Was ist der Beweis für einen Urknall?
Das Universum hat nicht ewig existiert. Es wurde geboren. Vor etwa 13,82 Milliarden Jahren entstanden Materie, Energie, Raum – und Zeit – in einem Feuerball namens Urknall. Sie dehnte sich aus und aus den abkühlenden Trümmern erstarrten Galaxien – Inseln von Sternen, von denen unsere Milchstraße eine von etwa zwei Billionen ist. Das ist die Urknalltheorie.
Ein Universum, das aus dem Nichts ins Leben gerufen wird, ist so verrückt, dass Wissenschaftler auf die Idee getreten und geschrien werden mussten. Aber die Beweise sind überzeugend. Die Galaxien fliegen auseinander wie Teile eines kosmischen Schrapnells. Und die Hitze des Urknalls umgibt uns immer noch. Durch die kosmische Expansion stark abgekühlt, erscheint dieses „Nachleuchten“ nicht als sichtbares Licht, sondern hauptsächlich als Mikrowellenstrahlung – die „kosmische Hintergrundstrahlung“, die 1965 von Radioastronomen entdeckt wurde.
Wo geschah der Urknall?
Wenn eine Dynamitstange explodiert, tritt die Detonation an einer Stelle auf und ein Schrapnell fliegt in die Leere. Beim Urknall gab es kein Zentrum und keine vorher existierende Leere, also geschah es an keinem „Ort“. Der Raum selbst tauchte auf und begann sich überall gleichzeitig auszudehnen.
Astronomiebücher vergleichen das Universum oft mit einem aufgehenden Kuchen, wobei Rosinen Galaxien darstellen. Während der Kuchen wächst, entfernen sich die Rosinen voneinander, ohne Ausdehnungszentrum – genau wie beim Urknall. Aber natürlich hat ein Kuchen einen Vorteil, im Gegensatz zum Universum, das ewig so weitergehen kann. Keine Analogie ist perfekt!
War der Urknall einmalig?
Am Anfang des Urknalls war das inflationäre Vakuum. Wenn es sein Volumen verdoppelte, verdoppelte es seine Energie; Wenn es sein Volumen verdreifachte, verdreifachte es seine Energie. Wenn Banknoten so wären und man einen Stapel auseinanderziehen würde, würden immer mehr erscheinen. Physiker nennen Inflation das „ultimative kostenlose Mittagessen“!
Das inflationäre Vakuum weitete sich immer schneller aus. Aber es war eine „Quanten“-Sache. Und Quantendinge sind grundsätzlich unvorhersehbar. Zufällig „verfielen“ Teile des inflationären Vakuums in ein gewöhnliches, alltägliches Vakuum.
Stellen Sie sich kleine Blasen vor, die sich in einem riesigen Ozean bilden. In jeder Blase verschwand das inflationäre Vakuum, aber seine enorme Energie musste irgendwo hin. Es ging darum, Materie zu erschaffen und sie zu erhitzen. Es ging in die Schaffung eines Urknalls. Unser Urknall-Universum ist nur eine solche Blase unter einer möglichen Unendlichkeit von anderen Urknall-Universen im sich ständig erweiternden inflationären Vakuum!
Um all dies zu starten, war ein Stück inflationäres Vakuum von nur einem Kilogramm erforderlich. Unglaublich, die Gesetze der Quantentheorie lassen dies aus dem Nichts entstehen.
Was sind die Probleme mit der Urknalltheorie?
Die Grundidee – dass das Universum heiß und dicht begann und sich seitdem ausdehnt und abkühlt – ist unbestreitbar. Aber Kosmologen mussten Änderungen an der Theorie vornehmen, um bestimmte Beobachtungen zu berücksichtigen.
Erstens wachsen Galaxien im Standardmodell des Urknalls, indem sie Materie durch Gravitation anziehen. Aber wenn dies das einzige wäre, würde es viel länger als 13,82 Milliarden Jahre dauern, bis sie sich gebildet haben. Astronomen beheben dies, indem sie postulieren, dass unsichtbare „dunkle Materie“ die sichtbaren Sterne und Galaxien um den Faktor sechs überwiegt, deren zusätzliche Schwerkraft die Galaxienbildung beschleunigt.
Zweitens sagt der grundlegende Urknall voraus, dass die Gravitationsanziehung zwischen den Galaxien wie ein Netz elastischer, verlangsamter kosmischer Expansion wirkt. 1998 entdeckten Astronomen jedoch, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt. Sie beheben dies, indem sie die Existenz von „dunkler Energie“ postulieren, die unsichtbar ist, den Raum erfüllt und eine abstoßende Schwerkraft hat.
Eine letzte Änderung der grundlegenden Theorie ist erforderlich, um zu erklären, warum das Universum überall die gleiche Temperatur hat. Um dies zu erklären, glauben Astronomen, dass das Universum schon früh kleiner als erwartet war und dann in seinem ersten Sekundenbruchteil eine superschnelle Expansion durchmachte – eine „Inflation“. Dies wurde durch ein „inflationäres Vakuum“ angetrieben, eine hochenergetische Version des Vakuums, das heute im Weltraum existiert.
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Was geschah vor dem Urknall?
Die beiden Säulen der modernen Physik sind Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und Quantentheorie. Ersteres regiert im großen Universum, während letzteres die kleine Welt der Atome und ihrer Bestandteile orchestriert. Sie haben sich einer Verschmelzung widersetzt, was ein Problem darstellt, weil das Universum beim Urknall klein war.
Um zu verstehen, wie sie entstanden ist, ist es wichtig, Einsteins Theorie mit der Quantentheorie zu vereinen. Der beste Kandidat ist die „String-Theorie“, die die Grundbausteine der Realität als winzige Masse-Energie-Stränge betrachtet, die in der 10-dimensionalen Raumzeit schwingen. Nur wenn wir eine solche Theorie erhalten, können wir die letzten Fragen beantworten:Was ist Raum? Was ist Zeit? Was ist das Universum? Und woher kam es?