Es begab sich vor ca. 13,8 Milliarden Jahren, zu einer Zeit, an der es noch keine Materie gab, aber unglaubliche hohe Energie verteilt auf einen, aus heutiger Sicht, winzigen Raum etwas ungeheuerliches. Wir nennen diesen Zeitpunkt t=0. Ein Angehöriger bestehend aus lebender Materie wird 13,8 Milliarden Jahre später vom Tag ohne Gestern sprechen. Was genau dieses Ereignis bei t=0 ausgelöst hat, ist unbekannt, fest steht nur, wie schon gesagt, dass viel Energie im Spiel war und diese konzentriert auf einen sub-atomaren Bereich. Daher war es “dort” auch ziemlich heiß, richtig heiß (ca. 10 hoch 32 Kelvin).
Eine Plank Zeit später, also wirklich nicht viel später und streng genommen gab es noch gar nicht so etwas wie Zeit und Raum, kann es so etwas wie eine vereinigte Urkraft gegeben haben. Welche Urkräfte kennt man heute? Da wären zu nennen:
- Die starke Kernkraft
- Die elektromagnetische Kraft
- Die schwache Kernkraft
- Die Gravitation (die nach Einstein, und seiner Allgemeinen Relativitätstheorie eher als eine Fähigkeit von Masse ist, die Raumeigenschaft zu verändern).
Ich möchte dabei noch die Kräfteverhältnisse zwischen diesen Elementarkräften an einem Diagramm verdeutlichen. Normiert man die stärkste der Kräfte, die starke Kernkraft, auf eins, ergeben sich folgende Verhältnisse:
Man sieht die Dominanz der starken Kernkraft, die z.B. den positiv geladenen Kern bestehend aus Protonen und Neutronen mit Hilfe der Gluonen zusammenhält. Ebenso halten sie die Quarks, aus denen die Protonen und Neutronen bestehen, zusammen.
Doch ihre Reichweite ist dafür winzig, sie fällt mit R 7, wenn R der Abstand zwischen zwei Teilchen ist.
Als mittel starke Kraft gilt die elektromagnetische Kraft. Sie verhindert immerhin, dass wir im Boden versinken, auch wenn wir es manchmal gerne täten. Denn die Größenverhältnisse im Mikrokosmos sind schon skurril. Der positive geladene Kern bestehend eben aus Protonen und Neutronen ist sehr konzentriert verteilt. Der Kern Aufenthaltsbereich ist dabei zwischen 20.000 bis 150.000 fach kleiner als der, der “umhüllenden” Elektronen. Es ist also genug Platz, um im Boden zu versinken aber die Außenelektronen unseres Körpers stoßen sich elektrisch ab mit den Außenelektronen des Bodens und so bleiben wir oben, gut so. Ja und die Gravitation, diese Kraft ist so winzig im Verhältnis zu den anderen Kräften, so dass man meinen könnte, sie spielt keine Rolle. Gemein hat sie mit der elektromagnetischen Kraft, dass sie mit R2 abfällt, wenn R der Abstand zwischen zwei Massen bzw. Ladungen sind. Die Gravitation jedoch wirkt, obwohl sie viel schwächer ist als die elektromagnetische Kraft, weit in den Raum hinein. Das liegt an zwei Dingen:
- Der Kosmos besteht hauptsächlich aus elektrisch neutraler Materie.
- Elektromagnetische Kräfte lassen sich abschirmen (Faradayscher Käfig) die Gravitationskraft aber nicht.
Aber ich bin schon schon wieder viel zu sehr im hier und jetzt, ich springe mal wieder zurück zum Zeitpunkt t=10-47s, das ist nämlich die Planck Zeitdauer. Die Quantenmechanik postuliert, dass unterhalb dieser Zeitdauer gar keine Wirkung, die eine Zustandsänderung eines Systems bewirken kann, eintreten kann (das wiederum liegt an der endlichen Geschwindigkeit von Licht). Aber das ist halt nur Theorie.
