Wie ist unser Universum entstanden? Wie wurde daraus ein scheinbar endloser Raum? Und was wird es nach vielen Millionen und Milliarden von Jahren? Diese Fragen quälten (und quälen weiterhin) den Geist von Philosophen und Wissenschaftlern, wie es scheint, seit Anbeginn der Zeit, während sie viele interessante und manchmal sogar verrückte Theorien hervorbrachten. Heute sind sich die meisten Astronomen und Kosmologen einig, dass das Universum, wie wir es kennen, als Ergebnis einer riesigen Explosion entstanden ist, die nicht nur den Großteil der Materie erzeugte, sondern auch die Quelle der grundlegenden physikalischen Gesetze war, nach denen der uns umgebende Kosmos existiert. All dies nennt man die Urknalltheorie.
Die Grundlagen der Urknalltheorie sind relativ einfach. Kurz gesagt, laut ihr erschien alle Materie, die existierte und jetzt im Universum existiert, zur gleichen Zeit - vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren. Zu diesem Zeitpunkt existierte die gesamte Materie in Form einer sehr kompakten abstrakten Kugel (oder eines Punktes) mit unendlicher Dichte und Temperatur. Dieser Zustand wurde Singularität genannt. Plötzlich begann sich die Singularität auszudehnen und das Universum, wie wir es kennen, hervorzubringen.
Es ist erwähnenswert, dass die Urknalltheorie nur eine der vielen vorgeschlagenen Hypothesen zum Ursprung des Universums ist (zum Beispiel gibt es auch die Theorie eines stationären Universums), aber sie hat die größte Anerkennung und Popularität erhalten. Es erklärt nicht nur die Quelle aller bekannten Materie, die Gesetze der Physik und die große Struktur des Universums, sondern auch die Gründe für die Expansion des Universums und viele andere Aspekte und Phänomene.
Chronologie der Ereignisse in der Urknalltheorie
Basierend auf dem Wissen über den aktuellen Zustand des Universums schlagen Wissenschaftler vor, dass alles von einem einzigen Punkt mit unendlicher Dichte und endlicher Zeit hätte beginnen sollen, der sich auszudehnen begann. Nach der anfänglichen Expansion, so die Theorie, durchlief das Universum eine Abkühlungsphase, in der subatomare Teilchen und später einfache Atome auftreten konnten. Riesige Wolken dieser alten Elemente bildeten später dank der Schwerkraft Sterne und Galaxien.
All dies begann nach Ansicht von Wissenschaftlern vor etwa 13,8 Milliarden Jahren, und daher wird dieser Ausgangspunkt als das Zeitalter des Universums angesehen. Durch die Untersuchung verschiedener theoretischer Prinzipien, Experimente mit Teilchenbeschleunigern und hochenergetischen Zuständen sowie durch astronomische Untersuchungen der entfernten Ecken des Universums haben Wissenschaftler eine Chronologie von Ereignissen abgeleitet und vorgeschlagen, die mit dem Urknall begann und das Universum schließlich zum Zustand der kosmischen Evolution führte findet jetzt statt.
Werbevideo:
Wissenschaftler glauben, dass die frühesten Perioden der Geburt des Universums - von 10-43 bis 10-11 Sekunden nach dem Urknall - immer noch Gegenstand von Kontroversen und Diskussionen sind. Angesichts der Tatsache, dass die Gesetze der Physik, die wir heute kennen, zu diesem Zeitpunkt nicht existieren konnten, ist es sehr schwierig zu verstehen, wie die Prozesse in diesem frühen Universum reguliert wurden. Darüber hinaus wurden noch keine Experimente mit den möglichen Arten von Energien durchgeführt, die zu diesem Zeitpunkt vorhanden sein könnten. Wie dem auch sei, viele Theorien über den Ursprung des Universums stimmen letztendlich darin überein, dass es irgendwann einen Ausgangspunkt gab, von dem aus alles begann.
Die Ära der Singularität
Es wird auch als Planck-Ära (oder Planck-Ära) bezeichnet und gilt als die früheste bekannte Periode in der Evolution des Universums. Zu diesem Zeitpunkt war die gesamte Materie in einem einzigen Punkt unendlicher Dichte und Temperatur enthalten. Während dieser Zeit glauben Wissenschaftler, dass die Quanteneffekte der Gravitationswechselwirkung die physikalische dominierten und keine der physikalischen Kräfte der Schwerkraft gleich stark war.
