Hintergrundinformation

Vom Universum zum Planeten Erde
Wie das Universum und die Erde entstanden sind

Die Entdeckung des Urknalls

Darstellung des Universums seit dem Urknall. Auf den Urknall folgt eine Inflation,
 die von dieser ausgehenden Dichteschwankungen bilden die Grundlage für die
heutige Anordnung der Materie. Erläuterungen >> unten. Abbildung des NASA/WMAP
 Science Teams, (http://map.gsfc.nasa.gov/), eigene Übersetzung

Das Rätsel des Anfangs des Universums sollte durch die Arbeiten von George Gamow gelöst werden. Gamow war sowohl in Kernphysik als auch in Kosmologie bewandert, und verband die neuen Erkenntnisse über den Aufbau der Materie mit einem Modell zu ihrer Entstehung. Das Licht, die das Ehepaar Huggins und Hubble zur Messung der Geschwindigkeit der Sterne und Galaxien verwendet hatte, war ursprünglich genutzt worden, um die Natur der Materie im Weltall zu untersuchen: Gleich einem Fingerabdruck haben nämlich die chemischen Elemente spezifische Farblinien, an denen man sie erkennen kann. Daher wusste man, dass das Universum zu 99,9 Prozent aus Wasserstoff und Helium bestand, wobei auf 10 Wasserstoffatome 1 Heliumatom kam. 1909 hatte Ernest Rutherford ein Atommodell entworfen, nach dem Atome aus einem Kern bestanden, der von negativ geladenen Elektronen umgeben war; der Kern war aus positiv geladenen Protonen und neutralen Neutronen aufgebaut (>> mehr). Mit dem Modell war die 1896 entdeckte Radioaktivität erklärbar, und bald waren auch die Prozesse der Kernspaltung und der Kernverschmelzung (oder Kernfusion) verstanden. Schließlich wurde nachgewiesen, dass die Energieproduktion der Sonne auf der Verschmelzung von Wasserstoffatomen zu Helium basierte; dabei geht etwas Masse verloren, die nach Einsteins Formel E = mc² in Energie umgewandelt wird.

Gamow verfolgte nun das sich ausdehnende Universum „rückwärts“, also in immer kleinere Zustände zurück; und überlegte, was dabei wohl passieren würde. Sein Schluss: Es würde immer heißer werden, und schließlich mussten die Atome in ihre Bestandteile zerfallen – die Energie wäre zu groß, um sie zusammenzuhalten. Dann versuchte er diesen Vorgang in „richtiger Richtung“, also bei der Ausdehnung, zu rekonstruieren. Die Berechnungen, die er und Ralph Alpher durchführten, dauerten jahrelang; aber schließlich fanden sie, dass dabei Wasserstoff und Helium im Verhältnis 10:1 entstehen mussten – genau das tatsächliche Verhältnis. Die Idee eines anfänglich winzigen Universums schien also zu stimmen; 99,9 Prozent der Materie ließen sich so erklären. Ralph Alpher beschäftigte sich gemeinsam mit seinem Kollegen Robert Herman mit einer anderen Konsequenz: Bei sehr hohen Temperaturen liegt Materie als Plasma vor, eine Mischung aus Atomkernen und den von ihnen getrennten Elektronen. Die Elektronen streuten das Licht; das frühe Universum wäre lichtundurchlässig gewesen. Als aber das Universum abkühlte, bildeten sich elektrisch neutrale Atome, die keine Lichtstreuung bewirken – das Universum wurde lichtdurchlässig. Alphers und Hermans Theorie von 1948: Diese Strahlung müsste sich noch heute nachweisen lassen, und zwar als Mikrowellenstrahlung, da die Wellenlänge des Lichts sich mit der Ausdehnung des Weltalls erhöht hätte.