Zum Zeitbereich 10-47s < t < 10-35s gibt es immer noch keine genauen Vorstellungen, was da wirklich war. Man geht aber davon aus, dass die ersten Elementarteilchen sich “bildeten”, z.B. die Quarks und Anti Quarks. Mit diesem Satz ist man dann auch gleich im Teilchen Zoo der Atomphysiker gelandet. Dazu dann eine Abbildung, die man als Periodensystem der Elementarteilchen verstehen kann:
Elementarteilchen bedeutet, das ist die kleinste Einheit von Teilchen, man kann sie nicht weiter sinnvoll aufteilen. Wir bestehen hauptsächlich aus dem linken Baum den Quarks und Leptonen. Die Leptonen ist die Familie aller elektrisch negativ geladener Teilchen. Das stabilste und bekannteste Teilchen dieser Familie ist das Elektron. Die Quarks wiederum sind sehr schwach positiv geladen haben aber eine deutlich höhere Ruhemasse als das Elektron. Ich mache jetzt aber noch einen Schritt zurück, um die Quarks besser einzuordnen.
Aus der Schulzeit weiß man vielleicht noch, dass die Atome aus einem elektrisch positiv geladenen Atomkern und einer negativ geladenen Elektronenhülle aufgebaut sind. Die Elektronenhülle wird durch die Elektronen realisiert, die den positiv geladenen Kern neutralisieren. Der Atomkern wiederum besteht aus elektrisch positiv geladenen Protonen und Neutronen, die wie der Name schon sagt, elektrisch neutral sind. Aber im Gegensatz zum Elektron kann man das Proton und Neutron noch weiter aufspalten in Quarks und Gluonen:
Es gibt zwei Arten von Quarks: Die UP und DOWN Quarks. UP und DOWN steht für eine quantenmechanische Eigenschaft, die man sich wie eine Farbe vorstellen kann. Bis auf diese Farbe sind UP and DOWN Quarks komplett identisch, sie haben exakt die gleiche Ruhemasse und die gleiche positive elektrische Ladung. Aber hatten wir nicht in der Schule gelernt, dass gleichnamige Ladungen sich abstoßen. Wie können dann Quarks sich auf fm=femto Meter = 10-15 m nähern (siehe dazu nochmal die folgende Abbildung aus Wikipedia, die noch mit der Anmerkung garniert ist, wenn der untere Pfeil maßstabsgetreu eingezeichnet wäre, dann wäre er 100m lang).
Nun die Antwort, warum die Quarks nicht das Weite suchen sondern in fm Nähe zusammen hocken, von Abstandsgebot ist da keine Rede, darauf ist: Es sind die Gluonen. Die Gluonen gehören zu Klasse der Austauschteilchen. Sie realisieren die Kernkraft, die 100 mal stärker ist als die elektrische Coulomb Kraft. Diese Teilchen haben selber keine Ruhemasse aber bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit um die Quarks und “binden” sie dadurch wie durch eine Feder zusammen. Diese Gluonen halten aber auch insgesamt den Atomkern zusammen. Ein Helium Atomkern z.B. besteht aus zwei Protonen, die sich ja wieder stark elektrisch abstoßen sollten und auch tun aber die Bindungskraft der Gluonen, die mit Lichtgeschwindigkeit um die beiden Protonen sausen ist halt 100 mal stärker als die elektrische Abstoßung. Erst wenn die Atomkerne sehr groß werden (z.B. Uran mit 92 Protonen) schaffen es die Gluonen nicht mehr den Kern zusammenzuhalten und er zerfällt radioaktiv.
