Implizieren Inflationsmodelle ein Multiversum?

Hallo Alexander,

als (indirekten) Nachweis für die Existenz von Paralleluniversen würde ich diese Entdeckung nicht werten. Nichtsdestotrotz verdichten sich die Hinweise auf die Möglichkeit der Existenz mehrerer in einem Multiversum eingebetteter Universen, denn wie du schon schriebst, liegt vielen Inflationsmodellen die Annahme eines Multiversums zugrunde. Die dahinter stehenden Theorien gehen davon aus, dass Universen aus Quantenfluktuationen innerhalb eines gemeinsamen Meta-Universums hervorgehen, was wiederum nahelegt, dass es außer unserem Universum auch noch andere Universen geben könnte. Insofern macht die Entdeckung der Gravitationswellen die Existenz anderer Universen zwar im Rahmen dieser Theorien plausibel, weist sie aber nicht nach, denn nötig sind sie dafür nicht.
Es existieren also einige Theorien, die sich mit den neuen empirischen Daten vertragen, aber ausgehend von dem, was ich in den letzten Jahren über Stringtheorie, Schleifenquantengravitation & Co mitbekommen habe, würde ich sagen, dass wir (noch) nicht soweit sind, verbindliche Aussagen über Paralleluniversen zu treffen. (Und ehrlich gesagt stelle ich mir das auch für die Zukunft schwierig vor, es sei denn, wir kollidieren mit einem solchen.)

Über weitere Hinweise von jemandem, der solide Einblicke in die betreffenden Theorien hat, würde ich mich allerdings auch freuen.

Schöne Grüße
Fabian

http://arxiv.org/abs/0905.1283
Levels I und II.

Hallo Alexander,

es ist genau andersherum. Es gibt einige Theorien, die quasi als Prämisse davon ausgehen, dass es für jedes Universum ein Meta-Universum gibt, innerhalb dessen sich durch Fluktuationen viele Sub-Universen bilden können. Diese Theorien haben größtenteils angenehme Eigenschaften, weil sie zum Beispiel mögliche Gründe für zeitlich oder räumlich begrenzte Phasen (z.B. Inflationsphasen) der Universen in der Interaktion des Baby-Universums mit seinem Eltern-Universum sehen. Meines Erachtens ist es für die Anhänger dieser Theorien schlicht leichter verdaulich, sich eine Vorstellung davon machen zu können, was "vor" dem Urknall geschehen ist, als zu akzeptieren, dass wir über den Rand unseres Universums so ohne weiteres nicht hinausschauen können.
Vielleicht kann man es so ausdrücken: Bei der Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik stellt sich mir die Annahme von Paralleluniversen noch als spielerischer Kunstgriff derjenigen dar, die keine Lust haben, sich mit zusammenbrechenden Wahrscheinlichkeitswellen zu befassen. Die Paralleluniversen, von denen wir hier sprechen, sind im Gegensatz dazu viel eher eine Arbeitshypothese als ein bockiger Versuch, unliebsame Fakten durch abenteuerliche Prämissen zu verklären.
Nichtsdestotrotz (und das ist meine persönliche Meinung) sollte man nicht allzu viel auf die Multiversum-Hypothese geben. Vielleicht existieren unendlich viele exakte Kopien von uns (und noch mehr nicht ganz exakte Kopien) irgendwo, irgendwann, irgendwie in anderen Universen - eine Probabilitätserhebung dafür ist aus unserer Position nicht möglich. Solange es keine Indizien dafür gibt, brauchen wir darüber auch keine Aussage zu treffen, finde ich.
Es gibt "Theorien", deren einziger Grund für die Postulation von Paralleluniversen es ist, die Entstehung von Leben wahrscheinlicher zu machen, allein durch die Menge der verfügbaren Raumzeit und der verfügbaren Freiheiten in der Ausprägung der Naturkonstanten. Ich weiß nicht - für mich ist die Entdeckung von BICEP ein sehr guter Beleg für die Annahme einer Inflationsphase in unserem frühen Universum, alle weiteren Deutungen sehe ich sehr kritisch.

Schöne Grüße
Fabian

Hallo Alexander,

alles was man fuer die Inflation braucht ist ein Skalarfeld - alles andere ist Spekulation.

