Urknall

In Science-Fiction Filmen und Serien, wie Star Trek, reisen die Hauptcharaktere hauptsächlich durch das Weltall. In anderen Serien, wie Doctor Who, reisen sie sogar gleichzeitig durch Raum und Zeit. Dabei wird oft darüber gesprochen, wie das Universum seinen Anfang gefunden hat oder wie es enden wird. In moderneren Filmen von Marvel, wie Thor: Love and Thunder, wird sogar davon gesprochen, was vor der Entstehung des Universums gewesen ist.

In der Realität sind die Menschen nicht mal annähernd so weit, um das Weltall zu bereisen. Den Mond haben sie zwar schon erobert, der Mars benötigt jedoch noch etwas mehr Zeit. Dennoch wurden die ersten Theorien darüber, wie das Universum entstanden sein soll, schon 1940 entwickelt. Welche Erklärungen haben die Menschen gefunden, um den Anfang von allem zu erklären?

Urknalltheorie

Einen eindeutigen Beweis, wie das Universum entstanden ist, gibt es auch heute noch nicht. Das heißt auch, dass die Urknalltheorie, oder auch „Big Bang Theorie“, nicht endgültig sein muss. Sie kann mit neuen Erkenntnissen erweitert oder sogar entkräftet werden. Es ist ebenfalls möglich, dass sie eines Tages von einer anderen Theorie abgelöst werden wird. Sie ist dennoch zur heutigen Zeit die weit verbreitetste Theorie.

Die Urknalltheorie erklärt den Anfang der Zeit, des Raumes und der Materie. Damit beschäftigt sich die Kosmologie, ein Teil der Astronomie. Das Konzept der Urknalltheorie beruht auf Einsteins Relativitätstheorie. Diese besagt, dass sich Energie und Materie ineinander umwandeln lassen. Das kann heute simuliert werden.

Urknall Definition

Am Anfang bildet sich im „Nichts“ ein winzig kleiner und unendlich dichter und heißer Ort. Solch einen Ort nennst Du Singularität.

Du kannst Dir das Uratom auch als einen winzig kleinen Kern vorstellen, in dem die ganze Materie des Universums steckt. Es wird vermutet, dass das Uratom eine Größe von 10^-35 Metern hatte. Zum Vergleich: Ein Atom hat etwa die Größe von 0,1 bis 0,5 Nanometern.

Wie entwickelte sich das Universum nach dem Urknall?

Urknall Zeitstrahl

Die Gravitation setzt nach 10^-40 Sekunden nach dem Urknall ein. Dadurch entsteht die klassische Raumzeit. In welcher Form Materie und Energie vorliegen, ist aufgrund der unendlich hohen Temperatur ungewiss.

Gleichzeitig kühlt sich das Universum, während es sich ausbreitet, stetig ab. Die Inflation ist schon nach 10^-32 Sekunden, nach dem Urknall, vorbei. Wissenschaftler*innen haben bis heute noch keine Erklärung für diese Expansion gefunden.

Nach der Inflation breitet sich das Universum nur noch sehr viel langsamer aus. Weiterhin ist die Temperatur auf etwa eine Billion Kelvin gesunken. Jetzt bilden sich die ersten Materieteilchen. Hierbei handelt es sich um die Elementarteilchen: die Quarks und Gluonen. Weiterhin entstehen hochenergetische Photonen.

Ungefähr eine Mikrosekunde nach dem Urknall ist das Universum auf etwa zehn Milliarden Kelvin abgekühlt. Somit ist es „kalt“ genug, damit sich Protonen und Neutronen aus den Quarks formen können. Zusätzlich bilden sich weitere Elementarteilchen und die Elektronen.

Danach bilden sich die ersten Atomkerne, die Kernfusion beginnt. Protonen und Neutronen kombinieren sich hauptsächlich zu Wasserstoffkernen und zu wenigen Heliumkernen. Hierbei sprichst Du aber noch nicht von Atomen. Die Elektronen können sich nämlich noch nicht mit den Kernen verbinden. Dafür ist die Temperatur viel zu hoch.

Wenn sich das Universum auf eine Milliarde Kelvin abgekühlt hat, entstehen kaum noch weitere Kerne. Die Kernfusion stoppt. Seit dem Urknall sind bis hierhin insgesamt drei Minuten vergangen.

In Abbildung 1 siehst Du eine komprimierte Version der Urknalltheorie. Die einzelnen beschriebenen und folgenden Etappen wurden zeitlich gekennzeichnet. Wie Du erkennen kannst, existierte die Singularität bei 0 Sekunden für einen winzigen Augenblick bis es sich ausdehnte.

