Der Urknall Wie unser Universum aus fast Nichts entstand

Der UrknallDer UrknallWie unser Universum Wie unser Universum

aus fast Nichts aus fast Nichts entstandentstand

Die großen FragenDie großen Fragen Woraus besteht das Universum ?Woraus besteht das Universum ? Wie sah das Universum am Anfang aus ?Wie sah das Universum am Anfang aus ? Plasma ! und vorher ?Plasma ! und vorher ? Woraus haben sich Strukturen Woraus haben sich Strukturen

entwickelt ?entwickelt ? Gibt es Leben und Intelligenz in anderen Gibt es Leben und Intelligenz in anderen

Regionen des Universums ?Regionen des Universums ? Woher kommen Materie und Strahlung ?Woher kommen Materie und Strahlung ? Was war vor dem Urknall ?Was war vor dem Urknall ? Was wird aus unserem Universum in der Was wird aus unserem Universum in der

Zukunft ?Zukunft ? Was liegt außerhalb unseres Horizonts ?Was liegt außerhalb unseres Horizonts ?

Grenzen der PhysikGrenzen der Physik

über die Schwierigkeit , Antworten zu über die Schwierigkeit , Antworten zu finden …finden …

Thermische GrenzeThermische Grenze Energiegrenze , AuflösungsgrenzeEnergiegrenze , Auflösungsgrenze RaumgrenzeRaumgrenze KomplexitätsgrenzeKomplexitätsgrenze Grenzen der jetzigen Gesetze der Physik Grenzen der jetzigen Gesetze der Physik

Thermische GrenzeThermische Grenze

Das frühe Universum war im Das frühe Universum war im thermischen Gleichgewicht .thermischen Gleichgewicht .

Das Universum “ vergisst “ !Das Universum “ vergisst “ ! Werfen Sie einmal ein Buch auf die Werfen Sie einmal ein Buch auf die

Sonne und versuchen , es 10 000 Sonne und versuchen , es 10 000 Jahre später zu lesen …Jahre später zu lesen …

andererseits : nur wenige Größen werden zurandererseits : nur wenige Größen werden zurBeschreibung des frühen Universums benötigt !Beschreibung des frühen Universums benötigt !

Thermisches Thermisches GleichgewichtGleichgewicht

Energie ~ Masse ~ TemperaturEnergie ~ Masse ~ Temperatur

Welche Teilchensorten gibt es mit Welche Teilchensorten gibt es mit Masse Masse < < Temperatur ?Temperatur ? ( Elektronen ,Quarks , Photonen , ( Elektronen ,Quarks , Photonen ,

Neutrinos , Neutrinos , W-Bosonen , …???? )W-Bosonen , …???? ) Was ist ihre Masse ?Was ist ihre Masse ?

Elementarteilchen - PhysikElementarteilchen - Physik

Näher an den UrknallNäher an den Urknall

Je näher an den Urknall, desto höher Je näher an den Urknall, desto höher die Temperatur und Energie der die Temperatur und Energie der TeilchenTeilchen

Physik bei hohen Energien weniger Physik bei hohen Energien weniger gut bekanntgut bekannt

Erst ab 10Erst ab 10-12 -12 Sekunden abb : Im Sekunden abb : Im wesentlichen bekannte Physikwesentlichen bekannte Physik

Teilchenphysik nähert sich Teilchenphysik nähert sich UrknallUrknall

vor Zeiten von 10vor Zeiten von 10-12-12 Sekunden abb Sekunden abb sind die Teilchen mit Masse < sind die Teilchen mit Masse < Temperatur nicht experimentell Temperatur nicht experimentell bekanntbekannt

LHC erforscht Physik , die für 10LHC erforscht Physik , die für 10-12-12 Sekunden abb wichtig istSekunden abb wichtig ist

spontane Symmetriebrechung , spontane Symmetriebrechung , Phasenübergang Phasenübergang

