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DER URKNALL

und das Universum

VOR DEM URKNALL

 

SCHNELLÜBERSICHT ZU DIESER KAPITELSEITE

 Der Urknall gilt aufgrund hinreichender Befunde als wissenschaftliche Tatsache:

- Die Expansion (Ausdehnung) des Universums kann heute noch zweifelsfrei am Auseinanderdriften der Galaxien beobachtet werden!

- Die Mikrowellen - Hintergrundstrahlung des Universums deutet auf den Urknall!

- Die Temperaturverteilung im Universum deutet auf den Urknall!

- Die Verteilung der Materie im Universum entspricht den theoretischen Vorhersagen!

- Das Verhältnis zwischen schweren und leichten Elementen entspricht den theoretischen Vorhersagen!

- Die Existenz diverser Quantenteilchen (Bosonen, Neutrinos, etc.) entspricht den theoretischen Vorhersagen!

- Spektralanalysen ferner Planeten bestätigen genau jene atmosphärischen Bedingungen, welche die Relativitätstheorie vorhersagt!

- Die Kosmologie ist im Begriff Wege zu beschreiten, die mglw. zu einer Beschreibung des Universums vor dem Urknall führen könnten!

- Ein übernatürlicher Schöpfer erscheint äußerst unwahrscheinlich. Ein totaler Gegenbeweis für seine Existenz ist allerdings schwer erbringbar da es kaum möglich ist, totale Kriterien für einen solchen Gegenbeweis zu definieren!

 

 

 Die Ausdehnung des Weltalls ist offenkundig. Die triviale Tatsache, dass wir nachts in einen schwarzen Himmel schauen, ist bereits auf diese fortwährende Expansion zurückzuführen! In einem ewigen und unveränderlichem Universum müsste der ganze Himmel vor Sternen glühen! Es würde sich so verhalten, als stünden wir in einem Wald dessen Bäume alle weiß angestrichen sind! Egal wohin wir blicken, unser Sehstrahl würde immer nur Bäume erfassen, es sei denn wir wären so nah am Waldesrand, dass wir durch eine Lücke hindurch aus dem Wald und die Dinge dahinter hinaussehen könnten. Das Licht sehr weit entfernter Sterne erreicht uns aber nicht, da das Auseinanderdriften der Galaxien teilweise mit Überlichtgeschwindigkeit erfolgt. Auch das Vorhandensein intergalaktischer Staubwolken gereicht nicht zur Erklärung unseres vertrauten schwarzen Nachthimmels! In einem unveränderlichen und ewigen Universum hätten diese Wolken alle Zeit der Welt gehabt sich aufzuheizen und ebenfalls zu strahlen! Manch ein Leser wird angesichts der scheinbar abwegigen Aussage, die besagte Expansion könne das absolute intergalaktische Tempolimit namens Lichtgeschwindigkeit überschreiten, geradezu aufschreien?!! Die Erklärung für das Phänomen liegt darin, dass sich zwar Objekte innerhalb des Raumes nicht schneller als das Licht fortbewegen können, der Raum selber aber sehr wohl mit Überlichtgeschwindigkeit expandieren kann! Die "kosmologische Konstante" besagt, dass sich Objekte umso schneller entfernen, je weiter sie entfernt sind. Dies können wir uns folgendermaßen vorstellen: Wir betrachten ein weit entferntes Objekt und unterteilen die Strecke zwischen uns und demselben in lauter gleichmäßige Streckenabschnitte einer gewissen Länge, die allesamt mit einer diskreten Wachstumsrate expandieren. Je weiter die Gesamstrecke also ist, umso höher ist die Anzahl dieser sich dehnenden Abschnitte. Die Summe von deren Ausdehnung kann ein Objekt am Ende der Strecke mit einer "Fluchtgeschwindigkeit" jenseits der Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen.

Die einzelnen Galaxien innerhalb eines Haufens selber werden durch die Expansion des Raumzeit-Gefüges nicht auseinandergerissen, da sie von Gravitationskräften zusammengehalten werden. Als bildliche Metapher können wir uns einen Luftballon vorstellen, auf dem Galaxien aufgemalt sind. Wird der Ballon aufgeblasen, entfernen sich die Punkte voneinander. Die Dehnung der Gummihaut erhöht den Abstand zwischen den aufgemalten Objekten. Die Punkte verändern also nicht ihre Position auf der Ballonoberfläche, durch die Ausdehnung der Oberfläche aber sehr wohl ihre Entfernung zueinander !

 

 

GEKRÜMMTE RAUMZEIT

Die Wirklichkeit stimmt nicht konkret mit den geistig-mentalen Modellen und Bildern überein, die wir aufgrund unserer menschlichen (biologischen, neuronalen) Wahrnehmungs- und Bewusstseinsmechanismen gewinnen. Albert Einstein traf mit seiner Allgemeinen und Speziellen Relativitätstheorie äußerst spektakuläre und jeglicher Intuition widerstrebende Aussagen über Kausalbeziehungen zwischen Raum, Zeit und Gravitation. Die Theorie besteht bis heute noch jeden Test. Ihre Vorhersagen stimmen mit Daten aus Beobachtungen und Experimenten überein (z.B. was die Verteilung von Massen im Universum und der kosmischen Hintergrundstrahlung betrifft). Die Gravitation (Anziehungskraft von Masse- und Energiekonzentrationen) deformiert demzufolge das Raum-Zeitgefüge und sorgt für lokal unterschiedliche Werte.

