Der Urknall (eBook)

Anfang und Zukunft des Universums

Hans-Joachim Blome, Harald Zaun (Autoren)

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2018 | 4. Auflage
128 Seiten
Verlag C.H.Beck
978-3-406-72675-0 (ISBN)

Infos

Irgendwann und irgendwo, als Raum und Zeit noch in einem undefinierbaren Nichts gefangen waren, entstand in einer gewaltigen Explosion, dem Big Bang, innerhalb einer billionstel Sekunde hochintensive Strahlung. Die Strukturen, die sich daraus entwickelten, zeigen sich uns heute als Gas- und Staubwolken, als Galaxien und Galaxienhaufen. Kompakt, sachkundig und auf dem neuesten Stand der Forschung erläutert der Band die Urknall-Theorie der Entstehung des Universums und gibt Einblick in die noch offenen Fragen.

Hans-Joachim Blome lehrt Raumfahrttechnik in Aachen. Der Astrophysiker arbeitet auf dem Gebiet der Kosmologie und ist nach Forschungsaufenthalten beim DLR, bei der NASA und am Center for Advanced Space Studies in Houston seit 1999 an der FH Aachen. Harald Zaun ist Wissenschaftsjournalist und Wissenschaftshistoriker.

Inhalt

Cover 1
Titel 3
Zum Buch 2
Über den Autor 2
Impressum 4
Inhalt 5
Einleitung: Kosmos und Mensch in der Gegenwart 8
I. Terminologie, Etymologie und Philosophie des Urknalls 11
II. Wegbereiter der modernen Kosmologie 14
1. Philosophische Kosmogonen der Antike 14
2. «Renaissance» und Aufklärung 17
3. Aufkommen des Evolutionsgedankens 21
4. Von Einstein bis Hawking 24
III. Materie 31
1. Struktur und Verteilung der kosmischen Materie 31
2. Bewegung der Materie – Flucht der Galaxien 34
3. Atomare und subatomare Struktur der kosmischen Materie 35
4. Materie statt Antimaterie 36
5. Häufigkeitsverteilung der chemischen Elemente 37
6. Virtuelle Materie – Weltraumvakuum 41
IV. Raum 42
1. Absoluter Raum und Newton’sche Kosmologie 42
2. Raumzeit-Geometrie der Minkowski-Welt 43
3. Der expandierende Weltraum – dynamische Geometrie 43
4. Urknall ad oculos: das Olbers’sche Paradoxon 47
V. Zeit 49
1. Universelle Weltzeit 49
2. Alter von Planeten, Sternen und Galaxien 50
3. Expansionsalter 52
4. Richtung der Zeit 53
VI. Friedmann-Lemaître-Weltmodelle 54
1. Gravitation – Seele des Weltalls 54
2. Relativistische Kosmologie 55
3. Expansionsdynamik kosmologischer Modelle 56
4. Strahlungs- und Materiekosmos 58
VII. Geschichte des Kosmos 60
1. Fiat Lux 60
2. Kosmologische Epochen – Inflation 60
3. Ursprung der Galaxien 70
4. Strukturentstehung und Zunahme der Entropie 72
VIII. Anthropisches Prinzip – War die Gegenwart das Ziel? 75
1. Anthropisches Prinzip und Urknall 75
2. Feinabstimmungen als Voraussetzung 76
3. Die drei Varianten des Anthropischen Prinzips 79
4. Teleologische Interpretationen 80
5. Leben – nur ein Übergangsphänomen? 81
IX. Anfang des Kosmos 84
1. Die Anfangssingularität – Creatio ex nihilo? 84
2. Quantenkosmologie 86
3. Nichtsingulärer Anfang – Big Bounce 90
4. Zyklische Urknall-Modelle 91
5. Multiversum – Babyuniversen aus Schwarzen Löchern? 95
6. Stringkosmologie 96
X. Zukunft des Kosmos 98
1. Nur vorübergehende Epoche des Universums? 98
2. Naturgesetze und Prognose 99
3. Deterministisches Chaos und Unbestimmtheit der Quanten 100
4. Unbekannter gegenwärtiger Zustand der Welt 102
5. Schicksal des Kosmos 102
XI. Teleskop als Zeitmaschine 107
1. Blick in den Raum durch das Prisma der Zeit 107
2. Unsichtbarer Urknall mit Lichtecho 108
3. Frühzeit des Materiekosmos – Universum incognitum 109
4. Der Urknall im Visier 110
Anhang 115
Anmerkungen 115
Literatur 122
Register 124

