Käthe-Kollwitz-Gymnasium Logo
Astronomie-AG

Die Entstehung des Universums

Als "Geburt" des Universums wird heute allgemein der Urknall angesehen. Daß das Universum aus einer Urexplosion entstand, läßt sich aus folgenden Dingen ableiten:
-Edwin P. HUBBLE und Milton HUMANSON entdeckten in den zwanziger Jahren, daß das Licht, das weit entfernte Objekte ausstrahlen, in den Infrarotbereich des Lichtspektrums verschoben ist. Nach dem Doppler-Effekt bedeutet das, daß sich diese Objekte von uns weg bewegen. Verfolgt man diese Bewegung zurück, kommt man zu dem Schluß, daß sich das Universum vor zwanzig Milliarden Jahren in einem extrem heißen und extrem dichten Zustand befand.

-Die primäre Verteilung der leichten Elemente Wasserstoff und Helium in den ältesten Sternen, die man Kugelhaufen findet, deuten auf einen heißen Urzustand des Kosmos hin. Das Verhältnis von Helium zu Wasserstoff entspricht nämlich dem, das die Theorie vom Urknall als Ergebnis der thermonuklearen Reaktion in den ersten drei Minuten vorhersagt.

-Beim Urknall gab es wohl so etwas wie einen Strahlungsblitz, den man noch heute als kosmische Hintergrundstrahlung messen kann. Diese Strahlung wurde von George GAMOW (1904-1968) vorhergesagt und im Jahre 1965 von Arno PENZIAS und Robert WILSON mit einem Radioteleskop gefunden.
Die Geschichte des Universums beginnt 10 -43 Sekunden nach dem Zeitpunkt NULL. Was in dem Zeitraum dazwischen, der sog. PLANCK- Ära, geschah, läßt sich nur vermuten, aber dazu später mehr. Temperatur und Dichte hatten zum Zeitpunkt 10-43 Sekunden unvorstellbar große Werte, dafür war das Universum aber sehr, sehr klein (Temperatur: 1032 Kelvin, Dichte: 1092 g/cm³, Ausdehnung: 10-33 cm). Der Urbrei, wie man das Universum in diesem Zustand auch bezeichnet, war mit vielen Elementarteilchen gefüllt. Wenn im folgenden neue Teilchen entstehen und verschiedene Kräfte entkoppelt werden, so ist dies eine Folge von Symmetriebrechungen. Dazu muß ich vorgreifen:

In der Planck-Ära gab es nur eine Kraft, die Urkraft, und eine Teilchensorte, die Black Holes, die Teilchen und Feldquanten gleichzeitig waren und auf die diese Urkraft wirkte. In der Planck-Ära herrschte ein maximaler Grad an Symmetrie, doch diese Symmetrie wurde gestört und es blieb nicht bei einer Symmetriebrechung. Zum Zeitpunkt 10-43 Sekunden teilte sich die Urkraft in die Gravitationskraft und die GUT-Kraft auf (Grand Unification Theory), die, wie der Name schon sagt, eine Vereinigung aus noch weiteren Kräften darstellt ("große Vereinigungstheorie"). Nach 10-35 Sekunden spaltete sich die GUT-Kraft in die elektroschwache Kraft und die starke Wechselwirkung auf. Die starke Wechselwirkung sorgt dafür, daß Quarks in Protonen und Neutronen, und diese in den Atomkernen gehalten werden. 10-12 Sekunden nach dem Urknall spaltete sich dann die elektroschwache Kraft in die elektromagnetische Kraft und die schwache Wechselwirkung (Kernkraft) auf. Damit waren aus der Urkraft die vier verschiedenen, heute bekannten Naturkräfte entstanden. Etwa zwischen 10-35 und 10-32 Sekunden nach dem Urknall dehnte sich das Universum blitzartig aus. Dieser Vorgang wird als Inflation bezeichnet. Nach der Inflation war der Rauminhalt 1090 mal größer als vorher. Eine tausendstel Sekunde nach dem Urknall verschwand fast die gesamte Materie. Die im Urbrei befindlichen Quarks fanden fast alle ihre Opponenten, die Anti-Quarks, mit denen sie zu Strahlung "zerschellten". Eine geringe Anzahl von Quarks, etwa eines auf eine Milliarde, fanden jedoch keine Anti-Quarks und diese übrigen Quarks taten sich zusammen, so daß Protonen und Neutronen entstanden und zwar im Verhältnis 4 : 1. Das gleiche wie mit den Quarks geschah in den folgenden Minuten mit den Elektronen. Sie trafen auf die Anti-Elektronen und g -Quanten entstanden. Der umgekehrte Vorgang, daß also aus Strahlung Quarks und Anti-Quarks bzw. Elektronen und Anti-Elektronen entstehen, konnte nicht mehr stattfinden, weil sich das Universum immer weiter abkühlte und somit nicht mehr genug Energie für den umgekehrten Vorgang vorhanden war. 3 min. nach Entstehung des Universums hatte es sich auf 1 Milliarde Kelvin abgekühlt. Es gab genauso viele Protonen wie Elektronen, so daß die Gesamtladung des Universums null war. In den folgenden Minuten entstanden durch Kernfusion die Atomkerne der leichten Elemente Wasserstoff, Helium und in Spuren auch Lithium. (Den Vorgang der Kernfusion möchte ich an dieser Stelle nicht näher erläutern, verweise aber auf das Referat "Kernfusion" von Stefan Freudenberg) 30 min. nach seiner Entstehung bestand das Weltall daher zu etwa 77% aus Wasserstoffatomkernen und zu etwa 33% aus a -Teilchen. Die Atomkerne konnten allerdings noch keine Elektronen einfangen, denn dazu war es noch zu heiß. Es sollte Einhunderttausend Jahre dauern, bis die Temperatur auf wenige Tausend Kelvin gesunken war. Nun fingen die Atomkerne die Elektronen ein und das Universum wurde durchsichtig, so, wie wir es heute kennen. Die undurchsichtige Form, die es vorher hatte, bezeichnet man auch als Plasma. Im folgenden nun bildeten sich Sterne und Galaxien und das Weltall bekam seine heutige Gestalt.

Wie alt ist das Universum?

Zunächst erscheint die Frage ganz einfach: Wenn man weiß, daß sich das Universum ausdehnt, braucht man nur die Entfernung der Galaxien und ihre Geschwindigkeit zu bestimmen, mit der sie sich weg bewegen, und kann dann ausrechnen, wie lange sie schon unterwegs sind, und schon hat man das Alter des Universums. Praktisch ist hierbei auch, daß HUBBLE erkannte, daß sich die Radialgechwindigkeit v einer Galaxie und ihr Abstand proportional zueinander verhalten, was in der Formel v = H * r ( H: Hubble-Konstante) zum Ausdruck kommt. Doch gibt es leider enorme Unsicherheiten bei der Bestimmung der Entfernung von Galaxien und auch bei der Hubble-Konstanten sind sich die Experten uneins. Zudem kann man dann auch noch davon ausgehen, daß die Ausbreitung des Universums noch nicht einmal gleichförmig ist. So ist die Frage: Wie alt ist unser Universum ? doch nicht so leicht zu beantworten. Nimmt man für die Hubble-Konstante einen Wert von 75 km/s/Mpc (bei dem Wert dieser Konstanten schwanken die Angaben zwischen 50 km/s/Mpc und 100 km/s/Mpc !!), so kommt man, wenn man in der obigen Formel v durch r/T ersetzt auf ein Alter des Universums von T = 13 Mrd. Jahren. Geht man nun davon aus, daß die Ausbreitung des Universums nicht gleichförmig war, sondern durch die Gravitationskräfte zwischen den einzelnen Galaxien gebremst wurde, so ist das Universum jünger, weil die Ausbreitung schließlich früher schneller war. Das wirkliche Alter des Universums kann man nun wiederum nur schätzen, weil man nicht genau weiß, wie groß die Masse des Universums ist. Auch hier streiten sich die Experten. Man schätzt das Alter aber auf etwa 11 Mrd. Jahre.

