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Das heutige Standardmodell
Die älteste astronomische Beobachtungsform ist die Feststellung der Orte eines Objekts am Himmel zu bestimmten Zeiten. Gegenstand der newtonschen Himmelsmechanik ist daher das Verständnis und die Berechnung der so gewonnenen wirklichen Bahnen. Aus scheinbaren Bahnen von Fixsternen, deren Ursache die Bewegung der Erde um die Sonne ist (Parallaxe), lässt sich dagegen deren Entfernung ermitteln. Daran änderte auch die Entwicklung von Fernrohren seit Beginn des 17. Jahrhunderts zunächst nichts. Man konnte dadurch lediglich die Orte genauer bestimmen und das für eine größere Anzahl an Objekten (zB. für die Jupitermonde oder sonnennahe Sterne).
Im 19. Jahrhundert gelang es mit der Entdeckung und Erforschung der Fraunhoferschen und der Spektrallinien das neue Beobachtungsinstrument Spektroskopie zu schaffen. Die Muster der Linien zeigt die chemische Zusammensetzung an (Spektraltyp), die Verschiebung der Muster (Rot- bzw. Blauverschiebung) die Dynamik und es lässt sich die absolute Helligkeit und damit (aufbauend auf der Parallaxe) die Entfernung auch sonnenferner Objekte ermitteln.
Sämtliche sichtbaren Sterne gehören zu unserer Milchstrasse und die Ermittlung ihrer Rot- bzw. Blauverschiebung wurde über den Doppler-Effekt interpretiert als relative Radialbewegung. Dh. es gibt eine Menge Sterne, die sich auf uns zu, viele die sich von uns fort und auch eine Menge Sterne die sich radial kaum zu uns bewegen. Eine besonders ausgezeichnete Richtung gibt es dabei nicht.
Beeindruckend war deshalb Hubbles Entdeckung Anfang des 20. Jahrhunderts, dass es neben unserer Galaxie noch weitere Galaxien (Nebel) gibt und dass diese sich auch noch überwiegend von uns weg bewegen. Hinzu kam zur selben Zeit die Etablierung neuer Theorien wie die Spezielle und die Allgemeine Relativitätstheorie sowie die Quantenmechanik, die das Bild von der Welt noch einmal gründlich änderten.
Einstein selbst ist in seiner Vorstellung von einem statischen Universum ausgegangen und hat aus diesem Grunde auch die sog. kosmologische Konstante in seine allgemeine Relativitätstheorie (ART) eingeführt. Dennoch wurde bereits sehr früh nach Erscheinen der ART durch Friedmann 1922 eine dynamische Lösung, also einen wahlweise expandierenden bzw. kollabierenden Raum vorgestellt. Diese blieb zunächst unbeachtet bis 1929 eben durch Hubble die Nebelflucht dokumentiert wurde.
Als "Vater" der Urknall-Theorie gilt der katholische Priester und Astrophysiker Georges Lemaitre. Er war sowohl mit den Arbeiten Einsteins, insbesondere aber auch mit den Friedmannschen dynamischen Lösungen von Einsteins Feldgleichungen, als auch mit den Nebelflucht Beobachtungen von Edwin Hubble vertraut. Er brachte beides zusammen und erklärte als erster die Nebelflucht als Phänomen des expandierenden Raumes.
Man muss hier allerdings noch eine dritte, nicht unwesentliche Komponente mit in Betracht ziehen. Die katholische Kirche hatte in den Jahrzehnten zuvor erheblich an Einfluss in praktisch allen gesellschaftlichen Bereichen verloren, insbesondere ihr Primat über die Wissenschaft (siehe exemplarisch hier). Hier konnte Lemaitre einen Fuß in die sich schließende Tür setzen und als Anfang der Expansionsdynamik die Schöpfung durch Gott postulieren. Von dieser Idee konnte er nicht nur die katholische Kirche überzeugen (die ihn später zum Präsidenten der päpstlichen Akademie der Wissenschaften machte), sondern auch viele namhafte Wissenschaftler, darunter Einstein selbst. Auch wenn 'Big Bang' oder der Urknall als mittlerweile etablierte moderne Mythologie gilt, steckt dahinter in Wahrheit eine uralte.
Im folgenden sollen kurz die gängigen Ideen zum Urknall, also der Entstehung des Universums selbst und auch für die erste sehr kurze Zeit danach vorgestellt werden. Man muss sich aber klar machen, dass diese keineswegs in trockenen Tüchern sind und es hier naturgemäß immer noch viel spekulative Bewegung gibt. Was aber mittlerweile (auch durch vielfältige Beobachtungen) fundiert ist, ist eine Theorie über die Evolution des Universums nach der fraglichen Entstehung, die wesentlich auf der Expansion des Universums beruht. Diese Urknall-Theorie im weiteren Sinne wurde seither weiter entwickelt und gilt als das Standardmodell in (Astro)Physik und Kosmologie. Demnach stellt sich die Situation kurz skizziert wie folgt dar (die Darstellung dient nur dem Überblick, die Details sind in zahlreichen Büchern sowohl wissenschaftlich als auch für Laien beschrieben und müssen von mir hier nicht wiederholt werden).