Energiegrenze …Energiegrenze …

EnergiegrenzeEnergiegrenze

LHC , CERN , GenfLHC , CERN , Genf

KomplexitätsgrKomplexitätsgrenzeenze

Galaxien-Galaxien-EntstehungEntstehung

Komplexitätsgrenze :Komplexitätsgrenze :

Details der GalaxienentstehungDetails der Galaxienentstehung

vermutlich nicht wichtigvermutlich nicht wichtig

für Verständnis der Entwicklung des für Verständnis der Entwicklung des

Universums als GanzemUniversums als Ganzem

Grenzen der Gesetze : Grenzen der Gesetze : Waren die Naturkonstanten Waren die Naturkonstanten

konstant ?konstant ?

Gelten die Gesetze der Physik auch noch Gelten die Gesetze der Physik auch noch eine Minute abb ?eine Minute abb ?

Oder hatten damals Naturkonstanten Oder hatten damals Naturkonstanten andere Werte ?andere Werte ?

anderes Verhältnis anderes Verhältnis Elektronmasse/ProtonmasseElektronmasse/Protonmasse

oder andere Gravitationskonstante , oder ???oder andere Gravitationskonstante , oder ???

ΩΩbb = = 0.0450.045

nur 4,5 % des Universums bestehen aus Atomen : bekannt von

Hintergrundstahlung , Nucleosynthese

400 000 Jahre abb400 000 Jahre abbAtomphysikAtomphysik

Minute abbMinute abbKernphysikKernphysik

Präzise Bestätigung Präzise Bestätigung unseres unseres

Verständnisses der Verständnisses der Physik und Physik und KosmologieKosmologie

Auch vor 13.7 Milliarden Auch vor 13.7 Milliarden Jahren hatten die Konstanten Jahren hatten die Konstanten

der Physik die der Physik die

( fast ) gleichen Werte( fast ) gleichen Werte

Wir verfügen über Wir verfügen über zuverlässiges Wissen über zuverlässiges Wissen über die Entwicklung des die Entwicklung des Universums Universums seit den ersten 10 seit den ersten 10 -12 -12 Sekunden !Sekunden !

aber vorher ?aber vorher ?

Abenteuerreise an den Abenteuerreise an den Anfang der WeltAnfang der Welt

Eternal Eternal inflationinflationA. LindeA. Linde

Was ist reell ?Was ist reell ?Was ist Vorstellung ?Was ist Vorstellung ?

Was ist pure Was ist pure Spekulation ?Spekulation ?

Quantenfluktuationen Quantenfluktuationen am Urknallam Urknall

werden beobachtbar !werden beobachtbar !

Inflationäres UniversumInflationäres Universum

Ca 10 Ca 10 -30-30 - 10 - 10 -40 -40 Sekunden abbSekunden abb Entstehung der primordialen Entstehung der primordialen

FluktuationenFluktuationen aus Quantenfluktuationenaus Quantenfluktuationen

Signale vom Urknall !Signale vom Urknall !

Das Vakuum ist nicht leer !Das Vakuum ist nicht leer !

QuantenfelderQuantenfelder

Fluktuierende Felder : Feldwerte Fluktuierende Felder : Feldwerte ändern sich mit Zeit und im Raumändern sich mit Zeit und im Raum

Quantenfluktuationen im Quantenfluktuationen im VakuumVakuum

Quantentheorie ist Quantentheorie ist probabilistischprobabilistisch

Quantentheorie gibt nur Quantentheorie gibt nur WahrscheinlichkeitenWahrscheinlichkeiten für für

verschiedene Verläufe ( Trajektorien , Geschichten ) verschiedene Verläufe ( Trajektorien , Geschichten )

Quantentheorie für Quantentheorie für FelderFelder

MittelwertMittelwert Fluktuationen um Mittelwert : Fluktuationen um Mittelwert :

gekennzeichnet durch Korrelationengekennzeichnet durch Korrelationen Unschärfe – Prinzip ( Heisenberg ) :Unschärfe – Prinzip ( Heisenberg ) :