Die Planck-Ära

Extrapoliert man die Werte von Dichte, Temperatur und Ausdehnung des Universums zum Zeitpunkt NULL hin, so kann man davon ausgehen, daß zum Zeitpunkt NULL Dichte und Temperatur des Universums unendlich groß waren, seine Ausdehnung hingegen unendlich klein. In der Mathematik nennt man ein solches Phänomen eine Singularität ! Leider gibt es für die Physik einen solchen Zustand nicht. Also gab es, physikalisch gesehen, auch nie eine Urknallsingularität. Um die Vorgänge in der Planck-Ära, also in dem winzig kleinen Zeitraum zwischen dem Urknall und 10-43s nach dem Urknall, und auch der Zeit davor zu beschreiben, benötigt man deshalb einige Grundlagen aus der Quantenphysik:

Zunächst müssen wir uns von dem Vakuum der klassischen Physik, in dem die Energiedichte = der Materiedichte = 0 ist, verabschieden. Vielmehr wird in der Quantenphysik das Vakuum als Zustand niedrigster Energie angesehen, wobei diese auch nicht genau zu erfassen ist, sondern um einen statistischen Mittelwert "pendelt". Nach dem Grundprinzip der Quantenmechanik, der HEISENBERGschen Unschärferelation, können in einem solchen Vakuum nun virtuelle Teilchen spontan real werden, sie zerfallen aber genauso schnell wieder. Spontan ist hierbei ein wichtiger Begriff, denn diese Teilchen erscheinen ohne Kausalbeziehung, d.h.: sie sind nicht vorhersagbar ! Max PLANCK hat gewisse Größen definiert, die man als Planck-Größen bezeichnet. Da wären, um zwei Beispiele zu nennen, die Planck-Zeit (tPL » 5,3 * 10-44 s) und die Planck-Länge (lPl » 1,6 * 10-33 cm). Laut Quantenphysik verläuft die Zeit in Quanten, wobei die Planck-Zeit die kleinstmögliche Einheit darstellt, und auch der Raum ist gequantelt (siehe Planck-Länge). Nun ist die Vorstellung so, daß in diesen winzigen Planck-Dimensionen Raum und Zeit nicht mehr unterscheidbar sind, in diesen Dimensionen ist es egal, ob wir uns in Raumrichtung oder in Zeitrichtung bewegen. Raum und Zeit verschmieren miteinander. Man spricht von einer schaumartigen Struktur von Raum-Zeit. Was aber geschah nun beim Urknall und was war vorher ? Man nimmt an, daß vor dem Urknall ein Quantenvakuum existierte, das dem von mir beschriebenen zwar ähnelt, in dem es aber keine virtuellen Teilchen gab, die real werden konnten und wieder zerfallen konnten. In diesem primordialen Quantenvakuum (primordial : ursprünglich, am Anfang stehend) herrschte perfekte Symmetrie und es hatte beliebig viele Dimensionen. Doch so wie in dem von mir beschriebenen Vakuum virtuelle Teilchen entstehen können, so konnte es in diesem primordialen Quantenvakuum zu Symmetriebrechungen kommen. Und diese fanden spontan statt, also ohne Kausalbeziehung. Sie waren also nicht vorhersagbar. Eine solche Symmetriebrechung führte wohl zu unserem Universum. Bei einer spontanen Symmetriebrechung spalteten sich von den n Dimensionen zehn Stück ab. Diesen Vorgang bezeichnen wir als Urknall! In der darauffolgenden Planck-Ära taten sich vier dieser zehn Dimensionen zu unseren heutigen drei Raumdimensionen und einer Zeitdimension auf. Die anderen sechs Dimensionen blieben in den Planck-Größen kompaktifiziert und sind für die Eigenschaften der heutigen Elementarteilchen zuständig. Aufgrund weiterer Symmetriebrechungen entstanden eine Urkraft und eine Teilchensorte in der Planck-Ära. Was weiterhin geschah, wurde am Anfang erläutert. Unser Universum ist also aus einer Störung der perfekten Symmetrie des primordialen Quantenvakuums, aus einer Symmetriebrechung entstanden. Eine solche Störung bezeichnet man als primordiale Quantenvakuumfluktuation. Man könnte umgekehrt auch formulieren: Eine primordiale Quantenvakuumfluktuation erzeugt ein Universum!