 Die gleichermaßen populärste wie anschaulichste Metapher zu diesem Sachverhalt besteht in der bildlichen Darstellung einer straff gespannten Oberfläche aus Gummi (der Raumzeit) mit aufgezeichneten  Linien (den Raumzeit-Koordinaten) auf der sich eine Eisenkugel (analog für eine lokale Gravitationsursache) befindet.

 Das Gewicht der Kugel beeinflusst die Raumzeit-Koordinaten, indem sie eine Mulde bildet (= Krümmung) was sich wiederum auf Objekte in ihrer Umgebung auswirkt.

 

 ALLES IST RELATIV

 Denken wir an eine Urlauberin, die auf ihrem Badetuch an der südöstlichen Küste von Kuba, und somit sehr nahe am Äquator liegt. Ihre Fortbewegungsgeschwindigkeit beträgt Null, zumindest für einen Beobachter, der neben ihr steht. Dennoch bewegt sie sich mit einer Geschwindigkeit von knapp 1670 km/h fort. Das entspricht der Geschwindigkeit, mit der sich jedes X-beliebige (am Äquator) befindliche Objekt aufgrund der Erdrotation um den Mittelpunkt der Erde dreht. Man könnte ihre Geschwindigkeit auch mit 107.218 km/h beziffern – so schnell ist die Erde durchschnittlich auf ihrem 940 Millionen km langen Weg um die Sonne unterwegs. Jede(r) von uns legt aus diesem Grund täglich 2,57 Millionen km zurück (leider ohne Kalorienverbrauch). Wer der passiv entspannenden Badenixe gar eine Geschwindigkeit von 961.000 km/h zuschreibt, ist auch kein Lügner! Er wechselt nur das Bezugssystem! Mit dieser durchschnittlichen Geschwindigkeit umrundet nämlich unser eigenes Sonnensystem das Zentrum unserer Galaxie, der Milchstraße. Alle 220-240 Millionen Jahre haben wir eine Runde hinter uns (sofern die Runde nicht eher uns hinter sich hat)!  Diese Reise erfolgt in einer beruhigenden Distanz von 25.000 bis 28.000 Lichtjahren zum Zentrum, indem sich ein ungestümes Objekt von gewaltiger Anziehungskraft mit dem wissenschaftlichen Namen „Sagittarius A“ befindet. Es hat die 3.000.000 fache Masse unserer Sonne, bleibt aber dennoch unsichtbar, da selbst Lichtstrahlen seiner Anziehungskraft nicht zu entrinnen vermögen, welche wiederum den Reigentanz sämtlicher Objekte in der Milchstrasse verursacht.

 

TEMPOLIMIT IM ALL

 Die  Relativitätstheorie definiert eine ultimative Konstante, die sog. Lichtgeschwindigkeit. Diese benennt einen Wert für die Fortbewegungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen (einschließlich der klassischen Lichtstrahlung) im Vakuum, also im sog. „leeren Raum“ (in einem Medium wie Luft oder Wasser verringert sich die Lichtgeschwindigkeit geringfügig). Nur masselose Teilchen können diese Geschwindigkeit von etwa 300.000. km/s erreichen und nichts kann sich innerhalb des Raums schneller fortbewegen.

 Der uns umgebende Raum offenbart sich als 3-dimensional. Wir unterscheiden Längen, Breiten und Höhen bzw. Tiefen. Von 3 eindimensionalen Richtungen des Raums zu sprechen wäre hingegen unzweckmäßig, da die Dimensionen durch eine Änderung der Perspektive des Beobachters ineinander umwandelbar sind (drehen wir uns um 45 Grad, wird die Breite eines Raumes für uns zur Länge).

 Dasselbe gilt für die sog. Raumzeit. Im Bereich der Lichtgeschwindigkeit kommt es zu Umwandlungsvorgängen zwischen Raum und Zeit! Ein im Wortsinn „naheliegendes“ Beispiel hierfür sind die sog. „Myonen“, eine Art von Quantenteilchen (schwere Form von Elektronen), die aus der Reaktion von hochenergetischen Teilchen aus dem Weltall mit Atomkernen in der oberen Erdatmosphäre hervorgehen. Ein Myon in Ruhe zerfällt nach bereits einer millionstel Sekunde in ein Elektron und 2 weitere stabile Teilchen (Neutrinos). Aufgrund dieser sehr schnellen Zerfallszeit dürfte ein Myon „normalerweise“ nie die Erdoberfläche erreichen. Genau das passiert aber ständig! Der millionste Bruchteil einer Sekunde vergeht für ein Objekt, das sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, langsamer als für ein ruhendes Objekt! Wir sprechen nicht von verschieden großen Zeitfenstern, sondern von identischen Zeitfenstern im Vergleich zwischen Objekten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit! Aus Raum wird Zeit! Das ist keine mathematische Abstraktion von fraglichem Realitätsbezug! Die Veränderlichkeit des Zeitstroms in Abhängigkeit von Geschwindigkeit und Gravitation ist experimentell präzise und zweifelsfrei belegt und muss sogar zwingend bei der GPS-Navigation berücksichtigt werden!

