Der Anfang!

1) Was wissen wir über den Anfang?

Vor etwa 13,8 Milliarden Jahren ging es los! Dabei ist der Urknall ein irreführender Begriff, da es da noch keine Materie oder einen Raum gab, die Schall überhaupt übertragen konnte. Es war viel mehr der Punkt der gemeinsamen Entstehung von Raum, Zeit und Materie aus einer Singularität. Oh man... Was ist schon wieder eine Singularität? Sie beschreibt den Punkt, an dem die Raumzeit unendlich groß wird. Hm... Also die Singularität ist ein mathematischer Zustand, bei welchem die Raum und Zeit nicht mehr kausal sinnvoll beschrieben werden können und sich theoretisch alles in einer unendlich kleinen Ausdehnung (mathematischer Punkt) befunden hat... So wirklich nachvollziehen können das Physiker wahrscheinlich selbst nicht. Ich persönlich bekomme das Gefühl, dass immer wenn man nichts weiß und es anfängt keinen Sinn mehr zu ergeben, Singularitäten ins Spiel kommen. Ähnlich geht es mit Schwarzen Löchern zu, welche ich womöglich an einem späteren Zeitpunkt noch beschreiben werde.

Nach der Singularität kam es zu einer Ausdehnung des Raumes (Expansion). Es ist wichtig zu verstehen, dass eine solche Ausdehnung sich in keiner Leere ausgebreitet hat. Es existiert nur ein einziger Raum: Der Raum, der während des Vorganges erschaffen wird. Sich die Singularität als eine Arte schwangeren Punkt vorzustellen, der in einer dunklen, grenzenlosen Leere hängt, ist zwar eine natürliche, aber ebenso falsche Vorstellung. Es gibt weder Raum noch Zeit. Um die Singularität herum ist nichts. Dort existiert weder Raum, den Sie einnehmen können. Wir können nicht einmal fragen, wie lange wir schon dort sind. Die Zeit existiert nicht. Schade eigentlich, dass die Philosophie uns hier auch nicht weiterhelfen kann. Aber um Schöpfer, Gott, Zufall oder noch anderer Ur-Gründe soll es hier nicht weiter gehen.

Was geschah nun nach der Singularität, was Physiker herausgefunden haben?

In der ersten Millionstel Sekunde war alles im Universum so heiß, dass sich die Teilchen wieder in Energie verwandelten. Ein äußerst gleichmäßig verteilter, strahlender "Energiebrei" erfüllte das winzige Universum!

Der Anfang war so winzig, dass die Quantenmechanik die Regeln gesetzt hat. Demnach hat alles geschwankt. (Ich werde noch einen ausführlicheren Blog-Eintrag über die Quantenmechanik schreiben). Solche Schwankungen nennen Physiker quantenmechanische Fluktuationen. Offenbar brachten diese Schwankungen den äußerst empfindlichen Zustand aus dem Gleichgewicht. So ähnlich verhält sich auch Wasser, das man sehr langsam unter null Grad abgekühlt hat. Jeder weiß, dass Wasser unter null Grad Celsius gefriert. Wenn man Wasser aber ganz, ganz langsam abkühlt, bleibt es flüssig. Diesen Zustand nennt man unterkühltes Wasser, ein Zustand, in dem es eigentlich nicht sein dürfte. Genau deshalb ist es so empfindlich, dass bereits winzige Schwankungen in der Luft (wie ein leichter Atemzug) an seiner Oberfläche ausreichen das Wasser schlagartig gefrieren zu lassen. Beim Vorgang des Einfrierens gibt das Wasser Bewegungs-Energie frei. Etwa so erklären Physiker den Zustand unmittelbar vor dem Urknall vor. Der Kosmos befand sich zunächst in einem "falschen" Zustand, so wie das unterkühlte Wasser. Aus diesem Grund haben bereits winzige Schwankungen der Energie schon ausgereicht, um es ausfrieren zu lassen.Die dabei frei gewordene Energie brachte das Universum zur Expansion.

Wir halten fest: Aus dem Nichts, welches der menschliche Geist nicht mehr in der Lage ist zu begreifen, nimmt das Universum einen langen Anlauf und gleitet in die materielle Existenz. Die mit der Expansion des Universums einhergehende Abkühlung setze verschiedene Prozesse in Gang. (Ich werde nun nicht alle Prozesse ins tiefste Detail erklären, da dies über das hinaus geht, was ich in diesem Blog beschreiben möchte.) Je tiefer die Temperatur fiel, desto mehr Teilchen tauchten aus dem Energiebrei auf, zwischen denen Kräfte wirksam wurden. In anderen Worten entstand peu a peu aus Energie /Strahlung Materie!

