Die Entstehung des Weltalls

Warum ist es nachts dunkel? Eine dumme Frage, oder etwa nicht? Wenn man davon ausgeht, dass das Weltall unendlich alt, unendlich gross und mit unendlich vielen Sternen gefüllt ist, dann müsste unser Blick in jeder Richtung irgendwann auf einen Stern treffen. Der gesamte Himmel wäre an jedem Punkt von Sternen übersät und würde sehr viel heller und heisser erstrahlen, als uns gut täte. Da wir jedoch nachts ohne Sonnenbrille in den Himmel schauen können, ist offenbar mindestens eine der drei Grundannahmen falsch. Dieser Gedankengang wird als Olberssches Paradoxon bezeichnet und lieferte bereits im 19. Jahrhundert einen Hinweis auf Widersprüche in den ersten wissenschaftlichen Weltmodellen. Waren die in vielen Religionen verbreiteten Vorstellungen von einem relativ übersichtlichen Universum mit einem definierten Schöpfungszeitpunkt vielleicht doch richtig?
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts glaubte man, das Paradoxon gelöst zu haben und ging davon aus, dass das gesamte Weltall lediglich aus unserer eigenen Milchstrasse bestünde. Die Milchstrasse wäre allerdings schon immer da gewesen und hätte sich auch nie wesentlich verändert. Dann fanden jedoch mehrere Entdeckungen statt, die unser Bild vom Kosmos grundlegend revolutionierten:

Nachdem Einstein im Jahr 1916 seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte, brachte er 1917 mit der Kosmologischen Konstanten noch eine Korrektur in seinen Formeln an, die einen scheinbaren Fehler beheben sollte. Die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben eindeutig ein dynamisches Universum, das sich entweder ausdehnt oder zusammenzieht. Ein solches Verhalten des Weltalls stand jedoch zu diesem Zeitpunkt im Widerspruch zu den Beobachtungen, was Einstein zu seinem voreiligen Schritt veranlasste, den er später selbst als den grössten Fehler seines Lebens bezeichnete. Tatsächlich war Einstein's ursprüngliche Beschreibung der Schwerkraft völlig korrekt, denn ein Universum, in dem sich alle Massen gegenseitig anziehen, muss sich in ständiger Bewegung befinden, um dieser Anziehung zu entfliehen oder ihr nachzugeben.

Im Jahr 1923 konnte der amerikanische Astronom Edwin Powell Hubble erstmals den Andromeda-Nebel (Bild links) in seine Einzelsterne auflösen und ein Jahr später auch seine Entfernung bestimmen. Damit war neben der Milchstrasse eine weitere, eigenständige Galaxie gefunden worden und sie sollte nicht die einzige bleiben. 1929 gelang Hubble eine noch erstaunlichere Entdeckung, als er die Spektren der mittlerweile zahlreichen Galaxien verglich. Dabei zeigte sich, dass viele Galaxien eine Rotverschiebung ihrer Spektrallinien aufweisen und sich von uns weg bewegen. Die Fluchtgeschwindigkeit ist umso höher, je weiter die Galaxien entfernt sind (siehe auch: Hubble-Konstante).

In den 1960er Jahren hatten die britischen Physiker Roger Penrose und Stephen Hawking den Weg der Galaxien konsequent zu einem einzelnen Ursprungspunkt zurück verfolgt und dafür den Begriff der Singularität salonfähig gemacht. Kritiker wendeten jedoch ein, dass von einer so extrem dichten und heissen Anfangsphase noch heute Spuren nachweisbar sein müssten. Tatsächlich hatte der Physiker George Gamow bereits in den 1940er Jahren berechnet, welche Strahlung zu erwarten wäre.
Zur gleichen Zeit ärgerten sich die amerikanischen Radioastronomen Arno Penzias und Robert Wilson über ein penetrantes Störgeräusch in ihrer Empfangsanlage, das ihr eigentliches Beobachtungsziel, die Milchstrasse, überlagerte. Auch eine genaue Überprüfung aller Instrumente und eine gewissenhafte Reinigung der Antenne von Vogeldreck brachten keine Verbesserung. Ohne es zunächst zu wissen, hatten Penzias und Wilson die allgegenwärtige Hintergrundstrahlung, das "Echo" des Urknalls, aufgefangen.
Wir alle haben übrigens schon einmal die kosmische Hintergrundstrahlung gesehen: wenn man den Fernseher auf einen nicht belegten Kanal einstellt, dann macht sie ca. 1% des weissen Rauschens aus.