Die Planck-Ära dauerte angeblich von 0 bis 10-43 Sekunden und wird so genannt, weil ihre Dauer nur anhand der Planck-Zeit gemessen werden kann. Aufgrund der extremen Temperaturen und der unendlichen Dichte der Materie war der Zustand des Universums während dieser Zeitspanne äußerst instabil. Es folgten Perioden der Expansion und Abkühlung, die zur Entstehung grundlegender Kräfte der Physik führten.
Ungefähr in der Zeitspanne von 10-43 bis 10-36 Sekunden fand im Universum der Prozess der Kollision von Zuständen von Übergangstemperaturen statt. Es wird angenommen, dass sich in diesem Moment die fundamentalen Kräfte, die das gegenwärtige Universum regieren, voneinander zu trennen begannen. Der erste Schritt in dieser Abteilung war die Entstehung von Gravitationskräften, starken und schwachen nuklearen Wechselwirkungen und Elektromagnetismus.
In der Zeit von etwa 10-36 bis 10-32 Sekunden nach dem Urknall wurde die Temperatur des Universums ausreichend niedrig (1028 K), was zur Trennung von elektromagnetischen Kräften (starke Wechselwirkung) und schwacher nuklearer Wechselwirkung (schwache Wechselwirkung) führte.
Die Ära der Inflation
Mit dem Auftreten der ersten fundamentalen Kräfte im Universum begann die Ära der Inflation, die laut Planck-Zeit von 10 bis 32 Sekunden bis zu einem unbekannten Zeitpunkt dauerte. Die meisten kosmologischen Modelle gehen davon aus, dass das Universum in dieser Zeit gleichmäßig mit Energie hoher Dichte gefüllt war und dass unglaublich hohe Temperaturen und Drücke zu seiner schnellen Expansion und Abkühlung führten.
Es begann bei 10-37 Sekunden, als auf die Übergangsphase, die die Gewaltenteilung verursachte, eine exponentielle Expansion des Universums folgte. Im gleichen Zeitraum befand sich das Universum in einem Zustand der Baryogenese, als die Temperatur so hoch war, dass die ungeordnete Bewegung der Teilchen im Raum mit einer Geschwindigkeit nahe dem Licht auftrat.
Zu diesem Zeitpunkt bilden sich Teilchenpaare - Antiteilchen, die sofort kollidieren, was vermutlich zur Dominanz der Materie gegenüber der Antimaterie im modernen Universum geführt hat. Nach dem Ende der Inflation bestand das Universum aus Quark-Gluon-Plasma und anderen Elementarteilchen. Von diesem Moment an begann sich das Universum abzukühlen, Materie begann sich zu formen und zu verbinden.
Die Ära der Abkühlung
Mit einer Abnahme der Dichte und Temperatur im Universum begann in jedem Teilchen eine Abnahme der Energie aufzutreten. Dieser Übergangszustand hielt an, bis die fundamentalen Kräfte und Elementarteilchen zu ihrer gegenwärtigen Form kamen. Da die Energie der Partikel auf Werte gesunken ist, die heute im Rahmen von Experimenten erreicht werden können, ist das tatsächlich mögliche Vorhandensein dieses Zeitraums unter Wissenschaftlern weitaus weniger umstritten.
Zum Beispiel glauben Wissenschaftler, dass 10-11 Sekunden nach dem Urknall die Energie der Partikel signifikant abgenommen hat. Nach etwa 10 bis 6 Sekunden begannen Quarks und Gluonen Baryonen zu bilden - Protonen und Neutronen. Quarks dominierten vor Antiquarks, was wiederum dazu führte, dass Baryonen gegenüber Antibaryonen dominierten.
Da die Temperatur nicht mehr hoch genug war, um neue Proton-Antiproton-Paare (oder Neutron-Antineutron-Paare) zu erzeugen, folgte eine Massenvernichtung dieser Partikel, die zum Rest von nur 1/1010 der Anzahl der ursprünglichen Protonen und Neutronen und zum vollständigen Verschwinden ihrer Antiteilchen führte. Ein ähnlicher Vorgang fand ungefähr 1 Sekunde nach dem Urknall statt. Nur die "Opfer" waren diesmal Elektronen und Positronen. Nach der Massenvernichtung stoppten die verbleibenden Protonen, Neutronen und Elektronen ihre zufällige Bewegung, und die Energiedichte des Universums war mit Photonen und in geringerem Maße mit Neutrinos gefüllt.
