Naturgesetze und kosmologische Entwicklung

Naturgesetze und kosmologische Entwicklung

 

Den Aufbau und die Entwicklung des Universums suchten schon die Philosophen des Altertums zu ergründen. Als quantitative Wissenschaft entstand die Kosmologie erst im 20. Jahrhundert. Den Anstoß hierzu lieferten zwei Entdeckungen: 1915 formulierte Albert Einstein seine Theorie der Gravitation, in der Raum, Zeit und Materie zu einer Einheit zusammengefügt werden. Nach dieser Theorie ist das Weltall kein statisches Gebilde, sondern es dehnt sich aus. Unklar bleibt freilich, ob sich die Expansion unendlich fortsetzt oder ob das Universum irgendwann aufgrund der Gravitation in sich zusammenstürzt. Dieser Fall tritt dann ein, wenn die Dichte der Materie im Universum größer ist als ein bestimmter kritischer Wert.

 

Mehr als ein Jahrzehnt danach haben Astronomen tatsächlich beobachtet, dass die Galaxien voneinander wegstreben, und zwar mit umso größeren Geschwindigkeiten, je größer der Abstand zwischen ihnen ist. Instrumente wie das Hubble-Weltraumteleskop haben bestätigt, dass diese Expansion das gesamte beobachtbare Universum umfasst. Mit dem Teleskop kann man Galaxien bis zu einer Entfernung von etwa 10 Milliarden Lichtjahren beobachten. Damit blickt man nicht nur in weit entfernte Regionen des Kosmos, sondern auch in die Frühzeit seiner Entwicklung.

 

In der frühen Phase des Universums, vor etwa 15 Milliarden Jahren, war die gesamte, heute vorhandene Materie auf einen wesentlich kleineren Raum konzentriert. Die Expansion des Kosmos selbst ist nach heutiger Vorstellung die Folge einer Urexplosion, die erstmals der englische Astrophysiker Fred Hoyle als Urknall, als »Big Bang«, bezeichnet hat.

 

Falls der Kosmos in einer gigantischen Explosion entstanden ist, muss zu Beginn die Temperatur extrem hoch gewesen sein. Als eine Folge des Nachglühens des kosmischen Feuerballs sollten die Astrophysiker in den Räumen zwischen den Galaxien eine Wärmestrahlung finden. Diese Strahlung wurde 1964 zufällig entdeckt. Dass es sich tatsächlich um eine Wärmestrahlung handelt, die den gesamten Kosmos ausfüllt, bestätigte sich eindrucksvoll Anfang der 90er-Jahre des 20. Jahrhunderts, als ein zur Erforschung dieser Strahlung gestarteter Satellit erste Messergebnisse lieferte. Mit dem Cosmic Background Explorer (COBE) war es möglich, die Temperatur des heutigen Universums genau festzulegen. Sie liegt bei 2,73 Kelvin, etwa minus 270 Grad Celsius.

 

 Teilchenphysik und kosmische Urexplosion

 

Will man die Entwicklung des Kosmos unmittelbar nach dem Urknall beschreiben, erfordert dies genaue Kenntnisse über das Verhalten der Materie bei hohen Temperaturen und Dichten. Solche Erkenntnisse liefert die Physik der Atomkerne und Elementarteilchen. Teilchenphysiker sind deshalb heute in der Lage, die kosmische Entwicklung zu simulieren. Danach bestand das Universum in der frühesten Phase aus einem sehr heißen Plasma von Leptonen und Quarks. Dieses expandierte und wurde sehr schnell kälter. Den Bruchteil einer Sekunde nach der Explosion bildeten sich die ersten Strukturen. Jeweils drei Quarks vereinigten sich zu einem Proton oder einem Neutron. Etwa eine Minute nach dem Urknall bildeten sich die Atomkerne des nächstschwereren Elements Helium. Danach entstanden die ersten Atome.

 

Bei der weiteren Expansion ballte sich an verschiedenen Stellen infolge Gravitation die Materie zusammen. So entstanden die Vorläufer der späteren Galaxien. Hieraus bildeten sich schließlich die Galaxien, die wir heute im Universum vorfinden. Viele Details der Strukturbildung im Universum sind allerdings bis heute ungeklärt. So beobachten Astronomen, dass in den großen galaktischen Haufen die Gravitation wesentlich stärker ist, als man aus Beobachtungen schließen würde. Solche Phänomene deuten darauf hin, dass neben der atomaren Materie eine weitere Materiesorte existiert, die möglicherweise bis zu 80 Prozent der gesamten Materie ausmacht und sich nur durch ihre Gravitationswirkungen zu erkennen gibt. Woraus diese dunkle Materie besteht, ist bis heute ungeklärt. Möglicherweise spielen hier die Neutrinos eine Rolle, falls sie tatsächlich eine kleine Ruhemasse besitzen.

