Die Urknalltheorie verstehen

Die Urknalltheorie ist die vorherrschende Theorie des Ursprungs des Universums. Im Wesentlichen besagt diese Theorie, dass das Universum von einem Anfangspunkt oder einer Singularität aus begann, die sich über Milliarden von Jahren ausgedehnt hat, um das Universum zu formen, wie wir es heute kennen.

Frühe Entdeckungen des expandierenden Universums

1922 fand ein russischer Kosmologe und Mathematiker namens Alexander Friedman heraus, dass Lösungen für Albert Einsteins allgemeine Relativitätsfeldgleichungen zu einem expandierenden Universum führten. Als Gläubiger eines statischen, ewigen Universums fügte Einstein seinen Gleichungen eine kosmologische Konstante hinzu, "korrigierte" diesen "Fehler" und beseitigte damit die Ausdehnung. Er würde dies später den größten Fehler seines Lebens nennen.

Tatsächlich gab es bereits Beobachtungsnachweise für ein expandierendes Universum. 1912 beobachtete der amerikanische Astronom Vesto Slipher eine Spiralgalaxie, die zu dieser Zeit als "Spiralnebel" galt, da die Astronomen noch nicht wussten, dass es Galaxien jenseits der Milchstraße gab, und zeichnete deren Rotverschiebung, die Verschiebung einer Lichtquellenverschiebung, auf in Richtung des roten Endes des Lichtspektrums. Er beobachtete, dass sich alle diese Nebel von der Erde entfernten. Diese Ergebnisse waren zu dieser Zeit ziemlich umstritten und ihre vollständigen Auswirkungen wurden nicht berücksichtigt.

1924 konnte der Astronom Edwin Hubble die Entfernung zu diesen "Nebeln" messen und entdeckte, dass sie so weit entfernt waren, dass sie eigentlich nicht Teil der Milchstraße waren. Er hatte entdeckt, dass die Milchstraße nur eine von vielen Galaxien war und dass diese "Nebel" eigentlich Galaxien für sich waren.

Geburt des Urknalls

1927 berechnete der römisch-katholische Priester und Physiker Georges Lemaitre unabhängig die Friedman-Lösung und schlug erneut vor, dass sich das Universum ausdehnen müsse. Diese Theorie wurde von Hubble unterstützt, als er 1929 feststellte, dass es eine Korrelation zwischen der Entfernung der Galaxien und dem Ausmaß der Rotverschiebung im Licht dieser Galaxie gibt. Die fernen Galaxien bewegten sich schneller weg, genau das, was Lemaitres Lösungen vorhersagten.

Im Jahr 1931 ging Lemaitre mit seinen Vorhersagen weiter und extrapolierte die Zeit zurück, um herauszufinden, dass die Materie des Universums in der Vergangenheit zu einem bestimmten Zeitpunkt eine unendliche Dichte und Temperatur erreichen würde. Dies bedeutete, dass das Universum an einem unglaublich kleinen, dichten Punkt der Materie begonnen haben musste, der als "Uratom" bezeichnet wurde.

Die Tatsache, dass Lemaitre ein römisch-katholischer Priester war, beunruhigte einige, als er eine Theorie vorstellte, die dem Universum einen bestimmten Moment der "Schöpfung" präsentierte. In den 1920er und 1930er Jahren neigten die meisten Physiker wie Einstein dazu zu glauben, dass das Universum immer existiert habe. Im Wesentlichen wurde die Urknalltheorie von vielen Menschen als zu religiös angesehen.

Urknall gegen Steady State

Während mehrere Theorien für eine Zeit vorgestellt wurden, war es wirklich nur Fred Hoyles stationäre Theorie, die einen wirklichen Wettbewerb für Lemaitres Theorie darstellte. Ironischerweise war es Hoyle, der den Ausdruck "Urknall" während einer Radiosendung der 1950er Jahre geprägt hat und damit einen spöttischen Ausdruck für Lemaitres Theorie beabsichtigte.

Die Steady-State-Theorie sagte voraus, dass neue Materie so geschaffen wurde, dass Dichte und Temperatur des Universums über die Zeit konstant blieben, selbst während sich das Universum ausdehnte. Hoyle sagte auch voraus, dass durch den Prozess der Sternnukleosynthese dichtere Elemente aus Wasserstoff und Helium gebildet wurden, was sich im Gegensatz zur stationären Theorie als richtig erwiesen hat.

