Schema: Expansion des Universums, bei der mit der Zeit immer mehr Raum entsteht.

Ein Anfang von allem? Erklärungsversuche zum Urknall

Wie entstand die Welt? Diese Frage begleitet die Menschheit schon seit Anbeginn ihrer Zeit. Eine Antwort darauf suchte man lange in Mythen und Schöpfungsgeschichten. Erst im 17. Jahrhundert entstanden im Zuge der kopernikanischen Wende und der Newtonschen Mechanik wissenschaftliche Theorien dazu.

Diese frühen wissenschaftlichen Theorien besagten, dass das Universum ewig existierend und statisch war. Es gab jedoch einige Probleme damit: Wenn jeder Körper auf den anderen eine Kraft ausübt, dann müsste sich die Materie im Laufe der Zeit zusammenballen. Trotzdem war diese Theorie eine lange Zeit weitgehend von den Wissenschaftlern akzeptiert.

Einsteins Eselei

Albert Einstein berechnete in den 1910er-Jahren, dass in einem statischen Universum die ganze Materie infolge der Gravitation letztlich gesammelt wird. Der prominente Wissenschaftler hatte jedoch einen starken Glauben an die Newtons Theorie. Damit seine Gravitationsgleichungen mit dem Modell des statischen Universums kompatibel blieben, fügte er darin die sogenannte „kosmologische Konstante“ ein.

Auch der russische Physiker und Mathematiker Alexander Friedmann arbeitete an einer Erklärung zur Entstehung des Universums. Er entdeckte erstmals die Möglichkeit eines dynamischen Universums – ohne Annahme einer kosmologischen Konstante. So beschrieb er 1922 in seiner Arbeit „Über die Krümmung des Raumes“, das was Einstein bisher übersah bzw. ablehnte zu akzeptieren. Er legte dar, dass, wenn das Universum als dynamisch gilt, keine Konstante erforderlich ist, um zu erklären, wie die Sterne so weit entfernt voneinander bleiben können.

Ein Mann mit einer runden Nickelbrille und im Kleid eines katholischen Geistlichen steht an einer Tafel, die mit geometrischen Figuren beschrieben ist, während er spricht.
Der Theologe und Astrophysiker Georges Lemaître

Gleichzeitig bearbeitete auch der belgische Priester und Astrophysiker Georges Lemaître unabhängig von Friedmann diese Gleichungen und behauptete, dass die Formeln für die Ausdehnung des Universums sprachen. Er postulierte, dass es bei laufender Ausdehnung des Weltalls ein „primeval Atom“ („Uratom“) oder ein sogenanntes „kosmisches Ei“ geben sollte, aus dem der Kosmos einst anfing, sich auszubreiten. Dieses Uratom sollte die gesamte heute vorhandene Materie zusammengepresst beinhalten und im Moment der Entstehung des Universums explodieren.

Weil Lemaître der erste war, der die theoretischen und praktischen Beweise in Einklang brachte, gilt er heute als der Begründer der „Big Bang“-Theorie. Obwohl die Arbeit von Lemaitre bemerkenswert ist, weiß man heute, dass der Urknall keine Explosion der Materie im Raum ist, sondern dass Raum, Zeit und Materie erst durch den Urknall entstanden.

Nachdem es immer mehr Hinweise auf ein dynamisches Universum gab, bezeichnete Einstein seine kosmologische Konstante als die „größte Eselei seines Lebens“. Allerdings verwendet man diese Konstanten heute, um die „Dunkle Energie“ zu erklären, welche die Beschleunigung der Expansion des Universums verursacht und ungefähr 72% des Weltalls ausmacht. Sie gewann ebenso in den letzten Jahrzehnte beim dem Versuch, die vier Grundkräfte (Gravitationskraft, elektromagnetische, schwache und starke Kraft) der Natur zu vereinen, wieder an Bedeutung.

