Das klassische Urknall-Modell im Vergleich zum Steady-State-Modell. Probleme und Erklärungspotenzial


Facharbeit (Schule), 2015

19 Seiten, Note: 1,56


Leseprobe

1. Einleitung

Die Frage nach dem Anfang der Welt war schon immer eine Frage, die die Gedanken der Menschen anregte. Dabei spielt es zunächst keine Rolle, welcher Überzeugung man ist und welcher Profession man nachgeht, egal ob man nun Theologe, Physiker oder Esoteriker ist.

Jeder, der sich schon einmal Gedanken über den Anfang des Universums, den Anfang des Seins, gemacht hat, weiß um die unglaubliche Faszination, die dort hinter steckt. Man wird allerdings auch die Erfahrung machen, dass der Urknall die Vorstellungskraft eines jeden bei weitem übersteigt, was nicht überraschend ist, weil wie sollte man sich ein Universum vorstellen, das um ein Vielfaches kleiner ist als ein Proton, wie sollte man sich vorstellen, dass alles, was wir heute im Universum beobachten können, in einem solchen Punkt konzentriert war.

Die Urknallhypothese besagt, dass das Universum schlagartig aus besagtem unendlich kleinen Punkt (Singularität) expandierte und, dass es das heute mit steigender Geschwindigkeit immer noch tut. Im Gegensatz dazu steht die Steady-State-Theorie, sie besagt, dass das Universum keinen Anfang besitzt, sich aber dennoch ausdehnt und dabei immer wieder neue Materie entsteht, sodass die Dichte des Universums stetig konstant bleibt, ganz im Gegenteil zur Urknalltheorie, in der sich die Dichte immer weiter verringert, da sich das Universum ausdehnt.

Der Urknall war der Beginn von allem. Die gesamte Materie und die gesamte Energie, die wir heute im Universum sehen und messen können sind im Urknall entstanden, des Weiteren sind mit dem Urknall Raum und Zeit erst entstanden. Viele Leute stellen sich den Urknall als eine Explosion vor und genau so wird er auch oft in den Medien dargestellt. Diese Vorstellung ist jedoch falsch. Es gab keinen Raum in dem sich die Explosion hätte ausbreiten können, Raum und Zeit sind ja erst mit dem Urknall entstanden. Auch das übersteigt unsere Vorstellungskraft vollständig, man kann sich nämlich nicht das Nichts vorstellen, man kann sich nicht als Beobachter im Nichts aufhalten und den Urknall beobachten.

Schon der Name lässt auf einen häufig gemachten Irrtum schließen. Ur“knall“ impliziert, dass sich Schall in irgendeiner Art und Weise ausgebreitet hätte, aber auch diese Annahme ist, aus den gleichen Gründen wie bei der Explosion, falsch. Es erwies sich jedoch als äußert schwierig, einen passenderen Namen für ein solches Ereignis zu finden und da der Begriff „Urknall“ am greifbarsten erschien, wurde er als Standard genommen.

Macht man sich abseits der Vorstellungsprobleme klar, was der Urknall bedeutet, was in den ersten Sekunden des Universums geschah und was die Gründe dafür sind, dass wir heute existieren und uns darüber Gedanken machen können, ist es für mich das wohl spannendste Thema der Physik.

2. Entstehung der Urknallhypothese

Den Grundstein dafür, dass heute Kosmologie betrieben werden kann, bildet Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie (1915). Den Grundstein für das Urknall-Modell legte jedoch, im Jahre 1922, der russische Physiker und Mathematiker Alexander Friedmann. Friedmann ging davon aus, dass sich das Universum relativistisch ausdehne, hierzu stellte er die Friedmann-Gleichungen auf. Weil es allerdings keinerlei astronomische Beobachtungen zur Expansion des Universums gab, wurde seine Theorie nur wenig beachtet.

