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Vom Urknall zum Planeten Erde

Vom Urknall zum Universum

Die Entdeckung des Urknalls

Schematische Darstellung der Entwicklung des Universums seit dem Urknall 

Darstellung der Ausdehnung 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 weiter erhellt 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 positiv geladenen Kern bestanden, der von negativ geladenen Elektronen umgeben war; der Kern war aus Protonen, denen er seine positive Ladung verdankte, und neutralen Neutronen aufgebaut. 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 über 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 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 für eine  Störung gehalten hatten und zu beseitigen versuchten, in Wirklichkeit 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 engl. 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 ist der Moment, in dem das Universum entstanden und der die Ursache für seine Ausdehnung ist. Mit heutigen wissenschaftlichen Methoden lässt sich der Urknall nicht beschreiben, er wird daher auch als "Anfangssingularität" bezeichnet. Vorher gab es weder Raum noch Zeit, auf einmal waren sie da – mehr können wir über den Urknall nicht sagen. Auch die allersten Augenblicke des Universum können wir nicht beschreiben, denn anfangs war das Universum 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 es war unendlich heiß – und so ein Universum kann mit den heutigen physikalischen Theorien nicht beschrieben werden (hier gelten die Gesetze der >> Quantenmechanik; die Quantenmechanik ergibt sinnvolle Ergebnisse aber erst ab der sogenannten Planck-Länge und der >> Planck-Zeit). Ohnehin ist umstritten, ob die Gesetze der Physik schon vor dem Urknall galten oder erst mit ihm entstanden sind – dann wären sie für seine Erklärung ohnehin bedeutungslos. Der Versuch einer Antwort 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 gar nicht der Anfang war – ist denn auch eher ein Thema für die Metaphysik oder die Theologie als für die Physik. 

Aber bereits winzigste Sekundenbruchteile nach dem Urknall greifen die uns bekannten physikalischen Gesetze; und die Astrophysiker haben aufgrund von Computersimulationen mittlerweile Vorstellungen, wie das Universum damals ausgesehen haben sollte und sich entwickelt haben könnte. (Wenn wir von "winzigsten Sekundenbruchteilen” reden, ist zu beachten, dass sich auch die Zeitmaßstäbe bei kleinen Dimensionen gewaltig verschieben, >> mehr dazu).

Die ersten fünf Minuten

Nach diesen Vorstellungen bestand das unvorstellbar winzige und unendlich heiße Universum nur aus reiner “Urkraft” – aus Energie (ob diese die Form exotischer Teilchen annahm, ist unklar). Nach 0,000000000000000000000000000000000000000001 Sekunden (der “Planck-Zeit”, auch geschrieben 10-43 Sekunden) geschah aber etwas, war diesen Zustand instabil werden ließ und den "Urknall" – die schnelle Ausdehnung dieses Universums – auslöste. Diese Ausdehnung führte zu einer Abkühlung, und durch diese Abkühlung entstanden – analog zur Kondensation von Wasserdampf zu flüssigem Wasser – Strukturen im Universum. Bereits kurz nach dem Urknall hatten sich die Raumzeit und die Schwerkraft von der alles umfassenden Urkraft abgespalten. Die übrigen drei der heutigen vier Grundkräfte blieben zunächst in einer “Superkraft” vereinigt. Nach der Inflationstheorie von Alan Guth war das Universum von einem hypothetischen Inflatonfeld erfüllt, das die Ausdehnung antreibt. Nach 10-38 Sekunden spaltete sich dann die Starke Kraft von der Superkraft ab, übrig bleibt eine “elektroschwache Kraft”. Die dabei freigesetzte Energie hat die Ausdehnung des Universums nach Guths Inflationstheorie noch einmal beschleunigt.