In den ersten Minuten der Expansion des Universums begann die Periode der Nukleosynthese (Synthese chemischer Elemente). Aufgrund des Temperaturabfalls auf 1 Milliarde Kelvin und der Abnahme der Energiedichte auf etwa Werte, die der Luftdichte entsprechen, begannen sich Neutronen und Protonen zu vermischen und bildeten das erste stabile Isotop von Wasserstoff (Deuterium) sowie Heliumatomen. Trotzdem blieben die meisten Protonen im Universum als inkohärente Kerne von Wasserstoffatomen erhalten.
Ungefähr 379.000 Jahre später verbanden sich Elektronen mit diesen Wasserstoffkernen zu Atomen (wiederum hauptsächlich Wasserstoff), während sich die Strahlung von der Materie trennte und sich nahezu ungehindert durch den Raum ausdehnte. Diese Strahlung wird normalerweise als Reliktstrahlung bezeichnet und ist die älteste Lichtquelle im Universum.
Mit der Expansion verlor der CMB allmählich seine Dichte und Energie, und im Moment beträgt seine Temperatur 2,7260 ± 0,0013 K (-270,424 ° C) und seine Energiedichte 0,25 eV (oder 4,005 × 10-14 J / m³; 400–500 Photonen / cm³). Die Reliktstrahlung erstreckt sich in alle Richtungen und über eine Entfernung von ungefähr 13,8 Milliarden Lichtjahren, aber die Schätzung ihrer tatsächlichen Ausbreitung sagt ungefähr 46 Milliarden Lichtjahre vom Zentrum des Universums aus.
Zeitalter der Struktur (hierarchisches Zeitalter)
In den nächsten mehreren Milliarden Jahren begannen sich dichtere Materieregionen, die fast gleichmäßig im Universum verteilt waren, gegenseitig anzuziehen. Infolgedessen wurden sie noch dichter und begannen, Gaswolken, Sterne, Galaxien und andere astronomische Strukturen zu bilden, die wir gegenwärtig beobachten können. Diese Periode wird als hierarchische Ära bezeichnet. Zu dieser Zeit nahm das Universum, das wir jetzt sehen, seine Form an. Die Materie begann sich zu Strukturen unterschiedlicher Größe zu vereinen - Sterne, Planeten, Galaxien, galaktische Cluster sowie galaktische Supercluster, die durch intergalaktische Barrieren getrennt waren, die nur wenige Galaxien enthielten.
Die Details dieses Prozesses können gemäß der Idee der Menge und Art der im Universum verteilten Materie beschrieben werden, die in Form von kalter, warmer, heißer dunkler Materie und baryonischer Materie dargestellt wird. Das moderne kosmologische Standardmodell des Urknalls ist jedoch das Lambda-CDM-Modell, nach dem sich Teilchen der dunklen Materie langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Es wurde gewählt, weil es alle Widersprüche löst, die in anderen kosmologischen Modellen auftraten.
Nach diesem Modell macht kalte dunkle Materie etwa 23 Prozent der gesamten Materie / Energie im Universum aus. Der Anteil an baryonischer Materie beträgt etwa 4,6 Prozent. Lambda CDM bezieht sich auf die sogenannte kosmologische Konstante: eine von Albert Einstein vorgeschlagene Theorie, die die Eigenschaften eines Vakuums charakterisiert und das Gleichgewicht zwischen Masse und Energie als konstante statische Größe zeigt. In diesem Fall ist es mit dunkler Energie verbunden, die als Beschleuniger für die Expansion des Universums dient und die riesigen kosmologischen Strukturen weitgehend homogen hält.
Langfristige Vorhersagen über die Zukunft des Universums
Hypothesen, dass die Evolution des Universums einen Ausgangspunkt hat, führen Wissenschaftler natürlich zu Fragen über den möglichen Endpunkt dieses Prozesses. Wenn das Universum seine Geschichte von einem kleinen Punkt mit unendlicher Dichte aus begann, der sich plötzlich auszudehnen begann, bedeutet dies, dass es sich auch unendlich ausdehnen wird? Oder wird eines Tages die Expansionskraft ausgehen und ein umgekehrter Kompressionsprozess beginnen, dessen Endergebnis der gleiche unendlich dichte Punkt sein wird?
Die Antworten auf diese Fragen waren von Anfang an das Hauptziel der Kosmologen, welches kosmologische Modell des Universums korrekt ist. Mit der Übernahme der Urknalltheorie, aber vor allem dank der Beobachtung der Dunklen Energie in den 1990er Jahren, einigten sich die Wissenschaftler auf zwei wahrscheinlichste Szenarien für die Evolution des Universums.