 

Für die dunkle Materie kommen auch Teilchen infrage, die zwar bis heute nicht mit den Beschleunigern erzeugt werden konnten, aber Modellen zufolge existieren könnten. Diese Teilchen müssten im heißen Plasma kurz nach dem Urknall durch Teilchenprozesse entstanden sein. Als dunkle Materie würden die Teilchen heute ein geisterhaftes Dasein führen. Für das Entstehen der ersten Strukturen kurz nach dem Urknall waren sie jedoch entscheidend. Leider ist man nicht in der Lage, etwas über die Masse dieser Teilchen aussagen zu können. Zur Diskussion stehen Massen zwischen wenigen Elektronvolt und Hunderten von Gigaelektronenvolt.

 

 Urknall und kosmische Inflation

 

Was aber war die Ursache für die kosmische Urexplosion? Woher kam die riesige Energie, aus der das heutige Universum entstand? Möglicherweise wird die Kosmologie irgendwann Antworten auf diese Fragen finden. Sie sind vermutlich eng verbunden mit zwei weiteren rätselhaften Eigenschaften des Kosmos. Seit seiner Entstehung vor etwa 15 Milliarden Jahren dehnt sich das Universum ununterbrochen aus. Das Verhältnis der beobachteten Materiedichte, einschließlich der vermuteten dunklen Materie, zur kritischen Dichte, bei der die Expansion als Folge der Gravitation zur Ruhe kommen sollte, liegt in der Nähe von 1. Dieses Verhältnis, als Omega bezeichnet, ist ein wichtiger Parameter. Die Tatsache, dass Omega nicht 100 oder 0,01 beträgt, sondern einen Wert zwischen 0,1 und 1 annimmt, ist erstaunlich. Wer auch immer die kosmische Dynamik gestartet hat, muss dafür gesorgt haben, dass die kinetische Energie der kosmischen Materie sehr genau der gravitativen Energie entspricht.

 

Eine weitere ungeklärte Frage ist, wieso die Materie und die kosmische Hintergrundstrahlung im Universum homogen verteilt sind. Nach den Modellen lässt sich dies schwer verstehen. Die Turbulenzen der Urexplosion sollten auch heute noch zu registrieren sein. Eine Homogenisierung der Druckwellen und Turbulenzen nach dem Urknall ist aus einfachen Überlegungen nicht möglich. Die dazu erforderlichen Effekte können sich nämlich bestenfalls mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Dies hätte aber im frühen Universum nicht für eine Homogenisierung gereicht. Deutlich wird dies am Beispiel einer Galaxie, die von der Milchstraße heute 5 Milliarden Lichtjahre entfernt ist. Als das Universum eine Million Jahre alt war, hatte es nur ein Tausendstel seiner heutigen Größe. Der Abstand zwischen den Galaxien betrug also 5 Millionen Lichtjahre. Somit wäre die bis dahin vergangene Zeit zu kurz gewesen, Licht auszutauschen. Folglich gab es im frühen Universum keinen Kontakt zwischen der Urmaterie der einen mit der Urmaterie der anderen Galaxie. Die Homogenität im Universum bleibt also unverständlich.

 

Eine mögliche Antwort könnte hier die Teilchenphysik liefern. Kurz nach Aufstellung seiner Theorie der Gravitation postulierte Einstein eine weitere Naturkonstante, die kosmologische Konstante, die als Parameter in die Gleichungen der Gravitation eingeht. Sie kann man als eine Art abstoßende Kraft deuten, die bei großen Entfernungen die anziehende Wirkung der Gravitation kompensiert. Könnte man die gravitative Anziehung abschalten, würde die kosmologische Konstante eine rasche Aufblähung des Kosmos bewirken. Nach der Entdeckung der Expansion des Universums, zu deren Beschreibung man die Konstante nicht benötigt, verwarf Einstein den von ihm eingeführten Parameter.

 

Die Teilchenphysiker denken heute anders darüber. In den Theorien zur Beschreibung der Dynamik der Elementarteilchen führen sie das hypothetische Higgs-Feld ein. Seine Hauptrolle ist es, den Teilchen Massen zu verleihen und gleichzeitig vorhandene Symmetrien der Teilchenwechselwirkungen zu brechen. Man kann sich diese Massenerzeugung als eine Art Phasenübergang vorstellen, der dem Gefrieren von Wasser entspricht. Auch hier wird eine Symmetrie zerstört — die Flüssigkeit ist homogen, während die kantigen Eiskristalle dies nicht sind.

