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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 23 09. 2020 19:09 #76672

Die kosmisch Hintergrundstrahlung ist meiner Meinung nach eine der spannendsten Dinge im Weltall, kann man doch durch sie Aussagen über den Anfang unseres Universums machen.
Das dazugehörige Video von Josef Gassner ist wirklich eins der besten, die ich jemals dazu gesehen habe. Und doch ist ein Punkt immer noch unverständlich für mich.

1. Einerseits wird davon gesprochen, dass es ganz am Anfang Quantenfluktuationen gab, bei denen Materie und Antimaterie entstanden sind und sich unter Abgabe von Photonen wieder eliminiert haben (bis auf den kleinen Materierest). Die Photonen sind dann die kosmische Hintergrundstrahlung.
2. Andererseits wird von ausgefrorenen Fluktuation bzw gefrorenen Quantenfluktuationen gesprochen, wo man sagt, dass Quantenfluktuationen durch die Inflation sich durch die Ausdehnung nicht mehr vernichten konnten und quasi den Ursprung der heutigen Strukturen im All darstellen und sich im Muster der Hintergrundstrahlung wiederfinden.

Warum nun gibt es Quantenfluktuationen die sich nicht gegenseitig vernichten. Vielleicht ist es einfach nur eine Definitionssache. Sind die unter 2. Genannten Fluktuationen die selben wie unter 1. bzw. wie kann ich Punkt 1 und 2 zeitlich zueinander einordnen. Vielleicht kann mir ja jemand weiterhelfen. Danke im voraus.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 23 09. 2020 23:27 #76680

Kasmodia schrieb: Und doch ist ein Punkt immer noch unverständlich für mich.

Du hast das vielleicht missverstanden. Man muss hier drei Phasen unterscheiden.

Beim Urknall bzw bei der Inflation mögen Quantenfluktuationen zu realer Energie geführt haben, das ist reine Theorie.

Im frühen Universum NACH dem Urknall bzw nach der Inflation geht es nicht mehr um Quantenfluktuationen sondern um ein Gleichgewicht aus Photonen E=h·f und entstehender Materie m=E/c² sowie erneuter Annihilation E=c²m. Hierbei gibt es das noch nicht geklärte Problem der Asymmetrie mit der Antimaterie.

Solange die Photonendichte zu hoch ist, und vor allem solange die Photonenenergie zu groß ist, können sich dabei keine Atome beilden, weil die Elektronen schneller von den Protonen wieder getrennt werden, als sie zusammenfinden. Hierdurch ist auch die freie Weglänge der Photonen sehr kurz, weil sie ständig mit Elektronen reagieren.

Erst wenn dank der Expansion die Photonenenergie unter die Ionisierungsenergie 13,6 eV sinkt, können Wasserstoffatome stabil werden und somit auch den Weg für die Photonen freimachen, weil die gebundenen Elektronen nicht mehr so stark mit den Photonen reagieren. Dieser Übergang ist natürlich allmählich, aber hier spricht man vom "Ausfrieren"....bei 2973,3 K, wenn auch die letzten Photonen nicht mehr stark genug sind.
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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 24 09. 2020 06:41 #76684

Kasmodia schrieb: Warum nun gibt es Quantenfluktuationen die sich nicht gegenseitig vernichten.


Ein (hypothetisches) Beispiel hierfür ist die Hawking-Strahlung, die dadurch hervorgerufen wir, dass ein virtuelles Teilchen ins Schwarze Loch fällt und das andere nicht.

Wenn ich den Startbeitrag richtig verstanden habe, geht es hier um Dichtefluktuationen, die durch die (vermutete) Inflationsphase auf große Skalen verteilt wurden.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 27 09. 2020 17:29 #76876

Erst einmal vielen Dank Euch für die Antworten. Dass ich irgendetwas nicht oder nicht richtig verstanden habe, ist sogar sehr wahrscheinlich. Ist ja doch alles sehr komplex. Allerdings spricht Josef Gassner in dem Video ziemlich unmissverständlich von Gefrorener Quantenfluktuation , die durch die Inflationsphase entstanden ist.


Auch liest und hört man das auch immer mal wieder zu Vorträgen von der Planckmission. Dort heisst es dann ähnlich wie:
Während der Inflation gab es Quantenfluktuationen, die durch die schnelle Expansion eingefroren wurden (Hier geht es auch um den Horizont ) und woraus später im Urplasma Dichtefluktuationen geworden sind
Das sind glaube ich auch die Fluktuationen, die Claus angesprochen hat..

