Einführung in die Kosmologie. Historische Hintergründe und aktueller Forschungsstand


Wissenschaftlicher Aufsatz, 2017

45 Seiten


Leseprobe

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Vorwort
Bis vor nicht allzu langer Zeit war die Kosmologie
(Lehre vom Weltall) eine Wissenschaft der Spekulation,
weil es keine Möglichkeiten gab, das All zu untersuchen.
Man war auf das bloße Auge und kaum hilfreiche
technische Instrumente angewiesen, mehr über das zu
erfahren, was bis dato als Himmel bezeichnet wurde.
Allerdings interessierten sich die Menschen schon immer
dafür. Sie saßen des Nachts ohne Beleuchtung im Freien
und schauten in den Himmel, sahen die vielen Lichter,
leuchtende Punkte, und fragten sich, was das sei.
Mit dem rasanten Fortschritt der Technik im 20.
Jahrhundert wuchsen die Möglichkeiten der Forscher,
über den Himmel etwas zu erfahren, immens an. Genannt
sei hier insbesondere das H
UBBLE
-Teleskop, ein
Fernrohr, das oberhalb der Wolken und der Atmosphäre
frei im All schwebt, und für das so die Bedingungen für
eine Sicht in den Weltraum immer optimal sind. Die
Physiker und Ingenieure haben viele Instrumente
erfunden, die Bilder, die die Teleskope liefern, zu
erforschen. Das Wissen um die Zusammenhänge des
Lichts ist sehr weit gediehen, die Astronomie hat die
Himmelskörper untersucht und transparent gemacht, dem
menschlichen Geist ist kaum etwas von dem verborgen
geblieben, was mit gesundem Menschenverstand
begreifbar ist.
Doch heute geht die Forschung noch weiter. Mit Hilfe
abstrakter Theorien wird auch dem Unsichtbaren
nachgeforscht. Die Relativitätstheorie A. E
INSTEIN
s und
seine gekrümmten Räume, die Quantenmechanik mit
ihren unerklärlichen Phänomenen ­ all das fließt in die

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Wissenschaft vom All mit hinein und erschließt
unendliche Möglichkeiten der Interpretation empirischer
Forschung (Beobachtung und Versuch).
Dieser Kosmos an Wissen und Spekulation droht das
Haus der Physik nicht selten ins Wanken zu bringen und
es bedarf aufmerksamer Wächter in Forschung und
Lehre, Ideen auf ihre Kongruenz zum bestehenden
physikalischen Gebäude hin zu prüfen.
Dieses Büchlein handelt letztlich von einer solchen Idee
und dem Wunsch, sie auf den Prüfstein der Wächter zu
stellen. Sie, werter Leser, sind die Instanz, ob ihnen die
Idee gefällt. Es ist Ihnen überlassen, das Büchlein jetzt
zur Seite zu legen, oder sich mit mir auf die Reise durch
die Lehre vom All vom Gestern über das Heute bis hin
zum vielleicht Morgen in Gestalt der besagten Idee zu
begeben.

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Geschichtliches
Archäologen fanden heraus, das frühere Hochkulturen ­
die Maya, die Ägypter, die Griechen ­ in ihren Ansichten
über das Weltall schon sehr weit waren im Gegensatz zu
den Europäern, den Germanen. So waren für sie die
Sterne schon weit, weit im All verstreut, es gab schon
Planeten und sie ahnten auch, dass die Sonne nur ein
Stern unter vielen war. In Europa hingegen dauerte es
noch lange und es ging viele Umwege, bis man dieses
Wissen erreichte.
Ein frühes Bild des Weltalls war eine Scheibe, die im
Nichts schwebte und von einer Kuppel überspannt war,
in der Sonne, Mond und Sterne aufgehängt waren. Am
Abend fuhr ein Mann mit dem Wagen an dieser Kuppel
entlang und zündete die Lichtlein an. Auf der Scheibe
war eine Stadt zu sehen, Berge und das ganze war
umgeben vom Meer. So musste noch Kolumbus 1492
Angst haben, am Ende der Welt von ihrem Rand zu
fallen. Doch er ahnte ja bereits, dass die Erde eine Kugel
ist.
In Europa wurde die Kosmologie auch lange von der
Religion, der Kirche beherrscht. Die Gelehrten saßen
vorwiegend in ihnen. Zwar gab es Gelehrte auch
außerhalb der Kirche, aber sie sahen sich immer der
Macht der Kirche ausgeliefert. Die Kirche lehrte, dass
der Mensch und die Erde im Mittelpunkt des Kosmos zu
stehen haben, schließlich ist der Mensch als Ebenbild
Gottes geschaffen und Gott ist der Mittelpunkt. So wurde
die Wissenschaft lange in ihrem Fortschritt aufgehalten,
denn wer sich nicht an die Meinung der Kirche hielt, war
ein Ketzer und spielte mit seinem Leben. Noch heute ist