Untergrenze für Stärke der Untergrenze für Stärke der FluktuationenFluktuationen

Ca 10 Ca 10 -30-30 - 10 - 10 -40 -40 Sekunden abbSekunden abb Entstehung der primordialen Entstehung der primordialen

FluktuationenFluktuationen aus Quantenfluktuationenaus Quantenfluktuationen

Signale vom Urknall !Signale vom Urknall !

t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )t = 1 Milliarde Jahre ( z =5.7 )

t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )t = 13.6 Milliarden Jahre ( z=0 )

Kosmische Strukturbildung im GrossrechnerKosmische Strukturbildung im GrossrechnerSimon White, Mainz, 1.7.Simon White, Mainz, 1.7.

StrukturbildungStrukturbildung

Aus winzigen Anisotropien wachsen Aus winzigen Anisotropien wachsen die Strukturen des Universumsdie Strukturen des Universums

Sterne , Galaxien, GalaxienhaufenSterne , Galaxien, Galaxienhaufen

EinEin primordiales primordiales Fluktuationsspektrum beschreibtFluktuationsspektrum beschreibt allealle Korrelatonsfunktionen !Korrelatonsfunktionen !

(1) Die Strukturen im (1) Die Strukturen im Universum sind aus Universum sind aus

Quantenfluktuationen während Quantenfluktuationen während des Urknalls entstandendes Urknalls entstanden

Vortrag F.Wilczek, Vortrag F.Wilczek, 20.5.1420.5.14

Unzulänglichkeiten des Unzulänglichkeiten des Friedmann- UniversumsFriedmann- Universums

Warum hat das Warum hat das Universum die kritische Universum die kritische

Dichte ?Dichte ?

Kritische DichteKritische Dichte

ΩΩtot tot =1 =1

flaches flaches UniversumUniversum

ΩΩtot tot >1 >1

KugeloberflächeKugeloberfläche

ΩΩtot tot <1 <1

hyperbolische hyperbolische

GeometrieGeometrie

gekrümmte Bahnen der gekrümmte Bahnen der LichtstrahlenLichtstrahlen

Instabilität der flachen Instabilität der flachen räumlichen Geometrieräumlichen Geometrie

Zeitentwicklung von Zeitentwicklung von ΩΩ für Friedmann- für Friedmann- Gleichung mit gekrümmter GeometrieGleichung mit gekrümmter Geometrie

KausalitätKausalität

Horizont Horizont beibeiCMB - CMB - EmissionEmission

Das Ganze ist mehr als Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teiledie Summe seiner Teile

Physik : Physik : KorrelationenKorrelationen

Langreichweitige Langreichweitige KorrelationenKorrelationen

Korrelationen in der Hintergrundstrahlung Korrelationen in der Hintergrundstrahlung überüber

Abstände , die größer sind als der Horizont Abstände , die größer sind als der Horizont

(2) Grenzen der Einstein- (2) Grenzen der Einstein- Gleichungen:Gleichungen:

kein Verständnis vonkein Verständnis vonHomogenität, Isotropie, flacher Homogenität, Isotropie, flacher

räumlicher Geometrie, räumlicher Geometrie, langreichweitigen Korrelationenlangreichweitigen Korrelationen

Gleichung für die Gleichung für die kosmologische Evolution : kosmologische Evolution :

Friedmann GleichungFriedmann Gleichung

a(t) : Skalenfaktora(t) : Skalenfaktorρρ(t) : Energie-(t) : Energie- DichteDichte t : Zeitt : Zeit

M M : Planck-Masse: Planck-Masseverknüpft mit verknüpft mit GravitationskonstanGravitationskonstante te GG

Mit Friedmann GleichungMit Friedmann Gleichung

läßt sich Evolution desläßt sich Evolution des

Universums einfachUniversums einfach

verstehen verstehen

Spezialfall derSpezialfall der

Einstein GleichungEinstein Gleichung

beschreibt die Änderung der beschreibt die Änderung der

kosmologischen Abstände mit der Zeit ; kosmologischen Abstände mit der Zeit ; a(t)a(t) enthält Ableitungenthält Ableitung DifferentialgleichungDifferentialgleichung erlaubt Bestimmung der Zukunft und erlaubt Bestimmung der Zukunft und