Nach der ersten, der "großen Kompression", erreicht das Universum seine maximale Größe und beginnt zu kollabieren. Dieses Szenario wird möglich sein, wenn nur die Massendichte des Universums größer wird als die kritische Dichte selbst. Mit anderen Worten, wenn die Dichte der Materie einen bestimmten Wert erreicht oder höher als dieser Wert wird (1-3 × 10-26 kg Materie pro m³), beginnt sich das Universum zusammenzuziehen.
Eine Alternative ist ein anderes Szenario, das besagt, dass wenn die Dichte im Universum gleich oder unter der kritischen Dichte ist, sich ihre Expansion verlangsamt, aber niemals vollständig aufhört. Diese Hypothese, die als "thermischer Tod des Universums" bezeichnet wird, würde sich weiter ausdehnen, bis die Sternentstehung in jeder der umgebenden Galaxien kein interstellares Gas mehr verbraucht. Das heißt, die Übertragung von Energie und Materie von einem Objekt auf ein anderes wird vollständig gestoppt. In diesem Fall brennen alle vorhandenen Sterne aus und verwandeln sich in weiße Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher.
Allmählich kollidieren Schwarze Löcher mit anderen Schwarzen Löchern, was zur Bildung immer größerer Löcher führt. Die Durchschnittstemperatur des Universums nähert sich dem absoluten Nullpunkt. Die Schwarzen Löcher "verdampfen" schließlich und setzen ihre letzte Hawking-Strahlung frei. Schließlich wird die thermodynamische Entropie im Universum maximal. Hitzetod wird kommen.
Moderne Beobachtungen, die das Vorhandensein dunkler Energie und ihre Auswirkungen auf die Raumausdehnung berücksichtigen, haben Wissenschaftler zu dem Schluss gebracht, dass im Laufe der Zeit immer mehr Raum im Universum über unseren Ereignishorizont hinausgehen und für uns unsichtbar werden wird. Das endgültige und logische Ergebnis ist den Wissenschaftlern noch nicht bekannt, aber der "Hitzetod" könnte der Endpunkt solcher Ereignisse sein.
Es gibt andere Hypothesen bezüglich der Verteilung der Dunklen Energie oder vielmehr ihrer möglichen Typen (zum Beispiel Phantomenergie). Demnach werden galaktische Cluster, Sterne, Planeten, Atome, Atomkerne und Materie selbst aufgrund ihrer endlosen Ausdehnung auseinandergerissen. Dieses Evolutionsszenario wird als "große Lücke" bezeichnet. Nach diesem Szenario ist die Expansion selbst die Ursache für den Tod des Universums.
Geschichte der Urknalltheorie
Die früheste Erwähnung des Urknalls stammt aus dem frühen 20. Jahrhundert und ist mit Beobachtungen des Weltraums verbunden. 1912 führte der amerikanische Astronom Vesto Slipher eine Reihe von Beobachtungen von Spiralgalaxien (die ursprünglich Nebel zu sein schienen) durch und maß deren Doppler-Rotverschiebung. In fast allen Fällen haben Beobachtungen gezeigt, dass sich Spiralgalaxien von unserer Milchstraße entfernen.
Der herausragende russische Mathematiker und Kosmologe Alexander Fridman leitete 1922 die sogenannten Friedman-Gleichungen aus Einsteins Gleichungen für die allgemeine Relativitätstheorie ab. Trotz Einsteins Weiterentwicklung der Theorie zugunsten einer kosmologischen Konstante zeigte Friedmanns Arbeit, dass sich das Universum eher ausdehnte.
1924 zeigten Edwin Hubbles Messungen der Entfernung zum nächsten Spiralnebel, dass es sich bei diesen Systemen tatsächlich um andere Galaxien handelt. Zur gleichen Zeit begann Hubble mit der Entwicklung einer Reihe von Entfernungssubtraktionsmetriken unter Verwendung des 2,5-Meter-Hooker-Teleskops am Mount Wilson Observatory. Bis 1929 hatte Hubble eine Beziehung zwischen der Entfernung und der Rückgangsrate von Galaxien entdeckt, die später zum Hubble-Gesetz wurde.
1927 gelangte der belgische Mathematiker, Physiker und katholische Priester Georges Lemaitre unabhängig voneinander zu denselben Ergebnissen wie Friedmanns Gleichungen und formulierte als erster die Beziehung zwischen der Entfernung und der Geschwindigkeit von Galaxien und lieferte die erste Schätzung des Koeffizienten dieser Beziehung. Lemaitre glaubte, dass irgendwann in der Vergangenheit die gesamte Masse des Universums auf einen Punkt (Atom) konzentriert war.