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für viele Menschen strittig, was die Wissenschaft heraus
findet. Noch immer wird der Papst befragt, ob es sein
könne, was die Wissenschaft aufzeigt. Der Vatikan hat
eine eigene Sternwarte und Wissenschaftler, die in ihren
Ergebnissen der Kirche verpflichtet sind.
Seltsame Weltmodelle wurden angefertigt, um die Erde
im Mittelpunkt stehen zu haben. Die Planeten vollzogen
Bahnen, die zwar mathematisch aber sicher nicht
physikalisch erklärbar sind, und die Wissenschaftler der
damaligen Zeit mussten sich auf Anordnung darüber die
Köpfe zerbrechen.
Seither hat sich das Wesen der Kosmologie in dieser
Weise gezeigt. Noch immer müssen sich bezahlte
Wissenschaftler auf Anordnung den Kopf zerbrechen,
wie aufgrund von Aussagen früherer Gelehrter die
modernen Forschungsergebnisse mit ihnen in Einklang
zu bringen sind, und das kostet sehr viel Geld. Doch
zugegebenermaßen sind die Ergebnisse der empirischen
Forschung oft auch so unbestechlich, dass ein Schritt
nach vorn gemacht wird.
Status Quo
Die Relativitätstheorie A. E
INSTEIN
s hat vielen wilden
Spekulationen über das All den Riegel vorgeschoben. Es
gehört sehr viel dazu, mit ihr rechnen zu können, und sie
ist in der Kosmologie das Nonplusultra geworden. An ihr
muss sich jede Idee messen lassen.
In E
INSTEIN
s Kosmologie ist das Weltall ein sphärischer
Raum. Zur Erklärung: Die Oberfläche der Erde ist eine
sphärische Fläche. B. R
IEMANN
hat 1854 entdeckt, dass

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die sphärische Gestalt nicht nur die zweidimensionale
Fläche betrifft, sondern auch für mehrdimensionale
Räume möglich ist.
E
INSTEIN
hat R
IEMANN
s Vermächtnis in seiner
Kosmologie aufgegriffen aus einem einfachen Grund:
Wenn die Erde schon nicht der Mittelpunkt des Weltalls
ist, so wird sie wohl auch nicht an einem bevorzugten
Punkt des Weltalls sein. Im Gegenteil. Er schlussfolgerte,
dass es an allen Orten im Universum so oder so ähnlich
aussieht, wie von der Erde aus ­ dass das Weltall also
keine Grenzen hat ­ genau wie die Oberfläche der Erde,
aber nicht unendlich groß ist, genau wie die Oberfläche
der Erde. Da es sich aber beim Weltall um einen Raum
handelt, muss es ein sphärischer Raum sein, eben der
R
IEMANN
'sche. Eine vollkommene Kugel wird es nicht
sein ­ es gibt auch ellipsoide sphärische Räume ­ aber
wohl doch eher eine Kugel.
Mann kann sich über einen sphärischen Kugelraum
folgende Gedanken machen. Einmal wäre da die Gestalt:
Die Oberfläche der Erde ist eine Kugeloberfläche einer
dreidimensionalen Kugel. Ein sphärischer Kugelraum ist
die Oberfläche einer vierdimensionalen Kugel, wobei,
zugegeben, sich auch kaum jemand einen
vierdimensionalen Körper vorstellen kann. Zum anderen
aber ist ein sphärischer Raum gekrümmt, dergestalt, dass
Lichtstrahlen in ihm Kreise beschreiben. In einem
sphärischen Universum kann man nach vorne einen
Lichtstrahl aussenden und irgendwann erreicht einen
dieser von hinten, einfach deshalb, weil Lichtstrahlen der
Raumkrümmung folgen. Berechnungen in diesen
Räumen sind sehr schwierig.

