums.

Ja, die Beobachtungen passen sehr gut zur Inflationstheorie. Die chaotische Inflation führt allerdings zur ewigen Inflation, d.h. dass Inflationsfeld musste gar nicht zustande kommen, da es ewig ist.

Interessant dabei ist, dass man nicht mal das Äquivalent von 10 kg Masse (wenn auch extrem dicht) für das ganze Universum braucht.

ehrlich, das verstehe ich nicht. Da kann ich mir nur vorstellen, dass es mit 10 kg Masse begann und im Laufe der Inflationsphase immer mehr Masse aus dem Inflationsfeld hinzukam.