Urknall

Es war einmal vor etwa 15 Mrd. Jahren, da krachte es ganz gewaltig - oder auch nicht, denn es gab ja noch gar nichts, was krachen konnte, und viel Platz war auch noch nicht da, der musste sich ja ebenfalls erst entfalten.

Trotzdem hat sich der Begriff Urknall durchgesetzt, mit dem Fred Hoyle ursprünglich die 1927 von dem Belgier Georges Lemaître eingeführte Idee, dass das Universums aus einem punktförmigen Urzustand entstanden sei, verhöhnen wollte. Lemaître schloss dabei von der beobachteten Rotverschiebung, einem relativistischen Effekt, bei dem sich das Spektrum einer Lichtquelle ins Rote verschiebt, je schneller sie sich vom Beobachter entfernt der Galaxien, dass sie irgendwo in der Vergangenheit einen gemeinsamen Ursprung haben mussten.

Fred Hoyle hielt dagegen, dass sich die Expansion auch erklären ließe, wenn noch heute spontan Materie entstand, dazu würde ein Wasserstoffatom pro Jahr und 100 Kubikmeter genügen. Das hätte allerdings zur Konsequenz, dass junge und alte Galaxien nebeneinander zu finden sein sollten, was nicht der Fall ist. So musste man sich von der Vorstellung eines Universums in einem stabilen unveränderlichen Zustand verabschieden - der Steady State Theorie.

Einige Jahre später bestätigte Edwin Hubble diese Beobachtung durch die Entdeckung, dass sich Galaxien um so schneller von uns entfernen, je weiter sie weg sind. Das heißt natürlich nicht, dass unser Sonnensystem der Ursprung des Universums ist, sondern, dass sich alle Galaxien immer mehr im Raum verteilen, wie Punkte auf einem Luftballon, der aufgeblasen wird.

Der Urknall war eine gute Erklärung für diese Beobachtung und sagte auch voraus, dass es eine Reststrahlung geben sollte, die noch heute auf die Anfänge des Universums hinweist. Das ist die kosmische Hintergrundstrahlung, die 1965 von Arno Penzias und Robert Wilson entdeckt wurde.

Doch bis zu diesen ersten Spuren des Universums war es ein weiter Weg. Tatsächlich muss es etwa 300.000 Jahre gedauert haben, bis das Universum soweit abgekühlt war, dass sich Atome formen konnten und es für Strahlung transparent wurde, seine Temperatur betrug zu diesem Zeitpunkt immer noch 10.000°C. Diese erste Strahlung, die sich im Universum ausbreiten konnte, ist die kosmische Hintergrundstrahlung, die wir heute noch detektieren können. Diese Strahlung ist so weit nach Rot verschoben, dass sie nur noch im Radiobereich beobachtet werden kann.

Nach 10-43 Sekunden begann das Universum abzukühlen, in diesem winzigen Bruchteil einer Sekunde wuchs unser Universum von einem Punkt (einer Singularität) bis zur Größe einer Pampelmuse, diesen Abschnitt der überlichtschnellen Expansion nennt man heute Inflation. Dass sie mit mehr als Lichtgeschwindigkeit stattgefunden hat, steht auch nicht im Widerspruch zu Einstein, da keine Informationsübertragung stattgefunden hat. Vielleicht ist sie sogar der Grund, warum unser Universum nicht so regelmäßig aufgebaut ist, wie man es erwarten könnte, wenn sich ein Gleichgewicht hätte einstellen können. Die Verteilung der Superhaufen im Universum könnte auf Quantenfluktuationen zurückzuführen sein, die durch die Inflation auf makroskopische Größe aufgeblasen wurden und so unser Universum noch heute prägen.

Die Kräfte, die heute in Gravitation, Elektromagnetische, sowie Schwache und Starke Kernkraft aufgeteilt sind, waren bei den damals herrschenden Energien noch in einer Superkraft vereint.

In Bruchteilen einer Sekunde verdoppelte sich die Größe des Universums vielleicht 100-mal bis zu einem Durchmesser von einem Kilometer, es musste jetzt etwa 10-35 Sekunden alt sein.

Der Zustand des Universum zu diesem Zeitpunkt nach dem Urknall lässt sich als Plasma beschreiben. Die Temperatur war so hoch, dass sich die Teilchen, wie wir sie heute kennen noch nicht bilden konnten, Materie und Antimaterie entstand und vernichtete sich, bevor daraus Neutronen oder Protonen gebildet werden konnten. Als die Temperatur etwas gesunken war, bildeten sich die Baryonen: Photonen, Elektronen, Neutrinos und Quarks. Aber sie konnten noch immer keine Atome bilden. Erst bei einer Temperatur von 3 Billionen Grad Kelvin kam es zu einer so genannten Phasenumwandlung (wie von flüssig zu fest - Wasser zu Eis), jetzt konnten sich Protonen und Neutronen formen. Es bildeten sich die Hadronen: Neutronen und Protonen.

Nach etwa drei Minuten war das Universum soweit abgekühlt, dass sich Neutronen und Protonen zum Deuterium oder Tritium (Isotope des Wasserstoffs, die auch in sog. schwerem Wasser vorkommen) zusammenschließen konnten. Und falls sich noch ein zweites Proton hinzugesellte, erhielt man Heliumkerne. Heute beobachten wir ein Verhältnis von Heliumatom zu Wasserstoff von etwa 1 zu 11.

Und dann brauchte es weitere 300.000 Jahre, bis das Universum soweit abgekühlt war, dass die Atomkerne auch Elektronen einfangen konnten und das Universum für Licht durchlässig wurde. Heute ist diese Hintergrundstrahlung auf etwa 3 Kelvin abgekühlt. Mit dem Satelliten COBE wurde diese Strahlung 1989 vermessen, um festzustellen, ob es Inhomogenitäten gab, welche die Entstehung von Materie begünstigen konnten. Die Temperaturunterschiede, die George Smoot und seine Kollegen aus Berkeley mit COBE fanden, wurden 1992 bekannt gegeben, betrugen nur 30 Millionstel eines Grads und erstreckten sich über 500 Millionen Lichtjahre, wenig, aber genug um die Kondensation der Materie, wie wir sie kennen, zu erlauben. Damit war der Urknall wissenschaftlich bestätigt.

Bleibt noch die Frage, was ein Urknall eigentlich ist und ob so etwas öfter passiert. Auch in der Quantenmechanik kennt man das Phänomen, dass Teilchen und Antiteilchen ständig entstehen und vergehen, indem sie sich kurzfristig Energie ausborgen und sich dann wieder gegenseitig vernichten, vielleicht war es mit dem Urknall so ähnlich und nur die Inflation hat verhindert, dass es gleich wieder in sich zusammengefallen ist. Es gäbe dann keinen Grund anzunehmen, dass Urknälle nicht ständig außerhalb unseres eigenen Raumzeitkontinuums passieren, die meisten ohne Inflation wieder zusammenfallen, aber sich das eine oder andere zu einem erwachsenen Universum entwickelt - vielleicht mit ganz anderen physikalischen Gesetzen.


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