Inflation und ausgedehnte Teilchen

ralfkannenberg

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Hallo zusammen,

in letzter Zeit ist hier im Forum (z.B. hier und hier) die Frage aufgetaucht, was während der Inflationsphase in der Frühzeit des Universums mit ausgedehnten Teilchen passiert ist.

Wurden diese durch (mir unbekannte) innere Kräfte zusammengehalten und "nur" der Raum um sie herum um einen Faktor zwischen 10^30 und 10^50 ausgedehnt oder wurde der Raum "als solches" ausgedehnt und entsprechend die ausgedehnten Teilchen mit ihnen ?

Hierzu noch ein paar Anmerkungen:
Möglicherweise gab es in dieser Frühzeit noch keine ausgedehnten Strukturen, dann wäre diese Frage irrelevant. Ich habe aber gelesen, dass magnetische Monopole "beim Urknall" - was auch immer das heissen soll, aber offenbar doch zeitlich vor der Inflationsphase - produziert worden sein sollen und diese stellt man sich mit einem Durchmesser im 10^(-15) m Bereich vor. Wären diese also mit dem Raum ausgedehnt worden, so wären sie vorher kleiner als die Planck-Länge gewesen.

Wir haben aber am Beispiel des Protons gesehen, dass man mit dem Ausdehnungsbegriff in diesen kleinen Bereichen etwas aufpassen muss; so ist die "Ausdehnung" eines Protons über die mittlere Ausdehnung seiner Ladungswolke definiert ist - eine solche würde natürlich über eine Raumausdehnung nicht grösser werden. Ich habe zwar noch keine Antwort erhalten, wie der Durchmesser eines ungeladenen Teilchens wie dem Neutron definiert ist, ich vermute aber, dass hier ähnlich wie beim Proton eine Definition zur Anwendung kommt, die durch die Raumausdehnung nicht betroffen ist; zudem bestehen Neutronen ja auch aus Quarks und diese sind bekanntlich geladen. Zudem gab es meines Wissens zu Inflationszeiten noch keine Protonen und Neutronen.

Und da der Durchmesser der magnetischen Monopole "zufällig" demjenigen der Protonen entspricht, könnte es eben sein, dass diese ebenfalls über die mittlere Ausdehnung seiner "magnetischen" Ladungswolke definiert ist.


Viel "könnte es sein" und "möglicherweise" ... - weiss hier jemand etwas genaueres ?


Freundliche Grüsse, Ralf
 

MGZ

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Puh, du fragst Sachen. Für die Größe eines Teilchens ist die Quantenmechanik verantwortlich, für die Raumexpansion dagegen die Allgemeine Relativitätstheorie. Wie die beiden zusammen kommen, ist unklar.
Höchstwahrscheinlich würden alle ausgedehnten Strukturen einfach größer werden, weil das Gleichgewicht aus Ausdehnung und Kontraktion eine andere Lage annimmt.
 

mac

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Hallo Ralf,

schau doch mal was Andreas Müller dazu schreibt:
Blick in eine der ersten Epochen des Universums

Die Inflation wird in der modernen Kosmologie in der GUT-Ära, also im sehr frühen Universum, angesiedelt. Zeitlich gesehen ereignete sie sich nur 10^-36 bis 10^-33 Sekunden nach dem Urknall. Zu dieser Zeit war das Universum sehr klein, heiß (etwa 10^30 K) und hatte den riesigen Energieinhalt von 10^16 GeV. Bei diesen hohen Energien unterscheiden sich die elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung nicht voneinander: Sie sind zur X-Kraft der Großen Vereinheitlichten Theorien (GUT) vereinigt geworden. Neben der X-Kraft herrschte nur die Gravitation, so dass es in der Inflationsära nur zwei fundamentale Kräfte gab.

Herzliche Grüße

MAC
 
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ralfkannenberg

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Hallo Ralf,

schau doch mal was Andreas Müller dazu schreibt:
Blick in eine der ersten Epochen des Universums

Die Inflation wird in der modernen Kosmologie in der GUT-Ära, also im sehr frühen Universum, angesiedelt. Zeitlich gesehen ereignete sie sich nur 10^(-36) bis 10^(-33) Sekunden nach dem Urknall. Zu dieser Zeit war das Universum sehr klein, heiß (etwa 10^30 K) und hatte den riesigen Energieinhalt von 10^16 GeV. Bei diesen hohen Energien unterscheiden sich die elektromagnetische, schwache und starke Wechselwirkung nicht voneinander: Sie sind zur X-Kraft der Großen Vereinheitlichten Theorien (GUT) vereinigt geworden. Neben der X-Kraft herrschte nur die Gravitation, so dass es in der Inflationsära nur zwei fundamentale Kräfte gab.

