Frage von Shotgans, 66

Was ist das Inflationfeld?

Was ist das hypothetisch postulierte Inflationfeld, das die kosmologische Inflation hervorruft? Wenn die Inflation an einem bestimmten Raumpunkt geschehen ist, ist sie dann selbsterhaltend durch die Inflation von quantenmechanischen Fluktuationen (Vakuumfluktuationen), und geht sie darum möglicherweise in weit entfernten Gegenden des Universums weiter?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von uteausmuenchen, Community-Experte für Astronomie & Physik, 34

Hallo Shotgans,

wie Du schon selbst schreibst: Die inflationäre Phase in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall ist im Moment hypothetisch und nicht durch Beobachtungen abgedeckt. Meldungen, BICEP hätte das bestätigt, waren leider verfrüht.

Die Inflation erklärt aber gleich ein paar Beobachtungen im Universum einfach und elegant alle gemeinsam. Das allein macht sie zu einem attraktiven Modell. Und mit dem Higgsfeld haben wir tatsächlich einen sehr heißen Kandidaten für das Inflatonfeld. Der Higgsmechanismus könnte für die Vorgänge in den ersten Sekundenbruchteilen verantwortlich sein.

Ich versuche es jetzt in etwa und sehr stark vereinfacht wiederzugeben, wie da die Idee läuft.

In der Quantenfeldtheorie sind alle Elementarteilchen zu verstehen als Anregungszustände von Feldern. Das Higgsteilchen ist der Anregungszustand des Higgsfeldes. Das Higgsfeld ist aber besonders: Anders als bei anderen Feldern, die die Physik kennt (Kraftfelder zum Beispiel) muss man Energie aufwenden, damit das Higgsfeld den Wert 0 annimmt.

Im heutigen, ausgedehnten und abgekühlten Universum hat es deshalb einen von Null verschiedenen Wert - und verschwindet nicht. Deswegen verleiht es im heutigen Universum den Teilchen seine Masse, der Higgsmechanismus greift.

Direkt nach dem Urknall - wir reden von 10^-35 Sekunden nach dem Urknall - war das junge Universum dicht und extrem heiß. Das Higgsfeld schwankte unter diesen Umständen tatsächlich um den Wert Null.

Das bedeutet, dass zu diesem Zeitpunkt die Teilchen keine Masse haben, weil der Higgsmechanismus NICHT greift. Das ist es, was die Kopplungsteilchen der physikalischen Wechselwirkungen ununterscheidbar macht. Die Grundkräfte der Physik "sehen" dann alle gleich aus. Das sind die "GUT"-Modelle - GUT = Grand Unified Theory.

Erst beim Abkühlen aufgrund der Ausdehnung des Universums nimmt das Higgsfeld einen von Null verschiedenen Wert an, weil es nicht mehr angeregt ist. Damit werden die Kopplungsteilchen massebehaftet und die 4 Grundkräfte "frieren aus".

Wie kommt es in diesem Modell jetzt zur Inflation?

Bei der Abkühlung kann das Higgsfeld kurzzeitig (seeeehr kurzzeitig, wir reden in etwa von der Zeitspanne 10^-35 ...10^-32 Sekunden) im instabil gewordenen Zustand des Wertes Null (den es vorher hatte) verharren.

Das ist ähnlich wie bei unterkühltem Wasser. Vielleicht kennst Du das, dass man Wasser, wenn es sehr sauber ist und ruhig gehalten wird unter Null Grad abkühlen kann? Wenn man dann schüttelt, gefriert es schlagartig, weil beim Schütteln kurzzeitig kleine Luftbläschen ins Wasser kommen, die dann als Kristallisationskeime dienen.

Auch das Higgsfeld kann also sehr, sehr kurzzeitig in einer Art unterkühltem Zustand gewesen sein: Es hatte noch den Wert Null, weil es einfach einen winzigen Moment braucht, um in den neuen stabilen Zustand zu wechseln. Man nennt das Feld in einem falschen, instabilen Zustand "falsches Vakuum". Dieses falsche Vakuum erzeugt einen negativen, also nach außen gerichteten, abstoßenden Druck - die Triebfeder der Inflation.

Es ergibt sich extremst kurzfristig (nur für die Sekundenbruchteile, bis das Higgsfeld den Zustand gewechselt hat) ein enormer Druck, der die Raumzeit innerhalb weniger Sekundenbruchteile um das 10^30...10^100fache aufbläht. Und sie endet, sobald das Higgsfeld im Zielzustand angekommen ist.

Ich kopiere noch ein Video von Josef Gaßner hierher, in dem er dieses Modell sehr ausführlich erklärt. Leider ist das Video etwas länger, sorry.

Grüße

Kommentar von ThomasJNewton ,

Trotz allem verstehe ich da einiges noch nicht.

Und da geht es nicht um die tiefe Physik dahinter, die werde ich wohl nie verstehen, und ich habe auch nicht den Ehrgeiz bzw. Fleiß, sie zu verstehen.

Es geht mehr darum, was ich so mitkriege, auf einen - nennen wir es mal so - fortgeschrittenen populärwissenschaftlichen Level.

Kürzlich wurde das Higgs-Boson ja wohl nachgewiesen. Aber vermutet oder gefordet wurde es schon vor mehr als 50 Jahren, im Rahmen der Vereinheitlichung von Elektromagnetischer und Schwacher Wechselwirkung.