Die Allgemeine Relativitätstheorie

Ein jüngerer Mann im Anzug sitzt an einem Schreibtisch.

Einstein stellte 1915 die sogenannte allgemeine Relativitätstheorie auf, welche die Gravitation von massereichen Objekten (z.B. Planeten) als Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit beschreibt und so die Newtonsche Gravitationstheorie erweitert. Nach dieser Theorie krümmt beispielsweise die massereiche Erde die Raumzeit. Infolgedessen rotiert der Mond um die Erde, da er den durch die Erde verursachten Krümmungskurven der Raumzeit folgt. Wenn Einstein die allgemeine Relativitätstheorie auf die ganze Materie des Universums anwandte, berechnete er, dass sämtliche Materie wegen der starken Krümmung der Raumzeit schon viel früher zusammenballen sollte. Einstein fügte deswegen in seine Theorie die „kosmologische Konstante“ ein, die dem Einsturz des Universums entgegenwirkt, was eigentlich mit der Annahme des expandierenden Universums nicht notwendig war.

Hubbles praktischer Beweis

Als Edwin Hubble im Jahr 1929 mit dem damals größten Spiegelteleskop der Welt am Mount-Wilson-Observatorium arbeitete, konnte er eine „Rotverschiebung“ des Lichts weit entfernter Galaxien feststellen. Wie konnte man dies interpretieren?

Schema: Das Licht eines Sterns ist rotverschoben, wenn sich der Stern vom Betrachter weg bewegt. Kommen sich die beiden dagegen näher, ist das licht blauverschoben.
Rot- und Blauverschiebung von Licht

Das Licht kann als elektromagnetische Welle beschrieben werden. Wenn sich die Lichtquelle entfernt, werden die Lichtwellen nach dem Prinzip des Dopplereffekts gestreckt. Da rotes Licht am langwelligen Rand des sichtbaren Spektrums liegt, verschiebt sich das Lichtspektrum ins Rötliche, wenn sich Galaxien voneinander entfernen. Diese sogenannte „Rotverschiebung“ ist ein deutliches Zeichen für die Expansion des Kosmos. Die Galaxien bewegen sich alle gleichmäßig voneinander weg, genauso wie die markierten Punkte auf einem Luftballon, der aufgeblasen wird.

Hubble fand auch heraus, dass sich die Fluchtgeschwindigkeiten von Galaxien proportional zu ihren Abständen zur Erde verhalten. Mithilfe der entsprechenden Proportionalitätskonstanten, der sogenannten „Hubble-Konstante“, lässt sich das Alter des Kosmos berechnen: Den Berechnungen zufolge scheint das Weltall ungefähr 13,7 bis 15 Milliarden Jahre alt zu sein.

Die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung

Im Jahre 1948 zeigten die Physiker George Gamow und Ralph Alpher in ihrer Alpher-Bethe-Gamow-Theorie mit mathematischen Berechnungen, dass die enorme thermische Energie, die bei der gewaltigen Explosion des Urknalls freigesetzt wurde, während der Expansion des Universums allmählich abnehmen muss, und dass man die Wärmestrahlung noch heute aufspüren können müsste. Die Wissenschaftler sagten auch voraus, dass sich die Strahlung überall im Kosmos ausbreitet und ihre Temperatur ungefähr fünf Kelvin sein sollte.

Zwei Männer in weißen Hemden und Krawatte stehen auf einer großen, kreisrunden Plattform, die auf Schienen gelagert ist. Sie blicken nach oben zu einem gewaltigen Horn aus Metallplatten, das ebenfalls auf der Plattform ruht und drehbar gelagert ist.
Die Radioantenne, mit der Wilson und Penzias die Hintergrundstrahlung fanden

Die postulierte Strahlung wurde 1964 unerwartet von Arno Penzias und Robert Wilson beim Test einer Antenne aufgespürt. Das aus jeder Richtung und jederzeit gleichmäßig ankommende Hintergrundrauschen behinderte ihre eigentliche Arbeit. Sie versuchten ein Jahr lang vergeblich, dieses Rauschen zu unterdrücken und berichteten den Experten an der Universität Princeton darüber. Die konnten bestätigten, dass der Zufallsfund tatsächlich die gesuchte Hintergrundstrahlung war. Für ihre Entdeckung erhielten die beiden Wissenschaftler den Nobelpreis.