Hallo Mac,

das beantwortet leider meine Frage nicht.

Im Übrigen sind bei deiner Zitierung die Exponent-Zeichen verloren gegangen; bei den negativen Exponenten sieht man es noch, aber bei den positiven beträgt die Temperatur 10^30 K und der Energieinhalt 10^16 GeV; ich habe das in Deinem Zitat in blau korrigiert.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

mac

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Hallo Ralf,

das beantwortet leider meine Frage nicht.
ich finde doch, zumindest teilweise und nach Deiner eigenen Einschätzung:
Möglicherweise gab es in dieser Frühzeit noch keine ausgedehnten Strukturen, dann wäre diese Frage irrelevant.

Was mit den sogenannten Elementarteilchen passieren soll (aber erst nachdem es sie gibt) steht in Wikipedia unter ‚Big Rip‘

Wo die ganze Energie im Unviversum nach der Inflationsphase aufeinmal her kommt, hatte ich mich zunächst gefragt, angesichts dieser Aussage:
Aus sehr elementaren Überlegungen folgt, dass zu diesem Zeitpunkt die Dichte etwa 10^94 g/cm^3 ... gewesen sein muß
http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall#Planck-.C3.84ra_und_Beginn_der_GUT-.C3.84ra das war sozusagen die Startgröße, vor der Inflation.

Wir erinnern uns?
eine Ausdehnung um einen Faktor von etwa 10^50 stattfand
Energiedichte nimmt bei Ausdehnung mit 1/r^4 ab, wären dann also nur noch 1E-104 g/cm^3 (Energieäquivalent), was ja nun so garnicht zu den heutigen 1E-27 g/cm^3 passen will. Aber da hilft das Inflaton, wie Müller schreibt. Frage ich mich natürlich, ob das in den sehr elementaren Überlegungen nicht enthalten war?

Aber diese Verwirrung kommt sicher durch die etwas zu sehr vereinfachenden Erklärungen. ‚Ich‘ hatte ja vor einigen Tagen auch kein gutes Haar an den Wiki-Zahlen gelassen. Wenn ich es also nicht studieren kann, werde ich es vertagen müssen. :(

Herzliche Grüße

MAC
 

ralfkannenberg

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da sich Quarks erst nach der Inflationsphase gebildet haben, ist deine ursprüngliche Frage meiner Meinung nach falsch, bzw. widersprüchlich formuliert. s. http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall

Hallo Bernhard,

bezüglich der Quarks hast Du recht - diese gab es damals noch nicht - auch nicht im Rahmen spontaner Paarbildung, weil diese ja erst viel später, also nach 10^(-20) Sekunden einsetzt, wobei das Wahrscheinlichkeiten sind und man diese vorgängig noch berechnen müsste, ob sich nicht vielleicht doch welche vorher gebildet haben könnten, die dann inflationär vergrössert worden sein könnten.

Unabhängig von Quarks: Monopole gab es schon vorher und über die Ausdehnung von SUSY-Teilchen weiss ich momentan nicht genügend.

Im Übrigen hatte ich dies hier angesprochen:

Hierzu noch ein paar Anmerkungen:
Möglicherweise gab es in dieser Frühzeit noch keine ausgedehnten Strukturen, dann wäre diese Frage irrelevant. Ich habe aber gelesen, dass magnetische Monopole "beim Urknall" - was auch immer das heissen soll, aber offenbar doch zeitlich vor der Inflationsphase - produziert worden sein sollen und diese stellt man sich mit einem Durchmesser im 10^(-15) m Bereich vor. Wären diese also mit dem Raum ausgedehnt worden, so wären sie vorher kleiner als die Planck-Länge gewesen.


Freundliche Grüsse, Ralf
 

ralfkannenberg

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Was mit den sogenannten Elementarteilchen passieren soll (aber erst nachdem es sie gibt) steht in Wikipedia unter ‚Big Rip‘
Hallo Mac,

danke für den Link; dort steht allerdins leider auch nur "je nachdem":

Nach dem Modell von Robert Caldwell (Dartmouth College, New Hampshire) aus dem Jahre 2003 würde eine kontinuierliche Expansion des Universums in sich selbst unter Umständen nicht ewig dauern, sondern könnte instabil werden und zu einem Big Rip entarten. Dieses Modell geht davon aus, dass die hypothetische dunkle Energie für die Raumentstehung verantwortlich ist und alle Materie progressiv beschleunigt. Ihre Gegenkraft, die Gravitation, kann die Strukturen nur zusammenhalten, solange sie die Wirkung der dunklen Energie übertrifft. Je mehr dunkle Energie entsteht, desto schwächer wird der Einfluss konventioneller Massen.