Ich hatte zuvor noch gesagt, dass sich Protonen und Neutronen eigentlich “nur” um die Anzahl von UP und DOWN Quarks unterscheiden. Protonen haben zwei UP Quarks und Neutronen nur eins. Die augenscheinlichste Konsequenz ist, dass in der zwei DOWN, ein UP Quark Konfiguration das System elektrisch neutral ist. Aber es fällt ein kleiner feiner, weiterer Unterschied auf. “Wiegt” man ein isoliertes Quark Teilchen und multipliziert es mal drei sollte man meinen, dass man die Masse eines Protons bzw. Neutrons bestimmt hätte. Es stellt sich aber heraus, dass sowohl Proton wie Neutron deutlich mehr Masse haben als die einzelnen Quark Massen zusammen. Die Erklärung ist wohl die berühmteste Physik Formel unseres Planeten: E = mc 2
Diese Formel besagt, das Energie und Materie im Grunde zwei Seiten einer Medaille sind. Energie kann in Materie und Materie in Energie umgewandelt werden. Der Wechselkurs, die Lichtgeschwindigkeit, stellt dabei einen gewaltigen Hebel dar. Die Gluonen, die selbst keine Ruhemasse haben aber auch nie in Ruhe sind und mit Lichtgeschwindigkeit um die Quarks “zischen” verleihen über ihre Bindungsenergie dem Quark/Gluonen System ein wesentlich höhere Energie und dementsprechend steigt auch die Masse dieses Systems. Der geneigte Leser kommt jetzt zum Ergebnis: Die drei Quarks mit dem Gluon werden dann doch hoffentlich gleich “schwer” sein bzw. gleiche Energie als System haben. Die Antwort ist, dass das Massenverhältnis zwischen Neutron und Proton 1,004 ist. Das Neutron ist also nur einen Hauch “schwerer” als das Proton, was wiederum auch bedeutet nach E = mc 2 es beinhaltet mehr Energie und das hat dramatische Konsequenzen, denn Systeme mit höherer Energie sind immer instabiler bzw. anfälliger als Systeme mit niedrigerer Energie.
Ein isoliertes Neutron, Teilchenbeschleuniger können diese z.B. erzeugen, existiert nur ca. 15 Minuten dann zerfällt es in seine Bestandteile Quarks und Gluonen. Das Proton wiederum ist stabil und existiert unbegrenzt auch im isolierten Zustand. Wäre das Masse Verhältnis zwischen Proton und Neutron andersherum, wir hätten ein vollkommen anderes Universum. Dort hätten sich nicht freie Elektronen zu den Atomkernen gesellt und zur baryonischer Materie geführt, aus der wie bestehen. Tja, es kommt manchmal doch auch auf den feinen Unterschied an.
Wieder zurück zum Zeitbereich 10-47s < t < 10-35s, ich gebe zu, weit sind wir noch nicht gekommen. Weiter geht’s mit dem Zeitinterval 10-35s < t < 10-13s (keine Sorge es geht nicht die “ganze” Zeit in diesen Intervallen weiter;-)). Auch für diesen Zeitbereich gibt es eher nur theoretische Annahmen. So nimmt man an, das alle heute bekannten Elementarteilchen und auch heute noch unbekannte (Stichwort: dunkle Materie) wohl schon in diesem Zeitraum vorlagen. Die Urkraft erfuhr ihre Aufspaltung in die oben benannten Grundkräfte, wobei schwache und starke Kernkraft, wohl zu diesem Zeitpunkt gleich stark waren. Und es begannt das erste “Aussterben” von Teilchen: den Antiteilchen.
Antiteilchen bzw. Antimaterie ist exakt das gleiche, wie die “normale” Materie nur dass alle elektrisch geladenen Teilchen exakt die umgekehrte Ladung besitzen. Man kann z.B. Anti Wasserstoff herstellen, bestehend aus einem negativ geladenen Proton und einem umhüllenden Positron. Das Spektrum von diesem Anti Wasserstoff ist exakt identisch zu dem des “normalen” Wasserstoffs. Bis auf die Ladung verhält sich Anti Wasserstoff exakt symmetrisch zu “unserem” bekannten Wasserstoff. Einstein hat mit seinem E = mc 2 vorhergesagt, dass man aus Licht Teilchen erzeugen kann. Der Breit-Wheeler Prozess hat dies konkretisiert. In diesem Prozess werden hoch energetische Gamma Photonen=(Lichtteilchen) zur Kollision gebracht und dabei entsteht pro Kollision ein Elektron-Positron Paar. Das Problem ist, dass Theorie und Praxis zeigen, dass bei der Umwandlung von Licht, das aus ruhe masselosen Teichen besteht (Photonen), in Masse behafte Teichen, (Elektron/Positron) immer ein Teilchen/Antiteilchen Paar entstehen muss. Was ist daran wieder problematisch? Wenn Materie auf Antimaterie trifft, was ja leicht passiert, da sie sich elektrisch anziehen, dann zerstrahlen sie wieder zu eine ruhe masselosen Photonen. Das wiederum bedeutet, wir dürften gar nicht existieren. Schlaue Physiker haben ausgerechnet, dass jedes fünf milliardste Teilchen kein Antiteilchen fand und daher als Masse behaftetes Teilchen der “normalen” Materie bestehen blieb. Es muss im frühen Universum eine kleine Asymmetrie bei der Umwandlung von Energie in Materie gegen haben. Nur warum, der Raum war ja viel kleiner als heute, die Materie/Anti Materie Paare hätten sich doch alle ausnahmslos finden müssen. Die Antwort der Physik: “No clou!”