 

 DAS UNIVERSUM: EINE BIOGRAFIE

 Das Universum birgt auch heute noch viele Rätsel! Warum beschleunigt sich seine Ausdehnung? Woraus resultieren die unerwartet hohen  Umlaufgeschwindigkeiten von Objekten in den äußeren Bereichen von Galaxien? Wird sich die Ausdehnung des Alls auf ewig fortsetzen oder stürzen die Massen dereinst wieder in sich zusammen (was einer Art „Endknall“ entspräche)? Die Theoretiker postulieren die Existenz von sog. „Dunkler Energie“ und „Dunkler Materie“, um die rätselhaft schnelle Expansion zu erklären. Ein praktischer Nachweis derselben ist aufgrund der nicht vorhandenen Wechselwirkung mit elektromagnetischer Strahlung äußerst schwierig, vielleicht unmöglich. Zumindest wechselwirkt die nicht direkt beobachtbare dunkle Materie über die Gravitation mit konventioneller Materie. Dadurch können sog. „Gravitationslinseneffekte“ (eine Änderung der Ausbreitungsrichtung von Lichtstrahlen, die von einer entfernten Quelle stammen und ein vom Beobachter aus gesehen davor liegendes, schweres Objekt passieren) als Indiz für Anwesenheit und Konzentration dunkler Materie bemüht werden, insofern im betreffenden Raumgebiet keine klassische Ursache für ihr Zustandekommen feststellbar ist.

 Ungeachtet dieser bislang unzulänglich geklärten Fragen sind die Astronomen davon überzeugt, die Geschichte unseres wohl ca. 14 Milliarden Jahre alten Universums annäherungsweise bis an den sog. Urknall in wesentlichen Zügen zurückverfolgen zu können.

 Die Masseverteilungen der in Galaxien angesammelten Materie ist auf großen Skalen kartiert und offenbart sowohl eine erstaunliche Gleichmäßigkeit in der Verteilung, als auch und in der richtungsmäßigen Ausdehnung der Galaxien. Aus minimalen Temperaturunterschieden in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung kann man Rückschlüsse auf die Materieverteilung in jener Phase nach dem Urknall gewinnen, in der die  ersten atmoarern Verbindungen entstanden sind. Gewisse, als „Standardkerzen“ bezeichnete Objekte (z.B. bestimmte Arten von Supernovae-Explosionen oder pulsierende Sterne) eignen sich besonders gut zur Bestimmung von Entfernungen und „Fluchtgeschwindigkeiten“ anderer Galaxien. Der Ablauf der entsprechenden Prozesse bzw. die Existenz der betreffenden Objekte ist nur unter limitierten, gut bekannten physikalischen Bedingungen möglich, weshalb man die vor Ort freigesetzten Energiemengen und die „absolute Helligkeit“ der Lichtstrahlung kennt. Wenn man etwa die Farbverteilung des ausgestrahlten Lichts einer  Sternenexplosion "Supernova Typ Ia" genau genug beobachtet, indem man es z.B. mit Hilfe eines Prismas zerlegt, kann man auf die Gesamtmenge der abgestrahlten Energie und somit auf ihre Entfernung schließen (je weiter sie von uns entfernt erfolgte, umso dunkler erscheint sie). Das Licht von sich entfernenden Objekten ist (durch Dehnung der Wellenlänge) „rotverschoben“, jenes sich annähernder Objekte hingegen (wegen Stauchung der Wellenlänge) „blauverschoben". Aus Spektralanalysen der Lichtstrahlung können Erkenntnisse über die materielle Zusammensetzung interstellarer Objekte und die Häufigkeits-Verhältnisse leichter und schwerer Elemente gewonnen werden. 

 Beeindruckend ist hierbei der Umstand, dass zahlreiche Befunde aus Beobachtungen, Messungen und Experimenten von den Theoretikern (insbesondere von Albert Einstein und den Gleichungen seiner Relativitätstheorie) in frappierender Genauigkeit zu einem Zeitpunkt vorhergesagt wurden, als ein Abgleich mit empirischen Daten techisch noch völlig undenkbar war.

 Die Aussagekraft der Relativitätstheorie versagt allerdings, wenn man sich dem Punkt des Urknalls bis auf sehr geringe zeitliche Abstände nähert.

 Die sog. Urknall-Singularität bezeichnet einen Zustand, an dem Ausdehnung und Masse des Universums scharf bei Null liegen, die Werte für Druck und Temperatur hingegen eine „unendliche“ Größe aufweisen. Salopp gesagt: Die Theorie beschreibt einen physikalisch unmöglichen Zustand. Dessen war sich auch Einstein bewusst.