Der belgische Theologe, Priester und Astrophysiker Georges Lemaître entwickelte im Jahre 1931 die Theorie über den Urknall weiter und behauptete, dass das Universum aus einem einzigen „Uratom“ heraus entstanden sei. Er kam als erster auf die Idee, dass sich aufgrund dieser Systematik eine Proportionalität von Entfernung und Fluchtgeschwindigkeit astronomischer Objekte, wie Galaxien oder Sterne, ableiten lässt. Diese Idee stütze er auf die Beobachtungen, die Edwin Hubble am Ende der 1920er Jahre gemacht hatte.1

1929 gelang es dem amerikanischen Astronom Edwin Hubble die Expansion des Universums nachzuweisen. Durch Entfernungsmessungen an den Cepheiden, einer Gruppe von Pulsationsveränderlichen Sternen, hat er die Proportionalität zwischen der Rotverschiebung der Galaxien und ihrer Entfernung zum Beobachter bewiesen. Die Rotverschiebung ist ein Effekt, welcher sich mit dem Doppler-Effekt, wie er in der allgemeinen Relativitätstheorie, mit veränderter Geometrie auftaucht, erklären lässt. Kommt z.B. eine Schallquelle auf den Hörer zu, so wird die Frequenz des Schalls höher, sobald sich die Schallquelle wieder vom Hörer entfernt wird die Frequenz des Schalls niedriger. Genau der gleiche kinematische Effekt lässt sich auch bei elektromagnetischer Strahlung, dem Licht, beobachten. Entfernt sich eine Galaxie von uns wird ihr Licht für den Beobachter ins langwellige Spektrum, ins rote, verschoben, bewegt sich die Galaxie jedoch auf den Beobachter zu, wird das Licht ins kurzwellige Spektrum, ins blaue, verschoben.

Heutige Messungen zeigen außerdem, dass sich weit entfernte Galaxien viel schneller von uns entfernen als die nahen Galaxien, genau wie es Lemaître vorhergesagt hatte.

Im Laufe von vielen Jahren wurde die Urknallhypothese immer weiter verfeinert und neue Komponenten wurden hinzugefügt, die heute von fundamentaler Bedeutung für die Kosmologie sind. So wurde von den amerikanischen Physikern Ralph Alpher, George Gamow und Robert Herman, die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung vorausgesagt. Diese Strahlung ist der erste Fingerabdruck des Universums und somit ist das Bild der Hintergrundstrahlung, welches die Raumsonde WMAP aufnahm, das erste und älteste Bild des Universums. Die Hintergrundstrahlung gilt außerdem als der Beweis dafür, dass die Urknallhypothese richtig sein muss.

2.1. Die Urknallhypothese

„Der Urknall bezeichnet keine Explosion in einem bestehenden Raum, sondern die gemeinsame Entstehung von Materie, Raum und Zeit aus einer ursprünglichen Singularität. […], es gibt in der heutigen Physik keine allgemein akzeptierte Theorie zum Zustand des Universums zu sehr frühen Zeiten, als seine Dichte der Planck- Dichte entsprach. Daher ist der Begriff „Urknall“ die Bezeichnung eines formalen Punktes, der durch Betrachtung des kosmologischen Modells eines expandierenden Universums über den Gültigkeitsbereich der zugrunde liegenden allgemeinen Relativitätstheorie hinaus erreicht wird.“2

Nach dem Standartmodell der Kosmologie liegt der Ursprung des Universums - also von Raum, Zeit, Materie und Energie - in einem unglaublich gewaltigen Ereignis, das vor etwa 13.77 ± 0.059 Milliarden Jahren3 stattfand, dem Urknall.

Zu Beginn des Universums war all die Energie in einem winzig kleinen Punkt konzentriert, der sich binnen kurzer Zeit erstaunlich schnell ausdehnte, nämlich um den Faktor 1026. Die Temperatur des Urknalls, am Anfang, betrug 1028 °C. Das Universum expandierte in einer bestimmten Phase, der inflationären Ära, mit einer so enormen Geschwindigkeit, sodass schon nach einer Sekunde ein Durchmesser von 10 Lichtjahren erreicht worden ist.

Nach jener inflationären Ära durchlief das Universum einige andere Ären, in denen sich letztendlich die Elementarteilchen und die uns heute bekannten Grundkräfte der Physik, die Gravitation, die Elektromagnetische Wechselwirkung, die schwache Kernkraft und die strake Kernkraft entwickelten.

Während des Verlaufes der Ären expandierte das Universum unaufhörlich weiter und kühlte sich in Folge dessen immer weiter ab. Bis heute dehnt sich das Universum immer weiter aus, und dies sogar beschleunigt. Aufgrund dessen liegt die heutige Temperatur des Universums bei etwa 2,7 K (-270,45°C)4, bei einem Durchmesser von ca. 93 Mrd. Lichtjahren.5

Zu beachten ist, dass es sich hierbei nur um eine Hypothese handelt. Die genaue Erforschung des Urknalls ist ein großer Teil der modernen Kosmologie und der theoretischen Physik. Allerdings scheint alles darauf hinzuweisen, dass die Urknalltheorie eine sehr gute Theorie ist, denn sie macht Vorhersagen, die in großen Teilen bestätigt worden sind. Die Forscher können jedoch nicht genau erfahren, was sich in den ersten 400.000 Jahren des Universums abgespielt hat, weil sie von dort niemals Information erhalten werden. Die ersten Photonen entkoppelten sich nämlich erst nach ca. 400.000 Jahren von der Materie und genau da wird den Astronomen und Kosmologen die Grenze gesetzt.