Ab 10-13s ahnt der Urknall wahrscheinlich nicht, dass 13,8 Milliarden Jahre später eine Spezi, die sich Homo Sapien nennt, diese Phase als Mini Urknall experimentell auf ihrem Heimatplaneten nachstellen können. Dazu bauen sie unter einem schweren Bergmassiv Kilometer Lange Röhren, durch die winzige Teilchen auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden und zur Kollision gebracht werden. Diese Apparatur in der Schweiz (Large Hadron Colider = LHC) gehört zu der kompliziertesten, die je die Menschheit gebaut hat und hat etliche Milliarden an Steuergeldern der internationalen Staatengemeinschaft gekostet:
Bevor ich aber versuche zu beschreiben, was man in diesem LHC nun entdeckt, muss ich noch auf den Raum zu sprechen kommen, der sich von t=0 bis ca. 10-32 s gebildet haben soll. Es fing an mit subatomaren Größen. Abgesehen davon, dass man sich atomare Größenordnungen schlecht vorstellen kann, kann man sich subatomare Größenordnungen erst recht nicht vorstellen. Aber im oben genannten Zeitfenster soll sich der Raum um den Faktor 1030 bis 10100 ausgedehnt haben. Dies entspräche der Vergrößerung eines Protons (1,5fm s.o.) auf eine Kugel mit Radius Erde zur Sonne.
Dabei muss man eine Sache beachten, in dieser Zeit hat sich der Raum mit über Lichtgeschwindigkeit ausgedehnt. Gleichzeit gilt aber nach Einstein’s spezieller Relativitätstheorie, die auch zu E=mc2geführt hat, dass innerhalb dieses Raumes sich nichts schneller als mit der Lichtgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum = 3*108m/s fortbewegen kann. Das ist schwere Kost. Man fragt sich unweigerlich, wie sich etwas ausbreiten kann in etwas, was gar nicht existiert. Meine Erklärung ist, dass es schon eine Unendlichkeit gibt. Im Raum außerhalb unseres Universums gelten z.T. andere vielleicht sogar weniger Gesetze, als die wir in unserem Universum kennen. Wird dieses “Gebiet” vom Raum unseres expandierendem Universum erfasst gelten die uns bekannten Naturgesetze mit den oben genannten Grundkräften. Außerdem gilt z.B., dass innerhalb dieses Raumes nichts sich schneller fortbewegen kann als mit Lichtgeschwindigkeit (außer natürlich die Enterprise mit ihrem “Warp Speed” ;-)).
Nun wieder zurück zum Zeitbereich t >= 10-13, dem Zeitbereich, den wir im LHC simulieren können. Um in der Zeit auch etwas voran zu kommen, das ganze in tabellarischer Darstellung:
| Zeit | Action |
| Nach 10-13 | Bis zu diesem Zeitpunkt sind die Teilchenbeschleuniger heute in der Lage, die Situation des frühen Universums zu simulieren. Daher weiß man genau, welche Teilchen existierten, nämlich alle Teilchen des Standardmodells, also die Elementarteilchen sowie die Austauschteilchen der 3 Kräfte (Graviton wird noch gesucht). Es existierten noch keine Verbindungen zwischen Quarks, da die Energie der Teilchen noch zu hoch ist. |
| 10-10 bis 10-5 | Nach 10-10 Sekunden begann die Ära des Quark-Gluonen-Plasmas und das Universum hatte einen Radius von 300 Millionen Kilometern. Nach 10-5 Sekunden war das Universum so weit abgekühlt, dass sich Quarks zu Protonen und Neutronen verbinden konnten. Das Universum ist zu diesem Zeitpunkt so groß wie unser Sonnensystem. |
