Astronomie

Schwerkraft beim Urknall?

Schwerkraft beim Urknall?



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Ich sah mir eine Dokumentation über den Urknall an, einer der Astronomen sagte, dass zunächst die vier fundamentalen Kräfte zu einer Einheit zusammengefasst wurden, sie dann zu wurden: Die starken und schwachen Kernkräfte, die elektromagnetische Kraft und die Gravitationskraft. Er behauptete, dass die erste Kraft, die auftauchte, die Gravitationskraft war, und fuhr fort, dass, wenn die Gravitationskraft schwächer wäre, alles auseinanderfliegen würde, sodass sich keine Galaxien bilden würden, und wenn die Gravitation zu groß wäre, würden wir mit Schwarz enden Überall Löcher, also musste die Schwerkraft genau richtig sein, wie es jetzt ist. Ich konnte nichts finden, was diese Informationen online unterstützt oder die Gründe für diese Informationen. Jede Hilfe wäre dankbar.


Die Wahrheit ist, dass wir keine funktionierende oder weithin akzeptierte "Theorie von allem" haben, die die Gravitation mit den anderen fundamentalen und Quantenfeldtheorien vereint. Was wir haben, sind starke Beweise dafür, dass die anderen Feldtheorien – elektromagnetisch, stark nuklear und schwach nuklear – bei hohen Energien vereint sind (in der Tat sind die Beweise so stark, dass ich bezweifle, dass sie überhaupt umstritten sind).

Wir haben eine Gravitationstheorie - die allgemeine Relativitätstheorie -, die unter "den meisten" Umständen gut zu funktionieren scheint, obwohl sie auch eine Singularität (Schwarze Löcher) hat und es einen grundlegenden Unterschied zwischen ihr und den Quantentheorien über die Vakuumenergie (die so sogenannte Vakuumkatastrophe).

Wir wissen auch, dass die Gravitation viel schwächer erscheint als die anderen Kräfte, obwohl sie über sehr große Entfernungen wirken kann und daher für die Gestaltung unseres Universums von grundlegender Bedeutung ist.

Es gibt verschiedene Argumente darüber, wie/warum unser Universum in der Lage ist, Leben zu unterstützen/so wie es ist. Vielleicht ist es nur eines von vielen/unendlich vielen Universen, die eine Reihe von physikalischen Eigenschaften haben, und wir befinden uns zufällig in einem, das für das Leben "funktioniert" - offensichtlich kann es kein Leben in einem Universum geben, das physikalische Eigenschaften hat, die dies taten nicht das Leben unterstützen.

In einem anderen Extrem befinden wir uns vielleicht alle in einer Computersimulation.

Ich würde vorschlagen, nach Werken von Max Tegmark oder Brian Greene zu suchen, um weitere Informationen zu erhalten.


Was ist das ultimative Schicksal des Universums?

So wie Robert Frost sich in seinem Gedicht zwei mögliche Schicksale für die Erde vorstellte, stellen sich Kosmologen zwei mögliche Schicksale für das Universum vor:

Die Entwicklung des Universums wird durch einen Kampf zwischen dem Impuls der Expansion und dem Sog (oder Schub!) der Schwerkraft bestimmt. Die aktuelle Expansionsrate wird durch die Hubble-Konstante gemessen, während die Stärke der Gravitation von der Dichte und dem Druck der Materie im Universum abhängt. Wenn der Druck der Materie gering ist, wie es bei den meisten uns bekannten Materieformen der Fall ist, dann wird das Schicksal des Universums von der Dichte bestimmt.

Wenn die Dichte des Universums geringer als die kritische Dichte ist, wird sich das Universum für immer ausdehnen, wie die grünen oder blauen Kurven in der obigen Grafik. Die Schwerkraft kann die Expansionsrate im Laufe der Zeit verlangsamen, aber bei Dichten unterhalb der kritischen Dichte gibt es nicht genug Anziehungskraft vom Material, um die Expansion nach außen jemals zu stoppen oder umzukehren. Dies wird auch als „Big Chill“ oder „Big Freeze“ bezeichnet, da das Universum bei der Expansion langsam abkühlt, bis es schließlich kein Leben mehr aufrechterhalten kann.

Wenn die Dichte des Universums größer als die kritische Dichte ist, wird die Schwerkraft schließlich gewinnen und das Universum kollabiert wieder in sich selbst, der sogenannte „Große Crunch“, wie die orangefarbene Kurve des Graphen. In diesem Universum gibt es genügend Masse im Universum, um die Expansion zu verlangsamen und schließlich umzukehren.

Jüngste Beobachtungen entfernter Supernovae haben darauf hingewiesen, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt oder beschleunigt, wie die rote Kurve des Graphen, die die Existenz einer Form von Materie mit starkem Unterdruck wie der kosmologischen Konstante impliziert. Diese seltsame Form von Materie wird manchmal auch als „dunkle Energie“ bezeichnet. Im Gegensatz zur Schwerkraft, die die Expansion verlangsamt, arbeitet dunkle Energie, um die Expansion zu beschleunigen. Wenn dunkle Energie tatsächlich eine bedeutende Rolle in der Evolution des Universums spielt, dann wird sich das Universum aller Wahrscheinlichkeit nach für immer weiter ausdehnen.

Kosmologen sind sich zunehmend einig, dass die Gesamtdichte der Materie gleich der kritischen Dichte ist, sodass das Universum räumlich flach ist. Ungefähr 24% davon liegen in Form von Niederdruck-Materie vor, von denen die meisten als “nicht-baryonische”-Dunkle Materie angesehen werden, während die restlichen 71 % in Form von Unterdruck vorliegen. 147dunkle Energie”, wie die kosmologische Konstante. Wenn dies wahr ist, dann ist die dunkle Energie die treibende Kraft hinter dem Schicksal des Universums und sie wird sich für immer exponentiell ausdehnen.


Grundlagen der Urknall-Kosmologie

Das Urknallmodell der Kosmologie beruht auf zwei Schlüsselideen, die bis ins frühe 20. Jahrhundert zurückreichen: die Allgemeine Relativitätstheorie und das kosmologische Prinzip. Unter der Annahme, dass die Materie im Universum gleichmäßig auf den größten Skalen verteilt ist, kann man die Allgemeine Relativitätstheorie verwenden, um die entsprechenden Gravitationseffekte dieser Materie zu berechnen. Da die Gravitation in der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Eigenschaft der Raumzeit ist, entspricht dies der Berechnung der Dynamik der Raumzeit selbst. Die Geschichte entfaltet sich wie folgt:

Unter der Annahme, dass die Materie im Universum homogen und isotrop ist (Das kosmologische Prinzip), kann gezeigt werden, dass die entsprechende Verzerrung der Raumzeit (aufgrund der Gravitationseffekte dieser Materie) nur eine von drei Formen haben kann, wie gezeigt schematisch im Bild links. Es kann "positiv" gekrümmt sein wie die Oberfläche einer Kugel und endlich in seiner Ausdehnung, es kann "negativ" gekrümmt sein wie ein Sattel und unendlich in seiner Ausdehnung oder es kann "flach" und unendlich in seiner Ausdehnung sein - unsere "gewöhnliche" Vorstellung von Raum. Eine wesentliche Einschränkung des hier gezeigten Bildes ist, dass wir nur die Krümmung einer 2-dimensionalen Ebene eines realen 3-dimensionalen Raumes darstellen können! Beachten Sie, dass Sie in einem geschlossenen Universum eine Reise in eine Richtung beginnen und, wenn Sie genügend Zeit haben, schließlich zu Ihrem Ausgangspunkt in einem unendlichen Universum zurückkehren könnten, Sie würden nie zurückkehren.