Unklar ist, wie groß das Universum dabei wurde, daher ist auch die Größe des Universums bis heute unbekannt (aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit können wir höchstens einen Radius von 13,77 Milliarden Lichtjahren untersuchen, das “beobachtbare Universum”; die Daten der Satelliten COBE und WMAP deuten aber an, dass das Universum viele Tausend Mal größer ist). Während der Inflation entstanden (aus den "Inflatonen" des Inflatonfeldes?) zahlreiche exotische Teilchen - die Physiker sprechen aufgrund der Vielfalt von einem “Teilchenzoo” – es sind diese >> Elementarteilchen, die heute mit immer aufwändigeren Teilchenbeschleunigern untersucht werden. Unterschieden werden masselose "Kraftteilchen", die der starken Kraft und der elektroschwachen Kraft ihre Wirkung verleihen – zu diesen gehörten die Vorläufer der >> Photonen –, und Masseteilchen, aus denen sich später die Materie zusammensetzen sollte: Quarks– aus denen sich die Atomkerne bilden sollten –, Elektronen – die die Atomhülle bilden sollten, Neutrinos und die Bestandteile der >> Dunklen Materie. Bei der Umwandlung entstanden allerdings zwei Formen, nämlich die uns bekannte Materie und 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 großen 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.”). Die Wirkung der Schwerkraft auf diese Teilchen bremste die extrem schnelle Ausdehnung wieder, die anschließend vergleichsweise langsam weiterging. Vor weniger als 1/1.000.000.000 Sekunde zerfiel die elektroschwache Kraft in Schwache Kraft und Elektromagnetische Kraft: damit gab es die heutigen vier Grundkräfte. Das frühe Universum war zudem nach einer Hypothese des britischen Physikers Peter Higgs und seines belgischen Kollegens François Englerts von einem weiteren Feld durchzogen – dem "Higgs-Feld". Diese war bis dato extrem durchlässig, wurde aber mit zunehmender Abkühlung immer zäher, und begann, die Masseteilchen zu bremsen und an ihnen "kleben zu bleiben". Damit verlieh es den Masseteilchen ihre Masse, umso mehr, je besser es an ihnen "klebte". (2012 gelang es den Teilchenphysikern des europäischen Kernforschungszentrums CERN bei Genf, das "Higgs-Feld" tatsächlich nachzuweisen, das durch ein Teilchen namens Higgs-Boson gebildet wird; dieser Nachweis führte dazu, dass Higgs und Englert 2013 den Physik-Nobelpreis bekamen.)

Als das Universum nach 1/100.000 Sekunde auf etwa zwei Billionen Grad abgekühlt war, verloren die Quarks so viel Energie, dass sich jeweils drei Quarks bzw. Antiquarks unter dem Einfluss der Starken Kraft >> je nach Konstellation zu Protonen und Neutronen bzw. Antiprotonen und Antineutronen zusammenfinden. 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, war innerhalb von Sekundenbruchteilen alle Antimaterie verbraucht, aber etwas Materie blieb über – das ist die >> Materie, die heute das Universum bildet. Die Neutronen wurden allerdings jetzt bei weiter abnehmender Temperatur von der Schwachen Kraft zerrissen. Ihre Rettung ist, dass knapp zwei Minuten nach dem Urknall und bei einer Temperatur von „nur“ noch einer Milliarde Grad Protonen und Neutronen von der Starken Kraft vereinigt werden: so entstehen die ersten Atomkerne; vor allem Kerne der Elemente Wasserstoff (ein Proton) und Helium (zwei Protonen), in seltenen Fällen auch der Elemente Lithium und Beryllium. Nach fünf Minuten war die Bildung der Atomkerne abgeschlossen; das heutige Verhältnis von Wasserstoff zu Helium im Universum war weitgehend festgelegt (die spätere Umwandlung in andere Elemente in den Sternen, siehe unten, änderte es kaum). In der Zwischenzeit hatten sich auch die Elektronen und ihre Antimaterie (Positronen) weitgehend gegenseitig vernichtet – wieder bis auf einen Rest, diesmal an Elektronen. Die negativ geladenen Elektronen streuten die Photonen, die aus der gegenseitigen Vernichtung von Materie und Antimaterie hervorgegangen waren: das Universum wurde lichtundurchlässig. Da die Strahlung in diesem Zeitraum so prägend war, wird diese Zeit in der Kosmologie auch “Strahlungs-Ära” genannt.