| Nach 300.000 Jahren | Erst nach etwa 300.000 Jahren ist das Universum auf etwa 3000 Kelvin abgekühlt und die Elektronen konnten sich an die Atomkerne binden. Die ersten Wasserstoffatome und Heliumatome entstehen (zur Info die Oberflächentemperatur unserer Sonne beträgt ca. 6000 Kelvin). |
| Nach 380.000 Jahren | Nach etwa 380.000 Jahren wird das Universum durchsichtig, und die Photonen können entweichen. Ab diesem Zeitpunkt ist das Universum beobachtbar. |
| … | … |
Hier noch eine Anmerkung zum Quark/Gluonen Plasma aus folgendem Link https://www.weltderphysik.de/mediathek/podcast/quark-gluon-plasma/
Für die Menschheit insbesondere Astronomen ist der Zeitpunkt ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall besonders. Nüchtern sagt der Physiker: “Ab diesem Zeitpunkt wurde das Universum elektrisch neutral und dadurch auch transparent”. Was bedeutet das? Die Zeit des Quark/Gluonen Plasma war längst abgelaufen, jedoch war das Universum noch immer unglaublich heiß und dicht. Zwar hatten sich Protonen, Neutronen und freie Elektronen gebildet. Diese fanden durch die Kernkräfte (Protonen/Neutronen) und elektrische Anziehung (Protonen/Elektronen) auch zusammen aber einerseits waren die kinetische Energie der Teilchen noch so hoch, dass bei Kollisionen Protonen/Elektronen Bindungen wieder aufgebrochen wurden andererseits gab es noch eine Klasse von Teilchen: “Die Photonen“. Photonen sind die Träger der elektro-magnetischen Strahlung. Zum Spektrum der elektromagnetischen Strahlung gehört unser Augenlicht mit Wellenlängen von 700 nm (Nanometer) (rot) bis hin zu 450 nm blau. Das gesamte EM Spektrum ist jedoch viel größer. Wir nehmen diese Strahlung eher als ein homogenes und kontinuierliches Gebilde war. Licht erscheint uns eher wie eine Welle (Beugung von Licht in Schatten Bereiche) oder als ein Bündel feiner Strahlen. Tatsächlich ist es ein “Stream” aus winzigen Energie Paketen, die eine spezifische Eigenfrequenz haben, die wir im uns sichtbaren Bereich als Farbe wahrnehmen. Die Energie dieser Pakete ist direkt Proportional zur Frequenz. Je blauer das Licht (also höhere Frequenz) um so energiereicher das Licht. Newton hatte diese Struktur des Lichtes vorhergesagt, da wir in Experimenten aber auch eine Wellennatur des Lichtes (Interferenzerscheinungen) feststellen können, blieb ein Widerspruch zu unserer Vorstellung von Licht. 1905 konnte Einstein aber die quantenhafte Natur des Lichtes auch widerspruchsfrei quantifizieren mit der Formel E = h*f. Die Energie eines Lichtteilchens ist proportional zu dessen Eigenfrequenz multipliziert mit der Konstante des planckschen Wirkungsquantum, die auf Max Planck zurückgeht, der wiederum unfreiwillig im Jahre 1900 mit der Theorie zur Strahlung des “schwarzen” Körpers die Physik Teildisziplin: Quanten Mechanik gegründet hatte. Seit Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effektes für den er den Nobelpreis erhielt (und damit die Scheidungsansprüche seiner Frau abgegolten hatte), spricht man vom Welle/Teilchen Dualismus. Das ist ganz hartes Brot und ich glaube diesen Dualismus hat noch keiner so richtig verstanden. Denn wir Menschen sind doch auf das “Entweder” bzw. “Oder” konditioniert und nicht auf das “sowohl als auch”.