 Dennoch sickerte diese „klassische“ Urknall-Beschreibung mühelos ins öffentliche Bewusstsein. Lange Zeit existierten keine Möglichkeiten einer fundierten theoretischen Vermeidung dieser unwahrscheinlichen Form der Singularität, die auf der anderen Seite eine Vereinbarkeit zwischen naturwissenschaftlich und religiös begründeten „Welterklärungen“ zu ermöglichen schien: Sollte das Universum nämlich von einem übernatürlichen Gottwesen erschaffen worden sein, wäre es, übereinstimmend mit der „klassischen“ Vorstellung über den Urknall, wohl ebenfalls spontan aus dem Nichts entstanden und aus einem Punkt geringster Ausdehnung heraus expandiert.

Der Urknall an sich hat sich unzweifelhaft ereignet. Die Ausgangssituation kann aber schwerlich in Form der "klassischen Singularität" mit mathematisch unendlichen (Temperatur, Dichte) bzw. nullwertigen  Größen (Ausdehnung) übereinstimmen.

 

 

VOM GRÖSSTEN ZUM KLEINSTEN

 Auf allerkleinsten Skalen bedarf es einer anderen Sprache, die Realität zu beschreiben. Die Quantentheorie beginnt dort, wo die Relativitätstheorie endet.

 Atome sind die kleinsten Einheiten, in die Materie mit mechanischen oder chemischen Mitteln zerlegt werden kann. Lange Zeit hielt man sie für die kleinsten natürlichen Strukturen schlechthin.

 Atome bestehen jedoch ihrerseits aus kleineren Untereinheiten: Protone und Neutrone (mit positiver bzw. neutraler elektrischer Ladung) bilden den Kern, der von elektrisch negativ geladenen Elektronen (ggf. auch nur von einem einzigen - wie beim Wasserstoffatom) umkreist wird. Atomare Verbindungen konnten erst entstehen, als die Temperatur des Universums nach dem Urknall auf weniger als 4.000 Grad Celsius abkühlte und sich der Strahlungsdruck verringerte.

 Die Komponenten des Atomkerns bestehen aus nochmals kleineren Einheiten: Quarks, Bosonen und Leptonen, die zusammen mit den Elektronen die sog. Elementarteilchen und somit die wohl tatsächlich kleinsten Strukturen jeglicher existierender (klassischen) Materie bilden. Sie sorgen für jene Wechselwirkungen, die wir als die Grundkräfte der Physik oder schlechthin als die Naturgesetze kennen: Die elektromagnetische Kraft, die sog. schwache und starke Kernkraft und die Gravitation. Direkt beobachtbar sind viele dieser Elementarteilchen nicht. Ihr Nachweis gelingt über Zerfallsprodukte in Teilchenbeschleunigern. Das Standardmodell der Quantentheorie ist eine mittlerweile sehr weit ausformulierte Theorie zur Beschreibung jener Quantenteilchen und ihres Verhaltens. Sie wurde vielfach an der Wirklichkeit erprobt. Sie ermöglichte viele, zwischenzeitlich empirisch und experimentell bestätigte und reproduzierbare Aussagen.

Am 04.07.2012 wurde von der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) die Entdeckung des Higgs-Bosons, dem bis Dato noch fehlenden (d.h. nicht nachgewiesenen) Exoten im Teilchenzoo bestätigt, der den masselosen Elementarteilchen zu einer ebensolchen verhilft, und dessen Nicht-Existenz (oder Nicht-Nachweisbarkeit) das bisherige Standardmodell in eine existenzielle Krise gestürzt hätte. Diese Krise wäre selbst durch die Richtigkeit der bisherigen Aussagen der Quantentheorie nicht abwendbar gewesen, da diese Aussagen dann nämlich nicht aus den angenommenen, sondern aus gleichermaßen unbekannten wie unverstandenen Gründen heraus korrekt wären!

 

 EINE ANDERE WELT

 In der Quantenwelt gelten völlig andere Spielregeln als wir sie kennen!

 Elementar- oder Quantenteilchen sind keine punktförmige Objekte mit konkreten räumlichen Ausmaßen! Sie werden als unscharfe Wellenfunktionen beschrieben, die sich von einem zentralen Bereich ausgehend allmählich zu winzig kleinen Werten verlieren.

 Analog könnte man an einen Billardtisch denken, auf dem sich keine massiven Kugeln, sondern fluktuierende Objekte befinden, welche die gesamte Fläche in Form verschieden starker Werte auf einmal beanspruchen. Überall wo der Wert eines Objektes größer als Null ist, befindet sich auch sein Ort.

 Quantenteilchen können mehrere, sich überlagernde  Zustände gleichzeitig einnehman! Erst im Moment einer Messung kollabiert diese Überlagerung zu Gunsten eines konkreten Zustandes!

 Zudem kann eine Messung nicht ohne Beeinflussung des zu beobachtenden Objekts erfolgen! Selbst kleinste Lichtteilchen (Photonen), ein einziges Luftteilchen oder die geringste Wärmestrahlung, die im Rahmen einer für den Messvorgang nötigen Wechselwirkung eintritt, verändert das Energieniveau (und den Zustand) des gemessenen Teilchens!