Bevor wir diskutieren, welches dieser drei Bilder unser Universum beschreibt (wenn überhaupt), müssen wir einige Haftungsausschlüsse machen:

    Da das Universum ein endliches Alter hat (

13,77 Milliarden Jahre) können wir nur eine endliche Entfernung in den Weltraum sehen:

Materie spielt in der Kosmologie eine zentrale Rolle. Es stellt sich heraus, dass die durchschnittliche Dichte der Materie eindeutig die Geometrie des Universums bestimmt (bis auf die oben genannten Einschränkungen). Ist die Dichte der Materie kleiner als die sogenannte kritische Dichte, ist das Universum offen und unendlich. Wenn die Dichte größer als die kritische Dichte ist, ist das Universum geschlossen und endlich. Wenn die Dichte gerade der kritischen Dichte entspricht, ist das Universum flach, aber immer noch vermutlich unendlich. Der Wert der kritischen Dichte ist sehr klein: Sie entspricht etwa 6 Wasserstoffatomen pro Kubikmeter, einem für irdische Verhältnisse erstaunlich guten Vakuum! Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Fragen in der Kosmologie heute lautet: Wie hoch ist die durchschnittliche Dichte der Materie in unserem Universum? Obwohl die Antwort noch nicht sicher ist, scheint sie der kritischen Dichte verlockend nahe zu sein.

Ausgehend von einem Gravitationsgesetz und einer Annahme über die Verteilung der Materie besteht der nächste Schritt darin, die Dynamik des Universums zu berechnen – wie sich der Raum und die Materie darin mit der Zeit entwickeln. Die Details hängen von einigen weiteren Informationen über die Materie im Universum ab, nämlich von ihrer Dichte (Masse pro Volumeneinheit) und ihrem Druck (Kraft, die sie pro Flächeneinheit ausübt), aber das allgemeine Bild, das sich ergibt, ist, dass das Universum von einem sehr kleinen Volumen, ein Ereignis, das später Big Bang genannt wurde, mit einer anfänglichen Expansionsrate. Zum größten Teil das Bewertung der Expansion verlangsamt (verlangsamt) sich seitdem aufgrund der Anziehungskraft der Materie auf sich selbst. Eine Schlüsselfrage für das Schicksal des Universums ist, ob die Anziehungskraft der Schwerkraft stark genug ist, um die Expansion letztendlich umzukehren und das Universum wieder in sich zusammenfallen zu lassen. Tatsächlich haben neuere Beobachtungen die Möglichkeit aufgeworfen, dass sich die Expansion des Universums tatsächlich beschleunigt (beschleunigt), was die Möglichkeit erhöht, dass die Entwicklung des Universums jetzt von einer bizarren Form von Materie dominiert wird, die einen negativen Druck hat.

Das obige Bild zeigt eine Reihe möglicher Szenarien für die relative Größe des Universums über der Zeit: Die untere (grüne) Kurve stellt ein flaches Universum mit kritischer Dichte dar, in dem die Expansionsrate kontinuierlich verlangsamt wird (die Kurven werden immer horizontaler). . Die mittlere ( blaue ) Kurve zeigt ein offenes Universum mit niedriger Dichte, dessen Expansion sich ebenfalls verlangsamt, aber nicht so stark wie das Universum mit kritischer Dichte, da die Anziehungskraft nicht so stark ist. Die obere (rote) Kurve zeigt ein Universum, in dem sich ein großer Teil seiner Masse/Energie im Raum selbst befinden kann, ein führender Kandidat für die sogenannte "dunkle Energie", die die Expansion des Universums verursacht beschleunigen (beschleunigen). Diese Energie wird oft als "kosmologische Konstante" bezeichnet, obwohl sie sich jetzt auf Energie bezieht, die das Universum auseinanderdrückt, während Einstein den Begriff erfand, um seine Gleichungen für ein Universum fester Größe auszugleichen. Es gibt immer mehr Hinweise darauf, dass unser Universum der roten Kurve folgt.

Bitte beachten Sie die folgenden wichtigen Punkte, um Missverständnisse über den Urknall und die Expansion zu vermeiden:

  • Der Urknall ereignete sich nicht an einem einzigen Punkt im Weltraum als "Explosion". Man kann ihn sich besser als das gleichzeitige Erscheinen des Weltraums überall im Universum vorstellen. Dieser Raumbereich, der sich innerhalb unseres gegenwärtigen Horizonts befindet, war tatsächlich nicht größer als ein Punkt in der Vergangenheit. Wenn jedoch der gesamte Raum innerhalb und außerhalb unseres Horizonts jetzt unendlich ist, wurde er unendlich geboren. Wenn es geschlossen und endlich ist, wurde es mit Nullvolumen geboren und wuchs daraus. In keinem Fall gibt es ein "Expansionszentrum" - einen Punkt, von dem aus sich das Universum von einem Ursprungspunkt weg ausdehnt. In der Kugelanalogie wächst der Radius der Kugel, wenn sich das Universum ausdehnt, aber alle Punkte auf der Oberfläche der Kugel (des Universums) entfernen sich in identischer Weise voneinander. Das Innere der Kugel sollte in dieser Analogie nicht als Teil des Universums betrachtet werden.
  • Per Definition umfasst das Universum den gesamten Raum und die gesamte Zeit, wie wir sie kennen, daher liegt es außerhalb des Bereichs des Urknallmodells, zu postulieren, wohin sich das Universum ausdehnt. Sowohl im offenen als auch im geschlossenen Universum tritt die einzige "Kante" der Raumzeit beim Urknall auf (und vielleicht sein Gegenstück beim Big Crunch), daher ist es nicht logisch notwendig (oder sinnvoll), diese Frage zu betrachten.
  • Es liegt außerhalb des Bereichs des Urknallmodells zu sagen, was zum Urknall geführt hat. Es gibt eine Reihe spekulativer Theorien zu diesem Thema, aber noch keine davon macht realistisch überprüfbare Vorhersagen.

Bisher haben wir über das Universum nur angenommen, dass seine Materie auf großen Skalen homogen und isotrop verteilt ist. Es gibt eine Reihe von freien Parametern in dieser Familie von Urknallmodellen, die durch Beobachtungen unseres Universums festgelegt werden müssen. Die wichtigsten sind: die Geometrie des Universums (offen, flach oder geschlossen) die gegenwärtige Expansionsrate (die Hubble-Konstante) und der Gesamtverlauf der Expansion in Vergangenheit und Zukunft, der durch die fraktionelle Dichte der verschiedenen Arten von Materie im Universum. Beachten Sie, dass das gegenwärtige Alter des Universums aus der Expansionsgeschichte und der gegenwärtigen Expansionsrate folgt.