Welche Literatur benutzt Ihr eigentlich. Gibt es überhaupt schon eine „Lehrbuchmeinung“ zu dem Thema oder lest Ihr nur Fachartikel?

Vielen Dank auf jeden Fall schon mal im voraus.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 27 09. 2020 18:45 #76877

Kannst Du mal sagen, von welchem Video und welcher Minute im Vdeo Du sprichst?

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 27 09. 2020 20:58 #76880

ra-raisch schrieb: Kannst Du mal sagen, von welchem Video und welcher Minute im Vdeo Du sprichst?


Ja klar! Sorry, hätte ich auch von selbst drauf kommen können. AzS 55 so ab Minute 46.22. fängt es thematisch an. ab 52.22 erwähnt er die gefrorene Quantenfluktuation

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 27 09. 2020 21:12 #76881

Da ist zuerst nur von Fluktuationen die Rede, das sind keine Quantenfluktuationen sondern Fluktuationen der Dichte. Von Inflation ist zuerst auch nicht die Rede sondern von Expansion.

Ja, Du hast Recht, Josef spricht dann mehrmals von "Quantenfluktuationen" und danach vom Inflatonfeld.

Es wird davon ausgegangen, dass sich die Quantenfluktuationen zur Zeit der Inflation bis zur Bildung der CMBR erhalten haben und als Dichtefluktuationen manifestiert haben.

Die Expansionsgeschwindigkeit war auch nach der Inflation noch recht groß. Aber ich kann das nicht vorrechnen. Die Rekombination (Entstehung der CMBR) datiert ja ca 372900 Jahre, also ewig lange nach der Inflationsphase....

Das "Ausfrieren" passiert aber erst dann bei der Entstehung der CMBR....wenn ich nicht irre.

www.zeuthen.desy.de/~kolanosk/astro0910/skripte/astro.pdf Seite 31
Das heißt, bei der Energie von 0.8 MeV, entsprechend einer Temperatur T=10¹°K,beginnt das n/p-Verhältnis vom Gleichgewicht abzuweichen (‘ausfrieren’). Das n/p-Verh ältnis ist bei der Ausfriertemperatur Tf durch die Boltzmann-Verteilung gegeben (mit dem n-p- Massenunterschied Δm=1.293 MeV

Dies ist etwa 1 Sekunde nach dem Urknall, also doch schon lange vor der Rekombination. Aber ich bin mir nicht sicher, ob dieses "Ausfrieren" wieder etwas anderes ist....es betrifft Neutronen und Protonen.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 28 09. 2020 06:25 #76901

Nach meinem Verständnis hat sich in der (angenommenen) Inflationsphase der Kosmos innerhalb ultrakurzer Zeit extrem schnell ausgedehnt.

Damit wären zufällige Dichtefluktuationen zu Beginn auf deutlich größere Skalen ausgedehnt worden.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 28 09. 2020 21:39 #76959

ra-raisch schrieb: Es wird davon ausgegangen, dass sich die Quantenfluktuationen zur Zeit der Inflation bis zur Bildung der CMBR erhalten haben und als Dichtefluktuationen manifestiert haben.



Das ist genau mein Punkt. Wie können sich Quantenfluktuatioen, die meines Wissens nach aus Teilchen und Antiteilchen bestehen, überhaupt erhalten und zu Dichtefluktuationen werden?

Auf alle Fälle vielen Dank für die ganzen Mühen und den link.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 28 09. 2020 21:54 #76961

Naja gemeint sind in diesem Sinne nicht die Fluktuationen sondern deren Ergebnis. Deshalb würde ich immer nur von Dichtefluktuationen sprechen, auch wenn sie durch eine Quantenfluktuation entstanden sind.

Ob die Ursache nun Quantenfluktuationen sind, ist ja nur eine These. Man könnte sich aber vorstellen, dass die Inflation verhindert hat, dass die Fluktuationen virtuell geblieben sind.

Kasmodia schrieb: Teilchen und Antiteilchen

Stell Dir am besten vor, dass es sich um Photonen handelt, die ihre eigenen Antiteilchen sind. Man muss ja nicht gleich an Materie denken. Und virtuelle Teilchen der Quantenfluktuationen tragen sowieso keine Energie. Nur wenn sie sich manifestieren, müssen sie Energie tragen. Zumindest verstehe ich das so.