Und in all der Zeit, wo ich mir so einiges reingezogen habe, wurde nie geschrieben, dass das Inflaton mit den Higgs-Boson identisch ist. Auch Wikipedia sagt eher das Gegenteil, dass das Higgs-Feld zwar irgendwas damit zu tun hat, aber nicht primäre Ursache oder Träger der Inflation ist.
Vielmehr wird ein bisher unbekanntes Feld oder Teilchen angenommen.

Auch dass die Inflation mit der heutigen Beschleunigung der Expansion so gar nichts zu tun hat, konnte ich bisher nirgends lesen.
OK, das würde erklären, warum man die Dunkle Energie noch nicht kennt.

Ich weiß ja auch, dass das Durchsickern in die Populärwissenschaften so seine Zeit braucht. Und Wikipedia rechne ich nicht unbedingt zu den Schulbüchern.
Ich weiß auch nicht, um was ich dich konkret bitten sollte.
Einen Link, der das genau auf meinem Niveau erklärt?

Aber irgendwie war's mit ein Bedürfnis. Ich will ja wissen, wie mein Kenntnisstand ist, damit ich weiß, welche Fragen ich beantworten kann oder darf.

Kommentar von uteausmuenchen ,

Hallo Thomas,

vielleicht habe ich mich unglücklich ausgedrückt: Ich hatte versucht, es am Anfang meiner Antwort anzudeuten: Das ist alles noch nicht sicher. Wir befinden uns hier im Reich der diskutierten Möglichkeiten.

Es ist möglich, dass das jetzt nachgewiesene Higgsfeld und das hypothetische Inflatonfeld dasselbe sind oder etwas miteinander zu tun haben - es ist eine diskutierte Möglichkeit. Sicher ist es nicht.

Das Higgsfeld hat halt einigen anderen Modellen gegenüber den Vorteil, dass wir mittlerweile wissen, dass es existiert.

Wikipedia sagt eher das Gegenteil

Hm, echt?

https://en.wikipedia.org/wiki/Inflaton

"It is suggested that the Higgs boson might act as the inflaton."

Im Moment ist meines Wissens die Möglichkeit konsistent mit den zur Verfügung stehenden Daten. Wobei es auch andere diskutierte Erklärungen gibt, in denen es nicht das Higgsfeld ist, das die Rolle des Inflatonfeldes spielt. Es ist ja nicht mal die Inflation selbst in trockenen Tüchern, entsprechend eigentlich fast logisch, dass es die Ursache auch nicht ist.

http://profmattstrassler.com/2013/03/26/cosmic-conflation-the-higgs-the-inflaton...

Dass das so in älteren Büchern nicht auftaucht, glaub' ich gerne. Ich hab 1992 mein Diplom gemacht. Da kam das auch alles nicht vor. Gerade in der Kosmologie ist in den letzten 20 Jahren ganz, ganz viel passiert.

Und ich würde hoffen, dass Du viele Antworten schreibst, ich mag Deine Antworten. =)

Grüße

Antwort
von grtgrt, 12

Da unser Universum expandiert, d.h. der Raum sich aufbläht, muss es Energie geben, die dies bewirkt.

Unter dem Inflatonfeld versteht man eine Funktion, die jedem Punkt im Raum die Stärke dieser dort wirkenden, die Expansion des Raumes verursachenden Energie zuordnet.

Antwort
von ThomasJNewton, 45

Ich weiß nur, dass das hypothetische Teilchen Inflaton genannt wird, mit ohne "o".

Ferner glaube ich, dass da sehr vieles einfach Spekulationen sind, auch ob die frühe Inflation mit der heutigen Expansion identisch ist.
Damit wäre das Inflation und die Dunkle Energie auch so etwa dasselbe.

Und wenn die Spekulationen doch nicht ganz so spekulativ sind, bin ich mit Sicherheit nicht in der Lage, das zu verstehen.

Kommentar von prohaska2 ,

ob die frühe Inflation mit der heutigen Expansion identisch ist

Näääh.

Die Inflation war kurz und überlichtschnell.

Kommentar von ThomasJNewton ,

Über große Entfernungen ist auch die heutige Expansion überlichtschnell.

Ich sehe den Unterschied nicht, und das ist wohlgemerkt eine Aussage über mich. ICH verstehe es nicht.

Auch nicht, was das mit den Higgs-Feld zu tun hat.

Und ich will dir auch nicht widersprechen, schon weil ich die Antwort nicht verstünde.

Kommentar von uteausmuenchen ,

prohaska2 hat hier recht, mit der Inflation ist eine extrem kurze Phase extremst schnellen Aufblähens der Raumzeit unmittelbar nach dem Urknall gemeint.

Das ist nicht dasselbe, wie die heutige Expansion, die nur über Projektions- und Additionseffekte überlichtschnell zu sein scheint. Tatsächlich ist die Ausdehnungsrate mit etwa 74 Kilometer pro Sekunde und Megaparsec nicht wirklich "extremst schnell".

Grüße

Kommentar von prohaska2 ,

Die verstehst du. Darf ich dir "Das dunkle Universum" von Pauldrach empfehlen?

Antwort
von prohaska2, 39

Was ist das Inflationfeld?

Eigentlich unnötig. Das Higgsfeld schafft das ganz alleine.

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