Dass dieses Modell nur von wenigen Wissenschaftlern wirklich ernst genommen wurde, zeigt sich auch daran, dass niemand nach dieser Strahlung suchte. Stattdessen entwickelte Fred Hoyle das Gegenmodell eines „Steady-state-Universums“, dass sich im Fließgleichgewicht befindet: Ständig werde überall im Universum neue Materie gebildet, daher sei das vermutete Anfangsstadium von Gamow und Kollegen unnötig. Hoyle bezeichnete dieses Anfangsstadium in einer Radiosendung spöttisch als „Big Bang“ (Urknall) – und hatte damit unfreiwillig dem Konkurrenzmodell seinen Namen gegeben. Fortschritte bei der Entfernungsmessung zeigten in den Folgejahren, dass das Universum größer war als zuvor gemessen; so ist die Andromeda-Galaxie zwei Millionen Lichtjahre entfernt – nicht 900.000, wie von Hubble gemessen. (Damit war es für die Anhänger der Urknalltheorie auch älter; denn der Moment der Entstehung, also das Alter des Universums, lässt sich bei dieser Theorie aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der aktuellen Entfernung der Sterne berechnen; siehe >> Wie alt ist das Universum, wie alt ist die Erde?.)

Hoyle gab dem Urknall nicht nur seinen Namen, er beantwortete noch eine weitere Frage: Bei seinen Untersuchungen des Lebenszyklus der Sterne fand er heraus, dass am Ende eines Sternenlebens bei Kernfusionen die schweren Elemente entstanden – die Elemente, die die noch fehlenden 0,1 Prozent der Masse bilden. Die nächsten Beiträge zur Urknalltheorie lieferte die neu entstehende Radioastronomie. Dass die Objekte im Weltall neben dem sichtbaren Licht auch andere Strahlung abgaben, etwa Radiowellen, war eigentlich eine Zufallsentdeckung. Aber nach dem zweiten Weltkrieg konnte gezeigt werden, dass viele Radioquellen am Rande des Universums offenbar junge Galaxien waren – ein Argument für die Urknalltheorie, denn nach dem Steady-state-Modell sollten junge Galaxien gleichmäßig im Universum verteilt sein. Und schließlich erkannten 1964 die beiden Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson, dass eine Radiostrahlung, die sie über ein Jahr lang als Störung zu beseitigen versuchten, die 1948 von Alpher und Herman vorausgesagte Mikrowellenstrahlung war. Diese Entdeckung war eine Sensation, denn ihr Vorhandensein wird von keiner anderen Theorie als dem Urknall-Modell erklärt: Dieses wurde damit schnell zum Standardmodell der Kosmologie.

Eine letzte wichtige offene Frage konnte dann 1992 beantwortet werden: Um die Bildung von Galaxien erklären zu können, sollte es Schwankungen in der Hintergrundstrahlung geben, die auf Dichteschwankungen im frühen Universum hindeuteten, die nach der Inflationstheorie wiederum auf Quantenfluktuationen im Vakuum kurz vor der Inflation zurückgehen, die durch die Inflation aufgebläht wurden. Ihre Folge: In dichteren Regionen hätte die Schwerkraft Materie zusammenziehen können, aus denen schließlich Galaxien entstehen konnten. Tatsächlich wurden diese Schwankungen vom COBE-Satelliten (COBE steht für Cosmic Background Explorer) gemessen; eine weitere Bestätigung des Urknall-Modells.

Der Urknall und die Entstehung des Universums

Viele der Wissenschaftler, die an der wissenschaftlichen Erklärung des Universums arbeiteten, etwa Isaac Newton oder Albert Einstein, glaubten als Christen oder Juden an Gott: Ihr Ehrgeiz bestand nicht darin, den Schöpfer abzuschaffen, sondern sein Vorgehen zu erklären. Ihre Ergebnisse aber drängten Gott in den Hintergrund - mindestens war die Schöpfung viel länger her als gedacht. Mit dem Urknall schuf nun die Wissenschaft ihren eigenen Schöpfungsmythos: Der Urknall war der Moment, in dem das Universum entstanden und der die Ursache für seine Ausdehnung ist. Das Universum war zu diesem Zeitpunkt viel kleiner als ein Atom (Wie klein ist ein Atom? Der Physiker Richard Feynman hat dies so veranschaulicht: Wenn man einen Apfel auf die Größe der Erde vergrößert, haben seine Atome die Größe eines Apfels) und unendlich heiß. So ein Universum kann aber nicht mit den heutigen physikalischen Theorien beschrieben werden - bei sehr kleinen Größen gelten die Gesetze der Quantenmechanik; die Quantenmechanik ergibt sinnvolle Ergebnisse erst ab der sogenannten Planck-Länge und der Planck-Zeit (siehe das folgende Kapitel). Ohnehin ist umstritten, ob die Gesetze der Physik schon vor dem Urknall galten oder erst in ihm entstanden sind - dann wären sie für seine Erklärung ohnehin bedeutungslos. Heute jedenfalls ist der Versuch einer Anwort auf die Frage, wie und woher der Urknall gab - etwa die Theorien, nach denen das Universum nur ein Teil eines “Multiversums” ist, in denen Universen am Ende ihrer Existenz zusammenfallen und dann jeweils in einem Urknall wieder expandieren, der Urknall also garnicht der Anfang war - eher ein Thema für die Metaphysik oder die Theologie als für die Physik. Die Frage nach dem Anfang ist also ungelöst, aber bereits für einen winzigen Sekundenbruchteil nach dem Urknall hat die Wissenschaft bereits genaue Vorstellungen (wobei bei “winzig” zu beachten ist, dass auch die Zeitmaßstäbe bei kleinen Dimensionen sich gewaltig verschieben, >> hier).