Wie dann (ohne Energie) die Casimirkraft, Vakuumenergiedichte etc zustandekommen, ist noch ungeklärt.
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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 29 09. 2020 07:28 #76977

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Kasmodia schrieb: „Das ist genau mein Punkt. Wie können sich Quantenfluktuationen, die meines Wissens nach aus Teilchen und Antiteilchen bestehen, überhaupt erhalten und zu Dichtefluktuationen werden?“

Ja, richtig. Quantenfluktuationen (hergeleitet aus der Heisenberg Energie-Zeit-Unschärferelation) bestehen aus Teilchen-Antiteilchen-Paaren, welche nach der Quantenfeldtheorie im Vakuum entstehen und sofort wieder zerfallen.

Obwohl beim Urknall gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstanden, dominiert im heutigen Universum die Materie – aber warum? Physiker vermuten, dass winzige Unterschiede zwischen Teilchen und ihren Antimaterie-Gegenparts dafür verantwortlich sind. Bisher allerdings gibt es bei den Grundmerkmalen keine Anzeichen dafür.
Nur in einem Punkt sind Physiker bisher fündig geworden: bei der sogenannten CP-Invarianz. Sie besagt, dass sich ein Antiteilchen trotz umgekehrter Ladung und gespiegelter Ausrichtung genauso verhalten muss wie sein „normales“ Gegenstück. In den 1960er Jahren jedoch wiesen Forscher erstmals eine Verletzung dieser Regel bei einem K-Meson nach, einem Partikel aus einem Strange- und einem Bottom-Quark (Entdeckung von Verstößen gegen grundlegende Symmetrieprinzipien beim Zerfall neutraler K-Mesonen; Nobelpreis für Fitch & Cronin 1980).
Das Problem: Die Asymmetrie nur bei diesem Teilchen reicht nicht aus, um das Ungleichgewicht von Materie und Antimaterie zu erklären. Deshalb suchten Teilchenphysiker schon seit Jahrzehnten nach weiteren Fällen einer solchen CP-Asymmetrie.
Jetzt gab es eine echte Entdeckung: Die Physiker der LHCb-Kollaboration am CERN haben erstmals eine CP-Asymmetrie bei einem D0-Meson nachgewiesen – einem Teilchen aus einem Charm-Quark und einem Up-Antiquark. Sie registrierten eine Abweichung im Zerfallsmuster zwischen dem D0-Meson und seinem Antiteilchen, deren Signifikanz bei 5,3 Sigma liegt. „Das übertrifft klar die Grenze von fünf Sigma, ab der etwas in der Teilchenphysik als Entdeckung gilt“, so die Forscher.
Damit ist eine solche Verletzung der CP-Invarianz nun erstmals bei einer dritten Quarksorte belegt. Nach den Strange- und Bottom-Quarks tritt die Asymmetrie demnach auch beim Charm-Quark auf. „Das Ergebnis ist ein echter Meilenstein der Teilchenphysik“, sagt CERN-Forschungsdirektor Eckhard Elsen. „Seit der Entdeckung des D0-Mesons vor mehr als 40 Jahren haben Teilchenphysiker vermutet, dass es eine Abweichung im Zerfallsverhalten zwischen dem D0-Meson und seinem Antiteilchen geben könnte.“ Nachweisen konnte man es aber nie – bis jetzt.
www.scinexx.de/news/technik/asymmetrie-v...aterie-nachgewiesen/

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 29 09. 2020 12:35 #76990

Es geht beim Antimateriedefizit weniger um Quantenfluktuationen als um Annihilation und Teilchenentstehung.

Es gibt einen denkbar anderen Mechanismus:

Antimaterie könnte vermehrt SL bilden, warum auch immer. Diese würden beim Zerstrahlen nach Hawking nur Strahlung freigeben aber keine Teilchen, was allerdings noch nicht so ganz geklärt ist. Dadurch würde dann also vermehrt, womöglich ja rein statistisch zufällig, Antimaterie verschwinden und per Saldo Materie übrig bleiben.