Inflationsmodelle sollen gewisse Fragen beantworten, die im Standardmodell des heißen Universums (Big Bang) offen bleiben. Die sind u.a. das Flachheitsproblem (warum ist das uns bekannte Universum im Großen euklidisch mit k = 0?) und das Homogenitätsproblem (warum ist das uns bekannte Universum im Wesentlichen homogen, obwohl es zur Zeit der Entstehung des CMB größer war als die Lichtlaufzeit?) Die Lösung soll sich dadurch ergeben, daß der heißen Phase des Universums eine Inflationsphase vorgeschaltet wird. Außerdem lassen sich dadurch die anfänglichen Inhomogenitäten in der Phase des heißen Kosmos verstehen.

Unter den vielen Inflationsmodellen möchte ich 2-3 Haupttypen ansprechen, die mir halbwegs bekannt sind, nämlich das sogenannte „alte Szenarium der Inflation“ (Alan Guth), das „neue Szenarium“ (Coleman-Weinberg etc.) und das Szenarium der „chaotischen Inflation“ (Andrei Linde). Multiversen werden vor allem vom Modell der chaotischen Inflation impliziert, von den anderen Modellen hingegen nicht, oder nicht notwendigerweise. (Die Viele-Welten-Hypothese nach Hugh Everett III lasse ich außen vor, weil sie aus einer bestimmten Deutung der Quantentheorie kommt und zunächst mit Inflation nichts zu tun hat.)

Ein grundsätzliches Problem der Inflationshypothese liegt darin, daß für den frühen Kosmos sehr spezifische Randbedingungen angesetzt werden müssen, damit die „Rechnung“ aufgeht. Die Theorie wirkt daher zunächst sehr konstruiert und man hat stellenweise den Eindruck, daß das eine Rätsel durch ein anderes, noch größeres erklärt wird. (Wo kommt nur die ganze Energie her? Nach Alan Guth ist Inflation „the ultimate free lunch“. – Meint er das ironisch?) Es entstehen auch zahlreiche Feinabstimmungsphänomene.

Das „alte Szenarium“ hatte wohl einige Schwächen, insbesondere bei der Beschreibung der Phase des „reheating“. Das „neue Szenarium“ behauptet, daß sich sehr kurze Zeit nach der Geburt des Kosmos eine große Vakuumenergie aufbaut, die zu einer exponentiellen Ausdehnung des Kosmos führt (de-Sitter-Raum). Das Energiepotential muß hoch sein, aber nicht zu hoch. Es muß während der Inflationsphase ganz leicht absinken („slow roll“). Die Inflationsphase muß aber nach einer bestimmten, kurzen Zeit plötzlich zu Ende gehen („graceful exit“), indem das Potential zusammen bricht und die Energiedichte auf ein Niveau nahe Null (= der Wert der heutigen Vakuumenergie) absinkt. Während des Zusammenbruchs setzt sich die frei werdende Energie um in Strahlung und Partikel. Wenn das Potential bei fast Null angekommen ist, schwappt es in einer gedämpften harmonischen Schwingung noch ein wenig hin und her und heizt dabei die entstandene Strahlung und die Partikel auf („reheating“). Dabei entsteht auch die Baryonenasymmetrie. Dies ist der Anfang des heißen Universums.

Dem „neuen Szenarium“ zufolge sollten meines Erachtens keine Multiversen auftreten. Natürlich können Gegenden des Weltalls entstehen, die jenseits unseres Horizontes liegen bzw. hinter unserem Horizont verschwinden, aber das ist im klassischen Big Bang Modell ja auch schon so. Durch die Inflation können Gebiete entstehen, die dauerhaft jenseits unseres Horizontes liegen. (Der Durchmesser des Universums müßte sich mehr als 55 mal ver-e-facht haben, mit e = 2,71.) Da aber alle diese Gebiete aus dem gleichen, einförmigen Prozeß der Inflation inklusive der Partikelbildung und des „reheating“ hervorgegangen sind, müßten für sie alle die gleichen Naturgesetze, Naturkonstanten und Dimensionalitäten gelten. Wenn wir diese Gebiete auch nicht sehen können, so ist doch dort alles genau so wie bei uns.

Im Modell der „chaotischen Inflation“ nach Andrei Linde ergibt sich jedoch eine andere Situation. Linde hält die Vorstellung des „neuen Szenariums“, daß die Inflation im ganzen Universum zugleich eingesetzt hat und daß es ein einförmiges „Inflaton“ gab, für unnatürlich und willkürlich. Seines Erachtens hat die Inflation in einigen Gebieten früher eingesetzt, in anderen später, in manchen vielleicht noch gar nicht. Aufgrund der exponentiellen Ausdehnung wurden diese Gebiete sofort kausal voneinander getrennt, indem sie hinter den Horizonten ihrer Nachbarn verschwanden. In diesen vielen Gebieten traten alle möglichen Niveaus der Vakuumenergie auf – manche so hoch, daß diese Welten ohne Strukturbildung auseinanderflogen, manche so niedrig, daß diese Welten schnell wieder kollabierten – aber viele erreichten das Niveau, das wir von unserem Gebiet her kennen. Auch für den Zusammenbruch des Inflatons und die Weise der Partikelbildung sind nach Linde alle möglichen Varianten in irgendwelchen Gebieten realisiert worden.