Offenbar verhält sich unser Universum wie ein Luftballon, den man langsam aufbläst, und dieser Ballon muss irgendwann am Anfang einmal leer gewesen sein. Es ist übrigens bei vielen kosmologischen Phänomenen hilfreich, wenn man zum besseren Verständnis einfach eine Dimension weglässt und sich eine Analogie aus unserer 3-dimensionalen Alltagswelt sucht.
Tatsächlich existiert unser Universum nicht seit aller Ewigkeit, es besitzt ein ständig grösser werdendes, aber endliches Volumen und auch die in ihm enthaltene Materie ist nicht unerschöpflich. Die allgemeine Relativitätstheorie und das beobachtete Auseinanderdriften der Galaxien legten den Grundstein für die Urknall-Theorie zur Entstehung des Universums. Verfolgt man die Bewegung der Galaxien zurück, dann gelangt man zu einem einzelnen Ursprungspunkt, an dem alles begann. Mit dem Urknall entstanden Materie, Raum und Zeit in einer gewaltigen Explosion aus einer punktuellen Energiekonzentration (Singularität). Seitdem dehnt sich der Raum in genau der Weise aus, die von den Einsteinschen Gravitations-Gleichungen vorrausgesagt wird. Das Nachglühen des Urknalls kann noch heute in Form der kosmischen Hintergrundstrahlung nachgewiesen werden, deren Energie in Folge der Ausdünnung nur noch wenig über dem absoluten Nullpunkt liegt.
Oft werde ich gefragt "Wo war denn eigentlich der Urknall?". Die Antwort ist einfach: überall! Der Urknall fand nicht irgendwo im Raum statt, sondern der Raum selbst entstand erst mit dem Urknall und wurde/wird von dessen Energie komplett ausgefüllt.

Fairerweise muss an dieser Stelle auch die Steady-State-Theorie genannt werden, die von dem britischen Kosmologen Fred Hoyle als statisches Alternativ-Modell zum Urknall aufgestellt wurde. Danach soll die Materie kontinuierlich mit der zunehmenden Ausdehnung des Universums entstanden und immer wieder aus dem Vakuum kondensiert sein, um den hinzu gekommenen Raum mit konstanter Dichte aufzufüllen. Bei seinem Tod im Jahr 2001 dürfte Hoyle jedoch der letzte ernst zu nehmende Anhänger seiner eigenen Theorie gewesen sein. Kurioserweise prägte Hoyle als entschiedener Gegner des Urknall-Modells dessen populäre Bezeichnung "Big Bang".

Der Urknall war ein sehr viel komplexeres Ereignis, als eine einfache Sprengstoff-Explosion. Das Thema könnte leicht mehrere Homepages füllen und wird hier deshalb nur in vereinfachter Form behandelt. Ich habe einige Details, wie Higgs-Feld, Supersymmetrie, Super-String-Theorie oder die Rolle der Neutrinos bewusst ausgelassen oder abgekürzt, da sie eine ausführliche Erklärung der jeweiligen physikalischen Grundlagen erfordern würden, aber für ein prinzipielles Verständnis nicht notwendig sind.
Innerhalb kürzester Zeit durchlief das gesamte Universum zahlreiche dramatische Veränderungen, in deren Verlauf die Grundkräfte der Natur ausgeprägt, die Strukturen im beobachtbaren Raum geformt und reine Energie in Materie umgewandelt wurde. Viele dieser grundlegenden Prozesse waren bereits in der ersten Sekunde nach dem Urknall abgeschlossen und erst mit zunehmender Ausdehnung und Abkühlung verlangsamte sich die rasante Entwicklung. Heute können wir in Form der kosmischen Hintergrundstrahlung nur noch ein schwaches Nachleuchten beobachten, aber der anfängliche Schwung lässt das gesamte Weltall und die in ihm enthaltenen Galaxien noch immer auseinander fliegen. Die folgende Tabelle listet die wichtigsten Ereignisse in der Entwicklung des Universums vom Urknall bis zur Gegenwart auf:

Der aufmerksame Leser wird sich jetzt vielleicht fragen: "Warum fehlen zu den meisten Epochen die Grössenangaben?". Weil das beobachtbare Universum genauso gross ist, wie es alt ist. Der Horizont, dem die kosmische Hintergrundstrahlung entstammt, entfernt sich von uns fast mit Lichtgeschwindigkeit, so dass die Ausdehnung des Weltalls der Strecke entspricht, die ein Lichtstrahl seit seiner Entstehung hätte zurücklegen können*. Daher ist jede Zeitangabe in Jahren auch eine Grössenangabe in Lichtjahren. Gleichzeitig blicken wir immer weiter in die Vergangenheit, je weiter ein kosmisches Objekt entfernt ist, weil uns sein vor langer Zeit ausgestrahltes Licht erst jetzt erreicht. Das beantwortet auch die Frage, woher das Wissen über die frühen Phasen des Universums stammt. Man kann die Vorgänge noch heute direkt beobachten, wenn man nur weit genug hinaus schaut. Alle Ereignisse vor dem Zeitalter der Materie, als das Weltall noch undurchsichtig war, mussten jedoch aus den Eigenschaften der Hintergrundstrahlung rekonstruiert oder aus physikalischen Theorien abgeleitet werden.

* Streng genommen ist die Sache doch etwas komplizierter:
Da sich der Raum insgesamt kontinuierlich ausdehnt, wächst nachträglich auch die Strecke, die Lichtstrahlen bereits zurückgelegt haben. So ist es möglich, dass uns Licht aus Raumregionen erreicht, die heute ca. 3 mal so weit entfernt sind, als es ohne Ausdehnung nur mit der Lichtgeschwindigkeit zulässig wäre. Die Expansion sorgt ausserdem für den äusserst seltsamen Effekt, dass sich Galaxien sogar mit Über-Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen können, ohne dass die Relativitäts-Theorie verletzt wird.

Der letzte Absatz hat möglicherweise den Eindruck erweckt, alles über den Ursprung und die Natur des Universums sei bekannt oder stehe zumindest kurz vor der Aufklärung. Das ist jedoch absolut nicht der Fall! Vielmehr befindet sich die Kosmologie zur Zeit in einer ernsthaften Krise. Es geht dabei zwar nur um die ersten Sekunden-Bruchteile vor der Planck-Zeit, aber genau dort kollidieren zwei zentrale physikalische Theorien und scheinen sich gegenseitig auszuschliessen. Da ist zum Einen die allgemeine Relativitätstheorie, die die Auswirkungen extrem starker Gravitationsfelder auf Raum und Zeit beschreibt. Zum Anderen muss jedoch die Quantentheorie berücksichtigt werden, die statistische Aussagen über die Vorgänge innerhalb mikroskopischer Dimensionen macht. Die bisherigen Versuche, diese beiden Theorien mit Hilfe einer neuen "Theorie von allem" in Einklang zu bringen, sind recht unbefriedigend. Meist handelt es sich um abstrakte mathematische Abhandlungen, die entweder mehrere zusätzliche Dimensionen vorraussetzen, oder eine Unzahl von bisher unentdeckten, exotischen Elementarteilchen postulieren. Auch eine Vereinheitlichung der Gravitation mit den anderen Naturkräften ist noch nicht in Sicht.

Diese Frage ist eigentlich falsch gestellt, denn erst mit dem Urknall entstand auch die Zeit. Ohne Zeit kann es aber kein "davor" oder "danach" geben. Ist das Universum also einfach so aus dem Nichts entstanden? Das ist mit dem heutigen Wissensstand nicht endgültig zu beantworten. Möglicherweise ist unser Universum als 3-dimensionale Blase in einen höher dimensionalen "Hyperraum" eingebettet, in dem es aus einer spontanen Quanten-Fluktuation entstand. Vielleicht existieren dann neben unserem eigenen noch andere, parallele Universen als unabhängige Blasen. Neuste Theorien gehen sogar noch weiter und sehen unser Universum als Ergebnis der Kollision von zwei Blasen an. Letztlich ist die Frage nach dem definitiven Ursprung aber müßig, denn jede noch so weit gehende Erklärung könnte erneut hinterfragt werden.

