Erdgeschichte: Geburt des Universums und Entstehung der Erde - Vor 15 bis 4 Mrd. Jahren

Die derzeit gängige wissenschaftliche Auffassung von der Entstehung des Universums als Heimat aller Himmelskörper – und somit auch der Erde – beruht auf der so genannten Urknalltheorie. Diese in sich durchaus konsistente Lehrmeinung gründet sich auf bestimmte Interpretationen wichtiger astro-physikalischer Phänomene. Obwohl einige Indizien dafür sprechen, dass sie tatsächlich zutrifft, ist sie nicht unumstritten, wobei die abweichenden Meinungen jeweils andere Interpretationen derselben Beobachtungen zugrundelegen. Die Urknalltheorie ist jedoch nach wie vor das mehrheitlich anerkannte Modell der Entstehung des Universums.

Um diese Theorie zu verstehen, ist ein Exkurs in die Struktur der Materie erforderlich. Wir wissen heute, dass etwa 75% der derzeit existierenden kosmischen Materie aus Wasserstoff besteht; weitere 24% sind Helium. Alle anderen chemischen Elemente zusammen bilden nur 1% der kosmischen Materie. Berücksichtigt man des Weiteren, dass Helium und alle schweren Elemente aus Wasserstoff entstanden sind, so lässt sich die Kernfrage nach der Schöpfung des gesamten Universums auf die Frage nach der Entstehung des Wasserstoffs reduzieren. Das Wasserstoffatom besteht aus einem positiv geladenen Kern, dem Proton, und aus einer Hülle, die ein einzelnes, negativ geladenes Elektron enthält. Der Austausch von masselosen, aber energiereichen Strahlungsteilchen (Photonen) bewirkt eine anziehende elektromagnetische Kraft zwischen Proton und Elektron. Das Proton selbst setzt sich aus noch kleineren Partikeln, den Quarks zusammen. Zwei Typen kommen heute in der Natur vor: So genannte up-Quarks (u) und down-Quarks (d), wobei ein Proton jeweils aus zwei- u- und einem d-Quark besteht. Ist die Elementarladung (e) des Elektrons gleich -1, dann beträgt die des u-Quarks +2/3, die des d-Quarks -1/3. Die Ladung des Protons ist damit gleich +1. Demgegenüber bestehen die Neutronen aus jeweils einem u- und zwei d-Quarks, sind also elektrisch neutral.

Im Gegensatz zu anderen Elementarteilchen kommen die Quarks niemals einzeln vor. Ihre gegenseitige Bindung im Proton oder Neutron ist so stark, dass sie sich selbst mit Hilfe der in Energie umgewandelten gesamten Materie eines Protons nicht aufbrechen ließe. Analog zu dem Austausch von Photonen, der die Protonen und Elektronen im Atom zusammenhält, lässt sich (bisher allerdings nur theoretisch) auch die sehr große Kraft, die die Quarks im Proton oder Neutron miteinander "verschweißt", als Teilchenaustausch auffassen. Die entsprechenden Partikel werden Gluonen (engl. glue = Kleber) genannt und haben etwas mit einer zweiten, nichtelektrischen Ladung der Quarks zu tun, die man bildlich als "Farbe" bezeichnet.

Wie man heute weiß, gibt es zu jedem Teilchen ein Antiteilchen (aus so genannter Antimaterie). Treffen ein Teilchen und ein entsprechendes Antiteilchen aufeinander, dann wandeln sie sich vollständig in Energie um (nach Albert Einsteins Formel E = m · c²). Das Antiteilchen zum Elektron heißt Positron; die Strahlungsenergie, die bei der Begegnung eines Elektrons und eines Positrons entsteht, wird als zwei Photonen beschrieben. Eine in diesem Zusammenhang besonders interessante Kombination stellen die Mesonen dar, die jeweils aus einem Quark und einem Antiquark bestehen. Diese Verbindung ist natürlich extrem instabil: Quark und Antiquark löschen sich sofort gegenseitig aus, und das Ergebnis sind wiederum zwei Photonen. Der Prozess, bei dem Materie und Antimaterie einander unter Freisetzung von Energie auslöschen, ist umkehrbar. So können aus zwei Photonen ein Elektron und ein Positron oder ein Quark und ein Antiquark entstehen.