Textauszug

III. Materie

All things are made of atoms and the stars are made of atoms of the same kind as those on earth. (Richard Feynman)

1. Struktur und Verteilung der kosmischen Materie

Die Quantentheorie beschreibt die Materie durch Teilchen (z.B. Elektronen, Protonen, Neutronen, Quarks etc.), die getragen sind von den den ganzen Weltraum durchsetzenden Materiefeldern und den zwischen diesen Teilchen vorhandenen Wechselwirkungen durch Felder bzw. den zugehörigen Feldquanten. Danach ergibt sich für die heute vorhandene kosmische Substanz folgende Einteilung:

• Atome – neutral oder ionisiert – bilden die gewöhnliche Materie.

• Photonen, die Feldquanten der elektromagnetischen Strahlung, sind sehr zahlreich; sie spielen aber für die Expansionsdynamik heute keine Rolle.

• Neutrinos gehören zu einem dritten Typus – resultierend aus Sternen, insbesondere aus dem Urknall. Sie gehören wie die Elektronen zur Familie der Leptonen.

In der derzeitigen Kosmologie bezeichnen wir als exotische Materie solche Teilchen, die gegen elektromagnetische Wechselwirkung unempfindlich sind: Daher kann exotische Materie auch nicht leuchten. Die gewöhnliche – baryonische – Materie umfasst alle chemischen Elemente; ihre Bausteine sind Elektronen, Protonen und Neutronen (wobei Protonen und Neutronen aus Quarks aufgebaut sind). Heute wissen wir, dass der leuchtende Teil der Materie nur einen Bruchteil der gesamten kosmischen Materie ausmacht. Die Vorstellung, dass «leuchtende» Materie, worauf letztlich auch alles irdische (und außerirdische) Leben basiert, im Kosmos ein höchst seltenes Phänomen ist, fällt angesichts der farbenprächtigen Bilder, die wir von Galaxien, Sternhaufen und anderen astronomischen Himmelskörpern kennen, verständlicherweise schwer. Aber in dem beobachtbaren Bereich des unbegrenzten Universums bestimmt samtene Schwärze eindeutig das Bild. Nur vereinzelt «leuchtet» kosmische Materie in Form von Staub- und Gaswolken, nur selten macht sie in Gestalt von Galaxien, Sternhaufen, Sternen und Planeten auf sich aufmerksam. Dabei sind Galaxien als größte Ansammlungen von Materie im Universum keineswegs homogen verteilt. Mal driften sie in Gruppen, mal in Galaxienhaufen durchs All, die sich miteinander zu Superhaufen anordnen. Hierbei formieren sich Galaxienhaufen und scheinbar galaxienfreie Leerräume interessanterweise zu Strukturen, die auf einer Skala von mehr als 100 Millionen Lichtjahren[26] eine blasenartige Struktur aufweisen. So gehört unsere Milchstraße der Lokalen Gruppe an, zu der neben den Magellanischen Wolken und dem Andromedanebel noch ca. 35 weitere Galaxien, vor allem Zwerggalaxien, zählen. Die Lokale Gruppe selbst wiederum ist ein Teil des Virgo-Superhaufens, der den Virgo-Haufen und weitere Galaxiengruppen umfasst.[27] Die Verteilung der Materie im Universum – von Planeten und Sternen über Galaxien und Galaxienhaufen bis zu den Superhaufen – ist also hierarchisch strukturiert. Damit überhaupt Galaxien heranreifen können, müssen Dichtefluktuationen in der prägalaktischen Materie vorherrschen, die größer sind als diejenigen, die sich in der kosmischen Hintergrundstrahlung als Spur finden lassen. Möglicherweise haben die Teilchen der exotischen Materie («non-baryonic dark matter») entscheidend zu dem Strukturierungsprozess aus einem nahezu homogenen Anfangszustand beigetragen. Dieser Entwicklungsprozess und die Stabilität der kosmischen Objekte beruhen auf einem präzisen Ineinandergreifen der quantentheoretischen Gesetzmäßigkeiten, den durch die Expansion des Weltraums gesetzten Rahmenbedingungen, der Form der Naturgesetze und den zahlenmäßig festgelegten Naturkonstanten.