Um den Zeitraum t>380.000 Jahre nach dem Urknall besser zu verstehen, reicht es aus, sich Licht als einen Art Strom von Schrotkugeln vorzustellen nur dass ihre Energie nicht von der Größe und Geschwindigkeit abhängt sondern von der Höhe ihrer Eigenfrequenz. Nun gab es zu dieser Zeit sehr viel Photonen. Woher kamen sie? Zum Teil wurden sie gebildet aus dieser ominösen Anfangsenergie zum Zeitpunkt t=0, ein weiterer Teil ergab sich aus der oben genannten Teilchen/Antiteilchen Annihilation, wie der Physiker den Lateiner bemüht. Wenn Materie auf Antimaterie trifft verschwindet die Materie und wandelt sich in “reine” Energie in Form eines Gama Photons um also in ein hoch energetisches Photon um. Diese Photonen schossen nun in dem noch kleinen Universum auf die sich gerade ausbildenden Wasserstoff und Helium Atome (also Protonen+Elektronen). Immer wenn ein Proton ein Elektron gerade eingefangen hatte, kam ein Photon um die Ecke und trennte mit seiner Energie die Bindung zwischen Elektron und Proton wieder auf. Es herrschte also ein wildes “Tontaubenschießen” fast 400.000 Jahre im Universum. Das hatte zwei Effekte:
- Zum einen konnten sich nicht stabil Atome, H und He, bilden,so wie wir sie kennen,
- Die Photonen (das Licht) konnte sich nicht ausbreiten, da die sich gerade bildenden Wasserstoff und Helium Atome im Weg waren.
Das änderte sich ca. 380.000 Jahre nach dem Urknall. Die Gesamt Durchschnittstemperatur des Kosmos hatte sich auf 3.000 Kelvin abgekühlt und die Zusammenstöße zwischen Protonen mit verbundenen Elektronen und Photonen nahmen ab und innerhalb einer relativ kurzen Zeit wurde der Kosmos zu einem sehr homogenen Wasserstoff (90%) und Helium (10%) Ballon. Gleichzeitig mit dem sich weiter ausdehnendem Raum kann sich das Ur Licht des Kosmos ausbreiten und einige 100 Millionen Jahre später kommt das Licht der Sonnen von mehreren 100 Milliarden entstehenden Galaxien hinzu.
Gibt es Belege für diese Story? Einige und ein ganz wesentlicher Beleg ist die kosmische Hintergrundstrahlung im englischen so schön “the after glow radiation” genannt. Die 50+ Generation, der ich angehöre, wird sie auch bestimmt schon gehört und sogar gesehen haben. Die Digitale Generation muss aber nicht darauf verzichten, denn es gibt ja Youtube:
Als Kind habe ich immer meinen Vater damit genervt, dass ich am Röhrenfernseher, die Sendereinstellung verstellte. Das Signal, was man zwischen den Sendefrequenzen empfing war sehr eintönig aber auch etwas schaurig. Ich fragte meinen Vater, was ist das für ein Signal, er sagte: “Das ist das thermische Rauschen der Bildröhre”. Das hörte sich gut an und ich glaubte es. Es sind aber die UR Photonen, die bei der Entstehung des Universums vor ca. 13,8 Milliarden Jahren mit entstanden. Diese Photonen durchdringen den gesamten Kosmos. Das Signal kommt (fast) vollkommen isotrop aus allen Richtungen. Pro cm3 befinden sich ca. 400 Photonen generiert mit dem Urknall.
Aus den ursprünglichen hoch energetischen Gama Strahlung wurden tief infrarote Photonen im cm Band. Diese starke Vergrößerung der Wellenlänge der UR Photonen hängt mit der unglaublichen Vergrößerung des Kosmos seit eben dieser Zeit zusammen. Mit der Vergrößerung des Raumes wurden die Wellenlänge der Photonen gestreckt wie eine Feder (siehe folgende Abbildung):
Die Strahlung kam aus dem UV Bereich, ging in den sichtbaren Bereich über und ist heute im cm Band, was einer Temperatur von 2,7 Kelvin. Das wichtigste Argument, dass diese Strahlung vom Urknall kommt, ist, dass der gesamte “beobachtbare” Weltraum, immerhin ein Gebiet mit dem Durchmesser von ca. 90 Milliarden Lichtjahren diese isotrope 2,7 Kelvin Strahlung aufweist. So ein groß ausgedehntes thermisches Gleichgewicht kann nur erklärt werden, wenn es einen zentralen Ursprung mit dem sich Raum ausbreitendem Universum hat.