Die ersten drei Minuten

Demnach bestand das winzige, unendlich heiße Universum aus reiner “Urkraft” - aus Energie. Mit zunehmender Abkühlung geschah etwas, was sich anschaulich vielleicht mit der Konsensation von Wasserdampf zu Wasser vergleichen kann; wie Wasser dabei von Dampf zur Flüssigkeit wird, änderte sich im frühen Universum der Zustand der Urkraft. Bereits nach 0,000000000000000000000000000000000000000001 Sekunden (der “Planck-Zeit”, auch geschreiben 10^-43 Sekunden) hatten sich die  Raumzeit und die Schwerkraft von der alles umfassenden Urkraft abgespalten, die übrigen drei der heutigen vier Grundkräfte waren noch in einer “Superkraft” vereinigt. Nach der Inflationstheorie von Alan Guth hat sich das Universum in den ersten winzigen Sekundenbruchteilen extrem schnell ausgedehnt – unklar ist, wie groß es dabei wurde, daher ist auch die Größe des Universums bis heute unbekannt (aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit können wir höchstens einen Radius von 13,7 Milliarden Lichtjahren untersuchen, das “beobachtbare Universum”; die Daten der Satelliten COBE und WMAP deuten aber an, dass das Universum viele Tausend Mal größer ist). Danach ging die Ausdehnung dann mit etwa gleich bleibender Geschwindigkeit weiter, und mit zunehmender Abkühlung entstanden Energie und Materie, wie wir sie heute kennen: Als erstes spaltete sich die Starke Kraft von der Superkraft ab, übrig blieb die Elektroschwache Kraft. Dann, etwa 1/1.000.000.000 Sekunden nach dem Urknall, entstanden Quarks, die ersten Elementarteilchen. Materie ist, wie in Einsteins berühmter Formel E = mc² beschrieben, eine Art kondensierter Energie. Materie entsteht bei der Umwandlung in zwei Formen, nämlich der uns bekannten Materie und als „Antimaterie“ – diese besitzt die gleiche Masse, aber die entgegengesetzte elektrische Ladung. Bei der Abspaltung der starken Kraft kam es zu einer “Symmetriebrechung”, mit der heute der Überschuss an normaler Materie gegenüber der Antimaterie erklärt wird - wie dies genau gelaufen ist und was die Ursachen hierfür sind, gehört zu den unbeantworteten Fragen der Kosmologie. (Aber diese Symmetriebrechung ist ein schöner Beleg für den Satz des amerikanischen Baseballtrainers Yogi Berra: “Wäre die Welt vollkommen, gäbe es sie nicht.”) Kurz darauf zerfiel die Elektroschwache Kraft in Schwache Kraft und Elektromagnetische Kraft, damit war die Entstehung der vier Grundkräfte abgeschlossen.