Nach der Kernfusion von Elementen herrschte im Universum für etwa 380.000 Jahre Ruhe. In der Zeit kühlte sich das Universum auf etwa 3.000 Kelvin ab. Jetzt ist das Universum kalt genug, sodass sich die ersten neutralen Atome bilden können. Dazu verbinden sich die zuvor entstandenen Kerne mit den freien Elektronen.

Die Elementverteilung liegt hierbei bei etwa 80 % Wasserstoff und 20 % Helium. Außerdem sind vernachlässigbare Mengen an Lithium und Beryllium vorhanden.

Licht existierte schon als sich die ersten hochenergetischen Photonen bildeten. Dennoch war das Universum in diesem Zustand undurchsichtig. Der Grund dafür war, dass das Licht durchgehend mit den vorhandenen geladenen Teilchen interagierte. Es wurde reflektiert, absorbiert und wieder emittiert. Mit der Bindung der Elektronen an die Atomkerne ändert sich dieser Sachverhalt.

Das Licht kollidiert nun nicht mehr ständig mit den geladenen Teilchen und kann sich frei im Raum bewegen. Dadurch wird das Universum transparent.

Außerdem wurde durch den Zusammenschluss von den Elektronen mit den Atomkernen Energie frei. Diese Energie ist noch heute als Mikrowellenstrahlung messbar.

Auch wenn das Universum jetzt transparent ist, existieren keine Lichtquellen, also keine Sterne. Somit bleibt es in diesem Zustand zunächst dunkel. Der Zeitraum ab diesem Zeitpunkt, bis die ersten Sterne entstehen, wird dunkles Zeitalter genannt.

Es dauert 180 Millionen Jahre, bis sich die ersten Sterne bilden. Ab jetzt ist die, durch die Sterne, angeleuchtete Materie des Universums sichtbar. Mit der Entstehung der ersten Sterne können weiterhin die restlichen Elemente gebildet werden.

Wie lässt sich nun die Entstehung des Sonnensystems und der Erde in diesen Zeitverlauf einordnen?

Entstehung der Erde Urknall

Das Alter der Milchstraße wird auf etwa 13,6 Milliarden Jahre geschätzt. Sie ist also fast so alt wie das Universum selbst. Die Sonne entstand jedoch erst 9 Milliarden Jahre später. Sie ist heute also etwa 4,6 Milliarden Jahre alt.

Die Erde lässt weitere 60 Millionen Jahre auf sich warten. Sie entstand also 9,26 Milliarden Jahre nach dem Urknall und ist somit heute etwa 4,54 Milliarden Jahre alt. Das erste Leben auf der Erde entstand vor etwa 3,5 Milliarden Jahren in Form von Bakterien.

Die Urknalltheorie ist heute nicht ohne Grund die weit verbreitetste Erklärung für die Entstehung des Universums. Dafür haben Wissenschaftler wichtige Beobachtungen gemacht, die diese Theorie stützen. Was spricht also für die Urknalltheorie?

Urknall bewiesen

Die Urknalltheorie kann viele Beobachtungen der Wissenschaftler*innen erklären. Die folgenden drei Aspekte sind in diesem Kontext am signifikantesten.

Urknall Galaxienflucht

Nach der Urknalltheorie soll sich das Universum stets ausdehnen. Anzeichen dafür haben die Physiker Willem de Sitter und später Aleksander Friedmann, zwischen 1922 und 1924, entdeckt. Sie untersuchten dafür die Feldgleichungen aus der allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Gleichungen beschreiben das Konzept der Gravitation mathematisch. Nach Albert Einstein werden sie entsprechend auch Gravitationsgleichungen genannt.

Im Anschluss hat der Physiker Georges Lemaître 1927 die Hypothese des, bereits beschriebenen, Uratoms aufgestellt. Den Theorien dieser Physiker wurde jedoch zunächst keine Beachtung geschenkt. Erst mit den Beobachtungen von Edwin Powell Hubble, 1929, bekamen sie eine Bedeutung.

Hubble beobachtete, dass sich fast alle Galaxien voneinander weg bewegen. Dabei nimmt die Geschwindigkeit linear mit der Entfernung zwischen den Galaxien zu. Die Galaxien haben hierbei eine Geschwindigkeit erreicht, bei der die gegenseitige Gravitationskraft überwunden wird. Solch eine Geschwindigkeit nennst Du auch Fluchtgeschwindigkeit.