Linde spricht von einem „selbsterzeugenden Universum“, denn er meint, daß die langwelligen Quantenfluktuationen, die durch den Abbruch der Inflation verstärkt und eingefroren werden, wiederum Inflation auslösen können. (Allerdings verstehe ich nicht, wie das gehen soll. Irgendwann müßten doch alle Gebiete des Universums Inflation erfahren haben, so daß sich nichts neues mehr erzeugt.) Weiterhin meint er, daß das Universum als Ganzes keinen einheitlichen Ursprung braucht, sondern eine ewig lange Vergangenheit haben könnte. (Viele von Lindes Kollegen meinen aber, daß Inflation einen zeitlichen Anfang des Kosmos erfordert.) Nur das von uns überschaubare Gebiet gehorche den Regeln eines homogenen Friedman-Kosmos. Das Weltall im Ganzen sei dagegen extrem inhomogen. Und vor 13,8 Milliarden Jahren sei nicht der Kosmos entstanden, sondern bloß unser Gebiet sei inflationär geworden. Andere Gebiete können viel älter sein.

Lindes Modell „chaotischer Inflation“ impliziert notwendigerweise Multiversen, und zwar – wie ich meine – in folgendem Sinn: Es muß Gemeinsamkeiten in der Physik aller Gebiete des Universums geben, da der Inflationsprozeß, aus dem sie alle hervorgegangen sind, gewissen Naturgesetzen unterliegt und berechenbar ist. Alles was sich aus dem konkreten Ablauf des Prozesses im jeweiligen Gebiet ergibt, kann dann allerdings verschieden sein. Dazu gehören wohl die Massen der Elementarteilchen, und – wie man liest – auch die Zahl der Raum- und Zeitdimensionen. Die Lichtgeschwindigkeit oder die Plancklänge und alles, was man braucht, um den aufgrund von Vakuumenergie expandierenden Raum zu beschreiben (dazu gehört auch die ART), muß aber überall gleich sein. Mit einer unendlichen Zahl von Welten, in denen insgesamt alle Möglichkeiten verwirklicht sind, wäre hier wohl nicht zu rechnen.

Ob das Modell der „chaotischen Inflation“ gegenüber dem „neuen Szenarium“ zu bevorzugen ist, hängt zunächst davon ab, ob es konsistent ist und mit den Beobachtungen übereinstimmt. Linde hat sich über die BICEP2 Resultate gleich positiv geäußert. Allerdings sagt auch das „neue Szenarium“ die Spuren von Gravitationswellen im CMB voraus. Jedenfalls hätte Lindes Modell gegenüber dem „neuen Szenarium“ den Vorteil, daß es mit weniger speziellen Randbedingungen auskommt, weniger Feinabstimmungsphänomene aufweist und daher vielleicht nicht ganz so konstruiert erscheint.

Viele Grüße
Johannes

Hallo Alexander,

Die chaotische Inflation hat tatsächlich ihren Charme gegenüber dem einfachen Big Bang Modell, denn dieses muß spezifische Anfangsbedingungen des Kosmos postulieren, insbesondere eine große Homogenität. Nach 300.000 Jahren befand sich der Kosmos ja in einem fast perfekten Temperaturgleichgewicht (die Anisotropien des CMB liegen in der Größenordnung von lediglich 1/100.000), und da dies nicht etwa durch Mischung und allmählichen Ausgleich geschehen sein kann, muß der Kosmos von Anfang an homogen gewesen sein.