Aber auch aus dieser Betrachtung ergibt sich wieder ein Problem. Wenn das entstandene Wasserstoff und Helium Gas vollkommen isotrop im Raum verteilt gewesen wäre, wie die isotrope Hintergrundstrahlung suggeriert, dann würde es uns nicht geben. Wasserstoff und Helium hätten sich schön gleichmäßig verteilt und das wäre es dann gewesen. Wie konnte aus so einer Ausgangslage 100 von Milliarden Galaxien (heute sind ca. 300 Milliarden Galaxien bekannt) entstehen und jede Galaxie “beherbergt” ca 200-400 Milliarden Sterne? Und jeder Stern beherbergt mindestens einen Planeten. Daher wollten es die Wissenschaftler genau wissen und haben die isotrope kosmische Hintergrund Strahlung ganz genau vermessen. Hier hat sich insbesondere die ESA (European Space Agency) mit ihrem Satelliten Planck sehr verdient gemacht:
Ich zitiere aus folgender Seite: https://www.leifiphysik.de/astronomie/kosmologie/grundwissen/kosmische-hintergrundstrahlung
Dennoch sind durch mehrere Satellitenexperimente (COBE, WMAP, Planck) kleine Variationen um die mittlere Temperatur von weniger als einem Millikelvin nachgewiesen worden.Diese Temperaturfluktuationen gelten als Hinweis auf eine leicht inhomogene Verteilung der Materie im frühen Universum. Diese dienten als gravitative Senken, in denen sich nach und nach Gas anhäufte und zu den ersten Sternen und Galaxien kondensierte. Nach heutiger Anschauung war in dem frühen, heißen Universum nur die Dunkle Materie in der Lage, solche Ansammlungen zu formen.
Die Häufigkeitsverteilung der Fluktuationen nach ihrer Winkelgröße lässt Rückschlüsse auf die Zusammensetzung des Universums zu. Demnach besteht der Kosmos zu 4,9% aus gewöhnlicher Materie, zu 26,8% aus Dunkler Materie und zu 68,3% aus Dunkler Energie
Ja jetzt muss ich zugeben, dass alles was ich bisher beschrieben habe nur auf 4,9% der Materie zutrifft aus der wir bestehen z.B. (Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Phosphat etc.). Zur dunklen Materie und dunklen Energie komme ich gleich. Zunächst hat man festgestellt, dass schon im Babyalter des Kosmos, 380.000 Jahre nach dem Urknall, die Materie nicht ganz isotrop verteilt war, sondern dass es Dichte Schwankungen gab. Diese haben dazu geführt, dass der Wasserstoff verklumpte und durch die Gravitation sich so verdichtet, dass der Wasserstoff sich entzündete und zu einem Kernfusionsreaktor wurde. So einen Kernfusionsreaktor nennt man dann eben auch Sonne:
Eine Sonne fusioniert Wasserstoff zu Helium (Wasserstoff hat ein Proton und Helium zwei). Dabei wird nach E=mc2 viel Energie frei, denn die zwei Protonen in der Helium Konfiguration sind wesentlich “leichter” als zwei einzelne Wasserstoff Protonen. Aber das reicht ja alles noch nicht, um Kreaturen aus DNA zu erklären. Am Ende des Lebenszyklus einer Sonne geht der Wasserstoffvorrat zur Neige und es kann weniger Energie erzeugt werden, die den Gegendruck zur Gravitation durch den Wasserstoff bildet. Dadurch steigt der Druck in der Sonne immer mehr und so kann sie dann auch schwerere Atome wie Sauerstoff (8 Protonen), Kohlenstoff (6 Protonen), Stickstoff (7 Protonen) etc. produzieren bis hin zu schweren radioaktiven Stoffen. Beim Supernova Prozess werden dann diese Brutstoffe in den inter-stellaren Raum geschleudert und mit etwas Glück kann daraus eine neue Sonne mit Planeten entstehen. Das sind dann wirklich nachhaltige “Recycling Prozesse”:
Aber bis heute ist nicht vollkommen geklärt, wie der Wasserstoff vom Anfangszustand verklumpen konnte, dass daraus Galaxien mit Sonnen und schwarzen Löchern entstanden. Die gängige Lehrmeinung ist, dass es neben unserer leuchtenden Materie, die mit elektromagnetischer Strahlung wechselwirkt noch eine dunkle Materie gibt, die nur gravitativ wechselwirkt. Die Teilchen dazu konnte man aber noch nicht messen, was wohl daran liegt, dass, wie ganz oben geschrieben, die Gravitation im Vergleich zu den anderen Kräften so schwach ist. Aber man fahndet fieberhaft nach diesen WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles).