Masse-Radius-Diagramm

Masse-Radius-Beziehung vom Elektron bis zum Radius des beobachtbaren Universums (Quasar-Horizont). Die untere Abszisse gibt die Radien in cm, die obere in Lichtjahren (für die Galaxien) an. Die rechte Ordinate gibt die Masse in Einheiten der Sonnenmasse (oben) und in GeV (unten) an. Es bedeuten MPL = Planck-Masse, Rs = 2 GM / c2 = Schwarzschild-Radius, LC = h / Mc = Compton-Länge (c = Lichtgeschwindigkeit).

2. Bewegung der Materie – Flucht der Galaxien

Für die Kosmologie sind die Galaxien die Bausteine des Universums. Ein solcher Baustein ist unsere Galaxis, die am Rand des Virgo-Haufens liegt und von diesem angezogen wird. Daraus resultiert eine lokale Bewegung, die nur noch von der großräumigen Flucht der Galaxien überlagert wird. Auf großer Skala dominiert die erstmals von Hubble beobachtete Expansion. Das heute sichtbare Universum – eine uns umgebende Kugel mit ca. 10 Milliarden Lichtjahren Durchmesser – erscheint, wenn wir es mit hinreichend grober Auflösung betrachten, annähernd homogen. Diese Aussage ist im Kosmologischen Prinzip enthalten: Das Universum ist homogen und isotrop; es ist auch keine Richtung ausgezeichnet; aus der Isotropie in jedem Punkt folgt die Homogenität. Das Kosmologische Prinzip, insbesondere die darin geforderte Isotropie, impliziert, dass die Relativbewegung zweier (hinreichend ausgedehnter) Komponenten des Universums entlang ihrer Verbindungslinie erfolgen muss. Das lässt nur zwei großräumige Bewegungsmuster zu: Entweder entfernen sich alle Objekte von einem Beobachter, oder sie nähern sich ihm jeweils entlang der Sichtlinie. Dieses Muster zeichnet auf den ersten Blick einen Beobachter vor allen anderen aus, tut es aber genau dann nicht, wenn die Relativgeschwindigkeit v zweier Objekte proportional zu ihrem Abstand d ist, das heißt: v = H • d. Dies ist das berühmte Hubble-Gesetz. Hier ist die Hubble-Konstante H von Abstand und Richtung unabhängig, nicht aber von der Zeit. Im Hubble-Gesetz sind v, H und d zu ein und derselben Zeit einzusetzen, was in der Relativitätstheorie die Frage aufwirft, in welchem Bezugssystem diese Aussage gilt. Tatsächlich zeichnet aber das Kosmologische Prinzip eine «kosmische Zeit» aus, die von allen Uhren angezeigt wird, die selbst dem erwähnten Bewegungsmuster folgen.