 Weder Ort noch Geschwindigkeit eines Elementarteilchens sind konkret ermittelbar!

Je genauer der Ort eingegrenzt wird, umso unschärfer wird proportional hierzu der bekannte Wert für die Geschwindigkeit und umgekehrt.

 Damit sind die „Verrücktheiten“ der Elementarteilchen noch nicht zu Ende! Sie können sich verschränken, d.h. ein Teilchen kann den Zustand eines räumlich distanzierten Teilchens annehmen, wenn sich entfernte Wellenausläufer von beiden berühren.

 Ebenso können Teilchen durch spontane Fluktuation plötzlich jenseits einer physikalischen Barriere auftauchen, sie sozusagen „durchtunneln“.

 Wieder einmal zeigt die Wirklichkeit ein der menschlichen Intuition völlig widerstrebendes Gesicht. Die spektakulären Phänomene der Quantenwelt dienen mitunter sogar zum Anlass, esoterische Geistergeschichten aus der (naturwissenschaftlichen) Verbannung zu rehabilitieren. Dies entbehrt allerdings einer seriösen Grundlage: Die Gesetze der Quantenwelt gelten ausschließlich für subatomare Teilchen (in verschiedener Gradigkeit: der im Vergleich zum Elektron um den Faktor 4000 schwerere Atomkern ist weit weniger von Unschärfe und Fluktuation betroffen)!

Zwischenkommentar:

Es gibt mglw. einige konkrete Ausnahmen: Beim pflanzlichen Photosynthese-Prozess und bei der Navigation von Zugvögeln am Erdmagnetfeld finden sich Anzeichen für eine direkte Auswirkung quantenmechanischer Effekte auf makroskopische Systeme.

Jene bedrohlichen Gestalten, die ängstliche Kinder in Kleiderschränken oder unter ihren Betten vermuten (um an dieser Stelle ein überspitztes Beispiel für esoterische Postulate anzuführen), sind mutmaßlich keine Wesen, die per Fluktuation durch Wände hindurch an einen bestimmten Ort gelangen und von dort ebenso wieder verschwinden (oder einen unsichtbaren Überlagerungszustand einnehmen), sobald sich die Eltern mit dem Spross auf gemeinsame Monstersuche begeben, deren (hoffentlich) negativer Befund die kindlichen Angstvorstellungen besänftigt.

 

 WENN MATERIE KOLLABIERT

 Unter bestimmten Bedingungen kann Materie „kollabieren“, in sich zusammenstürzen und in einen Zustand extremster Verdichtung übergehen. Dies geschieht regelmäßig beim Tod eines größeren Sterns.

 Vor langer Zeit entstand die erste Generation von Sternen. Zunächst mussten sich Temperatur und Strahlungsdruck im heißen Universum nach dem Urknall weit genug verringeren, damit stabile atomare Verbindungen entstehen konnten. Es handelte sich zunächst fast ausschließlich um Wasserstoff, der sich infolge einer minimal ungleichmäßiger Verteilung im Raum zu massereichen Objekten zusammenballte.

 Durch die gravitative Verdichtung erfolgten die ersten, zunächst „kalten“ atomaren Umbauprozesse: Aus ursprünglichem Wasserstoff bildete sich erst schwerer Wasserstoff (Deuterium) und schließlich Tritium.

 Mit weiterhin proportional zur Masse anwachsendem Druck zündet schließlich die Kernfusion:

 Wasserstoff verschmilzt zu Helium. Die die dabei freiwerdende enorme Temperatur erhöht den Eigendruck der Materie im Stern und trotzt einer weiteren Verdichtung. Die freiwerdende Strahlung hingegen entflieht als Licht und Wärme ins All.

 Sterne brennen je nach Masse unterschiedlich lange (unsere Sonne bereits seit 5 Milliarden Jahren und vermutlich noch einmal solange).

 Geht der atomare Brennstoff zu Neige, segnet auch einen Stern das Zeitliche. Je nach Größe des Sterns können verschiedene Möglichkeiten eintreten. Sehr kleine Sterne glühen nach Abschluss des Wasserstoffbrennens einfach aus. In allen anderen Fällen (ab 0,3 Sonnenmassen aufwärts) kommt es jedenfalls zunächst zu einem „Heliumbrennen“ (die Heliumkerne im Zentrum des Sterns fusionieren). Bei ziemlich großen Sternen werden nach und nach schwerere Elemente erbrütet: hauptsächlich Sauerstoff, Kohlenstoff, Silizium und schließlich Eisen und Nickel, wo die Kernreaktionen enden.

