Wie hat das Universum angefangen?

Wie hat das Universum angefangen? Das ist eine Frage, über die sich Wissenschaftler und Philosophen im Laufe der Geschichte Gedanken gemacht haben, als sie in den Sternenhimmel blickten. Es ist die Aufgabe der Astronomie und Astrophysik, eine Antwort zu geben. Es ist jedoch nicht leicht anzugehen.

Das Konzept eines Künstlers, wie der Urknall ausgesehen haben könnte, wenn jemand da gewesen wäre, um ihn zu sehen. HENNING DALHOFF / Getty Images

Der erste große Schimmer einer Antwort kam 1964 vom Himmel. Als die Astronomen Arno Penzias und Robert Wilson ein in Daten vergrabenes Mikrowellensignal entdeckten, um nach Signalen zu suchen, die von Echo-Ballonsatelliten zurückgeworfen wurden. Sie nahmen zu der Zeit an, dass es einfach unerwünschtes Rauschen war und versuchten, das Signal herauszufiltern.

Die Antenne, die Penzias und Wilson verwendeten, als sie über die Signale der kosmischen Hintergrundstrahlung stolperten, die die Geburt des Universums ankündigten. Fabioj, CC BY-SA 3.0

Es stellt sich jedoch heraus, dass das, was sie entdeckten, aus einer Zeit kam, die kurz nach dem Beginn des Universums lag. Obwohl sie es damals noch nicht wussten, hatten sie den Cosmic Microwave Background (CMB) entdeckt. Der CMB war durch eine Theorie namens Urknall vorhergesagt worden, die nahelegte, dass das Universum als heißer Punkt im Weltraum begann und sich plötzlich nach außen ausdehnte. Die Entdeckung der beiden Männer war der erste Beweis für dieses ursprüngliche Ereignis.

Der Urknall

Was hat die Geburt des Universums ausgelöst? Laut Physik ist das Universum aus einer Singularität entstanden - ein Begriff, mit dem Physiker Regionen des Raums beschreiben, die sich den Gesetzen der Physik widersetzen. Sie wissen sehr wenig über Singularitäten, aber es ist bekannt, dass solche Regionen in den Kernen von Schwarzen Löchern existieren. Es ist eine Region, in der die gesamte Masse, die von einem Schwarzen Loch verschlungen wird, in einen winzigen Punkt gepresst wird, unendlich massiv, aber auch sehr, sehr klein. Stellen Sie sich vor, Sie würden die Erde auf eine Punktgröße pressen. Eine Singularität wäre kleiner.

Das heißt jedoch nicht, dass das Universum als schwarzes Loch begann. Eine solche Annahme würde die Frage nach etwas Bestehendem aufwerfen Vor der Urknall, der ziemlich spekulativ ist. Per Definition existierte vor dem Beginn nichts, aber diese Tatsache erzeugt mehr Fragen als Antworten. Wenn zum Beispiel vor dem Urknall nichts existierte, warum wurde dann die Singularität überhaupt erst geschaffen? Es ist eine "Gotcha" -Frage, die Astrophysiker immer noch zu verstehen versuchen. 

Sobald jedoch die Singularität geschaffen wurde (wie auch immer), haben die Physiker eine gute Vorstellung davon, was als nächstes geschah. Das Universum befand sich in einem heißen, dichten Zustand und begann sich durch einen Prozess namens Inflation auszudehnen. Es ging von sehr klein und sehr dicht bis zu einem sehr heißen Zustand. Dann kühlte es ab, während es sich ausdehnte. Dieser Prozess wird heute als Urknall bezeichnet, ein Begriff, der erstmals von Sir Fred Hoyle während einer Radiosendung der British Broadcasting Corporation (BBC) im Jahr 1950 geprägt wurde.

Obwohl der Begriff eine Art Explosion impliziert, gab es wirklich keinen Ausbruch oder Knall. Es war wirklich die schnelle Ausdehnung von Raum und Zeit. Stellen Sie sich vor, Sie würden einen Ballon sprengen: Wenn jemand Luft einbläst, dehnt sich das Äußere des Ballons nach außen aus.

Die Momente nach dem Urknall

Das sehr frühe Universum (einige Sekundenbruchteile nach Beginn des Urknalls) war nicht an die Gesetze der Physik gebunden, wie wir sie heute kennen. Daher kann niemand mit großer Genauigkeit vorhersagen, wie das Universum zu dieser Zeit aussah. Doch Wissenschaftler haben in der Lage, eine ungefähre Darstellung der Entwicklung des Universums zu konstruieren.

Erstens war das Säuglingsuniversum anfangs so heiß und dicht, dass selbst Elementarteilchen wie Protonen und Neutronen nicht existieren konnten. Stattdessen kollidierten verschiedene Arten von Materie (Materie und Antimaterie genannt) und erzeugten reine Energie. Als sich das Universum in den ersten Minuten abkühlte, begannen sich Protonen und Neutronen zu bilden. Langsam kamen Protonen, Neutronen und Elektronen zusammen, um Wasserstoff und kleine Mengen Helium zu bilden. In den folgenden Milliarden von Jahren bildeten sich Sterne, Planeten und Galaxien, um das gegenwärtige Universum zu erschaffen.

Beweise für den Urknall

Also zurück zu Penzias und Wilson und dem CMB. Was sie gefunden haben (und für das sie einen Nobelpreis gewonnen haben), wird oft als das „Echo“ des Urknalls bezeichnet. Es hinterließ eine Signatur von sich selbst, genau wie ein Echo, das in einer Schlucht zu hören ist, eine „Signatur“ des Originaltons darstellt. Der Unterschied besteht darin, dass der Urknall anstelle eines hörbaren Echos eine Hitzesignatur im gesamten Raum darstellt. Diese Signatur wurde speziell vom Weltraumfahrzeug Cosmic Background Explorer (COBE) und der Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) untersucht. Ihre Daten liefern den klarsten Beweis für das kosmische Geburtsereignis. 

Das detaillierte Himmelsbild des Säuglingsuniversums, das aus sieben Jahren WMAP-Daten erstellt wurde. Das Bild zeigt 13,7 Milliarden Jahre alte Temperaturschwankungen (dargestellt als Farbunterschiede), die den Samen entsprechen, die gewachsen sind, um die Galaxien zu werden. NASA / WMAP-Wissenschaftsteam

Alternativen zur Urknalltheorie

Während die Urknalltheorie das am weitesten verbreitete Modell ist, das die Ursprünge des Universums erklärt und von allen Beobachtungsnachweisen gestützt wird, gibt es andere Modelle, die dieselben Nachweise verwenden, um eine etwas andere Geschichte zu erzählen.

Einige Theoretiker argumentieren, dass die Urknalltheorie auf einer falschen Prämisse beruht - dass das Universum auf einer sich immer weiter ausdehnenden Raumzeit aufgebaut ist. Sie deuten auf ein statisches Universum hin, wie es ursprünglich von Einsteins Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagt wurde. Einsteins Theorie wurde erst später modifiziert, um der Art und Weise Rechnung zu tragen, wie sich das Universum auszudehnen scheint. Und Expansion ist ein großer Teil der Geschichte, vor allem da es sich um die Existenz von dunkler Energie handelt. Schließlich scheint eine Neuberechnung der Masse des Universums die Urknalltheorie der Ereignisse zu stützen. 

Während unser Verständnis der tatsächlichen Ereignisse noch unvollständig ist, helfen CMB-Daten dabei, die Theorien zu formen, die die Geburt des Kosmos erklären. Ohne den Urknall könnten keine Sterne, Galaxien, Planeten oder Leben existieren.