Die 4 fundamentalen Grundkräfte entstanden stufenweise: Zunächst gab es nur die Schwerkraft. Als die Temperatur weiter fiel kam die starke Schwerkraft hinzu. Ganz kurz zu dieser Kraft: Die starke Kernkraft ist der Grund warum sich zwei positiv geladenen Kerne nicht abstoßen! Ihr folgte die schwache Kernkraft, die für den radioaktiven Zerfall verantwortlich ist. Ohne diese gäbe es viele, schwerere Elemente nicht. Beide, starke und schwache Kernkraft, wirken nur innerhalb winziger Atomkerne. Zuletzt entstand die elektromagnetische Kraft. Sie wirkt zwischen positiv und negativ geladenen Teilchen. Die Stabilität von Materie wird garantiert durch die gegenseitige Anziehung von Atomkern und Elektron. Auch die Verbindung von Molekülen beruht auf der elektromagnetischen Kraft. Jede Molekül-Bindung entspricht dem Austausch von Elektronen, die schließlich gemeinsam von zwei oder mehreren Atomkernen gebunden werden. Ohne diese Kraft, wie auch den anderen Kräften gäbe es rein gar nichts! Wir sollten den Kräften also schon ein wenig mehr Wertschätzung zollen! :D Im Gegensatz zu den anderen Kräften lässt sich die Gravitation nicht abschirmen oder ausgleichen. Zudem hat sie eine große Reichweite. Sie ist zwar die mit Abstand schwächste Kraft hat aber für, uns als Mensch, die größten Einflüsse: Die Schwerkraft regiert die Welt der ganz großen Massen, der Planeten, Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen, und den ganzen Rest! :D

Etwa eine Sekunde nach dem Beginn hatte das Universum sich so weit abgekühlt, dass alle Teilchen und Kräfte entstanden waren. Tja , das alles in einer Sekunde! In dieser Zeit glich der Kosmos einem Kernreaktor gigantischem Ausmaßes. In der kurzen Zeit dominierten die beiden Kernkräfte. Es gab vor allem Protonen, Neutronen und Elektronen. Die schwache Kernkraft sorgte dafür, dass die Neutronen sich in Protonen und Elektronen zerfielen. Die starke Kernkraft sorgte dafür, dass nach zwei Minuten die Teilchen in Atomkernen gebunden waren. Es hatte sich der erste Atomkern gebildet: Wasserstoff. Der Druck und die Temperatur waren noch hoch genug, sodass Wasserstoff und Neutronen zu Heliumkernen und ganz wenigen Lithium-Kernen verschmolzen. Nach drei Minuten war die Party vorbei. Das Universum war nun zu kalt, dass weitere Atomkerne entstehen konnten. Das heutige Universum besteht zu 92% aus Wasserstoff- und Heliumkernen. All diese Atomkerne stammen aus den ersten drei Minuten des Urknalls. Eine Zeit, in der ich nicht einmal ein Sandwich zubereiten fähig bin. Das muss man sich mal vorstellen! Nun eine etwas ungewöhnliche, aber zugleich spannende Vorstellung: Nimm dir dazu ein Glas Wasser zur Hand. Jedes Wasserstoff-Atom in einem Wasser-Molekül ist uralt. Du trinkst also Atome, die in den ersten drei Minuten entstanden sind! Könnte sie uns etwas darüber erzählen, in welchen Organismen sie schon waren, was wären das für unglaubliche Geschichten!

Weiter mit dem Urknall: Es hatten nun folgenden Zustand erreicht: Es bestand aus der vom Anfang übrig gebliebener Strahlung und den negativ geladenen Elektronen, die sich frei zwischen den positiv geladenen Wasserstoff- und Heliumkernen bewegten. Drei von Vier Atomkernen waren Wasserstoff, der vierte Helium. In anderen Worten: Elektronen und Atomkernen schwammen in einem Meer von Strahlung. Nachdem sich das Universum in den ersten drei Minuten so sehr verausgabt hat, begannen nun die langweiligsten 400000 Jahre des Kosmos. Atomkerne und Elektronen stießen ständig zusammen, die Temperatur war aber einfach zu hoch zur Bildung von Elementen. Es kühlte immer weiter ab, was zur Verringerung der Dichte von Strahlung und Materie führte. Der Raum war durchsetzt von Gas, welches die Strahlung nicht umgehen konnte. Erst als die Temperatur auf etwa 4000 Grad gesunken war, passierte wieder etwas: Strahlung und Materie trennten sich. Die Bewegungs-Energie der bis dato frei beweglichen Elektronen war so sehr gesunken, dass die elektromagnetische Kraft ausreichte, sie an die Kerne zu ziehen. Ein neutrales Atom war entstanden.