 Dem finalen Ende des Sterns geht das Aufblähen zu einem roten Riesen voraus: Sein Umfang vervielfacht sich. Mitunter kann Masse abgestoßen werden, in manchen Fällen kommt es auch zu gewaltigen Explosionen (Supernovae). Je nachdem wie viel von dem Gebilde übrig bleibt, realisiert sich irgendeine Variante an denkbaren „Endprodukten“. Die Gravitation verdichtet die erkaltete Masse, während sich der Eigendruck der Materie wegen fehlender Temperatur verringert. In dieser nicht mehr fusionierenden Materie gibt es verschiedene Mechanismen, die eine sehr hohe Verdichtung grundsätzlich verbieten, etwa die elektrostatische Abstoßung, die eine zu starke Annäherung zwischen Atomkernen und den sie umkreisenden Elektronen unterbindet oder das „Paul`sche Ausschließungsprinzip, dass die Überlagerung der Wellenfunktion gleichartiger Teilchen verbietet.

 Allerdings existiert für jedes dieser Gesetze eine Schmerzgrenze ab der, sofern sie vom Druck überboten wird, die Materie in zunehmenden Maße zu spektakulären Formen kollabiert:

 In einem „weißen Zwerg“ etwa bildet sich ein Gas aus ungebundenen Elektronen, die ihre jeweiligen Atomkerne verlassen.

 In einem Neutronenstern reagieren sämtliche Protonen und Elektronen im Innern des Sterns unter Energiefreisetzung zu Neutronen. 1 m3 Masse eines Neutronensterns würde auf der Erde mehr als 1 Billion Tonnen wiegen.

 Die extremste Form kollabierender Materie schließlich offenbart sich in Gestalt eines sog. Schwarzen Lochs.

 Es gibt keine bildliche Beschreibung eines solchen „Objekts“, die der menschlichen Vorstellungsgabe eine Gefälligkeit erweisen würde. Schwarze Löcher, deren Existenz als unzweifelhaft nachgewiesen gilt, werden von Astronomen vor allem mathematisch beschrieben. Sie haben keine Oberfläche wie Planeten, sondern einen sog. „Ereignishorizont“ der umso weiter von ihrer „Singularität“ (dem Punkt höchster Verdichtung) entfernt ist, je massereicher sie sind. Der Ereignishorizont ist jener Bereich, ab dem nichts mehr (einschließlich Lichtstrahlen) nach außen dringen kann. Das schwarze Loch selber entspricht eher einem Punkt in der Zeit, als einem Punkt im Raum.

 Was jenseits des Ereignishorizonts  zusammengestaucht und –gefaltet wird, ist nicht mehr allein die klassische Materie! Es ist die Raumzeit selber, die hier deformiert und zerknüllt wird!

 Astronomen und Astrophysiker haben schwarzen Löchern gegenüber ein brennendes Interesse. In ihrer Nähe herrschen Bedingungen, die große Ähnlichkeit mit dem Zustand des Universums ganz nahe an der sog. „Urknallsingularität“ haben. Ja, es spukt förmlich am Ereignishorizont eines schwarzen Lochs! Hier entstehen Quantenteilchen aus dem Vakuum, aus dem „Nichts“ sozusagen.

 Der enorme Gravitationswert im Bereich des Ereignishorizonts führt zu strukturellen Veränderungen der Raumzeit. Analog könnte man sich ein Seebeben vorstellen, das zu einer Wellenbildung an der Meeresoberfläche führt. Oder an eine als solche nicht unbedingt erkennbare Welle im weiten Ozean, die sich bei ihrer Annäherung an die Küste infolge des sich abflachenden Untergrundes zu einem Wellenberg aufbauscht. Die Entstehung von Elementarteilchen (die subatomaren Grundbausteine jeglicher Materie) ist im Sinne dieser Analogie also eine Kosequenz aus einer sehr hohen Veränderungsrate im Raumzeit-Gefüge.

 Nach dem Urknall muss es nach Überzeugung der Wissenschaftler eine Phase „inflationärer“  Ausdehnung des Raums bzw. der Raumzeit gegeben haben. Hinweise hierauf findet man u.a. in der thermischen Kartierung der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung des Universums (deren Homogenität besteht nämlich auch zwischen Raumregionen, zwischen denen aufgrund der Limitierung durch die Lichtgeschwindigkeit kein Informationsaustausch und somit auch keine Angleichung der physikalischen Eigenschaften hätte stattfinden können). In dieser „inflationären“ (sich beschleunigenden und teilweise mit Überlichtgeschwindigkeit erfolgenden) Ausdehnung der Raumzeit kam es zu Materieanregungen, zur Entstehung von „virtuellen“ Teilchen. Dies wäre normalerweise belanglos, da solche immer paarweise mit ihrem (elektrisch gegenteilig geladenem) Anti-Teilchen  entstehen und sich augenblicklich selber neutralisieren. In einer mit Überlichtgeschwindigkeit expandierenden Raumzeit können diese Teilchen-Antiteilchen-Paarungen aber schnell genug voneinander getrennt werden, dass diese Reaktion ausbleibt (am Rande eines schwarzen Lochs geschieht dies mitunter ebenfalls, wenn ein Teilchen in den Ereignishorizont fällt, sein Gegenstück hingegen durch die sog. „Hawkin-Strahlung“ hinausgeschleudert wird). Nun stellen aber auch diese überlebenden Teilchen im inflationär expandierenden Universum nach dem Urknall ein „Problem“ dar, weil ihnen streng genommen die Energie zur Fortexistenz fehlen müsste. Da die Materieanregungen aber geringe Abweichungen in der Homogenität ihrer Verteilung haben, kommt es dort, wo (zufällige) Verdichtungen entstehen, zu gravitativer Anziehung. Die Gravitation sponsert den Beitrag an Energie, der aus dem virtuellen Teilchen endgültig ein reales macht.