Der Physiker George Gamow und sein Arbeitsteam knüpften 1948 an diese Erkenntnis an. Sie sagen, dass die für die Galaxienflucht verantwortliche Strahlung immer noch messbar sein sollte. Die kosmische Hintergrundstrahlung konnte dann, 17 Jahre später, nachgewiesen werden.

Mit dieser Entdeckung wurde die Urknalltheorie folglich als geltende Theorie für den Anfang der Geschichte des Universums anerkannt.

Alter des Universums

Wissenschaftler*innen haben weiterhin anhand der Hintergrundstrahlung herausgefunden, wann der Urknall entstanden sein soll. Dafür hat Hubble zusätzlich das ausgestrahlte Licht von, unterschiedlich weit von der Erde entfernten, Galaxien untersucht.

Durch Rückrechnungen der Rotverschiebung dieser Spektren stellten Wissenschaftler*innen fest, dass der Urknall vor etwa 13,8 Milliarden Jahren stattgefunden haben soll. Somit ist auch das Universum etwa 13,8 Milliarden Jahre alt.

Urknall Elementhäufigkeit

Ein weiteres wichtiges Indiz, das für den Urknall spricht, ist die Häufigkeit der vorhandenen Elemente. Wissenschaftler*innen haben berechnet, dass beim Urknall hauptsächlich die leichten Elemente Wasserstoff und Helium entstanden sein müssen.

Auf die damalige Elementhäufigkeit kann mit der Betrachtung der heutigen Materiedichte und der chemischen Entwicklung des Universums geschlossen werden. Die Berechnungen der Wissenschaftler*innen stimmten mit den Vorhersagen überein.

Es handelt sich weiterhin um eine Theorie. Somit werden mit neuen, verbesserten Messungen und Erkenntnissen immer genauere Ergebnisse produziert. Dabei entstehen ebenfalls Widersprüche.

Urknall widerlegt

Tatsächlich enthalten genau die Aspekte, die für die Urknalltheorie sprechen, auch entscheidende Widersprüche.

Widerspruch Elementhäufigkeit Urknall

Der amerikanische Physiker Eric J. Lerner sagt zum Beispiel, dass der Urknall nicht stattgefunden hat, weil die Elementverteilung wohl doch nicht genau den Berechnungen entspricht. Er beobachtete dafür sehr alte Sterne und bestimmte ihre Zusammensetzung. Sie haben demnach viel weniger Helium und auch ein Anteil vom Lithium fehlt.

Zu dieser Aussage erwidert der Professor für beobachtende Kosmologie der Universität Bochum, Hendrik Hildebrandt, dass solche Messungen nicht ausreichen würden, um den Urknall gänzlich zu falsifizieren.

Widerspruch Hubble-Konstante Urknall

Einen weiteren Widerspruch bringt die Hubble-Konstante mit sich.

Weil es sich hier um eine Konstante handelt, die die Urknalltheorie vorschreibt, sollte sie immer konstant bleiben. Moderne Messungen haben nun jedoch neue Ergebnisse für die Hubble-Konstante ergeben.

Widerspruch Inflation Urknall

Die Inflation soll, wie zuvor erwähnt, die Erklärung für eine gleichmäßige und exponentielle Ausdehnung des Universums sein. Doch die Anfangsbedingungen dafür sind nach moderneren Erkenntnissen extrem unwahrscheinlich. Der theoretische Physiker Roger Penrose sah hierbei aber noch eine weitere Unstimmigkeit.

Das Problem in seinem Fall ist der Widerspruch des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik. Dieser beschreibt im Grunde die Richtung von physikalischen Prozessen und das Verhalten der sogenannten Entropie.

Die Entropie ist eine fundamentale Zustandsgröße, die in jedem physikalischen System zu finden ist. Kurz gesagt, ist sie ein Maß dafür, ob eine Reaktion spontan abläuft oder nicht. Weiterhin soll nach jeder spontanen physikalischen Reaktion die Entropie im jeweiligen System größer werden.

Wenn das Universum nun als ein abgeschlossenes System angesehen wird, dann soll die Entropie von Anfang an stetig steigen. Die Inflation des Uratoms entspricht jedoch einer Abnahme der Entropie in diesem System.

Die Urknalltheorie wirft, wie Du erkennen kannst, neben den vorgestellten Erklärungen noch viele weitere Fragen auf. Diese Fragen können zurzeit noch nicht genau beantwortet werden.