Die isotrope Fluchtbewegung der Galaxien manifestiert sich am deutlichsten in der so genannten Rotverschiebung, bei der das von fernen Galaxien zu uns kommende Licht infolge der Raumausdehnung auseinander gezogen wird. Bis heute ist der genaue Wert der Expansionsrate – die so genannte Hubble-Konstante – unbekannt. Bekannt ist nur, dass diese systematische Bewegung von der Eigenbewegung der Galaxien infolge der auf kleinen Skalen vorhandenen Inhomogenitäten in der Materieverteilung überlagert wird. In Haufen von Galaxien kann diese Geschwindigkeit bis zu 1000 km/s betragen. Beobachtungen des Hubble-Weltraumteleskops ergeben eine Expansionsrate von 72 ± 8 km/s. Umgerechnet bedeutet dies, dass zwei Galaxien, die eine Million Lichtjahre voneinander entfernt sind, sich ungefähr mit einer Geschwindigkeit von 25 Kilometer pro Sekunde voneinander fortbewegen.

3. Atomare und subatomare Struktur der kosmischen Materie

Um die Stabilität von makroskopischen Himmelskörpern wie etwa Weißen Zwergsternen oder Neutronensternen zu verstehen, ist das Studium der elementaren atomistischen Struktur der Materie unerlässlich. Das Gleiche gilt auch für die frühe Phase der kosmischen Entwicklung. Das heutige Bild vom Aufbau der Materie unterscheidet Leptonen und Quarks. Während die «unteilbaren» Elektronen, die den Atomkern umkreisen und die Atomhülle zugleich prägen, den Leptonen zugerechnet werden, besteht der Atomkern selbst aus Protonen und Neutronen (Nukleonen), die ihrerseits aus kleineren Teilchen bestehen: den Quarks. Jedes Nukleon besteht aus jeweils drei Quarks. Dabei hat jedes Elementarteilchen eine ihm zugeordnete Masse sowie eine elektrische, eine schwache und eine starke Ladung; die vier Teilchen der ersten Familien sind Bestandteile der stabilen Materie.[28] Zwischen den Elementarteilchen bestehen Wechselwirkungen, die durch Feldquanten übertragen werden. Heute sind 12 verschiedene Elementarteilchen bekannt: 6 Quarks und 6 Leptonen, die sich in je drei «Familien» oder auch «Generationen» aufteilen. Von den Feldquanten der die Wechselwirkung vermittelnden Kraftfelder sind nur das Photon und das Graviton masselos, entsprechend der unendlichen Reichweite des Gravitationsfeldes und des elektromagnetischen Feldes. Die die kurzreichweitige starke und schwache Wechselwirkung vermittelnden Gluonen, W- und Z-Bosonen haben eine von null verschiedene Masse. Die Massen von Quarks, Leptonen und Feldquanten entstehen vermutlich durch Wechselwirkung mit skalaren Higgs-Feldern.[29]

4. Materie statt Antimaterie

Zwar dominiert im heutigen Kosmos die Materie über die Antimaterie, aber diese Gegebenheit ist nicht einfach zu verstehen, da bei der Erzeugung von Teilchen aus dem Vakuum unter der Einwirkung äußerer Kräfte stets Teilchen und Antiteilchen paarweise entstehen. Die Elementarteilchen und Antielementarteilchen haben beide die gleiche Masse und die gleiche mittlere Lebensdauer sowie den gleichen Spin, unterscheiden sich aber in ihren ladungsartigen Quantenzahlen. So hat ein Antielektron (= Positron) die entgegengesetzte elektrische Ladung zu einem Elektron. Angesichts der Tatsache, dass Teilchen und Antiteilchen bei Kontakt zerstrahlen und...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 5.7.2018
• Reihe/Serie: Beck'sche Reihe
• Reihe/Serie: Beck'sche Reihe
• Verlagsort: München
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Kunst / Musik / Theater ► Malerei / Plastik
• Themenwelt: Sachbuch/Ratgeber ► Natur / Technik ► Weltraum / Astronomie
• Themenwelt: Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Astronomie / Astrophysik
• Schlagworte: Astronomie • Big Bang • Galaxien • Kosmologie • Kosmos • Universum • Urknall • Weltall
• ISBN-10: 3-406-72675-5 / 3406726755
• ISBN-13: 978-3-406-72675-0 / 9783406726750