Es wäre ja ein komischer Zufall, wenn Materie und Antimaterie in genau gleichem Maße ins SL fallen würden. Im Uruniversum (vor der Rekombination) können sich andauernd winzige SL gebildet haben, die wieder zerstrahlt sind...oder teilweise immer noch existieren. Die angenommene winzige Diskrepanz wäre als statistische Variation leicht zu erklären. Das was übrig geblieben ist, nennen wir Materie, aber es hätte mit Antimaterie genauso gut geklappt (abgesehen von den minimalen CP-Verletzungen).

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 29 09. 2020 16:02 #77003

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Rainer, du selbst schreibst oben in deinem Kommentar #76680 trefflich:
„Beim Urknall bzw bei der Inflation mögen Quantenfluktuationen zu realer Energie geführt haben, das ist reine Theorie.
Im frühen Universum NACH dem Urknall bzw nach der Inflation geht es nicht mehr um Quantenfluktuationen sondern um ein Gleichgewicht aus Photonen E=h•f und entstehender Materie m=E/c² sowie erneuter Annihilation E=c²m. Hierbei gibt es das noch nicht geklärte Problem der Asymmetrie mit der Antimaterie.“

urknall-weltall-leben.de/forum/11-grosse...tuationen.html#76680

Ich hoffe daher sehr, dass der oben von mir in Kommentar #76977 zitierte Artikel „Asymmetrie von Materie und Antimaterie nachgewiesen. Daten des Teilchenbeschleunigers LHC belegen Abweichungen im Zerfallsverhalten“ für den einen oder anderen Leser hilfreich ist.
www.scinexx.de/news/technik/asymmetrie-v...aterie-nachgewiesen/

Gibt es denn Belege/ Referenzen oder Quellen für den anderen denkbaren Mechanismus, den du zu Erklärung des Antimateriedefizits anführst?

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 29 09. 2020 16:30 #77006

UN schrieb: Gibt es denn Belege/ Referenzen oder Quellen für den anderen denkbaren Mechanismus, den du zu Erklärung des Antimateriedefizits anführst?

Die (grundsätzliche) Idee ist nicht von mir, aber viel mehr habe ich darüber nicht gelesen.

Es wird gelegentlich diskutiert, ob die Antimaterie in den SL versteckt sein könnte. Dafür seien aber nicht genügend SL zu vermuten, bzw wäre es auch merkwürdig, warum darin vorzugsweise Antimaterie wäre.

Ich habe das dahin fortgeführt, dass diese SL vielleicht bereits wieder zerstrahlt sind und der Überschuss dann statistisch zufällig sein könnte.

wiki: Überschuss von einem Milliardstel

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 29 09. 2020 16:55 #77010

ra-raisch schrieb: Antimaterie könnte vermehrt SL bilden, warum auch immer.


Für eine solche Hypothese kann ich keinen physikalischen Grund erkennen.

Ich fürchte, die Frage, warum ausgerechnet Materie überlebt hat und nicht Antimaterie, wird noch eine Weile unbeantwortet bleiben.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 29 09. 2020 16:58 #77012

ClausS schrieb:
ra-raisch schrieb: Antimaterie könnte vermehrt SL bilden, warum auch immer.


Für eine solche Hypothese kann ich keinen physikalischen Grund erkennen.

Natürlich nicht, aber für CP-Verletzungen ist auch kein Grund ersichtlich und dennoch wurden sie bereits bei mehreren Teilchen nachgewiesen.

Ich denke aber, dass die Statistik bereits ausreicht. Eine Abweichung von 1 Milliardstel ist für einen Statistiker gar nichts....es wäre eher mehr zu erwarten?
Ne = Np = 2,77e+78
Oder ist bei dieser Größenordnung bereits ein Milliardstel zu viel?

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 30 09. 2020 00:14 #77025

Rainer,

versteht kein Mensch, was du da meinst.

Naturwissenschtliche sorgfältige Ausdrucksweise sieht anders aus!

Tut mir leid. So geht das nicht!

Weniger ist manchmal mehr und es gilt immer noch, das gründliches Nachdenken einer Äußerung vorausgehen sollte.

Klasse statt Masse würde unserem Forum besser anstehen.

Tut mir leid, aber es drängt mich, das deutlich zu machen.

Thomas

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 03 10. 2020 18:08 #77149

Ich wollte jetzt noch einmal zurück zum eigentlichen Thema.
ra-raisch schrieb: Naja gemeint sind in diesem Sinne nicht die Fluktuationen sondern deren Ergebnis. Deshalb würde ich immer nur von Dichtefluktuationen sprechen, auch wenn sie durch eine Quantenfluktuation entstanden sind.
.