Diese 380 000 Jahre nach dem Urknall entstandene und noch messbare Strahlung war jedoch nicht ausreichend, um die interstellaren und intergalaktischen Räume zu erklären, da sie scheinbar überall gleich verteilt war. Erst mit den Satelliten und Raumsonden wie COBE (Cosmic Background Explorer) und WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) gelang es den Wissenschaftlern, kleine Temperaturschwankungen zu entdecken und damit zu verstehen, warum die Materie im Universum nicht absolut gleich verteilt ist, sondern sich zu Strukturen angeordnet hat.

Schematische Darstellung des Urknalls

Kleine Zeiträume mit großer Bedeutung

Die Wissenschaftler sind heutzutage in der Lage, die ersten Zeiträume des Kosmos zu beschreiben, indem sie die Milliarden Lichtjahre entfernten Himmelskörper mit immer höher entwickelten Techniken untersuchen. Diese Objekte bieten uns Einblicke in das junge Weltall. Es ist jedoch immer noch unklar, was es vor der ersten 10–43-stel Sekunde, der sogenannten Planck-Zeit, gab.

Was veranlasste den Urknall? Was passierte in den ersten 10–43 Sekunden, in der Planck-Zeit? Wie wird das Ende von allem sein? Gibt es überhaupt ein Ende? Um diese und noch viele andere Fragen zu beantworten, forschen die Wissenschaftler dauerhaft. Vielleicht können Teilchenbeschleuniger wie der Large Hadron Collider (LHC) am CERN dabei helfen, denn auch die kleinsten Teilchen verraten wie die größten Planeten vieles über ihren Ursprung.

Zeit nach der Entstehung

Ereignisse

10-43 Sekunden

Das Universum war ein schier unendlich dichter und heißer Feuerball, in dem alle Energie und Materie zusammengepresst war. Von 10–35 bis 10–33 Sekunden lief ein Prozess namens „Inflation“ ab, der die enorm schnelle Expansion des Raums verursachte. Er ging erst vorbei, nachdem sich die Energie zu einem großen Teil in Materie umgewandelt hatte.

10–6 Sekunden

Das Universum expandierte etwas langsamer weiter und die Dichte und Temperatur nahmen beständig ab. Es entstanden die vier fundamentalen Kräfte der Natur: die Schwerkraft, die starke Kraft und die schwache sowie die elektromagnetische Kraft. In der ersten Sekunde war das Universum gefüllt mit elementaren Teilchen und Energie: Quarks, Elektronen, Photonen, Neutrinos und weitere. Einige dieser Teilchen setzten sich zusammen, um Protonen und Neutronen zu bilden.

3 Minuten

Protonen und Neutronen bildeten zusammen die Atomkerne von einfachsten Elementen.

380 000 Jahre

Die Elektronen wurden von den Wasserstoff- und Heliumkernen eingefangen. Neutrale Atome entstanden. Damit wurde das Licht nicht mehr von geladenen Teilchen absorbiert und konnte zum ersten Mal ausgestrahlt werden. Das erste Bild vom Kosmos erhalten die Wissenschaftler aus dieser Zeit.

1 Milliarden Jahre

Die Schwerkraft ließ die Wasserstoff- und Heliumgase unterschiedlich große Wolken bilden. Die größeren Wolken bildeten die Galaxien und durch Verdichtungen innerhalb der Galaxien wurden die Sterne gebildet.

5–10 Milliarden Jahre

Die heutigen Planeten und Sterne entstanden. Das Leben auf der Erde begann.