Die Ursachen der Raumausdehnung sind jedoch bis heute nicht verstanden. Ob dieses Szenarium eintreten kann, hängt davon ab, ob sich (a) die Raumausdehnung (Neuentstehung von Raum) überhaupt beschleunigt, (b) ob sie exponentiell verläuft und (c) ob oder wo sie eine obere Grenze findet. Diese Grenze kann z.B. durch die Dichte der Dunklen Energie gesetzt sein, die die Raumausdehnung erzeugt, sofern sie ebenfalls mit ausdünnt. Der Big Rip könnte demnach auch als eine weitere, zeitlich begrenzte inflationäre Phase ablaufen, die sich wieder in eine konventionelle Raumausdehung rückbildet, so dass kleinere masseführende Strukturen wie Sterne, Planeten oder Atome doch nicht „zerrissen“ werden.

Aber das betrifft die Dunkle Energie, deren Expansion sehr langsam passiert und weniger die Inflation in der Frühphase des Universums, deren Expansion extrem schnell passiert.


Ich persönlich favorisiere nach wie vor die Idee, dass sich die Ausgedehntheit der Elementarteilchen über ihre mittleren Eigenschaften (Ladung, etc.) definiert und somit von der Raumausdehnung nicht betroffen wäre. Der Big Rip indes stützt diese Idee von mir nicht und die extrem schnelle Expansion der Inflation könnte gewisse Felder "mitnehmen", was meine Idee ebenfalls nicht stützen würde.

Fazit: Ich weiss es nicht und deswegen ja auch meine Frage.


Freundliche Grüsse, Ralf
 
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Bernhard

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Unabhängig von Quarks: Monopole gab es schon vorher und über die Ausdehnung von SUSY-Teilchen weiss ich momentan nicht genügend.
Hallo Ralf,

rein gefühlsmäßig erscheint mir generell eine Vergrößerung von Materieteilchen als unsinnig und um Inkonsistenzen mit bestehenden Theorien auszuschließen würde ich auch die Art der Anwendung dieser Theorien in Frage stellen. In der Geschichte der Wissenschaft gab es ja schon des öfteren die Vermutung, die theoretische Physik sei abgeschlossen. Gerade im 20. Jhd. hat sich diese Vermutung jedoch als komplett falsch erwiesen.

Antworten auf Deine Frage erscheinen mir genaugenommen erst im Rahmen der Stringtheorie als machbar und daran sieht man schon wie spekulativ, diese Frage letztlich sein könnte :) .

Dass die Stringtheorie als mathematisches Werkzeug sehr hilfreich sein kann, zeigt z.B. der Wiki-Abschnitt: "Anwendungen".
Gruß

Bernhard
 

Bernhard

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Antworten auf Deine Frage erscheinen mir genaugenommen erst im Rahmen der Stringtheorie als machbar und daran sieht man schon wie spekulativ, diese Frage letztlich sein könnte :) .
Ich kann mir z.B. gut vorstellen, dass die Geometrie der Extradimensionen völlig unabhängig von der Expansion der großräumigen Dimensionen sein könnte. Die Teilcheneigenschaften würden sich dann mit der Expansion des Raumes nicht mehr ändern und genau das stimmt ja auch mit den bekannten Beobachtungen überein.

Der umgekehrte Fall, dass die Geometrie der Extradimensionen von der Expansion abhängt ist zwar auch denkbar, aber ich vermute, dass sich damit auch einige wichtige Naturkonstanten so stark ändern würden, dass man solche Modelle via Beobachtungen ausschließen kann.
MfG
 

Ich

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Wurden diese durch (mir unbekannte) innere Kräfte zusammengehalten und "nur" der Raum um sie herum um einen Faktor zwischen 10^30 und 10^50 ausgedehnt oder wurde der Raum "als solches" ausgedehnt und entsprechend die ausgedehnten Teilchen mit ihnen ?
Der Horizont war zur Inflationszeit wohl wesenlich kleiner als 10^-20 m. Jede größere Struktur (z.B. Protonen) wird notwendigerweise zerrissen, egal welche Kräfte sonst noch wirken.
 
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