Urknall

Aus der Physik ist bekannt, bewegt sich eine Lichtquelle auf den Beobachter zu, so erscheinen dem Beobachter die von der Quelle ausgesandten Spektrallinien zu kürzeren Wellenlängen hin verschoben, im Falle von Spektrallinien im sichtbaren Licht zum Blauen hin. Entfernen sich Quelle und Beobachter voneinander, so erscheinen die Spektrallinien zu größeren Wellenlängen hin verschoben, im Falle von Spektrallinien im sichtbaren Licht zum Roten hin. Diese nach ihrem Entdecker benannte Doppler-Verschiebung von Spektrallinien ist proportional der Radialgeschwindigkeit; doppelte Geschwindigkeit bewirkt eine doppelt so große Verschiebung. Die Proportionalität gilt in Strenge, solange die Geschwindigkeit nicht zu groß, nicht ein beträchtlicher Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit ist.

Bei den Galaxien unserer näheren Umgebung werden etwa ebenso viele Spektrallinienverschiebungen in die eine wie in die andere Richtung beobachtet. Dagegen werden bei den entfernteren Galaxien nur Linienverschiebungen zu größeren Wellenlängen beobachtet, welche umso größer sind, je weiter die Galaxien von uns entfernt sind. In alle Richtungen sind Gruppen von Galaxien bis zu größten Entfernungen zu beobachten. Von Galaxien gänzlich freie Großräume sind nicht festzustellen.

Diese Beobachtungen lassen nach unseren physikalischen Kenntnissen nur eine Deutung zu: Die Galaxien - mit Ausnahme der unmittelbar benachbarten - fliegen systematisch von uns weg mit umso größerer Geschwindigkeit, je entfernter sie sind. Ein derartiges Verhalten ist nur möglich, wenn alle Galaxien nicht nur von uns wegfliegen, sondern wenn sie alle in genau derselben Weise ihre wechselseitigen Abstände vergrößern. Der der Beobachtung zugängliche Kosmos expandiert gleichförmig.

Wenn die Galaxien alle voneinander wegfliegen, so muss die Expansion einmal aus einem engen Raumbereich heraus begonnen haben. Ungefähre Grenzen für das mögliche Alter unseres Kosmos von diesem Beginn an können an den Sternen in Verbindung mit der Theorie der Sternenentwicklung abgelesen werden: 15 bis 25 Milliarden Jahre.

Je entfernter eine Galaxie, umso weiter blicken wir in die Vergangenheit des Kosmos zurück. Licht von den entferntesten Galaxien, also Licht aus früher Zeit der Expansion, brauchte Milliarden Jahre, bis es die Expansion überwindend uns erreichte. Von der uns nächsten großen Galaxie, der Andromeda-Galaxie, braucht das Licht bis zu uns etwa zwei Millionen Jahre, zum Durchqueren unseres Milchstraßensystems ungefähr 100000 Jahre.

In der Standardtheorie zur Beschreibung der Expansion des Kosmos gehen die Theoretiker davon aus, dass die Expansion sich in jedem Punkt innerhalb der expandierenden Welt gleich ausnahm, nämlich von jedem Punkt aus betrachtet in alle Richtungen gleich aussehend, das heißt isotrop, und von Punkt zu Punkt gleich, das heißt homogen.

Bezüglich des heutigen Weltraums bedeutet dies insbesondere, dass die Materie der Galaxien als gleichmäßig verteilt gedacht wird. In den ersten Sekunden der explosionsartig sich vollziehenden Ursprungsphase der Expansion, kurz nach dem so genannten Urknall, bestand das sehr heiße und unvorstellbar dichte Materiegemenge nur aus Elementarteilchen und Antiteilchen und höchstenergetischer elektromagnetischer Strahlung. Atome gab es noch nicht, dagegen ihre Bestandteile Protonen, Neutronen, Elektronen sowie auch Positronen, die zu den Elektronen zugehörigen Antiteilchen, die die gleiche Masse und eine gleich große, aber entgegengesetzte elektrische Ladung besitzen wie die Elektronen. Die Bezeichnung Antiteilchen rührt daher, dass Teilchen und Antiteilchen, wenn sie zusammenstoßen, sich gegenseitig vernichten; sie zerstrahlen entweder in leichtere, sehr kurzlebige Teilchen oder direkt zu Gammaquanten, welche die Teilchen des energiereichsten Teils des bekannten elektromagnetischen Strahlungsspektrums sind, von dem das Licht nur ein kleiner Ausschnitt ist.