  

WAS   WAR  VOR  DEM  URKNALL ????

ÜBER EIN VERSTÄNDNIS VOM NICHTS ZU EINER ERKLÄRUNG FÜR ALLES ?

 Nichts ist unvorstellbarer als das Nichts (bereits die Vorstellung des Nichts ist schließlich mehr als nichts)! Üblicher Weise versteht man unter „Nichts“ einen luftleeren Raum, ein Vakuum.

 Mit Hochleistungsvakuumpumpen kann man heute im Labor einen Unterdruck von bis zu 10 -13 Millibar erzeugen. Aber selbst dann sind noch einige hundert Moleküle in jedem Kubikzentimeter Raumvolumen vorhanden.

 Im Weltall besteht ein ziemlich perfektes chemisches Vakuum mit durchschnittlich nur noch einem Wasserstoffatom pro Kubikmeter Raumvolumen.

 Aber selbst ohne diesen minimalen Restbestand an Materie ist der vermeintlich leere Raum kein vollendetes Nichts! Das Raumzeit-Gefüge (für uns wahrnehmbar als die Geometrie von Abständen zwischen sichtbaren Objekten) ist nach Ansicht der Wissenschaftler aus Strukturen physikalisch geringst möglicher räumlicher und zeitlicher Größenordnungen im Bereich der Planck – Länge (10-35 Meter) und der Planck- Zeit (10-43 Sekunden) aufgebaut.

 Als Indiz für die Präsenz von Inhalten und Reaktionen im sog. „Nichts“ dient u.a. der sog. „Casimir-Effekt“: Werden zwei Metallplatten in einem Vakuum parallel zueinander angeordnet, drückt sie „irgendetwas“ ein Stück aneinander. Dies wird auf die oben angesprochenen Vakuum-Fluktuationen (die Entstehung virtueller Teilchen) zurückgeführt, die zwischen den Platten nur in einem durch deren Abstand vorgegebenen, streng limitierten Bereich an Wellenlängen erfolgen kann, während außerhalb des Plattenspalts Fluktuationen x-beliebiger Wellenlänge (und somit in größerer Häufigkeit) eintreten und einen leichten, gegen das Zentrum gerichteten Überdruck erzeugen können.

 Wenn aber das „Nichts“ nicht einfach Nichts ist, was ist es dann?

 Einen Ansatz diese Raumzeit zu beschreiben stellt die String-Theorie dar. Ein String ist demzufolge das einzig elementare Objekt, aus dessen verschiedenen Anregungszuständen sich die Grundbausteine der Materie (Quarks, Bosonen, Leptomen, Elektronen, etc.) ergeben, vergleichbar einer Gitarrensaite, die je nach Schwingung verschiedene Töne ergibt. So wie Töne durch verschiedene Frequenzen voneinander unterschieden werden können, so haben die Schwingungen der Strings unterschiedliche Energien und Massen.

 Die String-Theorie galt als geeigneter Kandidat für eine sog. „Weltformel“, den heiligen Gral der Wissenschaft, aufgrund der es im Prinzip möglich sein sollte, die an sich unvereinbaren Gleichungen von allgemeiner und spezieller Relativitätstheorie (die das Verhalten der Raumzeit auf großen Skalen und das Verhalten von Objekten in der Raumzeit beschreiben) auf der Einen, und der Quantentheorie (die den Mikrokosmos der Elementarteilchen beschreibt) auf der anderen Seite kompatibel zu vereinigen.

 Eine solche Formel könnte im Idealfall alle Erscheinungen der Quantenphysik auf ein einziges ursächliches Objekt zurückzuführen und die bekannten Kräfte (Gravitation, Elektromagnetismus, starke Kernkraft und schwache atomare Wechselwirkung) zu einer einzigen Kraftformel vereinigen.

 Die String-Theorie hat allerdings einen Pferdefuß: Ihre Gleichungen sagen Energie- und Massewerte für die Elementarteilchen voraus, die mit den zwischenzeitlich vorliegenden Ergebnissen aus Teilchenbeschleunigern nicht vereinbar sind!

 Einen neuer Anlauf zu dem, was man im Kreise optimistischer Wissenschaftler (vielleicht vorauseilend?) mit dem (vielleicht polemischen?) Prädikat „Weltformel“ betitelt, erfolgt derzeit durch die Ausformulierung der sog. Schleifen-Quantengravitationstheorie.