Die Tatsache, dass sowohl ein Elektron und ein Positron wie auch ein Quark und ein Antiquark einander unter Freisetzung von jeweils zwei Photonen aufheben, führte zu der Vermutung, dass Elektronen und Quarks grundsätzlich gleicher Natur, unterschiedliche Manifestationen derselben Urkraft sein könnten. Wichtig sind hier außerdem noch die Neutrinos, sehr leichte, vielleicht sogar masselose Elementarteilchen ohne elektrische Ladung. Elektron, Neutrino u. a. werden als Leptonen bezeichnet. Vieles weist darauf hin, dass sich Quarks in Leptonen verwandeln lassen und umgekehrt, und zwar durch die – bis heute nur hypothetische – so genannte X-Wechselwirkung: Man nimmt an, dass der Austausch eines X-Teilchens den Umwandlungsprozess bewirkt. Dieses Teilchen wurde als sehr schwer berechnet, weshalb es nicht verwundert, dass seine Erzeugung in Atomforschungsanlagen nicht gelang. Auch dem X-Teilchen entspricht ein Antiteilchen, das als X^- bezeichnet wird. Man vermutet nun, dass nur etwa 10^-40 Sekunden nach dem Urknall aus einer unvorstellbar dichten und heißen Energiewolke eine gewaltige Anzahl von X- und X^--Teilchen entstanden ist, wobei allerdings rätselhaft bleibt, wie es zum Urknall selbst kam. Die X- und X^--Teilchen sind instabil; sie zerfallen unmittelbar nach ihrer Entstehung in jeweils zwei Quarks bzw. ein Quark und ein Elektron. Je X/X^--Paar entstehen also insgesamt drei Quarks und ein Elektron. Die Quarks verbinden sich zu einem Proton; das Ergebnis sind demnach die Bestandteile des Wasserstoffatoms. Andererseits können die X- und X^--Teilchen aber auch jeweils in ein Antiquark und ein Positron bzw. in zwei Antiquarks zerfallen, also in die Komponenten eines Wasserstoffatoms aus Antimaterie. Es spricht nun vieles dafür, dass die beiden Zerfallsvarianten nicht gleich häufig sind, sondern die erstgenannte geringfügig überwiegt. So geht man davon aus, dass sich bei diesem Prozess jeweils 10 Mrd. Quarks und Antiquarks gegenseitig auslöschen, während ein einzelnes überschüssiges Quark erhalten bleibt. Aus diesen bescheidenen Resten baut sich die gesamte Materie des Universums auf.

Etwa 10^-6 Sekunden nach dem Urknall war die Temperatur von über 10³² K (K = Kelvin) auf rund 10¹⁴ K gesunken. Dadurch konnten sich die zunächst freien Quarks zu Nukleonen (Protonen und Neutronen) zusammenfinden, den späteren Atomkernen. Die gesamte kosmische Materie bestand ungefähr eine Sekunde nach dem Urknall aus Nukleonen, Elektronen und Neutrinos. Nach 100 Sekunden – die Temperatur der rasch expandierenden Urmateriewolke betrug "nur" noch 1 Mrd. K – formierten sich erste komplexe Atomkerne in einem heißen Plasma; nach reichlich 2,5 Stunden bildeten sich erste Atome. Dieser jeder Vorstellungskraft weit überschreitende Prozess spielte sich vor etwa 15 Mrd. Jahren ab. Die Zahl lässt sich berechnen, seit die Astrophysiker die relative Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien, d. h. die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Weltalls kennen. Davon ausgehend, muss sich rein rechnerisch alle heute im Universum vorhandene Materie vor genau dieser Zeit am selben Punkt befunden haben.