Die Entstehung des Universums lt. Standardmodell ist aus theologischer Sicht eine creatio ex nihilo, also eine Schöpfung aus dem Nichts. Allerdings ist das Nichts noch nie wirklich nichts gewesen, sondern war immer ein sog. 'nahrhaftes' Nichts. Eine gute Vorstellung von dieser Art Nichts ist die Waldfläche nach einem Waldbrand. Der Wald ist nicht mehr da, es ist nichts mehr da, doch nach dem ersten Regen grünt es bereits und ein paar Jahre nach dem Brand (Ruhe vorausgesetzt) sieht man überall nicht nur die neuen, kleinen Bäumchen, sondern auch wieder viele Pflanzen- und Tierarten. In der Mathematik ist die 'nahrhafte' Null ebenfalls ein bekannter Trick.
So auch in der Physik, das Nichts oder das Vakuum ist nicht einfach nichts, sondern ist ebenfalls 'nahrhaft' und dynamisch. Allgemein geht man davon aus, dass es unmittelbar nach dem Urknall im Vakuum zu sog. Vakuumfluktuationen gekommen ist, die zunächst die Raumzeit selbst betrafen (Blasen oder Quantenschaum) und nur zeitliche Bruchteile später die Bildung virtueller Teilchen und zugehöriger Antiteilchen, die sich größtenteils wieder gegenseitig vernichteten. Der Punkt ist nun, dass, grob gesprochen, Teilchen in der Zeit existieren, Antiteilchen dagegen gegen die Zeit. Physikalisch steckt dahinter aufgrund der Gültigkeit der CPT-Invarianz (für engl. Ladung, Parität, Zeit) eine Verletzung der CP-Invarianz bei bestimmten Teilchenprozessen. Dadurch überlebt sozusagen ein Bruchteil bestimmter Teilchen, es kommt zur Baryogenese. Diese Teilchen stehen trotz der Expansion des Universums in Kontakt, es bildet sich ein thermodynamischer Gleichgewichtszustand heraus. Ein Experiment, dass dieses Stadium zu verstehen helfen soll, ist die Suche nach dem elektrischen Dipolmoment von Neutronen, EDM, das es nur bei einer entsprechenden CP-Verletzung geben sollte (dass allerdings auch ein noch geringerer Bruchteil an Antiteilchen überlebt hätte, wie von manchen Physikern in Bezug auf die mögliche Existenz dieses EDMs von Neutronen postuliert wird, wage ich aufgrund der Grundstruktur der Zeit zu bezweifeln. Nicht dass es kein solches EDM geben könnte, sondern dass es eine Aussage über die Materie/Antimaterie-Verteilung im Universum machen kann).
In diesem frühen Universum kommt es nun zum Kollaps des sog. Inflatonfeldes. Im wesentlichen ist dieses Feld eine dynamisch verstandene kosmologische Konstante, die zwar schon von Einstein in dessen allgemeinrelativistischen Feldgleichungen eingeführt wurde, aber so erst durch deren Vereinigung mit Quantenfeldtheorien entsteht. Die bei diesem Kollaps (oder als Übergang vom 'falschen' zum 'wahren' Vakuum bezeichneten Prozess) freiwerdende Energie führte zur inflationären, also überlichtschnellen Expansion des Universums. Damit werden dann bestimmte Probleme, wie die globale Homogenität und die Flachheit des Universums sowie etliche andere Probleme geklärt.
Alle eben beschriebenen Prozesse sind Prozesse nach dem eigentlichen Urknall. Sprich, die Frage, was genau der Urknall ist oder wie genau er abgelaufen ist, bleibt zunächst weiter offen. Dennoch gibt es einige Physiker, die sich auch dieser Frage stellten.
Die bekannteste Antwort stammt von S. Hawking, der sich trotz ihrer Spekulativität viele Wissenschaftler angeschlossen haben. Für ihn ist der Urknall als Singularität zunächst nur ein mathematisches Artefakt, analog zum Nordpol einer Kugel. Tatsächlich unterscheidet sich der Nordpol einer Kugel aber eigentlich durch nichts von allen anderen Punkten auf dieser Kugel. Ähnliches gilt für das Ereignis "Urknall", das bei einer singularitätsfreien Formulierung der Feldgleichungen von selbst verschwindet (also keine echte, sondern lediglich eine Koordinatensingularität sei).
Eine weitere bekannte Idee ist die des zyklischen Universums - nach einer Phase der Expansion kommt es zu einem vollständigen Kollaps, der wiederum der Startpunkt einer Neugeburt eines ganz anderen, eben neuen Universums ist.
Aus meiner Sicht sind beide Ideen nicht wirklich befriedigend. |
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