Der "Nebel" lichtete sich und die Strahlung konnte sich "entfalten". Diese Strahlung ist bis heute sichtbar: Die kosmische Hintergrundstrahlung! Es bildeten sich Materiehaufen, bei denen manche zu Supernova, also Sternen, wurden! 
(Über Sterne werde ich in einem späteren Zeitpunkt nochmal schreiben, denn diese sind die Ursache für Bildung höherer Elemente, also uns.)

Das ist die Geschichte, der Anfang, des Lebens! Kurz und Knapp! :D

1.3 Woher wollen die Physiker das eben gesagte wissen? Was sind die Hintergründe der Urknall-Hypothese?

Die Vergangenheit ist schon vorbei. Nun, was können wir also wirklich über die Vergangenheit wissen? Wir können zwar noch ein Aussage über letzte Woche, auch noch vor 30 Jahren zu treffen. Wie aber soll man eine verlässliche Aussage über den Beginn des Universums treffen? In anderen Worten: Was ist die Argumentationsgrundlage der Physiker? Darum soll es jetzt gehen!

Wir schreiben das Jahr 1929!
[Ganz nebenbei: Im Jahr 1929 wusste man noch nicht einmal, dass es noch weitere Galaxien gab, oder gar weitere Planeten. Wir wussten bis in die 1970er Jahr noch nicht einmal wie alt unsere Erde war.] Zu dieser Zeit wusste man aber bereits über das Emissionsspektrum Bescheid. Yipie!
Wenn Atome eine gewisse Temperatur inne haben, wird eine bestimmte Menge an Energie freigesetzt. Wichtig ist, dass bei vielen Stoffen Licht mit einer bestimmten Frequenz emittiert wird (Emissionsspektrum). Zur Wiederholung: Licht wird durch die Wellenlänge charakterisiert und diese ist auch für den Farbton (wenn dieser sichtbar ist) verantwortlich. Im Universum konnte nun beobachtet werden, dass die Emissionsspektren leicht verschoben waren, also eine höhere oder auch niedrigere Frequenz aufweisen. Je weiter das Objekt entfernt war, desto größer war die Verschiebung. Das war sehr merkwürdig. Edwin Hubble war der Mann, der dies festgestellt hat.
[Was ich persönlich sehr witzig finde ist, dass Hubble erst Preisboxer war und erst später zum Astronom wurde.]

Was nun herausgefunden wurde, war der Doppler-Effekt: Diesen kennen wir alle von der Formel 1, oder der Polizei-Sirene: Wenn sich ein Auto zu uns bewegt, beziehungsweise von uns Weg bewegt, verändert sich die Frequenz! Bewegt sich ein Objekt von uns weg, wird es ins Rote verschoben. Umgekehrt, wenn es sich zu uns bewegt, ins Blaue. Hier noch einmal das Farbspektrum.
Hubble stellte also fest, dass sich die Dinge von uns weg bewegen. Insbesondere war die Erkenntnis, dass sich Dinge schneller von uns weg bewegt haben, je weiter sie entfernt waren. Das Universum zeigt also eine Dynamik. Aus diesen Erkenntnissen ist ein Modell entstanden, das mit einem Luftballon zu verstehen ist: Man nehme einen Luftballon ohne Luft und malt Punkte gleichmäßig auf seine Oberfläche. Wenn dieser Luftballon nun aufgeblasen wird, gilt es die Punkte zu beobachten: Hubble stellte über dieses Modell fest, dass genau diese Punkte, die am Anfang am weitesten Entfernt waren, sich auch am schnellsten voneinander entfernt haben.
Dieser Zusammenhang folgt in das wichtige, und auch einfache Hubble Gesetz:

Es besagt, dass die kosmische Rotverschiebung z eines Objekts mit der Entfernung D. Die Proportionalitätskonstante bei diesem linearen Zusammenhang nennt man Hubble-Konstante H0.