Wie oben erwähnt, werden die Geometrie und Entwicklung des Universums durch den fraktionellen Beitrag verschiedener Arten von Materie bestimmt. Da sowohl die Energiedichte als auch der Druck zur Stärke der Gravitation in der Allgemeinen Relativitätstheorie beitragen, klassifizieren Kosmologen die Materiearten anhand ihrer "Zustandsgleichung" der Beziehung zwischen ihrem Druck und ihrer Energiedichte. Das grundlegende Klassifikationsschema ist:

  • Strahlung: besteht aus masselosen oder fast masselosen Teilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Bekannte Beispiele sind Photonen (Licht) und Neutrinos. Diese Stoffform zeichnet sich durch einen großen Überdruck aus.
  • Baryonische Materie: In diesem kosmologischen Kontext ist dies "gewöhnliche Materie", die hauptsächlich aus Protonen, Neutronen und Elektronen besteht. Diese Form der Materie hat im Wesentlichen keinen Druck von kosmologischer Bedeutung.
  • Dunkle Materie: Dies bezieht sich im Allgemeinen auf "exotische" nicht-baryonische Materie, die nur schwach mit gewöhnlicher Materie wechselwirkt. Obwohl im Labor noch nie eine solche Materie direkt beobachtet wurde, wurde ihre Existenz aus Gründen, die auf einer folgenden Seite erörtert werden, seit langem vermutet. Auch diese Materieform hat keinen kosmologisch signifikanten Druck.
  • Dunkle Energie: Dies ist eine wirklich bizarre Form von Materie oder vielleicht eine Eigenschaft des Vakuums selbst, die durch einen großen negativen Druck (abstoßende Kraft) gekennzeichnet ist. Dies ist die einzige Form von Materie, die die Expansion des Universums beschleunigen oder beschleunigen kann.

Eine der zentralen Herausforderungen in der Kosmologie heute besteht darin, die relative und die Gesamtdichte (Energie pro Volumeneinheit) in jeder dieser Materieformen zu bestimmen, da dies für das Verständnis der Evolution und des endgültigen Schicksals unseres Universums unerlässlich ist.


Den „Knall“ im Urknall setzen

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Nach der Urknalltheorie explodierte das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren als unendlich kleiner, kompakter Feuerball aus Materie, der sich bei der Expansion abkühlte und Reaktionen auslöste, die die ersten Sterne und Galaxien und alle Formen von Materie, die wir heute sehen (und sind).

Kurz bevor der Urknall das Universum auf seinen immer größer werdenden Kurs brachte, gab es nach Ansicht der Physiker eine andere, explosivere Phase des frühen Universums: die kosmische Inflation, die weniger als eine Billionstelsekunde dauerte. Während dieser Zeit blähte sich Materie – eine kalte, homogene Masse – exponentiell schnell auf, bevor die Prozesse des Urknalls übernahmen, um das Säuglingsuniversum langsamer auszudehnen und zu diversifizieren.

Jüngste Beobachtungen haben unabhängig voneinander Theorien für den Urknall und die kosmische Inflation gestützt. Aber die beiden Prozesse unterscheiden sich so radikal voneinander, dass Wissenschaftler Schwierigkeiten hatten, sich vorzustellen, wie einer dem anderen folgte.

Jetzt haben Physiker am MIT, am Kenyon College und anderswo eine Zwischenphase des frühen Universums im Detail simuliert, die möglicherweise die kosmische Inflation mit dem Urknall überbrückt hat. Diese Phase, die als „Wiedererwärmung“ bekannt ist, fand am Ende der kosmischen Inflation statt und beinhaltete Prozesse, die die kalte, einheitliche Materie der Inflation in die ultraheiße, komplexe Suppe zu Beginn des Urknalls pressten.

„Die Wiedererwärmungsperiode nach der Inflation schafft die Bedingungen für den Urknall und bringt gewissermaßen den ‚Knall‘ in den Urknall“, sagt David Kaiser, Germeshausen-Professor für Wissenschaftsgeschichte und Professor für Physik am MIT. "Es ist diese Brückenperiode, in der die Hölle losbricht und sich die Materie alles andere als einfach verhält."

Kaiser und seine Kollegen simulierten im Detail, wie verschiedene Materieformen während dieser chaotischen Zeit am Ende der Inflation interagiert hätten. Ihre Simulationen zeigen, dass sich die extreme Inflationsenergie ebenso schnell hätte umverteilen können, innerhalb eines noch kleineren Bruchteils einer Sekunde, und zwar so, dass Bedingungen geschaffen wurden, die für den Beginn des Urknalls erforderlich gewesen wären.

Das Team fand heraus, dass diese extreme Transformation noch schneller und effizienter gewesen wäre, wenn Quanteneffekte die Art und Weise verändert hätten, wie Materie bei sehr hohen Energien auf die Gravitation reagiert, was von der Art und Weise abweicht, wie Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie vorhersagt, dass Materie und Gravitation interagieren.

„Damit können wir eine ununterbrochene Geschichte erzählen, von der Inflation über die Zeit nach der Inflation bis zum Urknall und darüber hinaus“, sagt Kaiser. „Wir können eine kontinuierliche Reihe von Prozessen verfolgen, alle mit bekannter Physik, um zu sagen, dass dies eine plausible Art ist, wie das Universum so aussah, wie wir es heute sehen.“

Die Ergebnisse des Teams erscheinen heute in Physische Überprüfungsschreiben. Die Koautoren von Kaiser sind die Hauptautoren Rachel Nguyen und John T. Giblin, beide vom Kenyon College, sowie die ehemaligen MIT-Absolventen Evangelos Sfakianakis und Jorinde van de Vis, beide von der Universität Leiden in den Niederlanden.

„Im Einklang mit sich selbst“

Die Theorie der kosmischen Inflation, die erstmals in den 1980er Jahren von Alan Guth vom MIT, dem V.F. Weisskopf-Professor für Physik, sagt voraus, dass das Universum als ein extrem kleiner Materiefleck begann, möglicherweise etwa ein Hundertmilliardstel der Größe eines Protons. Dieser Fleck war mit ultrahochenergetischer Materie gefüllt, die so energisch war, dass der Druck im Inneren eine abstoßende Gravitationskraft erzeugte – die treibende Kraft hinter der Inflation. Wie ein Funke zu einer Zündschnur explodierte diese Gravitationskraft das Säuglingsuniversum immer schneller nach außen und blähte es in weniger als einem Billionstel . auf fast das Achttausendfache seiner ursprünglichen Größe auf (das ist die Zahl 1 gefolgt von 26 Nullen). eine Sekunde.

Kaiser und seine Kollegen versuchten herauszufinden, wie die frühesten Phasen der Wiedererwärmung – jenes Brückenintervall am Ende der kosmischen Inflation und kurz vor dem Urknall – ausgesehen haben könnten.

