Das Universum entsteht

Die Bedingungen bei der Geburt des Kosmos sind so extrem, dass die Materie darin nicht in der Form bestehen kann, die wir aus dem alltäglichen Leben kennen. In seinen ersten Sekundenbruchteilen ist das Universum mit unterschiedlichen und teilweise recht exotischen Elementarteilchen gefüllt, die auf komplexe Art miteinander wechselwirken.

Die Temperatur dieses Gemisches ist dabei entscheidend dafür, welche Arten von Teilchen entstehen, welche zerfallen und welche sich zu komplexeren Einheiten verbinden können. Die rasante Ausdehnung des Raumes bewirkt eine ebenso rasche Abkühlung, so dass schon nach wenigen Minuten das Ensemble an Teilchen feststeht, aus denen sich später einmal Sterne und Galaxien bilden werden.

In dieser Ursuppe sind bereits die Atomkerne der leichtesten Elemente enthalten - vor allem Wasserstoff und Helium. Außerdem sind eine entsprechende Zahl an Elektronen vorhanden sowie die Teilchen der elektromagnetischen Strahlung, die Photonen. Des Weiteren ist der Raum erfüllt von einer riesigen Anzahl sogenannter Neutrinos, die allerdings nur so schwach mit anderen Elementarteilchen wechselwirken, dass sie für die Zwecke dieses Artikels keine Rolle spielen. Auch die mysteriöse Dunkle Materie, die ihre Existenz bisher nur durch ihre Gravitationswirkung verraten hat und deren Natur völlig unbekannt ist, muss vorhanden gewesen sein.

Die Atomkerne und die freien Elektronen können sich anfangs aufgrund der hohen Temperaturen noch nicht zu normalen Atomen zusammentun. Ähnlich wie ein Wassertropfen bei Hitze verdampft, weil seine Moleküle voneinander weggerissen werden, hätte die Hitze kurz nach dem Urknall ein Atom sofort in seine Einzelteile zerlegt. Man nennt ein solches Gas, in dem elektrisch geladene Teilchen frei beweglich sind, ein Plasma.

Die ersten Minuten nach dem Urknall sind noch recht hektisch verlaufen, da sich die Temperatur schnell über viele Größenordnungen geändert hat und entsprechend ganz unterschiedliche Wechselwirkungen zwischen den Elementarteilchen ablaufen konnten. Doch mit dem Plasma aus Atomkernen und Elektronen findet das Universum einen recht stabilen Zustand, der einige Hunderttausend Jahre ohne wesentliche Änderungen erhalten bleibt, während sich das Weltall langsam abkühlt.

Aus Erfahrungen im Alltag lässt sich leicht der Eindruck gewinnen, dass heiße Gegenstände immer von selbst allmählich abkühlen. Das liegt allerdings daran, dass heiße Objekte auf der Erde meist in eine große, kühlere Umgebung eingebettet sind, an die sie ihre Wärme übertragen können. Das heiße Plasma, das nach dem Urknall das gesamte Universum ausfüllt, hat allerdings naturgemäß keine Umgebung und kann daher auch keine Wärme abgeben. Warum also kühlt es trotzdem ab? Die Antwort darauf findet man in der seltsamen Fähigkeit des Raumes, sich zu verformen.

Der Raum expandiert

Mit dem Urknall beginnt auch der Raum selbst, sich zu verändern: Er dehnt sich aus. Diese Raumexpansion wird in der allgemeinen Relativitätstheorie erklärt und sie lässt sich mathematisch exakt beschreiben. Für die menschliche Intuition ist dieser Effekt jedoch eine große Herausforderung, da er mit nichts aus unserem Alltagsleben direkt vergleichbar ist.

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, was eine gleichmäßige Expansion des Raumes bewirkt, stellen wir uns folgende Situation vor: Im Weltraum schweben zwei Eisenkugeln im Abstand von einem Meter voneinander. Nehmen wir nun an, der Raum würde sich langsam, aber sicher um den Faktor zwei dehnen. Die Kugeln werden nicht bewegt oder beschleunigt - und trotzdem beträgt ihr gegenseitiger Abstand am Ende zwei Meter, weil zwischen ihnen und überall um sie herum neuer Raum hinzugekommen ist.

Die Größe der einzelnen Kugeln ändert sich jedoch nicht: Die Anzahl der Eisenatome in jeder Kugel bleibt nämlich konstant. Und eine plötzlich einsetzende Raumdehnung schafft zwar zunächst ein wenig mehr Platz zwischen ihnen, aber da die Atome im Kristallgitter einen bestimmten optimalen Abstand haben, rücken sie automatisch sofort wieder enger zusammen.

In der Zeit kurz nach dem Urknall führt die Raumdehnung dazu, dass sich das heiße Plasma ausdehnen kann. Wohlgemerkt muss sich das Plasma dafür nicht irgendwohin bewegen, so wie sich bei einer normalen Explosion Material vom Zentrum nach außen bewegt. Vielmehr kann sich jeder kleine Ausschnitt des Plasmas genau dort ausdehnen, wo er gerade ist, da ihm der expandierende Raum immer mehr Volumen dafür bereitstellt.

Wenn man von Hand einen Fahrradreifen aufpumpt, dann kann man dabei normalerweise eine deutliche Erwärmung der Pumpe feststellen. Das liegt daran, dass sich Luft genau wie alle anderen Gase erhitzt, wenn sie zusammengedrückt wird.

Umgekehrt kühlen sich alle Gase ab, wenn sie sich ausdehnen, und insbesondere gilt dies für das Plasma des jungen Universums: Da ihm der expandierende Raum kontinuierlich mehr Platz zur Ausdehnung bietet, nimmt seine Temperatur immer weiter ab.