Diese Entdeckungen und Annahmen lösten in den 20er und 30er Jahren viele Kontroversen zwischen Physikern aus, von denen die meisten glaubten, das Universum sei in einem stationären Zustand. Nach dem damals etablierten Modell entsteht zusammen mit der unendlichen Ausdehnung des Universums neue Materie, die gleichmäßig und gleichmäßig über ihre gesamte Länge verteilt ist. Unter den Gelehrten, die es unterstützten, schien die Idee des Urknalls eher theologisch als wissenschaftlich. Lemaitre wurde wegen Voreingenommenheit aufgrund religiöser Voreingenommenheit kritisiert.
Es sei darauf hingewiesen, dass zur gleichen Zeit andere Theorien existierten. Zum Beispiel Milnes Modell des Universums und das zyklische Modell. Beide basierten auf den Postulaten von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und wurden anschließend vom Wissenschaftler selbst unterstützt. Nach diesen Modellen existiert das Universum in einem endlosen Strom wiederholter Expansions- und Kollapszyklen.
Nach dem Zweiten Weltkrieg brach eine hitzige Debatte zwischen Befürwortern eines stationären Modells des Universums (das tatsächlich vom Astronomen und Physiker Fred Hoyle beschrieben wurde) und Befürwortern der Urknalltheorie aus, die in der wissenschaftlichen Gemeinschaft rasch an Popularität gewann. Ironischerweise war es Hoyle, der den Ausdruck "Urknall" prägte, der später der Name der neuen Theorie wurde. Es geschah im März 1949 im britischen Radio BBC.
Schließlich sprachen weitere wissenschaftliche Forschungen und Beobachtungen immer mehr für die Urknalltheorie und stellten zunehmend das Modell eines stationären Universums in Frage. Die Entdeckung und Bestätigung des CMB im Jahr 1965 festigte schließlich den Urknall als die beste Theorie über den Ursprung und die Entwicklung des Universums. Von den späten 1960er bis 1990er Jahren haben Astronomen und Kosmologen den Urknall noch stärker erforscht und Lösungen für viele der theoretischen Probleme gefunden, die dieser Theorie im Wege stehen.
Zu diesen Lösungen gehören beispielsweise die Arbeiten von Stephen Hawking und anderen Physikern, die bewiesen haben, dass die Singularität der unbestreitbare Ausgangszustand der allgemeinen Relativitätstheorie und das kosmologische Modell des Urknalls war. 1981 entwickelte der Physiker Alan Guth eine Theorie, die die Zeit der schnellen kosmischen Expansion (Inflationsepoche) beschreibt und viele bisher ungelöste theoretische Fragen und Probleme löste.
In den 1990er Jahren gab es ein verstärktes Interesse an dunkler Energie, die als Schlüssel zur Lösung vieler ungelöster Probleme in der Kosmologie angesehen wurde. Neben dem Wunsch, eine Antwort auf die Frage zu finden, warum das Universum zusammen mit der dunklen Mutter seine Masse verliert (die Hypothese wurde bereits 1932 von Jan Oort vorgeschlagen), war es auch notwendig, eine Erklärung dafür zu finden, warum sich das Universum immer noch beschleunigt.
Weitere Forschungsfortschritte sind auf die Entwicklung fortschrittlicherer Teleskope, Satelliten und Computermodelle zurückzuführen, die es Astronomen und Kosmologen ermöglicht haben, das Universum weiter zu untersuchen und sein wahres Alter besser zu verstehen. Die Entwicklung von Weltraumteleskopen und die Entstehung von beispielsweise dem Cosmic Background Explorer (oder COBE), dem Hubble-Weltraumteleskop, der Wilkinson-Mikrowellenanisotropiesonde (WMAP) und dem Planck-Weltraumobservatorium haben ebenfalls einen unschätzbaren Beitrag zur Untersuchung des Problems geleistet.
Heute können Kosmologen verschiedene Parameter und Eigenschaften des Modells der Urknalltheorie mit ziemlich hoher Genauigkeit messen, ganz zu schweigen von genaueren Berechnungen des Alters des Raums um uns herum. Aber alles begann mit der üblichen Beobachtung massiver Weltraumobjekte, die sich viele Lichtjahre von uns entfernt befanden und sich langsam weiter von uns entfernten. Und obwohl wir keine Ahnung haben, wie dies alles enden wird, wird es nach kosmologischen Maßstäben nicht allzu lange dauern, es herauszufinden.