Als das Universum auf etwa 2 Billionen Grad abgekühlt war, lagerten sich je drei Quarks bzw. Antiquarks unter dem Einfluss der Starken Kraft zu Protonen und Neutronen bzw. Antiprotonen und Antineutronen zusammen. Wenn Materie- und Antimaterieteilchen aufeinander treffen, löschen sie sich mit einem Lichtblitz gegenseitig aus. Da aber aufgrund der „Symmetriebrechung“ ein wenig mehr Materie als Antimaterie entstanden war, blieb dabei etwas Materie über – das ist die Materie, die heute das Universum bildet (>> mehr). Knapp 2 Minuten nach dem Urknall und bei einer Temperatur von „nur“ noch 1 Milliarde Grad bildeten Protonen und Neutronen die ersten Atomkerne; vor allem Kerne der Elemente Wasserstoff und Helium, in seltenen Fällen auch der Elemente Lithium und Beryllium. Das heutige Verhältnis von Wasserstoff zu Helium im Universum wurde weitgehend in dieser Zeit festgelegt; die spätere Umwandlung in den Kernfusionen der Sterne änderte es kaum. In der Zwischenzeit war eine weitere Art von Elementarteilchen entstanden: die Elektronen, und ihre Antimaterie (Positronen). Auch sie vernichteten sich gegenseitig, genau wie die Materie zuvor – und wieder bis auf einen Rest, diesmal an Elektronen. Die negativ geladenen Elektronen streuten das Licht, das aus der gegenseitigen Vernichtung von Materie und Antimaterie hervorging; das Universum war lichtundurchlässig. Da die Strahlung in diesem Zeitraum so prägend war, wird diese Zeit in der Kosmologie auch “Strahlungs-Ära” genannt.

Die ersten Atom entstehen

Nach knapp 400.000 Jahren war das Universum dann auf ein paar Tausend Grad abgekühlt. Damit konnten sich die Atomkerne mittels der elektromagnetischen Kraft mit den Elektronen verbinden; es entstanden Wasserstoff- und Heliumatome sowie Spuren von Lithium und Beryllium. Diese Atome waren elektrisch neutral und streuten das Licht nicht mehr, es konnte sich nunmehr ausbreiten: Hätte es zu dieser Zeit einen menschlichen Beobachter gegeben, er hätte ein rot aufleuchtendes Universum gesehen. Der Vorgang wird auch als „Entkoppelung von Materie und Strahlung“ beschrieben, es beginnt die “Materie-Ära”, die durch die Bildung von Strukturen wie Galaxien geprägt ist (>> hier).

Das aufleuchtende Licht, so hatten Urknall-Theoretiker behauptet, müsste noch heute nachweisbar sein, aufgrund der Ausdehnung des Universums aber immer langwelliger geworden sein. Sie hatten recht: Es ist die von Penzias und Wilson nachgewiesene Mikrowellenstrahlung. Sie ist inzwischen auf 2,725 Kelvin abgekühlt und wird „kosmische Hintergrundstrahlung“ genannt – 2,725 Kelvin sind ca. 270 °C unter Null. Die vom COBE-Satelliten entdeckten winzigen Temperaturschwankungen wurden inzwischen vom fünfunddreißig mal genaueren WMAP-Satelliten bestätigt; die damit nachgewiesenen Dichteschwankungen vor 400.000 Jahren sind der Ausgangspunkt der Galaxienbildung (>> nächste Seite).

Temperaturschwankungen im frühen Universum nach den Messungen des WMAP-Satelliten: blau sind kältere Stellen, rot die wärmsten Stellen gefärbt.  Abbildung des NASA/WMAP Science Teams, (http://map.gsfc.nasa.gov/)

Stimmt das Urknall-Modell?

Früher glaubten die Astronomen, dass die Sonne um eine ruhende Erde kreist – eine erfolgreiche Theorie, denn sie konnte dank der Ptolemäusschen Epizyklen die Bahnen der Planeten erklären. Als das Fernrohr erfunden wurde und Galilei die Venusphasen sah, gab es hierfür keine Erklärung: Neue Beobachtungen erforderten eine neue Theorie, und die Sonne wurde zum Zentrum des Planetensystems. Newton Ansatz lieferte hierzu gute Lösungen, ließ sich aber später nicht mit Maxwells Theorie des Elektromagnetismus vereinbaren: Die Lösung lieferte Einsteins Relativitätstheorie. So funktioniert Wissenschaft: Theorien erklären die bekannten Tatsachen; und neu entdeckte Tatsachen können eine Theorie widerlegen und neuen Ansätzen zum Durchbruch verhelfen. Einsteins Relativitätstheorie ist die Basis für das Urknall-Modell.