 Die Schleifen-Quantengravitation beschreibt den Raum als dynamisches quantenmechanisches Spin-Netzwerk, das durch Diagramme aus Linien und Knoten veranschaulicht werden kann. Raum und Zeit sind im Bereich minimalster Skalen (der Planck-Länge und der Planck-Zeit) quantisiert. Zentrale Konzepte von Relativitätstheorie und Quantentheorie werden hierin kombiniert, wofür die Annahme einer Wellenfunktion an Abständen nötig ist: Sowohl Ort und Geschwindigkeit von Materie-Teilchen als auch geometrische Dimensionen der Bühne (auf der sie sich bewegen) fluktuieren. Die Veränderung der Raumzeit-Bühne kann nur in diskreten (keinesfalls X-beliebigen!) Schritten erfolgen. Diese Veränderungen im Netz sind nicht in eine Zeit eingebettet, sondern sie stellen den Zeitfluss selbst dar, der die Strukturen unablässig ändert.

 Die bedeutungsvollste Konsequenz aus dieser bis Dato weder mathematisch vollständig ausformulierten, noch experimentell belegbaren Theorie (eigentlich handelt es sich vorab noch um eine Hypothese,die allerdings nicht ignorierbare Anfangserfolge verbuchen kann), besteht in der mathematischen Vermeidung der klassischen Urknallsingularität mit den „unerlaubten“ Werten einer nicht vorhandenen Ausdehnung des Universums bei einem gleichzeitig unendlichen Druck und einer ebenso unendlichen Temperatur. Die Energiemenge, die ein derart quantisiertes Raumzeit-Gefüge aufnehmen kann, ist begrenzt, so wie ein Schwamm keine unbegrenzte Wassermenge aufnehmen kann. Ist die Obergrenze erreicht, bildet die Raumzeit selbst einen Gegendruck zur weiteren Verdichtung.

 Am Punkt der Singularität würde dies konkret dazu führen, dass sich der Raum „umstülpt“ und erneut expandiert, so als würde man eine leere Ballonhülle mit der nach außen gewendeten Innenseite aufblasen.

 Falls dem so ist, war der vor 14 Milliarden Jahren erfolgte Urknall gar nicht der Anfang von Allem! Dann wäre unser Universum aus einem kollabierenden Vorläufer-Universum (das seinerseits eine unbekannte aber endliche Zahl an Vorläufern gehabt haben könnte) heraus entstanden (was die anfangs inflationäre, mitunter überlichtschnelle Expansion leichter erklären würde)? Vielleicht geht dieses Spiel bis in alle Ewigkeiten weiter, wobei dann und wann ein Universum mit (zufällig) derart konfigurierten Naturkonstanten in Erscheinung tritt, dass sich die Materie darin genauso verhalten muss, wie wir sie kennen, so dass atomare Verbindungen entstehen, die sich zu Sternen verdichten, in deren Fusionsfeuer wiederum die für die Lebensentstehung relevanten Elemente erbrütet werden. Und in manch einem dieser zeitlich aufeinander folgenden Universen kommt es vielleicht zufällig zu einem lokalen, gemeinsamen Auftreten bedeutsamer Faktoren (etwa dem idealen Abstand eines Planteten zu seinem Zentralgestirn, günstige Temperaturbedingungen, Bildung einer Atmosphäre, Ansammlung von Wasser, etc.) die wiederum die Entstehung von Molekülen, Biomolekülen, DNA und schließlich die zunächst primitiven und im weiteren (evolutionären) Verlauf immer komplexer werdenden Formen des Lebens ermöglichen. Und vielleicht führt diese evolutionäre Fort- und Höherentwicklung des Lebens im einen oder anderen Fall bis hin zu Individuen, deren Gehirne komplex genug sind, die Welt und den eigenen Organismus zu repräsentieren, Erkenntnisse zu gewinnen, und über sich selbst und das Universum nachzudenken, in dem sie leben?!

 

Inspiration und Informationen für dieses Kapitelthema stammen aus verschiedenen Beiträgen folgender Quellen:

Buch: "Zurück vor den Urknall"
Untertitel: Die ganze Geschichte des Universums
Verlag:  S.Fischer Verlag GmbH
Autor: Martin Bojowald
ISBN 978-3-10-003910-1

Buch: " Der Stoff, aus dem der Kosmos ist"
Untertitel: Raum, Zeit und die Beschafenheit der Wirklichkeit
Verlag: Goldmann Verlag
Autor: Brian Greene
ISBN 978-3-442-15487-6
 

Bild der Wissenschaft: Ausgabe 5/2002;
Bild der Wissenschaft:  Ausgabe 4/2004
Bild der Wissenschaft: Ausgabe 10/2004
Spektrum der Wissenschaft: Dossier; Ausgabe 3/2005
Spektrum der Wissenschaft: Dossier ; Ausgabe 5/2005

ICH BIN KEIN ASTROPHYSIKER! Die Quellen-Berichte strapazieren den Verstand eines "Alltagsmenschen" mitunter ! Meine Darstellung hier mag manchem Leser zu oberflächlich erscheinen?! Umfangs- und Komplexitätsbeschränkung ist aber eines meiner wesentlichen Ziele und ich hoffe, hier einen zweckmäßigen Kompromiß erreicht zu haben!

 

STEITENANFANG