Das ist jetzt zumindest schlüssig für mich . Es ist ja auch genau das was @ClausS meinte. Obwohl ich immer noch nicht verstehe warum manche Autoren hier den Begriff Quantenfluktuation nennen, es aber nur im übertragenen Sinne meinen.


Vielleicht kennt jemand Fachliteratur oder Publikationen dazu.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 03 10. 2020 20:42 #77153

Kasmodia schrieb: Obwohl ich immer noch nicht verstehe warum manche Autoren hier den Begriff Quantenfluktuation nennen, es aber nur im übertragenen Sinne meinen.

Naja, die (vermutete) Ursache der Fluktuationen ist natürlich schon von Interesse.

Mit Google hatte ich es ja schon versucht, da findet man nichts zum Ausfrieren von Quantenfluktuationen .....aber das hilft Dir vielleicht weiter:

www.uni-muenchen.de/aktuelles/medien/spo...mukhanov_planck.html
Es geht darin um sogenannte Quantenfluktuationen und eine Phase extremer Ausdehnung unmittelbar nach der Geburt des Universums, die Inflationsphase.

www.focus.de/wissen/weltraum/astronomie/...alls_id_3697236.html
„Kleine Quantenfluktuationen wurden durch die kosmische Inflation zu enormer Größe aufgebläht“, erklärt Studien-Mitautor Jamie Bock vom Jet Propulsion Laboratory der Nasa im kalifornischen Pasadena. „Dies bringt einen bestimmten Typ von Wellen im All hervor, nämlich Dichtewellen in der Materie.

www.thphys.uni-heidelberg.de/~wetterich/...rknall_Mainz0614.pdf
Entstehung der primordialen Fluktuationen aus Quantenfluktuation
Quantenfluktuationen aus der Zeit der Inflation werden zu “Schallwellen“ zum Zeitpunkt der Entstehung der kosmischen Hintergrundstrahlung

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 03 10. 2020 21:39 #77155

Vielen Dank. Da habe ich ja erstmal was zu lesen.

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Kosmische Hintergrundstrahlung und ausgefrorene Fluktuationen 24 10. 2020 18:56 #78325

ra-raisch schrieb: Mit Google hatte ich es ja schon versucht, da findet man nichts zum Ausfrieren von Quantenfluktuationen .....aber das hilft Dir vielleicht weiter:

www.uni-muenchen.de/aktuelles/medien/spo...mukhanov_planck.html
Es geht darin um sogenannte Quantenfluktuationen und eine Phase extremer Ausdehnung unmittelbar nach der Geburt des Universums, die Inflationsphase.


Ich hatte noch mal etwas recherchiert, um eine Antwort auf meine Fragen zu finden. Es ging mir ja darum, wie aus einer Quantenfluktuation eine Dichtefluktuation wird und was bitte sollen gefrorene Quantenfluktuationen sein. Und ich denke der erste link hat mich auf die richtige Spur gebracht.

Mukhanov ist wohl ein Spezialist auf dem Gebiet der primordialen Quantenfluktuationen. Allerdings habe ich in seinen papern nichts gefunden bzw auch nicht verstanden. Aber ich kam auf eine glorreiche Idee mal auf englisch frozen Quantum fluctuation zu suchen. Und es steht sogar im Wikipedia Artikel. .

en.wikipedia.org/wiki/Primordial_fluctuations

Ich bin aber nicht so ein großer Freund von Wikipedia, habe aber noch mehr zu den gefrorenen Quantenfluktuationen gefunden. Einmal ein link von der Caltech University und dann ein weiterer von der Uni Heidelberg
ned.ipac.caltech.edu/level5/Kolb/Kolb3_1.html
www.mpi-hd.mpg.de/lin/events/group_semin...nflation/schmidt.pdf

Ich verstehe leider wieder nur sehr wenig, aber als Quintessenz für mich auf alle Fälle, dass Quantenfluktuationen im Inflatonfeld keine gewöhnlichen Teilchen Antiteilchenfluktuationen sind, die sich annihilieren, sondern eher Energieschwankungen.

Vielleicht versteht auch jemand noch, was das Einfrieren der Fluktuationen mit dem Horizont zu tun hat. Siehe Figur 1 im Text der Uni Heidelberg

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