„Die frühesten Phasen der Wiedererwärmung sollten von Resonanzen geprägt sein. Es dominiert eine Form hochenergetischer Materie, die synchron mit sich selbst über große Weiten des Weltraums hin und her zittert, was zu einer explosionsartigen Produktion neuer Teilchen führt“, sagt Kaiser. „Dieses Verhalten wird nicht ewig anhalten, und sobald es beginnt, Energie auf eine zweite Form von Materie zu übertragen, werden seine eigenen Schwingungen im Weltraum abgehackter und ungleichmäßiger. Wir wollten messen, wie lange es dauert, bis sich dieser Resonanzeffekt auflöst und die erzeugten Partikel sich gegenseitig zerstreuen und eine Art thermisches Gleichgewicht erreichen, das an Urknallbedingungen erinnert.“

Die Computersimulationen des Teams stellen ein großes Gitter dar, auf dem sie mehrere Formen von Materie kartierten und verfolgten, wie sich ihre Energie und Verteilung im Raum und im Laufe der Zeit veränderten, wenn die Wissenschaftler bestimmte Bedingungen variierten. Die Anfangsbedingungen der Simulation basierten auf einem bestimmten Inflationsmodell – einer Reihe von Vorhersagen darüber, wie sich die Materieverteilung im frühen Universum während der kosmischen Inflation verhalten haben könnte.

Die Wissenschaftler haben dieses spezielle Inflationsmodell anderen vorgezogen, weil seine Vorhersagen den hochpräzisen Messungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds sehr nahe kommen – einem Überbleibsel von Strahlung, das nur 380.000 Jahre nach dem Urknall emittiert wurde und Spuren der Inflationszeit enthalten soll.

Ein universeller Tweak

Die Simulation verfolgte das Verhalten von zwei Arten von Materie, die während der Inflation dominant gewesen sein könnten, sehr ähnlich einer Art von Teilchen, dem Higgs-Boson, das kürzlich in anderen Experimenten beobachtet wurde.

Bevor das Team seine Simulationen durchführte, fügte das Team der Beschreibung der Schwerkraft des Modells eine leichte „Verbesserung“ hinzu. Während die gewöhnliche Materie, die wir heute sehen, auf die Schwerkraft reagiert, genau wie Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt hat, sollte sich Materie mit viel höheren Energien, wie sie während der kosmischen Inflation vermutet wird, etwas anders verhalten und mit der Schwerkraft auf eine Weise interagieren, die modifiziert durch Quantenmechanik oder Wechselwirkungen auf atomarer Skala.

In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie wird die Stärke der Gravitation als Konstante dargestellt, was Physiker als minimale Kopplung bezeichnen, was bedeutet, dass es unabhängig von der Energie eines bestimmten Teilchens auf Gravitationseffekte mit einer Stärke von reagiert eine universelle Konstante.

Bei den sehr hohen Energien, die bei der kosmischen Inflation vorhergesagt werden, interagiert Materie jedoch etwas komplizierter mit der Schwerkraft. Quantenmechanische Effekte sagen voraus, dass die Stärke der Schwerkraft bei der Interaktion mit ultrahochenergetischer Materie in Raum und Zeit variieren kann – ein Phänomen, das als nicht minimale Kopplung bekannt ist.

Kaiser und seine Kollegen fügten ihrem inflationären Modell einen nicht minimalen Kopplungsterm hinzu und beobachteten, wie sich die Verteilung von Materie und Energie änderte, wenn sie diesen Quanteneffekt nach oben oder unten drehten.

Am Ende fanden sie heraus, dass das Universum umso schneller von der kalten, homogenen Materie in Inflation zu den viel heißeren, unterschiedlichsten Materieformen überging, die für den Urknall charakteristisch sind, je stärker der quantenmodifizierte Gravitationseffekt auf die Materie einwirkte.

Durch die Abstimmung dieses Quanteneffekts könnten sie diesen entscheidenden Übergang über 2 bis 3 „e-folds“ ablaufen lassen, was sich auf die Zeit bezieht, die das Universum benötigt, um sich (ungefähr) zu verdreifachen. In diesem Fall gelang es ihnen, die Wiedererwärmungsphase innerhalb der Zeit zu simulieren, die es braucht, bis sich das Universum zwei- bis dreimal verdreifacht hat. Im Vergleich dazu fand die Inflation selbst über etwa 60 E-Folds statt.

„Das Aufwärmen war eine verrückte Zeit, in der alles drunter und drüber ging“, sagt Kaiser. „Wir zeigen, dass die Materie damals so stark interagierte, dass sie sich auch entsprechend schnell entspannen konnte und die Bühne für den Urknall wunderschön in Szene setzte. Wir wussten nicht, dass dies der Fall ist, aber das ist es, was aus diesen Simulationen hervorgeht, alle mit bekannter Physik. Das ist das Spannende für uns.“

Guth, der ursprüngliche Architekt der Theorie der kosmischen Inflation, sieht in den Ergebnissen der Gruppe eine wichtige neue Entwicklung in der Untersuchung inflationärer Modelle.

„Während Versionen der Inflation, die auf einer einzigen Materieform basieren, bemerkenswert gut zu den Beobachtungen passen, untersuchen Dave und seine Mitarbeiter seit einigen Jahren gut motivierte Modelle, die mehrere Materieformen beinhalten … Daten“, sagt Guth. „Bisher beschränkte sich die Arbeit jedoch darauf, die frühen Stadien des Endes der Inflation zu untersuchen, wo die Mathematik relativ einfach ist. Die neue Arbeit basiert auf einer leistungsstarken numerischen Gittersimulation, die die komplizierten Wechselwirkungen am Ende der Inflation viel weiter untersuchen kann. Die Arbeit zeigt deutlicher denn je, dass eine große Klasse von Modellen, die mehrere Materieformen beinhalten, hervorragend mit den Beobachtungen übereinstimmt.“

„Es gibt Hunderte von Vorschlägen, um die inflationäre Phase zu erzeugen, aber der Übergang zwischen der inflationären Phase und dem sogenannten „heißen Urknall“ ist der am wenigsten verstandene Teil der Geschichte“, sagt Richard Easther, Professor für Physik an der University of Auckland, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Dieses Papier betritt Neuland, indem es die postinflationäre Phase in Modellen mit vielen Einzelfeldern und komplexen kinetischen Begriffen genau simuliert. Dies sind äußerst anspruchsvolle numerische Simulationen und erweitern den Stand der Technik für Studien der nichtlinearen Dynamik im sehr frühen Universum.“


Eine neue kosmische Entdeckung könnte dem Beginn der Zeit am nächsten sein

Vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, kurz vor dem Urknall, befand sich das riesige, von Galaxien gefüllte Universum, das wir heute kennen, in einem winzigen, dichten, extrem heißen Punkt. Plötzlich begann es sich rasch schneller als Lichtgeschwindigkeit auszudehnen – in einer katastrophalen Explosion. Das Universum wuchs in einem unfassbar kurzen Bruchteil einer Sekunde von einer subatomaren Größe auf die eines Golfballs.

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Dieser früheste Moment der Expansion, bekannt als kosmische Inflation, erklärt, warum das Universum relativ gleichförmig ist (Galaxien, die sich beispielsweise bei der Abkühlung des Universums gebildet haben, scheinen gleichmäßig so weit gestreut zu werden, wie das Teleskop sehen kann) und erklärt auch die Dichtekeime das führte zur Struktur des Universums.

Es ist eine schöne Geschichte, aber jahrzehntelang, nachdem Physiker sie vorgeschlagen hatten, waren unsere Beweise dafür begrenzt. Unser Chef untersucht den Urknall, die schwache Strahlung, die von der Explosion übrig geblieben ist, die als der  kosmische Mikrowellenhintergrund bezeichnet wird,—datiert auf etwa 380.000 Jahre, und nicht auf den Moment selbst.

