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Wenn wir heute in das Universum blicken, sehen wir, dass es voller Sterne und Galaxien ist, in alle Richtungen und an allen Orten im Weltraum. Das Universum ist jedoch nicht statisch; Die entfernten Galaxien sind in Gruppen und Clustern zusammengebunden, wobei sich diese Gruppen und Cluster als Teil des expandierenden Universums schnell voneinander entfernen. Wenn sich das Universum ausdehnt, wird es nicht nur dünner, sondern auch kühler, da sich die einzelnen Photonen auf ihrer Reise durch den Raum zu röteren Wellenlängen verschieben.

Aber das bedeutet, wenn wir in die Vergangenheit zurückblicken, war das Universum nicht nur dichter, aber auch heißer. Wenn wir zu den frühesten Momenten zurückgehen, in denen diese Beschreibung zutrifft, zu den ersten Momenten des Urknalls, gelangen wir zu dem Universum, wie es in seiner absolut heißesten Zeit war. So lebte es damals.

Im heutigen Universum gehorchen Teilchen bestimmten Regeln. Die meisten von ihnen haben Massen, die der Gesamtmenge an innerer Energie entsprechen, die der Existenz dieses Teilchens innewohnt. Sie können entweder Materie (für die Fermionen), Antimaterie (für die Anti-Fermionen) oder keines von beidem (für die Bosonen) sein. Einige der Teilchen sind masselos, weshalb sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen müssen.

Immer wenn entsprechende Materie-Antimaterie-Paare miteinander kollidieren, können sie sich spontan vernichten, wobei im Allgemeinen zwei masselose Photonen entstehen. Und wenn man überhaupt zwei beliebige Teilchen mit einer ausreichend großen Energiemenge zusammenschlägt, besteht die Möglichkeit, dass spontan neue Materie-/Antimaterie-Teilchenpaare entstehen. Solange genügend Energie vorhanden ist, können wir nach Einsteins E = mc² Energie in Materie umwandeln und umgekehrt.

Na ja, schon früh war alles anders! Bei den extrem hohen Energien, die wir in den frühesten Stadien des Urknalls finden, war jedes Teilchen im Standardmodell masselos. Bei diesen Temperaturen wird die Higgs-Symmetrie, die den Teilchen beim Brechen Masse verleiht, vollständig wiederhergestellt. Es ist nicht nur zu heiß, um Atome und gebundene Atomkerne zu bilden, sondern auch einzelne Protonen und Neutronen sind unmöglich; Das Universum ist ein heißes, dichtes Plasma, das mit allen Teilchen und Antiteilchen gefüllt ist, die existieren können.

Die Energien sind so hoch, dass selbst die gespenstischsten bekannten Teilchen und Antiteilchen von allen, Neutrinos und Antineutrinos, in andere Teilchen prallen häufiger als jemals zuvor. Jedes Teilchen schlägt unzählige Billionen Mal pro Mikrosekunde in ein anderes hinein, und das alles mit Lichtgeschwindigkeit.

Zusätzlich zu den Teilchen, die wir kennen, kann es durchaus weitere Teilchen (und Antiteilchen) geben, die wir nicht kennen weiß über heute Bescheid. Das Universum war viel heißer und energiereicher – eine Million Mal größer als die energiereichste kosmische Strahlung und Billionen Mal stärker als die Energien des LHC – als alles, was wir auf der Erde sehen können.

Wenn es zusätzliche Teilchen gibt im Universum zu erzeugen, einschließlich der Möglichkeit von:

supersymmetrischen Teilchen, von Großen Einheitlichen Theorien vorhergesagten Teilchen, Teilchen, die über große oder verzerrte zusätzliche Dimensionen zugänglich sind, kleinere Teilchen, die sich zu denjenigen verbinden, die wir derzeit für grundlegend und schwer halten , rechtshändige Neutrinos oder eine große Vielfalt an möglichen Teilchen der Dunklen Materie,

das junge Universum nach dem Urknall hätte über ausreichende Energien, Temperaturen, Dichten und andere Bedingungen verfügt, um sie zu erzeugen.

< p>Bemerkenswert ist, dass es trotz dieser unglaublichen Energien und Dichten eine Grenze dafür gibt, wie heiß das Universum in seinen frühesten Stadien gewesen sein könnte. Das Universum war nie willkürlich heiß und dicht, noch erreichte es jemals die Planck-Temperatur (die Temperatur, bei der die Gesetze der Physik außer Kraft treten), und wir verfügen über die Beobachtungsbeweise, die nötig sind, um dies zu beweisen.

Heute können wir den kosmischen Mikrowellenhintergrund beobachten: das übrig gebliebene Leuchten der Strahlung des Urknalls. Während diese überall und in alle Richtungen gleichmäßig 2,725 K beträgt, gibt es winzige Schwankungen: Schwankungen von nur zehn oder hundert Mikrokelvin. Dank des Planck-Satelliten haben wir dies mit außergewöhnlicher Präzision kartiert, mit einer Winkelauflösung, die bis in die Größenordnung von nur 0,07 Grad reicht.