2.2. Die Phasen des Universums

Das Universum durchlief eine Anzahl von Stadien, in denen sich die Geschichte des frühen Universums abspielte, gleichzeitig wurden in diesen Phasen auch die Voraussetzungen für die Gestalt des heutigen Universums geschaffen.

Da die heutigen physikalischen Theorien unter den extremen Bedingungen des Urknalls, nämlich extrem hohe Temperaturen und Raumdimensionen, die so klein sind, dass Beschreibungen dieser unmöglich sind, zusammenbrechen, gibt es für den Urknall selbst keine akzeptierte Theorie. Wendet man jedoch die physikalischen Theorien unmittelbar nach dem Ablauf des Urknalls an, so ergibt sich daraus, dass das Universum in den ersten Sekunden viele verschiedene sehr kurze Phasen durchlaufen haben muss. Die enorm hohen Energien des frühen Universums hatten zur Folge, dass viele Umwandlungsreaktionen stattfanden, in denen verschiedene Teilchensorten immer wieder miteinander wechselwirkten. Durch die fortschreitende Expansion kühlte sich das Universum immer weiter ab und einige der Reaktionen konnten nicht mehr stattfinden, da die für die jeweilige Reaktion spezifische Temperatur und damit Energie unterschritten wurde. Die Folge ist der stetige Verlust von Teilchen des hoch energetischen Niveaus. Die verschiedenen Phasen des frühen Universums und die in den Phasen vorhandenen Reaktionen sind definiert über die Temperatur, die während jener Phase herrschte.

2.2.1. Planck-Ära

Die erste Phase ist die sogenannte Planck-Ära, diese beschreibt den Zustand des Universums unmittelbar zu Anfang zu der Zeit t=0. Die uns bekannten physikalischen Gesetze brechen an diesem Punkt zusammen; die Begriffe von Raum und Zeit sind nicht definiert. In der Planck-Ära sind alle Grundkräfte noch in einer einzigen Kraft verschmolzen, der Urkraft. „[T=∞; E=∞; t=0]“6 /7

Mit dem Beginn der Expansion und damit dem Ende der Planck-Ära spaltete sich die Gravitation als eigenständige Kraft ab.

[...]


1 - Vgl. http://www.amnh.org/education/resources/rfl/web/essaybooks/cosmic/p_lemaitre.html

2 - http://de.wikipedia.org/wiki/Urknall

3 - http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_age.html

4 - http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~deboer/html/Lehre/HS2011/Temp_EntwHandout_Bett.pdf

5 - Extra Dimensions in Space and Time, Farzad Nekoogar, Lawrence Krauss, Itzhak Bars, John Terning, S.27

6 - Vgl. http://www-ekp.physik.uni-

karlsruhe.de/~deboer/html/Lehre/HS2011/Temp_EntwHandout_Bett.pdf

7 - Carole Stott, R. D. (2011). Space - Das Weltall: Eine einzigartige Reise durchs Universum. Dorling Kindersley

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Details

Titel
Das klassische Urknall-Modell im Vergleich zum Steady-State-Modell. Probleme und Erklärungspotenzial
Note
1,56
Autor
Jahr
2015
Seiten
19
Katalognummer
V303144
ISBN (eBook)
9783668015500
ISBN (Buch)
9783668015517
Dateigröße
973 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Urknall, Steady-State-Theorie, Vergleich, Urknall Geschichte, Steady-State-Theorie Geschichte, Flachheitsproblem, Horizontproblem, kosmische Hintergrundstrahlung, Physik Facharbeit, Urknall Facharbeit, Steady State Theorie Facharbeit, Urknall Vergleich, Astronomie, Kosmologie, Kosmologie Facharbeit, Sehr gute Facharbeit
Arbeit zitieren
Lars Claussen (Autor), 2015, Das klassische Urknall-Modell im Vergleich zum Steady-State-Modell. Probleme und Erklärungspotenzial, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/303144

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