Ein bedeutender neuer Beweis ist heute Morgen aufgetaucht, als eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung des Astronomen  John Kovac vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics ankündigte, dass sie indirekte Beweise für  Gravitationswellen—minutige Verzerrungen in . gefunden haben das Gravitationsfeld des Universums, das während der Inflation freigesetzt wurde, einen winzigen Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall. Ist der Befund richtig, dienen die Wellen als Bestätigung der Inflation.

"Inflation ist der 'Knall' des Urknalls", sagt der theoretische Physiker Alan Guth, der 1979 die Theorie der kosmischen Inflation aufstellte. "Es ist der Mechanismus, der das Universum in diese Phase der gigantischen Expansion eintreten ließ."

Mehrere Physiker, die nicht an der Forschung beteiligt waren, hatten die Möglichkeit, die Rohdaten auszuwerten, und sie stimmen der Analyse zu. „Es ist sehr, sehr wahrscheinlich, dass dies real ist“, sagt  Avi Loeb, theoretischer Physiker am Harvard-Smithsonian Center, und stellt fest, dass die Forscher drei Jahre damit verbracht haben, die Daten zu analysieren, um jedes Risiko eines Fehlers auszuschließen.

Robert W. Wilson, der 1978 für seine Entdeckung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds den Nobelpreis für Physik erhielt, stimmt dem zu und glaubt, dass die Arbeit, wenn sie bestätigt wird, mit ziemlicher Sicherheit einen Nobelpreis erhalten wird. Loeb sagt, die Entdeckung wäre eine der wichtigsten physikalischen Entdeckungen der letzten 15 Jahre, die größer ist als die Entdeckung des Higgs-Bosons

Während der Inflation, ganz links dargestellt, dehnte sich das Universum in Sekundenbruchteilen um viele Größenordnungen aus. (Bild über die NASA)

Das Vorhandensein von nachweisbaren Gravitationswellen, die oft als "Wellen im Gefüge der Raumzeit" bezeichnet werden, wird von der Inflationstheorie vorhergesagt. Vorhandene Schwerkraftschwankungen im mikroskopischen Maßstab, sagt Guth, wären durch die Inflation gedehnt worden und hätten makroskopische Wellen erzeugt.

Die genaue Art der Wellen hängt vom genauen Zeitpunkt der Inflation ab. "Diese Erkennung zeigt nicht nur an, dass eine Inflation stattgefunden hat,” Loeb, “, sondern sagt uns auch, wann sie stattgefunden hat":       10 -34   (ein Dezimalpunkt folgte) um 33 Nullen und dann eine Eins) Sekunden nach dem Beginn des Urknalls.

Die Forschergruppe, zu der auch  Clement Pryke von der University of Minnesota, Jamie Bock of Caltech und Chao-Lin Kuo of Stanford gehörten, fand keine Gravitationswellen selbst, sondern indirekte Beweise dafür. in Form eines speziellen Polarisationsmusters, das durch die Wellen im kosmischen Mikrowellenhintergrund verursacht wird. “Unser Team suchte nach einer speziellen Polarisationsart namens B-Moden, die ein verdrehtes oder gewelltes Muster in den polarisierten Orientierungen des alten Lichts darstellt,” Bock sagte in einer Pressemitteilung.

Die Forscher sammelten diese Daten mit dem BICEP2-Teleskop, das in der Antarktis stationiert ist, wo kalte, trockene Luft die Interferenzen der Erdatmosphäre auf das schwache kosmische Mikrowellen-Hintergrundsignal begrenzt. BICEP2 gehört zu einer Reihe identischer Teleskope, die nach dieser Signatur suchen, die als Keck-Array bezeichnet wird. Es gibt auch das benachbarte South Pole Telescope, das im vergangenen Sommer Daten meldete, die das Vorhandensein einer B-Mode-Polarisation im CMB anzeigten. Dieses Instrument war jedoch nicht dafür ausgelegt, Polarisation in der Größenordnung von Gravitationswellen zu detektieren, also resultierte es wahrscheinlich stattdessen aus der  Interferenz entfernter Galaxien, die das CMB passierte, bevor es die Erde erreichte.

Das BICEP-2-Teleskop (die weiße Schale rechts) zusammen mit dem Südpol-Teleskop (links). (Bild über BICEP-2-Projekt)

Es ist immer noch nicht ganz klar, dass das BICEP2-Team die B-Mode-Polarisation entdeckt hat, die tatsächlich der endgültige Beweis für Gravitationswellen ist. Weitere Bestätigungen müssen von den Daten des  Planck-Satelliten  der Europäischen Weltraumorganisation (der den kosmischen Mikrowellenhintergrund in einem viel größeren Winkel beobachtet) gesammelt werden, die Ende des Sommers veröffentlicht werden sollen. 

Wenn dies jedoch zutrifft, würde der Fund einen großen Beitrag zur Ratifizierung der Inflationstheorie leisten. "Das Vorhandensein dieser durch die Schwerewellen induzierten Polarisierung ist die letzte große Sache, die von der Inflation vorhergesagt wird", sagt Wilson. "Es gibt Ihnen immer mehr Vertrauen, dass dies wirklich das richtige Szenario ist."

Es würde auch etwas wirklich Erstaunliches widerspiegeln: die ältesten Beweise, die wir für absolut alles haben. 

"Man kann den kosmischen Mikrowellenhintergrund nicht verwenden, um herauszufinden, was im frühen, frühen Universum passiert ist", sagt Loeb. In den ersten 380.000 Jahren konnten die elektromagnetischen Wellen, aus denen das CMB besteht, nicht frei durch den Weltraum gehen. „Wenn wir Gravitationswellen betrachten können, können wir fast bis zum Anfang zurückgehen.”

Über Joseph Stromberg

Joseph Stromberg war zuvor digitaler Reporter für Smithsonian.


Aussehen

Während er mit der Gang spricht, verkündet Howard stolz, dass seine Weltraumtoilette auf der Internationalen Raumstation Space Station stationiert wird. Nachdem er die Schaltpläne durchgegangen ist, stellt er fest, dass er bei den Spezifikationen für das Umschaltventil einen "klitzekleinen" Fehler gemacht hat, der dazu führt, dass die Toilette nach etwa zehn Spülungen ausfällt. Da er weiß, dass seine Karriere auf dem Spiel steht, bittet er Sheldon und Raj, ihm zu helfen, einen Weg zu finden, die Struktur zu verstärken, damit das Abfallmaterial die sich drehende Turbine vermeidet (was den Abfall vom Fan fernhält).

Raj schlägt vor, zwei-Zoll-PVC zu verwenden, um die mittlere Querstütze zu verstärken. Sobald Howard sagt, dass es nicht gut ist, empfiehlt Raj, anstatt zu versuchen, die Struktur zu verstärken, einfach eine andere Linie zu fahren und sie vollständig zu umgehen. Sheldon weist darauf hin, dass dies nicht funktioniert, da der Durchmesser des Schlauchs nicht ausreicht. Dann fragt Raj, ob sie den Sammeltank neu positionieren könnten, aber Howard verrät, dass es keine Möglichkeit gibt, ihn zu montieren. Ebenso will Howard ein kleines Stück PVC hinter die Stützstange klemmen, aber Sheldon informiert Wolowitz, dass er die Zugfestigkeit der Unterkonstruktion, die er baut, überschätzt. Raj zeigt einen anderen Gegenstand anstelle des PVCs, um die Querfilteranordnung an Ort und Stelle zu halten, ohne zu verstehen, dass es sich nicht um ein Ersatzteil der Raumstation handelt, sondern um die Plastikvorrichtung, die verwendet wird, um zu verhindern, dass der Käse mit dem Deckel der Raumstation in Kontakt kommt Pizzakarton. They eventually test a prototype and Howard notifies NASA with the solution, yet the space toilet apparently still fails. The entire space station crew takes an unscheduled space walk to escape the space station.