Die ersten Atome entstehen

Nach etwa 380.000 Jahren war das Universum dann auf ein paar Tausend Grad abgekühlt. Die Teilchen hatten soviel Energie verloren, dass jetzt die Elektromagnetische Kraft die Atomkerne mit den Elektronen verbinden konnte: 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 (>> mehr).

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 entdeckte Mikrowellenstrahlung (siehe oben). 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 380.000 Jahren sind der Ausgangspunkt der Galaxienbildung (>> nächste Seite).

Satellitenbild von Temperaturschwankungen im Universum

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 Ptolemäus'schen 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 als Zentrum des Planetensystems erkannt. Newton Ansatz lieferte hierzu gute Lösungen, ließ sich aber später nicht mit Maxwells Theorie des Elektromagnetismus vereinbaren - dies machte dann Einsteins >> Relativitätstheorie möglich. So funktioniert Wissenschaft: Theorien erklären die bekannten Tatsachen; und neu entdeckte Tatsachen können Schwachstellen der Theorie aufdecken und neuen, weitergehenden Ansätzen zum Durchbruch verhelfen. Auch das Urknall-Modell beruht auf einer Theorie; nämlich auf Einsteins Relativitätstheorie.

Das Urknall-Modell wird weithin akzeptiert, da es viele Eigenschaften des Universums erklären kann: die Ausdehnung, die Hintergrundstrahlung und die Zusammensetzung der Materie. 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: Sie nähert sich dem Verständnis der Welt von zwei Seiten an, und es ist noch unklar, ob und wie die beiden Seiten zusammenpassen werden. Neben des Astrophysikern und den Kosmologen, deren Arbeit auf der Allgemeinen Relativitätstheorie basiert, gibt es die Teilchenphysiker, der Arbeit auf der Quantenmechanik basiert, dem zweiten Grundpfeiler der Physik (>> mehr). Noch scheinen die beiden Ansätze unvereinbar zu sein; aber vielleicht liefern Entdeckungen wie die kürzlich möglicherweise (siehe oben) entdeckten Gravitationswellen neue Impulse zur Überwindung der Lücke. Manche Physiker denken aber, dass der Urknall nie verstanden werden wird, da die >> Unschärferelation der Quantenmechanik das gewohnte Prinzip, dass jede Wirkung eine Ursache haben muss, durchbricht. Es gibt möglicherweise gar keine Ursache, und dann wäre die Suche danach natürlich sinnlos.

Diese offenen Fragen müssen nicht bedeuten, dass unser heutiges Wissen falsch ist. Oft sind die alten Erkenntnisse in den neuen Entdeckungen enthalten: Newtons Gleichungen werden überall dort weiter verwendet, wo nicht extreme Massen oder Geschwindigkeiten relativistische Effekte erst bedeutsam machen. Auch Relativitätstheorie und Quantenmechanik haben sich bereits so oft bewährt, dass sie nicht “falsch” sein können; der Widerspruch wirkt sich erst bei extremen Dimensionen von einer Plancklänge (10-33 cm) aus. Im praktischen Leben ist er bedeutungslos, aber so klein war das Universum im ersten winzigen Augenblick nach dem Urknall, der Planck-Zeit (>> oben). Das reicht, um Physiker weiter nach der “Weltformel” (oder weniger hochtrabend: nach einer einheitlichen Quantengravitationstheorie) suchen zu lassen.

Die Suche nach einer Quantengravitationstheorie

Für diese Suche nach einem Ansatz, der Quantenmechanik und Relativitätstheorie zusammenführt, 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 entstehen (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 zu Stringtheorie und multiplen Universen:  >> Brian Green und >> Lisa Randall).

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.

Zum Thema im Internet:

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

Weiter mit:
>> Die Entwicklung des Universum

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