Unsere Welt zu verstehen:  Inflatonfeld Triebfeder

 

 
Das Inflatonfeld:

hypothetische Triebfeder der den Urknall zündenden Inflationsphase

— hmsgnr0299z

 
 
Was Treiber der Inflation war, die dann schließlich im Urknall zum Stillstand kam, ist bis heute nicht bekannt.
 
Man geht jedoch davon aus, dass Triebfeder der Inflation ein spontaner Symmetriebruch im sog.  I n f l a t o n f e l d  war. Es ist dies ein Skalarfeld, dessen Existenz man vermutet, aber (noch?) nicht als zwingende Konsequenz von Naturgesetzen erkennen kann.
 
An die Existenz des Inflatonfeldes zu glauben, macht insofern Sinn, als

 

• diese Idee einige kosmologische Fragen löst, auf die wir sonst keine Antwort hätten,
   
• und die Superstringtheorie ja eine ganze Menge von Skalarfeldern kennt, so dass eines davon gut das Inflatonfeld sein könnte.

 
Was aber ist nun ein spontaner Symmetriebruch in einem Skalarfeld?

Unter einem Skalarfeld versteht man eine Funktion, die jedem Punkt der Raumzeit ein reelle Zahl zuordnet. Im Falle des Inflatonfeldes quantifiziert sie die Stärke einer Kraft, welche — wo stärker als die Gravitationskraft — zur Expansion des Raumes führt.
 
Manche Autoren nennen sie negative Gravitation oder auch negativen Druck. Letzteres ist mathematisch begründet, ansonsten aber irreführend, denn schließlich lässt in einem Luftballon vorhandener Gasdruck den Luftballon größer werden. Man würde also erwarten, dass negativer Druck etwas in sich zusammenfallen ließe. In der Kosmologie aber ist genau das Gegenteil der Fall: Je schwächer jene Kraft, desto schneller expandiert der Raum.
 
Mir erscheint es daher sinnvoller, sie Druck bzw. negative Spannung zu nennen (da Spannung in einem Gummiband das Band zu verkürzen sucht, man von negativer Spannung also das Gegenteil erwarten würde.
 
Jedes Skalarfeld kann verglichen werden mit der Oberfläche einer hügeligen Landschaft. Liegt nun auf der Spitze eines der Hügel ein Ball, so stellt das beides dar: einen lokal recht symmetrischen Zustand und auch ein instabiles Gleichgewicht. Schon der kleinste Lufthauch kann dann dazu führen, dass der Ball aus dem Gleichgewicht gerät und dieses spontanen Symmetriebruchs wegen mit zunehmender Geschwindigkeit den Hügel hinunter rollt bis er dann schließlich – im Tal angekommen – dort in einer Mulde liegen bleibt (womit sich dann ein unsymmetrischer, aber deutlich stabilerer Zustand ergeben hat).

Dieses gedankliche Bild – in dem das Fallen des Balles der sich entladenden negativen Spannung entspricht – macht sehr schön klar,

 

• wie es zur Inflation gekommen sein könnte,
   
• warum sie nur kurze Zeit anhielt,
   
• aber doch unaufhaltsam war.

Die fast vollständige Entladung lokal präsenter negativer Spannung während der inflationären Phase unseres Universums hat in noch nicht ganz 10^-30 Sekunden sämtliche Entfernungen im All um mindestens den Faktor 10⁵⁰, vergrößert.
 
 
Der Astrophysiker Paul Davies erklärt es so:

 
Während der Inflationsphase hat sich das Volumen jeder Raumregion alle 10^-34 sec verdoppelt ( es ist dies eine Zeitspanne, in der das Licht noch nicht mal einen Atomkern ganz durchqueren kann ).
 
Jede Art von Materie, die vor Beginn der Inflation existiert haben mag, wurde durch die Inflation auf verschwindend kleine Dichte gedehnt, so dass der Raum danach praktisch leer war — ein Vakuum.
 
Die ungeheuere Energie aber, die während der Inflation im skalaren Inflationfeld steckte, musste beim Zusammenbruch des Feldes andere Form annehmen — und diese Form, so denkt man, war Wärme.
 
Der nächste Schritt war dann die Umformung der Wärmeenergie in Materie: Einsteins Formel  E = mc²  sagt uns ja, dass Materie entstehen kann, solange nur ausreichend viel Energie verfügbar ist.
 
Einsteins Formel zeigt, dass bei einer Temperatur von 1 Milliarde Grad — das ist die Temperatur des Universums etwa 1 Sekunde nach dem Urknall — genug Wärmeenergie vorhanden war, um Elektronen entstehen zu lassen. Noch früher war die Temperatur hoch genug, so dass auch massereichere Teilchen wie etwa Protonen entstehen konnten.
 
Kurz: Zu Ende der Inflationsphase hat die aus dem Zusammenbruch des Inflatonfeldes resultierende Energie zu einer extrem hohen Temperatur von etwa 10²⁷ Grad geführt — mehr als genug, um alle heute im Weltraum vorhandene Materie entstehen zu lassen.
 
 
Der Zerfall des Inflatonfeldes ist ein Quantenprozess, dessen Beginn eine nicht vorhersagbare Quantenfluktuation darstellt.
 
Hieraus ergibt sich, dass das Feld an verschiedenen Orten zu unterschiedlicher Zeit in zufällig verteilten Blasen zerfällt — in Raumblasen also, deren jede dann ein eigenes Universum (unserem vergleichbar) sein sollte.
 

Quelle: Paul Davies: Der kosmische Volltreffer (2008), S. 86-89.
 
Wer mehr wissen möchte, lese Andrej Linde: Elementarteilchenphysik und inflationäre Kosmologie (1990).

 
 
Hinweis: Laien verstehen unter dem Urknall den Symmetriebruch, d.h. den Zeitpunkt, zu dem die inflationäre Phase unseres Universums begann. Unter Physikern aber wird es mehr und mehr üblich, erst das Ende der inflationären Phase als den Urknall zu sehen, da nämlich erst ab da unser Universum in einem Zustand war, den heutige Physik beschreiben und in modernen Teilchenbeschleunigern für winzige Bruchteile von Sekunden – seinen Eigenschaften nach – sogar rekonstruieren kann.