During Howard's sixth season visit to the ISS, the more experienced crew makes him clean out their space toilet which could be his system.


Cosmic Inflation and Big Bang Ripples

Physicists have found a long-predicted twist in light from the big bang that represents the first image of ripples in the universe called gravitational waves, researchers announced today. The finding is direct proof of the theory of inflation, the idea that the universe expanded extremely quickly in the first fraction of a nanosecond after it was born. What&rsquos more, the signal is coming through much more strongly than expected, ruling out a large class of inflation models and potentially pointing the way toward new theories of physics, experts say.

&ldquoThis is huge,&rdquo says Marc Kamionkowski, professor of physics and astronomy at Johns Hopkins University, who was not involved in the discovery but who predicted back in 1997 how these gravitational wave imprints could be found. &ldquoIt&rsquos not every day that you wake up and find out something completely new about the early universe. To me this is as Nobel Prize&ndashworthy as it gets.&rdquo

The Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization 2 (BICEP2) experiment at the South Pole found a pattern called primordial B-mode polarization in the light left over from just after the big bang, known as the cosmic microwave background (CMB). This pattern, basically a curling in the polarization, or orientation, of the light, can be created only by gravitational waves produced by inflation. &ldquoIt looks like a swirly pattern on the sky,&rdquo says Chao-Lin Kuo, a physicist at Stanford University, who designed the BICEP2 detector. &ldquoWe&rsquove found the smoking gun evidence for inflation and we&rsquove also produced the first image of gravitational waves across the sky.&rdquo

Such a groundbreaking finding requires confirmation from other experiments to be truly believed, physicists say. Nevertheless, the result has won praise from many leaders in the field. &ldquoThere&rsquos a chance it could be wrong, but I think it&rsquos highly probable that the results stand up,&rdquo says Alan Guth of the Massachusetts Institute of Technology, who first predicted inflation in 1980. &ldquoI think they&rsquove done an incredibly good job of analysis.&rdquo The BICEP2 detectors found a surprisingly strong signal of B-mode polarization, giving them enough data to surpass the &ldquo5-sigma&rdquo statistical significance threshold for a true discovery. In fact, the researchers were so startled to see such a blaring signal in the data that they held off on publishing it for more than a year, looking for all possible alternative explanations for the pattern they found. Finally, when BICEP2&rsquos successor at the same location, the Keck Array, came online and began showing the same result, the scientists felt confident. &ldquoThat played a major role in convincing us this is something real,&rdquo Kuo says.

The cosmic microwave background is a faint glow that pervades the entire sky, dating back to just 380,000 years after the big bang. Before then the baby universe was too hot and dense for light to travel far without bumping into matter. When it cooled to the point that neutral atoms could form, light was freed to fly through space unimpeded, and it became the CMB. This glow was discovered accidentally 1964 by Arno Penzias and Robert Wilson, who initially mistook it for interference caused by pigeon droppings on their antenna. Eventually, the scientists realized they had discovered an imprint from the primordial universe, a finding that won them the 1978 Nobel Prize in Physics. &ldquoIt&rsquos amazing what&rsquos come out of the CMB,&rdquo Wilson says. &ldquoInitially I didn&rsquot realize anywhere near how much information there might be coming from it. From my point of view, it&rsquos been a wonderful ride.&rdquo

BICEP2 uses about 250 thumbnailsize polarization detectors to look for a difference in the CMB light from a small patch of sky coming through its telescope in two perpendicular orientations. The instrument collected data between January 2010 and December 2012 at the Amundsen&ndashScott South Pole Station, where the cold, dry air offers especially stable viewing conditions. Another experiment there, the South Pole Telescope, reported finding B-mode polarization last year, although the signal it saw was at a different angular scale across the sky and was clearly due to the known process of gravitational lensing (a warping of light caused by massive objects) of the CMB by large galaxies, rather than the primordial gravitational waves seen here.

BICEP2 has plenty of competition in searching for B-mode polarization in the CMB: other projects include the Atacama B-mode Search (ABS) led by Princeton University the POLARBEAR experiment led by the University of California, Berkeley the high-altitude balloon&ndashborne E and B Experiment (EBEX) run by the University of Minnesota the Cosmology Large Angular Scale Surveyor (CLASS) led by Johns Hopkins University and numerous others. Given that the BICEP2 team saw such a clear signal, these searches should easily confirm the results if they are real. &ldquoRight now it&rsquos just the tip of the iceberg,&rdquo Kamionkowski says. &ldquoIn the coming years we&rsquore going to be able to extract a huge amount from these measurements. It&rsquos a great thing, not just for the guys who found it but also for the people they scooped&rdquo because the different experiments should collect complementary data.

The BICEP2 researchers have reported a surprisingly large number for r, the ratio of the gravitational wave fluctuations in the CMB to the fluctuations caused by perturbations in the density of matter. This value was previously estimated to be less than 0.11 based on all-sky CMB maps from the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and the Planck satellite. BICEP2&rsquos value, however, is around 0.20. &ldquoEverything hinges on this little r,&rdquo Guth says, &ldquoand this measurement changes things quite a bit. In fact, the models that looked like they were ruled out last week are now the models that are favored this week.&rdquo Such a high value of r, for instance, indicates that inflation began even earlier than some models predicted, at one trillionth of a trillionth of a trillionth of a second after the big bang.

The timing of inflation, in turn, tells physicists about the energy scale of the universe when inflation was going on. BICEP2&rsquos value of r suggests that this was the same energy scale at which all the forces of nature except gravity (the electromagnetic, strong and weak forces) might have been unified into a single force&mdashan idea called grand unified theory. The finding bolsters the idea of grand unification and rules out a number of inflation models that do not feature such an energy scale. &ldquoThis really collapses the space of plausible inflationary models by a huge amount,&rdquo Kamionkowski says. &ldquoInstead of looking for a needle in a haystack, we&rsquoll be looking for a needle in a bucket of sand.&rdquo Grand unified theories suggest the existence of new fields that act similarly to the Higgs field associated with the Higgs boson particle discovered in 2012. These new fields, in turn, would indicate that other, heavier Higgs boson particles also exist, although with masses so high they would be impossible to create in any traditional particle accelerator. &ldquoThis measurement is allowing us to use the early universe as a lab for new physics in energy ranges that are otherwise inaccessible to us,&rdquo Kamionkowski says.


Space Ripples Reveal Big Bang’s Smoking Gun

CAMBRIDGE, Mass. — One night late in 1979, an itinerant young physicist named Alan Guth, with a new son and a year’s appointment at Stanford, stayed up late with his notebook and equations, venturing far beyond the world of known physics.