Treffen ein Elektron und ein Positron aufeinander, so zerstrahlen sie direkt in zwei Gammaquanten. In den ersten Sekunden entstehen durch Teilchen-Antiteilchen-Vernichtung sehr viele Gammaquanten. Die Energiedichte der Strahlung beginnt die Energiedichte der Teilchen, also der massebehafteten Materie zu überwiegen. In den darauf folgenden ersten Minuten beginnen sich die ersten leichtesten Atomkerne (insbesondere der aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehende Heliumkern) zu bilden. Kerne mit fest gebundenen Elektronen, also Atome, können sich erst viel später, nach über 100000 Jahren, wenn Materiedichte und Temperatur stark abgenommen haben, bilden.

Ungefähr eine Million Jahre nach dem Urknall, wenn die Energiedichte der Massen die Energiedichte der Strahlung überwiegt, beginnt die Zeit, in deren Verlauf unter dem Einfluss der Schwerkraft die Bildung von Galaxien und dann auch von Sternen möglich wird.

Das Strahlungsfeld der in der Frühzeit durch die Teilchen-Antiteilchen-Vernichtung entstandenen Gammaquanten sollte heute in isotroper Verteilung gegenwärtig sein, allerdings nicht in Form der Gammaquanten, sondern in Form viel energieärmerer Strahlung einer viel geringeren Temperatur, als sie in der Frühzeit herrschte, da die Temperatur der Strahlung während der Expansion abnimmt. Vorausgesagt wurde im Rahmen der Standardtheorie eine heute allgegenwärtige isotrope Hohlraumstrahlung mit wenigen Grad über dem absoluten Nullpunkt, das sind weniger als minus 260 Grad Celsius. Tatsächlich wurde eine sehr isotrope 2,7 Grad Hintergrundstrahlung mit einem Intensitätsmaximum bei 1,7 mm Wellenlänge gemessen.

Wie es zum Urknall genau kam und wie sich der Kosmos weiter entwickeln wird, sind Fragen, die nicht sicher zu beantworten sind, über die nur philosophiert werden kann. Die derzeitige Expansion des Kosmos wird durch die wechselseitige Massenanziehung verzögert. Ob die Massen ausreichen, um die Expansion ganz abzubremsen, konnte bis jetzt trotz großer Bemühungen nicht geklärt werden. Die bisher beobachtete mittlere Massendichte reicht dazu nicht aus.

Wären Neutrinos und Antineutrinos, von denen bekannt ist, dass sie in sehr großer Zahl überall im Kosmos gegenwärtig sind, nicht, wie zurzeit meistens angenommen, masselos, sondern Teilchen mit einer winzigen Masse, worüber durch das Experiment bisher nicht entschieden werden konnte, da Neutrinos mit Materie fast nicht wechselwirken, so reichte die Massendichte aus, die Expansion so abzubremsen, dass die Entwicklung rücklaufen würde und es erneut zu einem Urknall kommen könnte. Eine solche rückläufige Entwicklung - hätte sie schon einmal stattgefunden - würde im Rahmen der Standardtheorie gut zur Vorstellung des Urknalls passen: Die Verdichtung der Materie führte zur Explosion. Einzelheiten in der Beschreibung der Explosion sind Theorie. Vielleicht ist unser Kosmos auch nicht der einzige seiner Art.