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In neuester Zeit beginnt die Wissenschaft, sich mit der
Frage zu beschäftigen, woher all die Materie im
Universum kommt. Bislang wird sie als vorhanden
vorausgesetzt, denn sie ist offensichtlich da. Die Frage
nach dem Woher wurde nicht gestellt und konnte auch
nicht beantwortet werden.
Heute zeigen Messungen, dass aus einem Teilchen auch
zwei werden können, dass sie beide wieder verschwinden
können, aber selten mal auch eins oder beide bleiben.
Das nennt man Quantenfluktuation. S. H
AWKING
hat
dazu ein Buch geschrieben.
Die Quantenwelt ist noch immer im Kommen und es
bleibt zu erwarten, ob Materie nicht doch und zwar
wissenschaftlich gesichert aus dem Nichts entstehen
könnte. Allerdings haben sich Weltmodelle, die auf
dieser Vorstellung basieren bislang noch nicht etablieren
können. Etabliert ist und bleibt die Vorstellung von der
Materie, die immer da war, auch ganz zu Beginn des
Universums.
Der Fortschritt der Technologie hat Mitte des letzten
Jahrhunderts die bahnbrechende Entdeckung E. H
UBBLE
s
möglich gemacht. Bei seinen astronomischen
Beobachtungen entdeckte H
UBBLE
zwischen all den
Sternen merkwürdige Nebelsterne. Er nannte diese
Nebel. Seine Untersuchungen ergaben, dass diese sehr,
sehr weit weg sein müssten. Er begann zu verstehen, dass
diese Nebel Sternenhaufen sind und er verstand auch,
dass unsere Sonne, unser Sonnensystem, Teil eines
solchen Nebels ist. Er taufte sie Galaxien in Anlehnung
an unsere Milchstraße, die am Himmelszelt zu sehen ist
und die wohl unsere Heimatgalaxie zeigt.

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Er untersuchte diese Nebel, und stellte aufgrund einer
Spektralanalyse fest, dass diese sich rasend schnell von
uns entfernen, und zwar umso schneller, desto weiter
weg sie sind. Daraufhin wurde der Begriff
expandierendes Weltall geboren. Er hat nämlich erkannt,
dass sich alles um uns herum auf geheimnisvolle Art und
Weise von uns entfernt. Das lässt mehrere
Schlussfolgerungen zu:
Zum einen wird das Weltall immer größer. Damit aber
nicht genug ­ wenn es bei uns so aussieht, dass sich von
uns alles entfernt, dann sind wir entweder der
Mittelpunkt des Weltalls, und das ist höchst
unwahrscheinlich, sondern vielmehr bedeutet das, das
unser Weltall sphärisch ist, denn dann und nur dann sieht
es von jedem Punkt im All so aus, als ströme alles von
ihm weg.
Es gibt auf einer Kugeloberfläche keinen bevorzugten
Punkt. Auf die Frage hin, wo liegt ihr Mittelpunkt ­ jede
Fläche hat doch einen Mittelpunkt ­ kann man ohne
Zuhilfenahme der dritten Dimension keinen Mittelpunkt
feststellen. Schnitte man die Fläche an jedem beliebigen
Punkt symmetrisch auf, so kann jeder Punkt der
Mittelpunkt sein, und so und nicht anders ist es auch mit
dem sphärischen Raum.
Dann aber kam die alles entscheidende Schlussfolgerung
H
UBBLES
: Wenn alles auseinander ströme, dann müsste
ja auch einmal alles zusammen gewesen sein, in einem
Punkt vereinigt, und von diesem aus ist dann die
Expansion losgegangen. Damit war die Idee vom Urknall
losgetreten. Alle Materie, alle Sterne und Galaxien waren
mal in einem Punkt zusammengequetscht und sind dann
explodiert, so dass auch gleich die Energie für die
fortscheitende Expansion mitgeliefert wurde. Ähnlich

