Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

waren.
    Aber die Überlappung zwischen der Elementarteilchenphysik und der Kosmologie ist natürlich viel tiefgreifender und umfassender als bei beiden der genannten Gebiete. Eine genaue Untersuchung des Universums auf verschiedenen Größenskalen hat die vielen Verbindungen zwischen den Elementarteilchen auf den kleinsten Skalen und dem Universum selbst auf der größten Skala zutage gefördert. Schließlich ist das Universum per definitionem einzigartig und umfasst alles als Teil von ihm. Die Elementarteilchenphysiker, die ins Innere blicken, stellen die Frage, welche Art von fundamentalen Teilchen im Kern der Materie existieren, und Kosmologen, die nach außen blicken, untersuchen die Art und Weise, wie sich das, was auch immer sich da draußen befindet, entwickelt hat. Die Geheimnisse des Universums – insbesondere woraus es besteht – sind für Kosmologen und Elementarteilchenphysiker gleich wichtig.
    Beide Arten von Forschern untersuchen grundlegende Strukturen und wenden fundamentale physikalische Gesetze an. Jeder muss die Ergebnisse des anderen berücksichtigen. Der Inhalt des Universums, der von Elementarteilchenphysikern untersucht wird, ist auch für die Kosmologen ein wichtiger Forschungsgegenstand. Darüber hinaus beschreiben die Naturgesetze, die sowohl die Allgemeine Relativitätstheorie als auch die Elementarteilchenphysik umfassen, die Evolution des Universums, was auch notwendig ist, wenn beide Theorien richtig sind und sich auf einen einzigen Kosmos beziehen. Zugleich schränkt die uns bekannte Entwicklung des Universums die möglichen Eigenschaften der Materie ein, wenn sie der beobachteten Geschichte nicht widersprechen sollen. Das Universum war in mancherlei Hinsicht der erste und mächtigste Teilchenbeschleuniger. Energien und Temperaturen waren in den Frühstadien seiner Entwicklung sehr hoch, und die hohen Energien, die die Beschleuniger gegenwärtig erreichen, zielen darauf ab, einige Aspekte dieser Bedingungen heute auf der Erde zu reproduzieren.
    Die in jüngerer Zeit stattfindende Beachtung dieser Konvergenz von Interessen hat zu vielen fruchtbaren Untersuchungen und wichtigen Erkenntnissen geführt und wird das hoffentlich auch weiterhin tun. Dieses Kapitel betrachtet einige der großen offenen Fragen in der Kosmologie, die sowohl Elementarteilchenphysiker als auch Kosmologen erforschen. Die überlappenden Felder umfassen die kosmologische Inflation, dunkle Materie und dunkle Energie. Wir werden bestimmte Aspekte betrachten, die wir mit Bezug auf jedes dieser Phänomene verstehen und – was für die aktive Forschung noch wichtiger ist – auch diejenigen, die wir noch nicht verstehen.
    Kosmologische Inflation
    Obwohl wir nicht sagen können, was ganz am Anfang des Universums geschah, da wir dafür eine umfassende Theorie bräuchten, die sowohl die Quantenmechanik als auch die Gravitation beinhaltet, können wir mit ziemlicher Gewissheit behaupten, dass zu einer sehr frühen Zeit (möglicherweise so früh wie 10 -39 Sekunden nach dem Urknall) ein Phänomen stattfand, das kosmologische Inflation genannt wird.
    Alan Guth schlug dieses Szenario, das besagt, dass das ganz frühe Universum im Wesentlichen nach außen explodierte, erstmals 1980 vor. Interessanterweise versuchte er ursprünglich, ein Problem der Elementarteilchenphysik zu lösen, das mit den kosmologischen Konsequenzen von Großen Vereinheitlichten Theorien zu tun hatte. Da er einen Elementarteilchenhintergrund besaß, verwendete er Methoden, die ihren Ursprung in der Feldtheorie haben – der Theorie, die die spezielle Relativitätstheorie und die Quantenmechanik miteinander verbindet und die wir Elementarteilchenphysiker für unsere Berechnungen verwenden. Am Ende leitete er jedoch eine Theorie ab, die unsere Vorstellungen in der Kosmologie revolutionierte. Wie und wann die Inflation stattfand, darüber wird zwar immer noch spekuliert. Aber ein Universum, das diese explosive Expansionsbewegung durchlief, würde eindeutige Belege hinterlassen, und viele davon haben wir nun gefunden.
    Im Standardszenario des Urknalls wuchs das frühe Universum ruhig und stetig an – z.B. verdoppelte es seine Größe, während sein Alter um den Faktor vier zunahm. Aber in einer inflationären Periode erfuhr ein Teil des Himmels eine Phase unglaublich schneller Expansion und wuchs mit der Zeit exponentiell an. Das Universum verdoppelte seine Größe in einer festen Zeit und verdoppelte sich dann in derselben Zeit noch einmal und