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Wie vermutlich alles begann

Das Standardmodell der Kosmologie, das heutzutage von der Mehrheit der Kosmologen unterstützt und gelehrt wird, beschreibt ein Universum, das aus dem Nichts mit dem Urknall entstanden ist und seitdem expandiert. Mit dem Urknall entstanden Zeit und Raum, es gab davor keine Materie.

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Zwei Dinge kann das Standardmodell nicht erklären: Warum der Urknall stattfand und warum es nach dem Urknall mehr Materie als Antimaterie gibt. Statistisch wäre zu erwarten, dass nach dem Urknall gleich viel Materie und Antimaterie entstanden sind und sie einander aufgehoben, das heißt in pure Energie umgewandelt haben müssten.

Anscheinend gibt es aber mehr Materie als Antimaterie. Die Materie ist eine Voraussetzung für die Bildung von Sternen, Planeten und Molekülen - und somit dem Leben.

Eine weitere Voraussetzung ist die passende Temperatur. Wäre das Universum zu heiß, könnten keine Moleküle entstehen und die Atome würden ionisiert. Es gäbe Materie also nur im Aggregatzustand von Plasma und somit auch keine festen Objekte wie Planeten. Wäre das Universum zu kalt, gäbe es nicht genug Bewegung von Atomen und chemische Reaktionen würden nicht stattfinden, die wiederum für das Leben unerlässlich sind.

Beim Urknall wirkten unfassbare Kräfte

Nach dem Standardmodell der Kosmologie expandiert das Universum seit dem Urknall. Die Expansionsgeschwindigkeit war in der Vergangenheit nicht konstant und ist es auch heute nicht. So gab es beispielsweise kurz nach dem Urknall vermutlich eine Epoche der kosmischen Inflation, in der das Universum viel schneller expandierte als irgendwann später.

  • Einsteins Formel der Zeitdilatation
  • Die Expansion des Universums nach dem Big Bang (Bild: NASA/WMAP Science Team / Public domain)
  • Geschlossen, gekrümmt, platt - für das Universum sind einige Formen vorstellbar. (Bild: NASA / WMAP Science Team)
  • Die gängigen Modelle über die Zukunft des Universums (Grafik: Miroslav Stimac)
  • Nicht immer ergeben die Winkel eines Dreiecks in der Summe 180° (Bild: Lars H. Rohwedder, Sarregouset / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0))
Die Expansion des Universums nach dem Big Bang (Bild: NASA/WMAP Science Team / Public domain)

Die Inflationsepoche fand laut Berechnungsmodellen in etwa zwischen etwa 10-36 beziehungsweise 10-35 und 10-33 beziehungsweise 10-32 Sekunden nach dem Urknall statt.

Die Dauer betrug somit maximal 10-32 Sekunden, also etwa ein Hunderttausendstel eines Milliardstels eines Milliardstels eines Milliardstels einer Sekunde.

Das klingt nach unvorstellbar wenig, doch in dieser kurzen Zeit expandierte das Universum der Theorie nach mit Überlichtgeschwindigkeit von einer Größe von etwa 10-30 Metern, das entspricht rund 1.000 Billionstel der Größe eines Protons, zu der Größe einer Orange. Eine Orange klingt zwar klein, aber relativ betrachtet expandierte das Universum in der kurzen Zeit um das 1029-Fache!

Hinweise auf die Inflationsphase findet man in den Temperaturmustern der kosmischen Hintergrundstrahlung, weitere Informationen dazu liefert ein Artikel des Wissenschaftsmagazins Spektrum.

Die Theorie über die kosmische Inflation geht auf den Physiker Alan Guth zurück. Sie ist zwar nicht direkt beobachtbar und wurde auch noch nicht sicher bewiesen, ist jedoch Teil des Standardmodells der Kosmologie.

Im Standardmodell ist die kosmische Inflation erforderlich, weil sie zwei Probleme löst: das Horizon Problem (Deutsch: Horizontproblem) und das Problem, dass unser Universum erstaunlicherweise flach ist. Es gibt Alternativmodelle, welche die kosmische Inflation nicht benötigen und sie als Schwachpunkt des Standardmodells betrachten. Andere Alternativmodelle zweifeln auch den Urknall an und nehmen an, dass es nicht nur einen Urknall gab, sondern viele.

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Das Horizontproblem

Das Horizontproblem resultiert - etwas vereinfacht gesagt - aus der Beobachtung, dass überall im beobachtbaren Universum, das heißt in einem Radius von etwa 47 Milliarden Lichtjahren, die kosmologische Hintergrundstrahlung die gleiche Temperatur hat, nämlich etwa 2,7 Grad Kelvin (etwa -270 Grad Celsius).

Mathematische Modelle, die den Urknall als Beginn des Universums modellieren, konnten das mit bekannten physikalischen Gesetzten nicht erklären, weil in der Anfangszeit kurz nach dem Urknall eine derart gleichmäßige Temperatur nur entstehen kann, wenn die Information über diese Temperatur sich über alle Teile, also auch über die entferntesten Punkte des jungen Universums, ausbreiten konnte beziehungsweise es zu einer Interaktion aller Teile käme.

Temperaturaustausch erfordert jedoch Zeit. Das ist, wie wenn man einen Eimer heißes Wasser in eine Badewanne mit kaltem Wasser schüttet: Es dauert eine Weile, bis sich die Temperatur in der gesamten Badewanne ausgleicht. Mathematische Modelle können dies beim jungen Universum so erklären, dass es unmittelbar nach dem Urknall unvorstellbar klein gewesen sein muss, so dass alle Teile des Universums miteinander schnell genug interagieren konnten.

In dem Fall musste das Universum danach kurzzeitig mit sehr hoher Überlichtgeschwindigkeit expandieren (kosmische Inflation). Sonst wäre es kleiner, als es den Beobachtungen und Modellen der bekannten Physik entspricht.

Ein weiterer Grund, warum die kosmische Inflation im Standardmodell der Kosmologie benötigt wird, ist die Beobachtung, dass das Universum flach ist.

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megazocker 17. Okt 2020 / Themenstart

füllt ein Glas mit Wasser, wobei das Glas das MAX des Universum ist. Ein paar Zutaten wie...

Golg 16. Okt 2020 / Themenstart

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GwhE 14. Okt 2020 / Themenstart

Finde den Aritkel auch sehr gut Bei mir ist der Artikel auf einer Seite. Das Abo habe ich...

ConstantinPrime 14. Okt 2020 / Themenstart

Die 0,5 Sekunden waren bezogen auf die gesamte Dauer einer großen Explosion hier auf der...

digidigi 13. Okt 2020 / Themenstart

Ach deshalb ist das Leben so öde... Ich habe es mir schon fast gedacht - wir sind einfach...

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