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Unsere Welt zu verstehen:  Eigenschaften Vakuums



 Beitrag 0-245
 
 

 
Eigenschaften des Vakuums
 
und wie sich daraus die Inflationstheorie begründen lässt

 
 
Wer sich vorstellt, er befände sich weit draußen im Atlantischen Ozean, dem wird klar sein, dass er dort sehen wird
     
  • bei nahezu Windstille nur weit ausgedehnte Wellen geringer Höhe, deren Form sich nur relativ  l a n g s a m  ändert,
     
  • bei Sturm aber Wellen, die sich beinahe senkrecht hoch auftürmen, ihre Form und Höhe aber recht  s c h n e l l  wieder verlieren.

Die Wellenhöhe über den gesamten Ozean hinweg kann als skalares Feld aufgefasst werden.
 
 
Ganz ähnlich verhält es sich mit dem Vakuum: Es stellt ein Meer von Energie dar, dessen Dichte ortsabhängig schwankt und — wie die ortsabhängige Wellenhöhe des Ozeans — durch ein Skalarfeld beschrieben werden kann.
 
So gesehen lässt sich das Vakuum vergleichen mit einer Landschaft, die in weiten Teilen nur wenig Höhenunterschiede aufweist. Jedes Tal in dieser Landschaft der Energiedichte nennen Physiker ein Vakuum.
 
Ein Vakuum, dessen Energiedichte nahezu null ist, nennt man ein  e c h t e s  Vakuum, ansonsten aber ein  f a l s c h e s  Vakuum.
 
 
Je höher die Energiedichte eines falschen Vakuums ist, desto  i n s t a b i l e r  verhält es sich — ganz analog zu den Wellen im Ozean, die ja auch, weil dann durch nichts gehalten und zusammengepresst, umso schneller in sich zusammenstürzen, je höher sie wurden.
 
Inflation im Sinne der Kosmologie ist nichts anderes als der Zusammensturz eines falschen Vakuums: So plötzlich, wie seine Energiedichte abnimmt, so schnell dehnt der Raum sich aus (aus einer steilen, hohen Welle geringen Durchmessers wird fast schlagartig eine flache, weit ausgedehnte).
 
 
Innerhalb des Beobachtungshorizonts der Menschen — und ganz sicher auch noch weit über ihn hinaus — herrscht derzeit ein echtes Vakuum: Man geht heute (2006) davon aus, dass seine Energiedichte einer Masse von 3 Wasserstoffatomen pro Kubikzentimeter entspricht.
 
Heutige, erst im Ansatz vorhandene physikalische Theorien kennen noch zwei weitere Vakua (Zustände des Vakuums):
     
  • Das erste von beiden ist das sog. Elektroschwache Vakuum: Ein Zustand des Vakuums, wie er Bruchteile von Sekunden nach dem Urknall vermutet wird.
    Seine Energiedichte entspricht etwa 1019 Tonnen (etwa der Masse des Mondes) pro Kubikzentimeter.
     
  • Das zweite ist der Zustand des Vakuums während der sog. GUT-Ära: Ein noch näher am Urknall vermuteter Zustand, der so energiereich war, dass es noch keinen nennenswerten Unterschied gab zwischen der starken Wechselwirkung einerseits und der elektroschwachen andererseits.
    Ihn kennzeichnet eine Energiedichte, die nochmals um etwa den Faktor 1048 höher ist als die des elektroschwachen Vakuums.

Wichtig ist:
 
Typ und Masse möglicher Elementarteilchen sind abhängig vom Zustand des Vakuums

 
 
Die Rate, mit der der Raum während des Zusammenbruchs eines falschen Vakuums expandiert, ist unverstellbar groß, und die Zeitspanne, in der so ein Zusammensturz erfolgt, ist umso kürzer, je höher die Energiedichte des zusammenbrechenden falschen Vakuums war.
 
Beim Zusammenbruch des elektroschwachen Vakuums vergrößerten sich alle Abstände im Raum im 13-ten Teil einer Microsekunde um etwa den Faktor 10100. Während des Zusammenbruchs des Vakuums der GUT-Ära war die Expasionsrate, wie man heute denkt, sogar 1026 mal so hoch.
 

 
 
Das Vakuum: ein Meer von Energie, in dem Welten entstehen

 
 
Wie oben erklärt, lässt sich der Kosmos — das falsche Vakuum, in dem dann Welten entstehen — gut vergleichen mit einem Ozean von Energie, deren Dichte an jeder Stelle man als lokale "Wassertiefe" sehen könnte.
 
Dieses Meer von Energie verhält sich analog zu einem Meer aus Wasser:
 
Wo ein Meer über weite Strecken hinweg wenig tief ist, vielleicht nur Zentimeter tief, können sich selbst bei Sturm keine hohen Wellen bilden.
 
Ganz analog dazu wird es Inflation im Ozean der Welten vor allem dort geben, wo hohe Energiedichte vorliegt.
 
Inflation reduziert drastisch die Energiedichte, so dass weit ausgedehnte Regionen geringer Energiedichte entstehen, die evolutionstechnisch gesehen den Weg nehmen, den auch unser Universum genommen hat und noch nehmen wird:
     
  • Erst entstehen Galaxien.
     
  • Da das Vakuum aber auch dort noch nicht all seine Energie abgegeben hat, wird der Raum weiter expandieren, nun aber sehr viel langsamer.
     
  • Dies hat zur Folge, dass sein Inhalt sich über lange Zeiträume hinweg ständig verdünnen wird mit dem Effekt, dass die im Raum und seinem Vakuum vorhandene Energiedichte schließlich asymptotisch gegen Null geht.
     
    Wie Simulation gezeigt hat [ in Vilenkins Buch wird auf den Seiten 99-100 darüber berichtet ] entstehen im falschen Vakuum ständig — gut vergleichbar
    mit aus dem Meer hochsteigenden Inseln — Regionen, in denen die Energiedichte so stark absinkt, dass sich diese Region dann als ein Universum darstellt, welches vergleichbar ist mit dem, in dem wir leben.


 
Quelle: Alex Vilenkin: Kosmische Doppelgänger, Originaltitel: Many Worlds in One (2006), S. 57-63, 99-100.

 
Die eben beschriebene Theorie ewiger Inflation erwies sich als eine Ergänzung der Urknalltheorie, welche zusammen mit ihr auch Fragen beantworten kann, auf die vorher niemand eine Antwort wusste. Eben deswegen erscheint sie am plausibelsten, obgleich sie einen Kosmos postuliert, der noch weit komplexer, weit größer und weit erstaunlicher ist, als man bis dahin dachte.
 
Sie macht insbesondere deutlich, dass der Ursprung allen Lebens (und auch der Zeit) im Vakuum liegt, genauer: in nie aufhörender Quantenfluktuation.

 


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seiteEgncatnaumifai: Egncatnaumifai1gegreit


Der Kosmos: Gedanken über das Allumfassende


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