He was trying to understand why there was no trace of some exotic particles that should have been created in the Big Bang. Instead he discovered what might have made the universe bang to begin with. A potential hitch in the presumed course of cosmic evolution could have infused space itself with a special energy that exerted a repulsive force, causing the universe to swell faster than the speed of light for a prodigiously violent instant.

If true, the rapid engorgement would solve paradoxes like why the heavens look uniform from pole to pole and not like a jagged, warped mess. The enormous ballooning would iron out all the wrinkles and irregularities. Those particles were not missing, but would be diluted beyond detection, like spit in the ocean.

“SPECTACULAR REALIZATION,” Dr. Guth wrote across the top of the page and drew a double box around it.

On Monday, Dr. Guth’s starship came in. Radio astronomers reported that they had seen the beginning of the Big Bang, and that his hypothesis, known undramatically as inflation, looked right.

Reaching back across 13.8 billion years to the first sliver of cosmic time with telescopes at the South Pole, a team of astronomers led by John M. Kovac of the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics detected ripples in the fabric of space-time — so-called gravitational waves — the signature of a universe being wrenched violently apart when it was roughly a trillionth of a trillionth of a trillionth of a second old. They are the long-sought smoking-gun evidence of inflation, proof, Dr. Kovac and his colleagues say, that Dr. Guth was correct.

Inflation has been the workhorse of cosmology for 35 years, though many, including Dr. Guth, wondered whether it could ever be proved.

If corroborated, Dr. Kovac’s work will stand as a landmark in science comparable to the recent discovery of dark energy pushing the universe apart, or of the Big Bang itself. It would open vast realms of time and space and energy to science and speculation.

Confirming inflation would mean that the universe we see, extending 14 billion light-years in space with its hundreds of billions of galaxies, is only an infinitesimal patch in a larger cosmos whose extent, architecture and fate are unknowable. Moreover, beyond our own universe there might be an endless number of other universes bubbling into frothy eternity, like a pot of pasta water boiling over.

‘As Big as It Gets’

In our own universe, it would serve as a window into the forces operating at energies forever beyond the reach of particle accelerators on Earth and yield new insights into gravity itself. Dr. Kovac’s ripples would be the first direct observation of gravitational waves, which, according to Einstein’s theory of general relativity, should ruffle space-time.

Marc Kamionkowski of Johns Hopkins University, an early-universe expert who was not part of the team, said, “This is huge, as big as it gets.”

He continued, “This is a signal from the very earliest universe, sending a telegram encoded in gravitational waves.”

The ripples manifested themselves as faint spiral patterns in a bath of microwave radiation that permeates space and preserves a picture of the universe when it was 380,000 years old and as hot as the surface of the sun.

Dr. Kovac and his collaborators, working in an experiment known as Bicep, for Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization, reported their results in a scientific briefing at the Center for Astrophysics here on Monday and in a set of papers submitted to The Astrophysical Journal.

Dr. Kovac said the chance that the results were a fluke was only one in 10 million.

Dr. Guth, now 67, pronounced himself “bowled over,” saying he had not expected such a definite confirmation in his lifetime.

“With nature, you have to be lucky,” he said. “Apparently we have been lucky.”

The results are the closely guarded distillation of three years’ worth of observations and analysis. Eschewing email for fear of a leak, Dr. Kovac personally delivered drafts of his work to a select few, meeting with Dr. Guth, who is now a professor at Massachusetts Institute of Technology (as is his son, Larry, who was sleeping that night in 1979), in his office last week.

“It was a very special moment, and one we took very seriously as scientists,” said Dr. Kovac, who chose his words as carefully as he tended his radio telescopes.

Andrei Linde of Stanford, a prolific theorist who first described the most popular variant of inflation, known as chaotic inflation, in 1983, was about to go on vacation in the Caribbean last week when Chao-Lin Kuo, a Stanford colleague and a member of Dr. Kovac’s team, knocked on his door with a bottle of Champagne to tell him the news.

Confused, Dr. Linde called out to his wife, asking if she had ordered anything.

“And then I told him that in the beginning we thought that this was a delivery but we did not think that we ordered anything, but I simply forgot that actually I did order it, 30 years ago,” Dr. Linde wrote in an email.

Calling from Bonaire, the Dutch Caribbean island, Dr. Linde said he was still hyperventilating. “Having news like this is the best way of spoiling a vacation,” he said.

By last weekend, as social media was buzzing with rumors that inflation had been seen and news spread, astrophysicists responded with a mixture of jubilation and caution.

Max Tegmark, a cosmologist at M.I.T., wrote in an email, “I think that if this stays true, it will go down as one of the greatest discoveries in the history of science.”

John E. Carlstrom of the University of Chicago, Dr. Kovac’s mentor and head of a competing project called the South Pole Telescope, pronounced himself deeply impressed. “I think the results are beautiful and very convincing,” he said.

Paul J. Steinhardt of Princeton, author of a competitor to inflation that posits the clash of a pair of universes as the cause of genesis, said that if true, the Bicep result would eliminate his model, but he expressed reservations about inflation.

Lawrence M. Krauss of Arizona State and others also emphasized the need for confirmation, noting that the new results exceeded earlier estimates based on temperature maps of the cosmic background by the European Space Agency’s Planck satellite and other assumptions about the universe.

“So we will need to wait and see before we jump up and down,” Dr. Krauss said.

Corroboration might not be long in coming. The Planck spacecraft will report its own findings this year. At least a dozen other teams are trying similar measurements from balloons, mountaintops and space.

Spirals in the Sky

Gravity waves are the latest and deepest secret yet pried out of the cosmic microwaves, which were discovered accidentally by Arno Penzias and Robert Wilson at Bell Labs 50 years ago. They won the Nobel Prize.

Dr. Kovac has spent his career trying to read the secrets of these waves. He is one of four leaders of Bicep, which has operated a series of increasingly sensitive radio telescopes at the South Pole, where the thin, dry air creates ideal observing conditions. The others are Clement Pryke of the University of Minnesota, Jamie Bock of the California Institute of Technology and Dr. Kuo of Stanford.

“The South Pole is the closest you can get to space and still be on the ground,” Dr. Kovac said. He has been there 23 times, he said, wintering over in 1994. “I’ve been hooked ever since,” he said.

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In 2002, he was part of a team that discovered that the microwave radiation was polarized, meaning the light waves had a slight preference to vibrate in one direction rather than another.

This was a step toward the ultimate goal of detecting the gravitational waves from inflation. Such waves, squeezing space in one direction and stretching it in another as they go by, would twist the direction of polarization of the microwaves, theorists said. As a result, maps of the polarization in the sky should have little arrows going in spirals.

Detecting those spirals required measuring infinitesimally small differences in the temperature of the microwaves. The group’s telescope, Bicep2, is basically a giant superconducting thermometer.

“We had no expectations what we would see,” Dr. Kovac said.

The strength of the signal surprised the researchers, and they spent a year burning up time on a Harvard supercomputer, making sure they had things right and worrying that competitors might beat them to the breakthrough.

A Special Time

The data traced the onset of inflation to a time that physicists like Dr. Guth, staying up late in his Palo Alto house 35 years ago, suspected was a special break point in the evolution of the universe.