Er stellte die Hypothese auf, dass das Universum expandiere! Auf dieser Forderung der Expansion, beruht nun die Urknall-Hypothese: Wenn das Universum expandiert, dann war es früher kleiner. Wie klein war es denn genau? So Groß wie unsere Milchstraße, wie die Sonne, die Erde, Deutschland, mein Zimmer, ein Atom, ein Quark... Es könnte aber noch kleiner werden! Wie klein war es denn?
Aber es geht doch auch kleiner als der Atomkern, oder? Hier kommt schon wieder die Quantenmechanik ins Spiel. Diese ist die Theorie, die sich mit dem ganz, ganz Kleinen beschäftigt. Ein wenig, muss ich schon jetzt vor greifen. Die Quantenmechanik ist unscharf. Was hat das schon wieder zu bedeuten?? Das heißt: Will man den Ort von beispielsweise einem Elektron messen, dann haben wir keine Information über die Geschwindigkeit. Das beschreibt die Heisenbergsche Unschärferelation. Dabei ist dieses Unvermögen richtig zu messen, kein technischen Problem. Man hat momentan schon extrem präzise Messmethoden. Egal wie genau und wie gut das Messgerät ist, die Unschärferelation hat eine Informationsschranke zur Folge! Ab einem bestimmten Punkt, kann man nichts mehr mit Gewissheit sagen. Man kann lediglich mit Wahrscheinlichkeiten Aussagen treffen.
Was sagt die Quantenmechanik denn nun über die kleinste, kausal-sinnvolle Längeneinheit?Max Planck hat bereits im Jahr 1899 (!) herausgefunden, dass die kleinste, kausal-sinnvolle Längeneinheit die Planck-Länge ist. Anders ausgedrückt: Die kleinste sinnvolle Informationslänge ist 10^-35 Meter!
[Um ein Verständnis zu bekommen, wie klein, das eigentlich ist, empfehle ich folgendes Video anzuschauen: https://www.youtube.com/watch?v=EMLPJqeW78Q Sehr sehenswert!]
Neben der Planck-Länge gibt es auch die Planck-Zeit. Die Planck-Zeit beschreibt das kleinstmögliche Zeitintervall, für das die bekannten Gesetze der Physik gültig sind: 5*10-43 Sekunden! Aus diesen Größen lässt sich eine Anfangstemperatur des Universums bestimmen, nämlich 10^43 Grad Celsius!

Der Anfang war also sehr heiß und war unheimlich klein. Heute ist das Universum groß und kalt.
Es gibt also eine Kraft, die das Universum auseinander zieht. Die Ursache dafür ist die mysteriöse dunkele Energie,auf die auch an einem späteren Zeitpunkt eingehen werde. Auf der anderen Seite gibt es eine Kraft, die Schwerkraft oder Gravitationskraft, die Masse anhäuft. Es gibt also zwei gegenläufige Kräfte. Wäre die Gravitation ein wenig stärker, wären wir nicht hier, da es zu einer zu großen Verdichtung gekommen wäre. Andersrum: Wäre die Expansionskraft zu groß gewesen, hätte sich nicht genügen Masse ansammeln können für die Entstehung von Leben. Stephen Hawking hatte in 1970er Jahren sich mit der Fragestellung beschäftigt, was denn wäre, wenn die Anfangsbedingungen von Gravitation und dunkler Energie ein wenig anders gewesen wären. Ergebnis: Es gäbe uns nicht! Oh je...

Das Universum ist sehr gut aufeinander abgestimmt!

Zugegebenermaßen klingt das alles sehr fremd. Auf was stützt sich die Theorie der Expansion, sodass wir vertrauen können, dass es wirklich so war.
Zum einen macht es Vorhersagen, nämlich zur Masseverteilung im Universum. Ergebnis: Genau diese hat man gefunden. Aber viel wichtiger war folgendes: Wenn es einen solchen kleinen und heißen Anfangspunkt gegeben haben soll, dann muss die Strahlung,die damals entstanden ist, noch zu beobachten sein. Die Urknall-Hypothese sagt also die Existenz einer kosmischen Hintergrundstrahlung mit Schwarzkörperspektrum vorher. Genau dieses Echo des Urknalls, das sogenannte Schwarzkörper-Spektrum, wurde entdeckt: Die kosmische Hintergrundstrahlung. Für diese Entdeckung gab es den Nobel-Preis. Einige Zeit später gab es zudem einen weiteren dafür, dass man diese Strahlung mit einer nie dagewesenen Präzision messen konnte. Es gibt also eine präzise Bestätigung der Urknall-Hypothese. Auch die Temperatur dieser Strahlung sind genau diese, die das Urknall-Modell vorhersagt. Es wurden sogar Temperaturfluktuationen vorhergesagt, die für die Strukturbildung ebenso notwendig waren (Stichwort quantenmechanische Fluktuationen). Dieser Effekt wird übrigens Sachs-Wolfe-Effekt genannt und wurde ebenfalls bestätigt.
Heute ist der Begriff des heißen Urknalls ein wesentlicher Teil des Standardmodells der Kosmologie.

Ich möchte hier noch einmal anfügen, dass man den Aussagen und auch den Beweisen von Effekten der Physiker trauen muss. Um wirklich nachzuvollziehen, inwieweit der Beweis richtig ist, bedarf es eines jahrelangen Studiums. Und um ehrlich zu sein, kann ich mir viele andere Sachen vorstellen, die lieber machen würde! Ich möchte aber schon grundlegende Aussagen in Erfahrung bringen! Ich, als hobbymäßig interessierte Laie, muss also anderen Menschen in ihrer naturwissenschaftlich korrekten Arbeitsweise vertrauen.

Alleine der wohl vergleichsweise einfache mathematische Zusammenhang des Sachs-Wolfe-Effekt sieht einfach verrückt aus!

Über eine Herleitung will ich gar nicht erst nachdenken!ben ...