Das Spektrum und die Stärke dieser Schwankungen verraten uns etwas über das Maximum Temperatur, die das Universum während der frühesten und heißesten Stadien des Urknalls erreicht haben könnte: Es gibt eine Obergrenze. In der Physik liegen die höchstmöglichen Energien auf der Planck-Skala bei etwa 10¹⁹ GeV, wobei ein GeV die Energie ist, die erforderlich ist, um ein Elektron auf ein Potenzial von einer Milliarde Volt zu beschleunigen. Jenseits dieser Energien ergeben die Gesetze der Physik keinen Sinn mehr.

Aber angesichts der Karte der Fluktuationen, die wir im kosmischen Mikrowellenhintergrund haben, können wir schlussfolgern, dass diese Temperaturen nie erreicht wurden. Die maximale Temperatur, die unser Universum jemals hätte erreichen können, beträgt, wie die Schwankungen im kosmischen Mikrowellenhintergrund zeigen, nur ~10¹⁶ GeV oder einen Faktor 1.000 kleiner als die Planck-Skala. Mit anderen Worten: Das Universum hatte eine maximale Temperatur, die es hätte erreichen können, und diese liegt deutlich unter der Planck-Skala.

Diese Schwankungen verraten uns nicht nur etwas über die höchste Temperatur, die der heiße Urknall erreichte; Sie sagen uns, welche Samen im Universum gepflanzt wurden, um zu der kosmischen Struktur heranzuwachsen, die wir heute haben.

Die kalten Stellen sind kalt, weil das Licht ein etwas größeres Gravitationspotential hat, aus dem es herausklettern kann, was einem größeren Bereich entspricht -überdurchschnittliche Dichte. Die Hot Spots stammen dementsprechend aus Regionen mit unterdurchschnittlicher Dichte. Und die durchschnittlichen Temperaturflecken stammen, wenig überraschend, aus Regionen mit durchschnittlicher Dichte: Manchmal werden sie von kälteren, dichteren Regionen begrenzt; Manchmal werden sie von heißeren, weniger dichten Regionen begrenzt.

Im Laufe der Zeit werden die kalten Flecken zu Galaxien, Galaxiengruppen und -haufen heranwachsen und zur Bildung des großen kosmischen Netzes beitragen. Die Hot Spots hingegen werden ihre Materie an die dichteren Regionen abgeben und über Milliarden von Jahren zu großen kosmischen Hohlräumen werden. Die Keime für die Struktur waren bereits in den frühesten und heißesten Stadien des Urknalls vorhanden.

Darüber hinaus beginnt die Temperatur sofort zu sinken, sobald die maximal erreichbare Temperatur im frühen Universum erreicht ist. So wie sich ein Ballon ausdehnt, wenn man ihn mit heißer Luft füllt, weil die Moleküle viel Energie haben und gegen die Ballonwände drücken, dehnt sich das Raumgefüge aus, wenn man ihn mit heißen Teilchen, Antiteilchen und Strahlung füllt.

Und wann immer sich das Universum ausdehnt, kühlt es auch ab. Denken Sie daran, dass die Energie der Strahlung proportional zu ihrer Wellenlänge ist: der Entfernung, die eine Welle benötigt, um eine Schwingung zu vollenden. Wenn sich das Raumgefüge ausdehnt, dehnt sich auch die Wellenlänge aus, wodurch diese Strahlung immer niedrigere Energien erreicht. Niedrigere Energien entsprechen niedrigeren Temperaturen, und daher wird das Universum mit der Zeit nicht nur weniger dicht, sondern auch weniger heiß.

Zu Beginn des heißen Urknalls erreicht das Universum seinen heißesten, dichtester Zustand und ist mit Materie, Antimaterie und Strahlung gefüllt. Die Unvollkommenheiten im Universum – nahezu vollkommen einheitlich, aber mit Inhomogenitäten von einem Teil von 30.000 – verraten uns, wie heiß es hätte werden können, und liefern auch die Keime, aus denen die großräumige Struktur des Universums entstehen wird. Sofort beginnt sich das Universum auszudehnen und abzukühlen, wird weniger heiß und weniger dicht und macht es schwieriger, etwas zu erschaffen, das einen großen Energiespeicher erfordert. E = mc2 bedeutet, dass man ohne genügend Energie kein Teilchen einer bestimmten Masse erzeugen kann.

Im Laufe der Zeit wird das expandierende und abkühlende Universum eine enorme Anzahl von Veränderungen bewirken. Aber für einen kurzen Moment war alles in einem unglaublich hochsymmetrischen Zustand und so energiegeladen wie möglich. Irgendwie haben diese Anfangsbedingungen im Laufe der Zeit das gesamte Universum erschaffen.

Starts With A Bang wurde von Ethan Siegel, Ph.D., Autor von (Affiliate-Links folgen) Beyond The Galaxy, Treknology und The geschrieben Das kleinste Mädchen geht in ein Atom. Neue Bücher, darunter die Encyclopaedia Cosmologica, sind in Vorbereitung!