Samstag, 29. April 2017

Die Inflation des Universums

Heutzutage weiß nahezu jeder Gymnasiast wie das Universum, also unser Weltall in dem wir leben, entstanden ist:  nämlich durch den Urknall. Aus einem winzigen Punkt heraus, der Singularität, sollen sich vor knapp 14 Milliarden Jahre (gemeinsam) Materie, Raum und Zeit entwickelt haben und durch Expansion unser Universum gestaltet haben.

Als Begründer der Urknall-Theorie gilt der belgische Theologe und Physiker Georges Lemaître. Im Jahr 1927 veröffentlichte er seine Ideen zur Expansion des Weltalls in einer wenig bekannten belgischen Fachzeitschrift - zwei Jahre früher als der weitaus berühmtere amerikanische Astronom Edwin Hubble, welcher auf der gleichen Spur war. Lemaître war aber bescheiden und versuchte sein Erstentdeckerecht nie durchzudrücken. Statt des Nobelpreises durfte er sich später mit dem päpstlichen Titel eines Prälaten schmücken.

Die Schwächen der Urknalltheorie

Aber das oben skizzierte einfache Urknallmodell konnte nicht ganz stimmen. Aus zumindest drei Gründen, wie die Kosmologen behaupten. Erstens: es müssten jede Menge "Monopole" im  Weltall umherschwirren. Das sind einpolige magnetische Elementarteilchen, die aber bislang noch niemand entdeckt hat. Stattdessen gibt es - in vergrössertem Maßstab - nur die bekannten zweipoligen Stab- oder Hufeisenmagnete, welche man beliebig oft unterteilen kann und die immer wieder sowohl einen Nord- als auch einen Südpol, also einen "Dipol" ausbilden, aber eben keinen Monopol.

Der zweite Grund ist ein geometrischer. Das heute sichtbare Universum weist keine "Raumkrümmung" auf. Stattdessen deuten alle Messungen darauf hin, dass das Weltall "flach" ist, wie (vergleichsweise) ein Stück Papier.

Und drittens: wenn man die Abstände der Sterne und Galaxien aufaddiert und die Fluchtgeschwindigkeit, wie Hubble sie gemessen hat, berücksichtigt, dann kommt man auf eine viel zu geringe Ausdehnung des Weltalls seit dem Urknall. Grob gesprochen, wäre das Universum heute nur eben mal so groß wie ein Fußball! Es könnte somit keine Sonnensysteme sowie Pflanzen, Tiere und Menschen behausen. Deshalb musste an dem simplen Urknallmodell von Lemaître etwas fundamental falsch sein.

Als rettende Hypothese:  die Inflation

Es war der 34-jährige MIT-Physikprofessor Alan H. Guth, der die Urknalltheorie vor dem Aus rettete, indem er sie durch seine Hypothese von der Inflation ergänzte. Dieser Begriff ist den allermeisten Menschen nur aus der Finanzwirtschaft bekannt und verheißt dort nichts Gutes. In der Astrophysik - und im Sinne des Amerikaners Guth - bedeutet er jedoch nicht Geldentwertung, sondern die kurzzeitige Aufblähung des Weltalls.

Als kosmologische Inflation wird eine Phase der extrem raschen Expansion des Weltalls bezeichnet, von der man annimmt, dass sie unmittelbar nach dem Urknall stattgefunden hat. In diesem Zeitbereich hat sich das Universum - innerhalb weniger als einer Millionstel Sekunde - um ca. 50 Zehnerpotenzen fast schon auf die heutige Größe aufgebläht. Nach Beendigung dieser Inflation setzte sich die Ausdehnung des Weltalls mit dem heute noch beobachtbaren Tempo fort. Die Annahme einer solchen inflationären Expansion erscheint einerseits willkürlich, löst aber andererseits all die oben genannten kosmologischen Probleme.

Wie es zu dieser gigantischen "Explosion" in der Frühphase des Weltalls kommen konnte, ist dem Laien schwer zu vermitteln, denn alle Erklärungen spielen sich auf der höchsten Ebene der mathematischen Physik ab. Die Astrophysiker sprechen von einer Zustandsänderung des skalaren Feldes; dieses sogenannte Inflatonfeld besitzt eine Zustandsgleichung mit negativem Druck, welche nach Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie zu einer abstoßenden Kraft führt. Verstanden? Einfacher gesprochen, kam es in dieser Vor-Inflationsphase beim sogenannten Vakuum zu einer Anhebung des Grundzustandes. Bei der gleich folgenden Absenkung dieser Anregung wurden riesige Energiemengen frei, welche das Weltall auseinander trieben.