Vergangenheit wennVergangenheit wenn aa und und ρρ zu bestimmtem zu bestimmtem ZeitpunktZeitpunkt tt gegebengegeben

benötigt Eigenschaftenbenötigt Eigenschaften

von von ρρ

wenn Materie dominiert :wenn Materie dominiert :

n : n : TeilchendichteTeilchendichte

Expansion Expansion wird wird langsamer , langsamer , wennwennaa größer größer wirdwird

wenn Energiedichte wenn Energiedichte konstant ist :konstant ist :

Dunkle Energie und Dunkle Materie sind (heute) Gegenspieler :Dunkle Energie und Dunkle Materie sind (heute) Gegenspieler :

Dunkle Materie verlangsamt ExpansionDunkle Materie verlangsamt Expansion

Dunkle Energie beschleunigt ExpansionDunkle Energie beschleunigt Expansion

ρρ konstant:konstant:Expansion wird Expansion wird schnellerschnellerwenn wenn aa größer größer wirdwird

wenn Energiedichte wenn Energiedichte konstant ist :konstant ist :

Inflation : Inflation :

Periode mit fast konstanter Periode mit fast konstanter EnergiedichteEnergiedichte

explosionsartige Expansionexplosionsartige Expansion

Inflation = UrknallInflation = Urknall

ρρ konstant:konstant:Expansion wird Expansion wird schnellerschnellerwenn wenn aa größer größer wirdwird

Explosionsartige Expansion der Explosionsartige Expansion der InflationInflation

löst Problem der Kausalität löst Problem der Kausalität

Explosionsartige Expansion der Explosionsartige Expansion der InflationInflation

löst Problem der Kausalität löst Problem der Kausalität und erklärt,und erklärt,

wie wie Information bis heute Information bis heute gespeichert gespeichert werden kann werden kann

Explosionsartige Expansion Explosionsartige Expansion der Inflation erklärt räumlich der Inflation erklärt räumlich

flache Geometrieflache Geometrie

(3) Fast konstante (3) Fast konstante Energiedichte führt zu Energiedichte führt zu

explosionsartiger Ausdehnung explosionsartiger Ausdehnung des Raumsdes Raums

Inflaton : Inflaton : das Skalarfeld der das Skalarfeld der

InflationInflation

Skalarfeld und Skalarfeld und fast konstante fast konstante EnergiedichteEnergiedichte

potentielle Energie V trägt zur potentielle Energie V trägt zur Energiedichte beiEnergiedichte bei

flaches Potential : langsame flaches Potential : langsame ÄnderungÄnderung

Urknall : Explosion des Urknall : Explosion des RaumsRaums

am Anfang waren Raum und Zeit am Anfang waren Raum und Zeit und Felderund Felder

während der Inflation ist Universum während der Inflation ist Universum leerleer

Materie und Strahlung werden am Materie und Strahlung werden am Ende der Inflation erzeugtEnde der Inflation erzeugt

Erzeugung von Erzeugung von Teilchen, Strahlung und Teilchen, Strahlung und Entropie am Ende der Entropie am Ende der

InflationInflation

Quantenfluktuationes Quantenfluktuationes des des

Skalarfelds sind Skalarfelds sind berechenbarberechenbar

SignaleSignale

Vorhersage der Vorhersage der TemperaturschwankungenTemperaturschwankungen

in Abhängigkeit von Fleckengröße in Abhängigkeit von Fleckengröße ( im Winkel )( im Winkel )

ca 1 ca 1 GradGrad

ca 10 Gradca 10 Grad

KontraKontrastst

WinkelWinkel

(4) Am Anfang war das (4) Am Anfang war das Universum Universum

öd und leer :öd und leer :Skalarfeld, Gravitationsfeld,Skalarfeld, Gravitationsfeld,Quantenfluktuationen der Quantenfluktuationen der

FelderFelder

Chancen der Chancen der Verifizierung ?Verifizierung ?