Physicists recognize four forces at work in the world today: gravity, electromagnetism, and strong and weak nuclear forces. But they have long suspected that those are simply different manifestations of a single unified force that ruled the universe in its earliest, hottest moments.

As the universe cooled, according to this theory, there was a fall from grace, like some old folk mythology of gods or brothers falling out with each other. The laws of physics evolved, with one force after another splitting away.

That was where Dr. Guth came in.

Under some circumstances, a glass of water can stay liquid as the temperature falls below 32 degrees, until it is disturbed, at which point it will rapidly freeze, releasing latent heat.

Similarly, the universe could “supercool” and stay in a unified state too long. In that case, space itself would become imbued with a mysterious latent energy.

Inserted into Einstein’s equations, the latent energy would act as a kind of antigravity, and the universe would blow itself up. Since it was space itself supplying the repulsive force, the more space was created, the harder it pushed apart.

What would become our observable universe mushroomed in size at least a trillion trillionfold — from a submicroscopic speck of primordial energy to the size of a grapefruit — in less than a cosmic eye-blink.

Almost as quickly, this pulse would subside, relaxing into ordinary particles and radiation. All of normal cosmic history was still ahead, resulting in today’s observable universe, a patch of sky and stars billions of light-years across. “It’s often said that there is no such thing as a free lunch,” Dr. Guth likes to say, “but the universe might be the ultimate free lunch.”

Make that free lunches. Most of the hundred or so models resulting from Dr. Guth’s original vision suggest that inflation, once started, is eternal. Even as our own universe settled down to a comfortable homey expansion, the rest of the cosmos will continue blowing up, spinning off other bubbles endlessly, a concept known as the multiverse.

So the future of the cosmos is perhaps bright and fecund, but do not bother asking about going any deeper into the past.

We might never know what happened before inflation, at the very beginning, because inflation erases everything that came before it. All the chaos and randomness of the primordial moment are swept away, forever out of our view.

“If you trace your cosmic roots,” said Abraham Loeb, a Harvard-Smithsonian astronomer who was not part of the team, “you wind up at inflation.”


Does space have a shape?

Three theories that are instrumental in understanding the shape of the universe are the big bang, das theory of gravity und Einstein’s theory of general relativity. Cosmologists consider all of these theories when forming hypotheses about the shape of space. But what exactly do these theories try to explain?

The big bang theory is an attempt to describe the beginning of the universe. Through observation and analysis, astronomers determined that the universe is expanding. They have also detected and studied light that originated billions of years ago back when the universe was very young. They theorized that at one time, all the matter and energy in the universe was contained in an incredibly tiny point. Then, the universe expanded suddenly. Matter and energy exploded outward at millions of light years every fraction of a second. These became the building blocks for the universe as we know it.

The theory of gravity states that every particle of matter has an attraction to every other particle of matter. Specifically, particles will attract one another with a force proportional to their masses and inversely proportional to the square of the distance between them. The equation looks like this:

F is the force of gravitational attraction. The M and m represent the masses of the two objects in question. The r 2 is the distance between the two objects squared. So what’s the G? It’s the gravitational constant. It represents the constant proportionality between any two objects, no matter what their masses. The gravitational constant is 6.672 x 10 -11 N m 2 kg -2 [source: World of Physics]. That’s a very small number, and it explains why objects don’t just stick to each other all the time. It takes objects of great mass to have anything more than a negligible gravitational effect on other objects.

If the big bang theory is true, then when the universe began there must have been a huge burst of energy to push matter so far so fast. It had to overcome the gravitational attraction among all the matter in the universe. What cosmologists are trying to determine now is how much matter is actually in the universe. With enough matter, the gravitational attraction will gradually slow and then reverse the universe’s expansion. Eventually, the universe could shrink into another singularity. Das nennt man big crunch. But if there’s not enough matter, the gravitational attraction won’t be strong enough to stop the universe’s expansion, and it will grow indefinitely.

What about the theory of relativity? Besides explaining the relationship between energy and matter, it also leads to the conclusion that space is gebogen. Objects in space move in elliptical orbits not because of gravity, but because space itself is curved and therefore a straight line is actually a loop. In geometry, a straight line on a curved surface is a geodätisch.

The three theories described above form the basis of the various theories about what the shape of space actually is. But there’s no actual consensus on which shape is the right one.

What are the theoretical shapes of space, and why don't we know which one is right? Find out in the next section.

General relativity suggests that just before the big bang, a point with zero volume and infinite density contained all the matter of the universe. This phenomenon is called a Singularität. Matter that enters a black hole also enters a singularity as its volume reduces to zero and its density increases to infinity [source: Hawking].


Strength of gravity during the big bang? - Astronomie

All observations that have been made using the most powerful telescopes show that the universe looks the same in all directions.

The average density of galaxies is the same throughout the universe and does not change with distance or direction. This is called the Cosmological Principle.


On average and at large scales, the distribution of galaxies is the same throughout the universe.

Since the expansion of space occurs evenly at every point in the universe, galaxies are separating from each other at about the same pace, giving the universe a nearly uniform density and structure. As a result, the universe appears smooth at large distance scales. In scientific terms, it is said to be homogeneous and isotropic.


In the image on the left, the universe is isotropic. This means that if you stand at the center and look in every direction, the universe will look the same. In the image on the right, the universe is homogeneous. This means that if you stand in any place and look around, the universe will be the same.

Homogeneous and Isotropic: What's the Difference?

Homogeneous (usually pronounced homo-GEE-nee-us) literally means "to be the same throughout," no matter where you are in the universe. If you look at the universe from Earth or from a galaxy a million light-years away, it will look the same.

Isotropic (pronounced eye-so-TRO-pic) means to appear the same in every direction or viewing angle. This approximation breaks down when viewing the night sky from Earth since our planet is located inside of the Milky Way, but if you were able to stand at any point outside of a galaxy the universe would look the same in all directions.

Scientists are careful to distinguish between these separate concepts: uniform with respect to position (homogeneous), and uniform with respect to viewing angle (isotropic). While most intuitive examples will be both homogeneous and isotropic like our universe, in theory, there can be universes which exhibit one property and not the other.

Do Galaxies Expand?


If we expanded at the same rate as space, we would not perceive any expansion.

Planets, stars, and galaxies are bound together by gravity. On the short distance scales present in these systems the force of gravity is great enough to resist and stop the expansion of space. Gravity opposes the expansion of the universe on larger scales as well, but since the strength of gravity falls with the square of the distance according to the inverse square law, the force is not enough to halt the expansion. If every object expanded with space, including ourselves, we would not perceive any expansion at all.

What is the Universe expanding into?

The expansion of the universe is consistent with the Big Bang theory, but, what is the universe expanding into?

In short, nothing. Most cosmologists believe that the universe is infinite there is nothing outside of it. Space and time only exist within the universe. So, what happens when infinity expands? It is still infinity, just a bit bigger.

Rewinding the Universe

Think of the universe today as a movie playing. We see expansion: everything moving apart from everything else.

But what happens when we rewind the movie? Everything becomes closer and closer to everything else (and the universe becomes hotter and denser) until we reach the edge of scientific understanding: the Big Bang.


Press the "Rewind" button to go back in time!

We even have a picture that goes further back in time than this movie--to the infant universe known as the Cosmic Microwave Background.