Ich versuche es noch einfacher und grotesk simpel: unmittelbar nach dem Urknall wurde gewissermaßen ein "Akku" aufgeladen und im Bruchteil einer Sekunde wieder entladen, was zu der Ausdehnung des Weltalls führte. (Die kundigen Professoren des KIT, deren Hauptseminare in Astrophysik ich gelegentlich besuchen durfte, mögen mir diesen kruden Erklärungsversuch verzeihen). Bei diesem Inflationsübergang entstand auch das Higgs-Feld, welches allen Elementarteilchen ihre Masse (also ihr Gewicht) verlieh. Der Strukturwandel im damaligen Weltall geschah so schnell, dass in weniger als einer Billiardstel Sekunde ein Atomkern die Größe unserer Milchstraße erreichen konnte! Damit breche ich ab, möchte aber vorher noch  vermerken, dass sich die Expansion mit vielfacher Lichtgeschwindigkeit abgespielt haben muss, was in dieser speziellen Situation  möglich war und nicht gegen Einsteins Gebot von der konstanten Lichtgeschwindigkeit verstoßen hat.


Im Schnelldurchlauf: die Entwicklung des Universums

Im Laufe seiner fast 14 Milliarden Jahre andauernden Geschichte durchlief unser Universum etwa ein halbes Dutzend verschiedener Phasen mit krass unterschiedlicher Zeitdauer. Die Abbildung veranschaulicht illustrativ die wichtigsten Entwicklungsstadien des Universums, ist aber nicht maßstabsgetreu.


Entwicklungsstadien unseres Universums


Der Urknall bildete den Anfang. Es war die kürzeste Phase, wobei man über die genaue Zeitdauer wenig sagen kann, da zu jener Zeit die Gesetze der Physik noch keine Gültigkeit hatten.

Die Inflation, also die dramatische Aufblähung des frühen Universums, dauerte nur den Bruchteil von einer Milliardstel Sekunde. Genauere Angaben versage ich mir, da eine Zeitdauer von 10 hoch minus 32 Sekunden für die meisten Zeitgenossen wenig anschaulich ist.

Nach 1 Sekunde hatten sich alle Wasserstoffkerne (Protonen) und Neutronen gebildet. Die Astrophysiker haben hierfür den eingängigen Namen Primordiale Nukleonensynthese geprägt.

Nach drei Minuten war durch Fusion ein Großteil der Heliumatomkerne entstanden, sowie Spuren leichterer Kerne bis hin zum Lithium und Beryllium. 

Nach ca. 400.000 Jahren wurde das Universum durchsichtig, weil die Lichtteilchen (Photonen) nicht mehr von den überall umher schwirrenden Elektronen behindert wurden. Diese vereinigten sich mit den oben genannten Atomkernen zu den leichten Atomen, wie Wasserstoff, Helium etc.

Nach ca. 1 Milliarde Jahren bildeten sich im Weltraum die ersten Galaxien, Sterne und (vermutlich) Gasplaneten heraus. Danach kam es immer wieder zu Supernova-Explosionen, bei denen die restlichen Elemente bis zum Uran durch Fusion erzeugt wurden.

Nach ca. 9,2 Milliarden Jahren enstand unser Sonnensystem mit der Sonne als Zentralstern und dem Planet Erde als Gesteinsstern. Etwa 1 Milliarde Jahre später bildete sich bakterielles Leben.

Nach 13,8 Milliarden Jahren (Jetztzeit) besiedelt der Mensch - seit ca. 0,003 Milliarden Jahre - die Erde. Vor wenigen Jahren haben die Weltraumforscher nachgewiesen, dass sich (vermutlich wegen der Dunklen Energie) das Universum beschleunigt (und wahrscheinlich endlos) ausdehnt.

Nach ca. 1.000 Milliarden Jahren werden (spekulativ!)) alle Galaxien, Sterne und Planeten "verdunstet" , oder in einem riesigen "Schwarzen Loch" konzentriert sein. Fauna und Flora existieren nicht mehr.


Immer wieder wird von Laien die Frage gestellt: Was war vor dem Urknall?
Die Physiker haben darauf keine Antwort parat.
Ausgenommen Prälat Lemaître; er sagte (augenzwinkernd):
Vor dem Urknall hat der Teufel die Hölle geschaffen.

1 Kommentar:

  1. Lieber Herr Marth,
    vielen Dank für die verständliche Darstellung der "Schwächen der Urknalltheorie". Insbesondere die rettende "Inflationsthese" erscheint ausserordentlich unwahrscheinlich, auch wenn in diesem Zeitpunkt die heutigen physikalischen Regeln nicht anwendbar sind.

    Bei Ihrem insoweit wunderschönen Blog fehlt mir daher ein Hinweis auf andere Theorien für die Entstehung des Weltalls, die es doch sicher gibt, auch wenn sie heute nur noch ganz am Rande vertreten werden sollten.
    Ich würde mich daher über einen Blog aus Ihrer Feder zu den "Alternativen" freuen, die es zur Urknalltheorie gibt.
    G.S.Karlsruhe

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