Entstehung des Universums Theorien

Um die Widersprüche erklären zu können, werden weitere Theorien entwickelt, die die Urknalltheorie ergänzen oder gar ersetzen sollen. Das zyklische Universum wurde aufgrund des Widerspruchs der Inflation heraus entwickelt.

Zyklisches Universum

Die Theorie eines zyklischen Universums soll die Urknalltheorie ergänzen, indem sie die Inflation ersetzt. Hierbei entstammt der Urknall aus der Kollision zweier Universen. Diese Theorie wird mithilfe der String Theorie genauer von den theoretischen Physikern Paul Steinhardt und Neil Turok beschreiben.

Das eine dieser Universen ist der Vorreiter des jetzigen Universums und das andere ein Paralleluniversum. Die beiden Universen sind durch einen Raum getrennt, einer Art Extradimension. Durch die Extradimension hindurch gelangt lediglich die Gravitation der Universen.

Aufgrund von Fluktuationen in der gegenseitigen Anziehungskraft kommen sich die beiden Universen in gleichmäßigen Abständen näher, prallen einander ab und entfernen sich wieder voneinander. Dieser Vorgang beschreibt den Zyklus in dieser Theorie. Bei jedem Ablauf dieses Zyklus entsteht ein Urknall. Hierbei werden die vorherigen Universen zerstört und neue entstehen.

In Abbildung 2 siehst Du, wie Du Dir die Trennung von den Universen vereinfacht vorstellen kannst:

Das Problem bei dieser Theorie ist das Verlangen nach einer Extradimension, die die Universen voneinander trennt. Diese konnte bisher nicht nachgewiesen werden. Weiterhin bräuchten Wissenschaftler*innen weitere Informationen über den Zustand des vorherigen Universums, um dieses Modell experimentell testen zu können.

Dennoch erklärt diese Theorie, wie es zu einem Urknall kommen könnte, was die Urknalltheorie selbst nicht schafft. Weiterhin müsste die Frage „Was war vor dem Urknall?“ auch nicht mehr beantwortet werden.

Neben diesem zyklischen Modell existiert aber noch eine andere Version, in welcher eher von einem Urprall statt eines Urknalls gesprochen wird.

Zyklisches Universum – Urprall

Die Kosmologin Anna Ijjas sagt ebenfalls, dass das jetzige Universum aus einem älteren stammen könnte.

Das derzeitige Universum ist etwa 10²⁶ Meter groß. Nach Ijjas Theorie dehnt sich das Universum noch etwa hundert Milliarden Jahre aus. Danach fängt es an zu schrumpfen, bis es eine Größe von etwa 10^-23 Meter erreicht hat. Hierbei ist das Universum so klein, dass es kurz davor ist, den Bereich der beschreibbaren Physik zu verlassen. Dennoch ist es größer als es das Uratom sein soll. Bei 10^-23 Metern dehnt sich das Universum wieder aus.

In Abbildung 3 siehst Du, wie ein Urprall theoretisch aussehen soll:

Dieser Zyklus soll sich immer wieder wiederholen. Für diese Theorie existieren bisher noch keine genaueren Beweise.

Die Urknalltheorie sowie auch die zyklischen Modelle waren jedoch nicht die ersten Theorien, die die Geschichte des Universums beschrieben haben.

Steady-State-Theorie

Die Steady-state-Theorie wurde vom Astronom Fred Hoyle und seinen Mitarbeiter Hermann Bondi und Thomas Gold 1948 entwickelt. Sie ist der Vorreiter der Urknalltheorie.

Bei dieser Theorie bleibt das Universum unabhängig von der Position des Betrachters immer gleich. Hier hat das Universum keinen Anfang und kein Ende, es ist unendlich. Die Expansion des Universums, sowie auch die Galaxienflucht, wird damit erklärt, dass stetig neue Materie entsteht.

Die Schwachstelle der Steady-State-Theorie ist, dass sie keine Erklärung zur Hintergrundstrahlung liefern konnte. Somit wurde die Steady-State-Theorie mit dem Nachweis der Hintergrundstrahlung 1965 von der Urknalltheorie abgelöst.

Wie Du sehen kannst, hat die Urknalltheorie ihre Probleme. Wissenschaftler*innen arbeiten unermüdlich daran, diese Probleme zu beheben oder bessere Alternativen dafür zu finden. Zum Beispiel hat das James Webb-Teleskop im Juli 2022 neue, im Vergleich zum Hubble-Teleskop, viel detailliertere Bilder von unserem Universum aufgenommen. Möglicherweise können diese Bilder neue Hinweise auf die Natur des Universums liefern.