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hatte es schon Jahre vorher G. L
EMAITRE
gesehen,
allerdings fehlten ihm noch die Beweise.
Zur Erklärung: H
UBBLE
konnte anhand des Spektrums
des Lichts der Galaxien sehen, dass dieses ins Rote
verschoben war. Nach dem Doppler-Effekt bedeutete
dies ein Fortstreben, ähnlich wie das Motorengeräusch
eines Rennwagens, der an einem vorbei fährt und sich
dann entfernt.
Man betreibt die Forschungen H
UBBLE
s heutzutage
immer noch nach fast dem gleichen Prinzip nur mit viel,
viel besseren Mitteln. Die Forscher sind bestrebt, die
mathematische Konstante, nach der sich die Galaxien
entfernen immer genauer herauszuarbeiten. Hierzu
schaute man immer tiefer ins Weltall, nahm immer
jüngere Galaxien aufs Korn, und was stellte man fest?
Zwar gilt nach wie vor, dass weiter entfernte Galaxien
sich schneller entfernen, aber die Konstante wird kleiner,
umso tiefer man schaut. Wieder staunte die
Wissenschaftlergemeinde, als die Schlussfolgerung
gestellt wurde, heute expandiert, dehnt sich das
Universum stärker, schneller als früher! Der Begriff
beschleunigte Expansion war geboren.
Man ist mit der Beobachtung schon ganz am sichtbaren
Rand des Universums angelangt, dem kosmischen
Horizont, und es kann gut sein, schaute man darüber
hinaus, sänke die Konstante noch weiter ab. Und so heißt
sie heute auch nicht mehr H
UBBLE
-Konstante, sondern
H
UBBLE
-Parameter.
Man nimmt heute an, dass dort, wo das Sichtfeld in den
Kosmos endet, auch das Universum beginnt, oder
zumindest kurz dahinter. Diese Meinung hat sich

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etabliert, wird aber mittlerweile von einigen Tollkühnen
auch schon angezweifelt.
So ist es ja auch so, dass eine Antwort auf die Frage, wie
alt denn unser Universum sei, gesucht wurde. Man nahm
dann an, dies ergäbe sich nach dem tiefsten Wert des
H
UBBLE
-Parameters, obwohl doch festgestellt worden
war, dass sich die Dichte der Sternen und
Galaxienansammlung in der Tiefe des Weltalls, an
seinem prognostizierten Anfang also, gar nicht verändert
hatte, und niemand stellte auch die Frage, wieso denn
schon am Anfang der Welt alles genauso aussieht wie
heute ­ müsste sich das denn nicht erst entwickeln?
Die umfassende Theorie zu diesem Phänomen ist die der
Inflation, die hier nicht behandelt wird. Sie besagt u.a.,
dass sich das Universum in einem sehr kleinen
Sekundenbruchteil um einen riesigen Faktor vergrößert
hat. Diese Theorie macht das etablierte Modell von
Entstehung und Entwicklung des Kosmos überhaupt erst
möglich. Tatsächlich aber muss das Universum schon zu
Zeiten, die das Ende des sichtbaren Universums betrifft,
eine sehr lange und durchgreifende Entwicklung
durchgemacht haben. Der Umstand, dass der H
UBBLE
-
Parameter hier die Null durchschneidet, kann nicht der
Grund für die Annahme einer so übereilten Entwicklung
sein.
Für den Urknall hat sich ein Beweis etabliert. P
ENZIAS
und W
ILSON
fanden bei ihren Forschungen nach
natürlicher Strahlung heraus, dass es ein Grundrauschen
gibt. Dieses Grundrauschen existiert unabhängig von Ort
und Richtung im gesamten Universum. Es handelt sich
dabei um 410 Photonen in jedem Kubikzentimeter Raum.
Es wurde interpretiert als das Überbleibsel des Urknalls.
Ende der Leseprobe aus 45 Seiten

Details

Titel
Einführung in die Kosmologie. Historische Hintergründe und aktueller Forschungsstand
Hochschule
Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
Autor
Jahr
2017
Seiten
45
Katalognummer
V376051
ISBN (eBook)
9783668533745
ISBN (Buch)
9783668533752
Dateigröße
678 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
einführung, kosmologie, historische, hintergründe, forschungsstand
Arbeit zitieren
Daniel Adamczyk (Autor), 2017, Einführung in die Kosmologie. Historische Hintergründe und aktueller Forschungsstand, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/376051

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