George Gamow - einer von Friedmans Schülern - war der Hauptvertreter der Urknalltheorie. Zusammen mit den Kollegen Ralph Alpher und Robert Herman sagte er die Strahlung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds (Cosmic Microwave Background, CMB) voraus, die als Überrest des Urknalls im gesamten Universum existieren sollte. Als sich Atome während der Rekombinationsperiode zu bilden begannen, ließen sie Mikrowellenstrahlung (eine Form von Licht) durch das Universum wandern, und Gamow sagte voraus, dass diese Mikrowellenstrahlung auch heute noch beobachtbar sein würde.

Die Debatte dauerte bis 1965, als Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson bei der Arbeit für Bell Telephone Laboratories auf die CMB stießen. Ihr Dicke-Radiometer, das für Radioastronomie und Satellitenkommunikation verwendet wurde, ermittelte eine Temperatur von 3,5 K (eine enge Übereinstimmung mit Alphers und Hermans Vorhersage von 5 K)..

Während der späten 1960er und frühen 1970er Jahre versuchten einige Befürworter der stationären Physik, diesen Befund zu erklären, während sie die Urknalltheorie leugneten. Am Ende des Jahrzehnts war jedoch klar, dass die CMB-Strahlung keine andere plausible Erklärung hatte. Für diese Entdeckung erhielten Penzias und Wilson 1978 den Nobelpreis für Physik.

Kosmische inflation

In Bezug auf die Urknalltheorie blieben jedoch einige Bedenken bestehen. Eines davon war das Problem der Homogenität. Die Wissenschaftler fragten: Warum sieht das Universum in Bezug auf Energie gleich aus, egal in welche Richtung man schaut? Die Urknalltheorie gibt dem frühen Universum keine Zeit, um ein thermisches Gleichgewicht zu erreichen, daher sollte es im gesamten Universum Unterschiede in der Energie geben.

1980 schlug der amerikanische Physiker Alan Guth offiziell die Inflationstheorie vor, um dieses und andere Probleme zu lösen. Diese Theorie besagt, dass es in den ersten Augenblicken nach dem Urknall zu einer extrem schnellen Expansion des aufkommenden Universums kam, die durch "Unterdruck - Vakuum - Energie" angetrieben wurde kann in irgendeiner Weise mit aktuellen Theorien der Dunklen Energie verwandt sein). Alternativ wurden in den letzten Jahren Inflationstheorien aufgestellt, die vom Konzept her ähnlich sind, aber geringfügig andere Details aufweisen.

Das Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) -Programm der NASA, das 2001 begann, hat Beweise geliefert, die eine Inflationsperiode im frühen Universum stark unterstützen. Dieser Beweis ist besonders stark in den Dreijahresdaten, die 2006 veröffentlicht wurden, obwohl es immer noch kleinere Inkonsistenzen mit der Theorie gibt. Der Nobelpreis für Physik 2006 wurde an John C. Mather und George Smoot verliehen, zwei wichtige Mitarbeiter des WMAP-Projekts.

Bestehende Kontroversen

Während die Urknalltheorie von der überwiegenden Mehrheit der Physiker akzeptiert wird, gibt es noch einige kleinere Fragen dazu. Am wichtigsten sind jedoch die Fragen, die die Theorie nicht einmal beantworten kann:

• Was gab es vor dem Urknall??
• Was hat den Urknall verursacht??
• Ist unser Universum das einzige?

Die Antworten auf diese Fragen mögen jenseits der Physik liegen, aber sie sind dennoch faszinierend, und Antworten wie die Multiversum-Hypothese bieten Wissenschaftlern und Nichtwissenschaftlern ein faszinierendes Spekulationsfeld.

Andere Namen für den Urknall

Als Lemaitre ursprünglich seine Beobachtung über das frühe Universum vorschlug, nannte er diesen frühen Zustand des Universums das Uratom. Jahre später würde George Gamow den Namen ylem dafür verwenden. Es wurde auch das Uratom oder sogar das kosmische Ei genannt.