Lindes Modell chaotischer Inflation ist hier im Vorteil, weil es zwar die Existenz eines Inflaton Feldes annimmt, für dieses aber alle möglichen Werte erlaubt. Allerdings verlangt auch dieses Modell an anderer Stelle sehr spezifische Anfangsbedingungen. Denn damit es an einem bestimmten Ort zur Inflation kommen kann, muß dort nicht nur das Potential den richtigen Wert haben, sondern dieses Gebiet muß auch sehr groß sein, nämlich um ein vielfaches größer als die Planck-Länge, weil sonst der „slow roll“ nicht stattfindet. Natürlich stellt sich dann gleich die Frage, wie wahrscheinlich es in Lindes Szenarium ist, daß überhaupt irgendwo die Bedingungen stimmen und Inflation zustande kommt. Typischerweise reagieren die Inflationstheoretiker auf diesen Einwand mit dem „anthropischen Prinzip“: Es mag so unwahrscheinlich gewesen sein, wie es will – die Tatsache, daß es uns gibt, beweist, daß Inflation geschehen ist.

Aber wieviel ist der Hinweis auf das anthropische Prinzip wirklich wert? Die Theoretiker des klassischen Big Bang könnten es ja ebenfalls verwenden. Sie würden sagen: Daß das Universum mit einem völlig homogenen Zustand begonnen hat, mag ja sehr unwahrscheinlich sein, aber die Tatsache, daß es uns gibt, beweist, daß dies der Fall war.

Wie soll man sich nun die Paralleluniversen, falls sie existieren, und ihre gegenseitigen Verhältnisse vorstellen? Ich denke, wenn sie aus einer kosmischen Inflation hervorgegangen sind, müßten sie eigentlich nebeneinander in einem gemeinsamen Raum existieren. Wir können ja sogar angeben, wie weit sie mindestens von uns entfernt sein müssen. Und müssen sie nicht auch in einer gemeinsamen Zeit existieren, nämlich jetzt? Linde scheint die These zu vertreten, daß in verschiedenen Gebieten des Universums beim Zusammenbruch des Inflaton verschiedene „Kompaktifizierungen“ der Dimensionen stattfanden, so daß das eine Gebiet nun 5 Raumdimensionen haben mag, und das andere nur 3. Dann wäre eine räumliche Abstandsangabe natürlich schwierig, und wenn es dort auch noch 4 Zeitdimensionen geben sollte, statt nur einer, dann hakt wohl alles aus. Ich sehe aber nicht, was für diese These spricht.

Viele Grüße
Johannes

Hallo Alexander,

zwingende Voraussetzung ist wohl genau jenes Verhältnis von Homogenität und Inhomogenität, das unser Universum faktisch aufweist und das sich unter anderem im CMB zeigt. Denn nur so bekommt man stabile Verhältnisse über den langen Zeitraum vom 13,8 Milliarden Jahren, der offenbar nötig war, damit sich die physische Basis für intelligentes Leben entwickeln konnte.

Wenn man wie die Vertreter der "chaotischen Inflation" keine spezifischen Anfangsbedingungen des Kosmos ansetzen möchte, dann kann man kaum noch erklären, warum sich durch Inflation genau dasjenige Verhältnis von Homogenität und Inhomogenität eingestellt hat, das für die Entstehung von intelligentem Leben notwendig war, und nicht irgend ein anderes. Hier kommt dann das "anthropische Prinzip" ins Spiel. Wirklich zufriedenstellend finde ich dieses Argument allerdings nicht.

Viele Grüße
Johannes

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">zwingende Voraussetzung ist wohl genau jenes Verhältnis von Homogenität und Inhomogenität, das unser Universum faktisch aufweist und das sich unter anderem im CMB zeigt. Denn nur so bekommt man stabile Verhältnisse über den langen Zeitraum vom 13,8 Milliarden Jahren, der offenbar nötig war, damit sich die physische Basis für intelligentes Leben entwickeln konnte.<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Eine derartige Einschränkung ist mir nicht bekannt und ergibt auch keinen Sinn für mich. Die Strukturbildung läuft dann anders, keine Frage. Aber von da ist es noch ein Riesenschritt bis zur Unmöglichkeit von Leben.

Das ist eben das anthropische Prinzip: Die Tatsache unserer Existenz beweist, daß die Bedingungen für unsere Existenz präzise erfüllt waren.

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: Atlas</i>
<br />Das ist eben das anthropische Prinzip: Die Tatsache unserer Existenz beweist, daß die Bedingungen für unsere Existenz präzise erfüllt waren.
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Und das ist der 'Charme' dieses Prinzips. Es relativiert Überlegungen, wie die nach dem "Verhältnis von Homogenität und Inhomogenität" des CMB im Hinblick auf intelligentes Leben bis zur Bedeutungslosigkeit.

Nochmal: Ich sehe nicht, wieso eine andere Inhomogenität Leben unmöglich machen würde. Das anthropische Prinzip greift hier nicht.