Das Urknall-Modell wird weithin akzeptiert, da es viele Eigenschaften des Universums erklären kann: die Ausdehnung, die Hintergrundstrahlung, die Materiezusammensetzung. Aber es sind längst noch nicht alle Fragen beantwortet: Unerklärt sind etwa die „Symmetriebrechungen“, die dazu führten, dass mehr Materie als Antimaterie entstand. Auch das Universum selber ist noch unzureichend bekannt, man denke nur an die Stichworte Dunkle Materie und Dunkle Energie (siehe >> „Ein erstaunliches Universum“). Da wäre es schon erstaunlich, wenn künftige Entdeckungen nicht auch neue Anregungen für die Vorstellungen von seiner Entstehung liefern würden. Diese mögen helfen, das Urknall-Modell weiter zu entwickeln – oder es durch ein besseres Modell zu ersetzen.

Dann gibt es da auch noch das zentrale Problem der theoretischen Physik: Die Allgemeine Relativitätstheorie scheint unvereinbar mit der Quantenmechanik zu sein, dem zweiten Grundpfeiler der Physik. Unser Verständnis der Naturkräfte ist offensichtlich noch unvollständig; eine Antwort auf dieses Problem wird auch die Urknall-Theorie verändern. Schon heute wird spekuliert, ob es eine Ursache für den Urknall gibt oder ob diese Frage sinnlos ist, da die Unschärferelation der Quantenmechanik das gewohnte Prinzip, dass jede Wirkung eine Ursache haben muss, durchbricht. Und wenn es eine Ursache gibt, kann sie prinzipiell erkannt werden oder nicht? Dies heißt übrigens nicht, dass unser heutiges Wissen damit ganz falsch wäre. Auch Newtons Gleichungen können ja überall dort weiterverwendet werden, wo nicht extreme Massen oder Geschwindigkeiten relativistische Effekte erst bedeutsam machen. Relativitätstheorie und Quantenmechanik haben sich inzwischen auch so oft bewährt, dass sie nicht ganz falsch sein können. Aber in manchen Fällen - und der Urknall ist ein solcher - reichen sie eben nicht aus; vermutlich sind auch sie nur eine Annäherung an eine genauere Theorie. Daher müssen einstweilen viele Fragen offen bleiben, und die Physiker suchen weiter der “Weltformel” (oder weniger hochtrabend: nach einer einheitlichen Quantengravitationstheorie).

Für diese Suche gibt es zwei bedeutende Denkansätze: Die Stringtheorie, nach der Teilchen eine Art schwingende Saiten sind. Da diese eine Ausdehnung haben, war das Universum während des Urknalls sehr, sehr - aber nicht unendlich klein. Andererseits funktioniert diese Theorie nur, wenn das Universum elf Dimensionen hat. Die Frage ist dann, ob diese Dimensionen ein mathematisches Hilfsmittel oder wirklich sind - wenn sie dies sind, könnte unser bekanntes Universum nur die Spitze eines Eisberges sein. Dann könnte es sogar ein “vor dem Urknall” geben, der Urknall wäre nur einer von vielen Zyklen eines Universums, dass sich in einem höherdimensionalem Universum regelmäßig ausdehnt und wieder zusammenfällt. Alternativ könnte es auch Teil eines “Multiversums” sein, in dem Universen wie Bläschen in einem Schaumbad enstehen (angeregt wurden solche Ideen, da es für die Stringtheorie unendlich viele Lösungen gibt, und für manche Physiker jede Lösung für ein Universum stehen könnte. Mehr zur Stringtheorie: >> Brian Green).

Die andere Alternative ist die Schleifen-Quanten-Gravitation, nach der Raum und Zeit nicht kontinuierlich sind, sondern im kleinsten Maßstab in Quanten (“Raumzeitatome”) zerfallen. Sie führt zu ähnlichen Ergebnissen: Bei extrem hoher Dichte wird die Schwerkraft abstoßend, und diese abstoßende Schwerkraft dürfte die Expansion des Raumes ausgelöst haben. Es gab also keinen “Urknall”, der der Beginn des Universums war, sondern die extrem hohe Dichte könnte das Ergebnis eines kollabierenden älteren Universums sein. Mehr zur Schleifen-Quanten-Theorie: >> Martin Bojowald.

Empfehlenswerte Websites

WMAP-Satellinten-Mission: Homepage der WMAP-Satelliten Mission zur Erforschung der kosmischen Hintergrundstrahlung (in englischer Sprache) (http://map.gsfc.nasa.gov/)

Weiter mit: >> Die Entwicklung des Universums

© Jürgen Paeger 2006 - 2010

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