Und so sieht er Universum schließlich heute aus:
Das ist natürlich eine typisch menschliche Sichtweise auf das Universum. Wir stecken natürlich mittendrin und schauen nicht von oben herab. Wir können nicht mal sagen wie groß die Würfelkanten Länge ist. Wir können “nur” eine Länge von 90 Milliarden Lichtjahre messen aber wahrscheinlich ist das Universum noch viel größer. Und was sieht man in obiger Grafik? Das meiste ist die Struktur der dunklen Materie, die wir gar nicht sehen können. Die dunkle Materie ist wie ein Art organisches Gerüst anzusehen, in deren Knotenpunkten sich die leuchtenden Galaxien des Universums eingenistet haben. Man glaubt, dass die Dunkle Materie versucht optimal den leeren Raum auszufüllen, was natürlich ein schwerer Kampf ist, weil sich der Raum immer schneller ausbreitet. Hierzu gibt es auch eine seltsame Analogie im zwei dimensionalen Raum auf der Erde:
Nun man sieht, da gibt es noch einige Fragen rund um bzw. innerhalb des Universums zu klären.
Eines der eindrucksvollsten Belege, dass die Urknall Theorie nicht nur eine abgekartete Verschwörungstheorie von Edwin Hubbel, der Preisboxer werden wollte, Georges Lemaître, der auch Priester war oder des begnadeten russischen Atom Physikers Georgi Antonowitsch Gamow ersonnen wurde, ist dieses Bild:
Ein beeindruckender Blick in die Dunkelheit des Weltalls. Man hat das Hubbel Teleskop so positioniert, dass es die Hälfte des Tages, während seiner Rotation um Erde und Sonne in das dunkle nichts schaut. Und in der Tat wir sehen da nichts aber das Hubble Teleskop hat eine super Kamera/Sensor, die eine sehr lange Belichtungszeit zulässt und dann sieht es mit einiger Verzögerung dieses Bild:
Jeder auch noch so kleiner Punkt der “Hubble Deep Field” Aufnahme stellt eine Galaxie dar. Dieses Bild hätten wir vor 9 Milliarden Jahren vom Universum gesehen, hätten wir unser Handy dabei gehabt. Wie man sieht, sind ganz viele Galaxien viel näher beieinander als heute.
Und nun zum 1. Weihnachtstag am 25.01.2021 rund 25 Jahre nach dem Hubble Launch soll ein noch größeres und leistungsfähigeres Weltraumteleskop uns noch einen tieferen Einblick in den Beginn des Universums liefern: James Webb Teleskop. Wenn alles gut geht, soll man mit dieser gigantischen Apparatur (Größe eines Tennisspielfeldes) bis zu 13 Milliarden Jahre zurück schauen können. Zur Info: Wenn wir in den Himmel schauen, ist das wegen der endlichen Lichtgeschwindigkeit immer ein Blick in die Vergangenheit. Licht was von der Sonne auf die Erde trifft, verließ acht Minuten vorher die Sonne. Die Sterne der Milchstraße, die wir am Abendhimmel beobachten können, haben ihr Licht vor einem bis tausend Jahren abgeschickt.
Um das viel geschriebene nochmal bildlich zu unterfüttern, diese schöne Grafik über den Urknall von https://www.gutefrage.net/frage/genaue-grafik-zur-expansion-des-universums
Fazit?
Obwohl ich als Ingenieur natürlich begeistert bin, was alles möglich ist und letztlich auf der Theorie weniger hochintelligenter Menschen zurückzuführen ist, die trotz ihrer Intelligenz niemals sich vorstellen konnten, das, was heute eben möglich ist, wäre es mir lieber, wir würden auf der ursprünglichen christlichen Weihnachtsbotschaft Erfolge verzeichnen. Naturwissenschaftler und Ingenieure werden unseren Planeten nicht retten, mögen wir noch so tief an den Anfang allen Seins blicken. Die Botschaft lautet für mich, wir sollten Demut einnehmen zu dem was wir sind und was uns umgibt. Wenn wir nicht erkennen, dass wir zusammenarbeiten müssen, um dem Glück des Lebens weiter eine Chance zu geben, werden wir scheitern…unklar bleibt dann nur das Wann.
Ich beende diesen Blog mit einem berühmten Selfie: Little Pale Blue dot.
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