Es fehlt vereinheitlichte Theorie Es fehlt vereinheitlichte Theorie aller Wechselwirkungen !aller Wechselwirkungen !

Dennoch : Beobachtungen Dennoch : Beobachtungen geben Aufschluss über extreme geben Aufschluss über extreme frühe Epochen der frühe Epochen der kosmologischen Entwicklung !kosmologischen Entwicklung !

Vorhersage: Vorhersage: räumlich flaches räumlich flaches

UniversumUniversum

Theorie (Inflationäres Universum )Theorie (Inflationäres Universum )

ΩΩtottot =1.0000……….x =1.0000……….x

Beobachtung ( Planck )Beobachtung ( Planck )

ΩΩtottot =0.99 ( ±0.006) =0.99 ( ±0.006)

ΩΩtottot = = 11

Vorhersagen der Vorhersagen der InflationInflation

Universum hat kritische Dichte ☺Universum hat kritische Dichte ☺

Quantenfluktuationen aus der Zeit der Quantenfluktuationen aus der Zeit der Inflation werden zu “Schallwellen“ zum Inflation werden zu “Schallwellen“ zum Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung ☺Hintergrundstrahlung ☺

Fluktuationen sind adiabatisch ( erhaltene Fluktuationen sind adiabatisch ( erhaltene Entropie ) ☺Entropie ) ☺

Vorhersagen der Vorhersagen der InflationInflation

Fluktuationen sind Gauss-verteilt ☺Fluktuationen sind Gauss-verteilt ☺

Fluktuationen sind fast skaleninvariant☺Fluktuationen sind fast skaleninvariant☺

Quantenfluktuationen der Metrik führen Quantenfluktuationen der Metrik führen zu Polarisation der kosmischen zu Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung ( B-modes )Hintergrundstrahlung ( B-modes )

(5) Vorhersagen der (5) Vorhersagen der InflationInflation

bisher alle bestätigt !bisher alle bestätigt !

Viele Modelle der Inflation Viele Modelle der Inflation … …

für die meisten Modelle :für die meisten Modelle :

Am Nullpunkt der Zeit werden Am Nullpunkt der Zeit werden Lösungen der kosmologischen Lösungen der kosmologischen Gleichungen singulärGleichungen singulär

Was ist Ursache der Was ist Ursache der Inflation ?Inflation ?

Spekulative Physik ..Spekulative Physik ..

Zusätzliche RaumdimensionenZusätzliche Raumdimensionen ““Kosmologie vor dem Urknall”Kosmologie vor dem Urknall” SuperstringtheorienSuperstringtheorien MultiversumMultiversum Kosmon - InflationKosmon - Inflation

Dunkle EnergieDunkle Energie nur ein Viertel der Enegiedichte des nur ein Viertel der Enegiedichte des

Universums besteht aus MaterieUniversums besteht aus Materie drei Viertel sind völlig gleichmäßig drei Viertel sind völlig gleichmäßig

verteilte Dunkle Energieverteilte Dunkle Energie

Woraus besteht das Woraus besteht das Universum ?Universum ?

Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler Vorhersagen für Kosmologie mit Dunkler EnergieEnergie

Die Expansion des Universums

beschleunigt sich heute !

ähnlich zur Inflationähnlich zur Inflation

Dynamische Dunkle Dynamische Dunkle EnergieEnergie

benötigt Skalarfeld benötigt Skalarfeld ( Kosmon )( Kosmon )

Dieses Feld kann auch für dieDieses Feld kann auch für die

Inflation verantwortlich sein !Inflation verantwortlich sein !

(6) Inflaton = Kosmon ?(6) Inflaton = Kosmon ?Frühe und späte Dunkle Frühe und späte Dunkle

EnergieEnergiekönnen durch ein einziges können durch ein einziges

Skalarfeld beschrieben werdenSkalarfeld beschrieben werden

ZusammenfassungZusammenfassung