Das weitere Schicksal des Universums ist abhängig von seiner Gesamtmasse, die die Geometrie des Raums bestimmt. Ein geschlossenes Universum (Bild links, linke Seite) enthält genug Masse, um durch seine Gravitation die Ausdehnung abzubremsen und umzukehren. Irgendwann stürzt alles wieder zu einem einzigen Punkt zusammen (Endknall) und es wird möglicherweise ein neues Universum geboren. Es käme zu einem unendlichen Zyklus von Universen. In einem flachen Universum (Bild links, rechte Seite) sind kinetische und potentielle Energie exakt gleich, so dass die Expansion immer weiter abgebremst, aber nie ganz aufgehalten wird. Ein offenes Universum (Bild links, Mitte) besitzt noch weniger Masse, so dass seine Ausdehnungs-Geschwindigkeit deutlich über der Fluchtgeschwindigkeit liegt, die nötig ist, um der eigenen Schwerkraft zu entkommen.
Flache und offene Universen haben eine recht trostlose Zukunft vor sich. Irgendwann ist der gesamte Brennstoff für Sterne verbraucht, alle Energie wurde in Strahlung umgewandelt und es existieren keine Wärmeunterschiede mehr, die zur Erzeugung neuer Energie genutzt werden könnten. Ein solches Universum würde in ewiger, gleichförmiger Dunkelheit auf sein niemals eintretendes Ende warten.
Zur Zeit sieht es so aus, als wäre unser Universum flach, denn bisher wurde nur ein Bruchteil der für ein geschlossenes Universum nötigen Materie gefunden. Es gibt jedoch Indizien für eine noch unentdeckte dunkle Materie, die das Blatt wenden könnte. Nachdem sich die in grosser Zahl vorhandenen Neutrinos als zu massearm erwiesen haben, gilt das Neutralino, ein schweres aber ebenfalls kaum nachweisbares, hypothetisches Elementarteilchen aus dem Bereich der Supersymetrie, als Spitzenkandidat für die dunkle Materie.
Neuste Beobachtungen scheinen allerdings darauf hinzudeuten, dass die Expansion des Weltalls nicht abgebremst, sondern sogar beschleunigt wird. Zur Erklärung dieses Phänomens wird eine dunkle, abstossend wirkende Energie oder Quintessenz heran gezogen und auch Einstein's Kosmologische Konstante kommt zu neuen Ehren. Die Beweise, die auf Vermessungen von Supernova-Ausbrüchen in extrem weit entfernten Galaxien basieren, sind jedoch noch sehr mager (siehe auch: Das seltsame Universum).

In der naturwissenschaftlichen Erklärung der Welt kommt Gott nicht vor. Das mögen einige blasphemisch finden, ist aber noch kein Beweis gegen die Existenz eines höheren Wesens. Die Schöpfungs-Mythen vieler Religionen stehen, wenn man sie symbolisch versteht, sogar in gutem Einklang mit der wissenschaftlichen Weltsicht. Die Religionen gehen jedoch von einem bewussten Schöpfungsakt aus, der letztlich dem Zweck diente, unsere eigene Existenz zu ermöglichen. Das anthropische Prinzip, das in die Wissenschaften Einzug hält, bezieht dagegen den umgekehrten Standpunkt. Nur da die Dinge so sind, wie sie sind, können wir uns überhaupt fragen, warum sie so sind. Wäre ein Universum entstanden, das kein intelligentes Leben hervorgebracht hätte, dann wäre auch niemand da, der sich darüber Gedanken machen könnte. Unser Universum muss also bestimmte, nachweisbare Eigenschaften besitzen, die unsere eigene, ganz spezielle Existenz ermöglichen, von denen man aber nicht unbedingt auf eine göttliche Absicht schliessen kann. Es dürften noch unzählige andere Konstellationen möglich sein, die ebenfalls zu irgendeiner Art von Intelligenz oder aber zu rein Nichts hätten führen können. In dieser Sichtweise besitzt unser harmonisches Universum selbst etwas Göttliches, ohne aber einen Gott als konkrete Person zu benötigen.