Wie viele Universen gibt es?

Betrachtet man unsere Naturgesetze und Naturkonstanten, so stellt man fest, daß, wenn bestimmte Werte nur ein wenig anders wären, Leben in der Form wie wir es kennen, nicht möglich wäre. Beispiele: Wäre zum Beispiel die Gravitation nur ein wenig größer, so wäre das Universum nie so groß geworden, sondern aufgrund der Anziehung der Massen schnell wieder in sich zusammen gestürzt, und es gäbe uns nicht. Oder wäre die schwache Wechselwirkung ein wenig kleiner, so hätte die Evolution wahrscheinlich nie stattgefunden, weil die Radioaktivität für die Mutation der Gene ja eine große Rolle spielt, und uns gäbe es dann wohl nicht. Schaut man sich noch weitere Naturgesetze und -konstanten an, so stellt man fest, daß sie alle keine Freiheitsgrade besitzen. Sie müssen genauso sein, wie sie sind. Stellt man dann die Frage, wieso sich alles genauso entwickelt hat, wie es ist, so bieten sich drei Antworten an:

  • Alles reiner Zufall. Die Naturkonstanten haben gerade zufällig genau die Werte, die sie eben haben und mit denen sie Leben ermöglichen. Diese Erklärung ist zwar möglich, aber doch sehr unbefriedigend, weil nicht sehr wahrscheinlich.
  • Ein transzendentes Wesen, ein Gott, hat alle Naturkonstanten gerade so eingerichtet, daß sie Leben ermöglichen. Die ist natürlich auch möglich, doch hört hier die Physik auf und die Religion hat das Wort.
  • Es gibt nicht nur ein Universum, sondern unendlich viele Verschiedene, und jedes hat andere Naturgesetze und -konstanten. Es mag große und winzig kleine Universen geben, junge und alte, aber fast allen Universen außer unserem und vielleicht ein paar anderen ist eines gemeinsam: Sie haben kein Leben in unserem Sinne hervorgebracht. Nur beim x-ten Universum hat es geklappt. Die Naturgesetze und -konstanten sind genau so, daß bewußtes Leben entstehen konnte. Die Möglichkeit unendlich vieler Universen ist aber nicht nur sehr wahrscheinlich, sie ist nach der Quantentheorie schon fast zwingend gegeben. Nimmt man nämlich als Entstehung unseres Universums eine primordiale Quantenvakuumfluktuation an, so kann eine solche doch beliebig oft stattgefunden haben. Wieso sollte sie ein einmaliges Ereignis sein ? Die virtuellen Teilchen in einem Vakuum nach der Quantenphysik entstehen doch auch spontan und beliebig oft. Genauso kann man beliebig viele Schwankungen der perfekten Symmetrie des primordialen Quantenvakuums annehmen. Die primordiale Quantenvakuumfluktuation hat also wahrscheinlich beliebig oft stattgefunden. Und da eine solche Fluktuation ein Universum erzeugt, wird es wohl unendlich viele Universen geben. Diese anderen Universen werden wir aber niemals wahrnehmen können, weil sich immer andere Dimensionen aus dem n-dimensionalen Raum abspalten, wir aber auf unsere vier Dimensionen beschränkt sind. Es könnte Universen geben, die sechs Raum- und zwei Zeitdimensionen haben. Wir werden aber niemals mit ihnen in Kontakt treten.

Quellen:

  • Der Urknall - Geburt des Universums (Sterne und Weltraum 5/1997; Autor: Erich Übelacker)
  • Astrowissen; Autor: Hans-Ulrich Keller
  • Das Himmelsjahr 1997, S.105; Hans-Ulrich Keller

Anmerkung: Dieses Referat erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und vollkommen richtige Darstellung der Sachverhalte, da viele vereinfachte Darstellungen verwendet wurden.

Andreas Gerdes


 
© 1999-2002 Astronomie-AG, Käthe-Kollwitz-Gymnasium, Wilhelmshaven
Datum der letzten Änderung:
eMail: Astronomie-AG@kkg-whv.de