 

Das Higgs-Feld besitzt die Eigenschaft, dass es eine kosmologische Konstante automatisch erzeugt. Der »leere« Raum wird durch das Feld zu einem energiereichen Gebilde. Jedoch ist die von den Physikern erwartete Konstante viel zu groß, als dass sie für die Beschreibung der kosmischen Evolution im heutigen Universum eine Rolle spielen könnte. Ungeklärt ist, ob es das Higgs-Feld überhaupt gibt und sich die Natur nach den Vorstellungen der Physiker verhält. Diese Frage könnte ab 2005 der neue Beschleuniger »Large Hadron Collider (LHC)« am CERN klären helfen.

 

Die Physiker vermuten, dass das Higgs-Feld im Urknall selbst eine entscheidende Rolle gespielt hat. Sie nehmen an, dass die von dem Feld erzeugte Symmetriebrechung am Anfang nicht vorhanden war. Die kosmologische Konstante wäre demnach zu Beginn sehr groß gewesen. Dies hätte zu einer äußerst schnellen Aufblähung des Universums geführt, die exponentiell abläuft und als Inflation bezeichnet wird. Als Folge der Inflation müsste sich ein Volumen von der Größe eines Atomkerns plötzlich zu einer Kugel von der Größe eines Fußballs aufgebläht haben. Der durch diesen Phasenübergang ausgelöste Energieblitz wäre die eigentliche Geburt unseres Kosmos.

 

Die Inflation wirkt auf das Universum wie ein kosmisches Bügeleisen, das alle bestehenden Falten ausbügelt. Das Universum müsste demnach äußerst homogen sein, was in Übereinstimmung mit der Beobachtung steht. Gleichzeitig bewirkt die Inflation ein Wechselspiel zwischen der Gravitation und der kinetischen Energie der auseinander fliegenden Materie. Das Verhältnis der wirklichen Materiedichte, eingeschlossen der Beitrag einer möglichen kosmologischen Konstante, zur kritischen Materiedichte, also der Parameter Omega, sollte gleich Eins sein.

 

Nach wie vor ist es umstritten, ob Omega exakt 1 sein kann. Neuere Untersuchungen zeigen, dass der Beitrag der eigentlichen Materie zu Omega etwa 0,3 ist. Die Beobachtungen weisen jedoch auf die Existenz einer kosmologischen Konstante hin, deren Beitrag zu Omega etwa 0,7 ist, sodass die Summe der beiden Beiträge 1 ergibt. Warum nicht nur in der inflationären Phase eine kosmologische Konstante vorlag, sondern auch heute eine — wenn auch relativ kleine — kosmologische Konstante präsent ist, bleibt ein Rätsel.

 

Im heutigen Universum scheint eine Balance zwischen der kinetischen Energie der auseinander treibenden Materie und der Energie der Gravitation zu bestehen. Vieles spricht dafür, dass die Gesamtenergie des Universums null ist. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, dass unser Weltraum spontan aus dem Nichts entstanden ist.

 

Die Idee eines Urknalls als Folge eines Phasenübergangs mit vorausgegangener Inflation ermöglicht es auch, den sichtbaren Kosmos als Teil eines größeren Systems zu deuten. Der Urknall hätte demnach in einem begrenzten Teil des Kosmos stattfinden können, während andere Bereiche hiervon unberührt blieben. Dann könnten auch Fragen einen Sinn erhalten, die in der konventionellen Kosmologie als unsinnig zurückgewiesen werden, etwa diejenige, was vor dem Urknall war. Möglicherweise ähnelt der Kosmos einem System, bei dem Entstehungs- und Vernichtungsprozesse an der Tagesordnung sind. Beobachten können wir diese nicht, weil wir dank Inflation in einer vergleichsweise ruhigen Region des Universums leben.

 

 Die ferne Zukunft des Universums

 

Im Rahmen der heutigen Kosmologie ist es unmöglich, sichere Aussagen über die künftige kosmologische Entwicklung zu machen. Die Massendichte des Universums scheint etwas geringer oder gleich der kritischen Massendichte zu sein. Dies würde bedeuten, dass die kosmische Expansion nicht in ferner Zukunft zur Ruhe kommt, sondern das Universum für immer expandiert. Jedoch muss diese Aussage relativiert werden, denn Omega könnte etwas, wenn auch nur wenig, größer als 1 sein. In diesem Fall kommt es irgendwann zu einer Kontraktion des Universums, die dann letztlich in einer Implosion endet, bei der die beim Urknall abgelaufenen Prozesse rückwärts ablaufen.

 

Für den Fall, dass die Expansion des Kosmos für immer anhält, würde im Universum zunächst nicht viel passieren. Einige, sogar viele Milliarden Jahre lang, würde es nach wie vor Galaxien und Sterne geben. Nur langsam werden die Galaxien dunkler. Die Kernreaktionen in den Sternen lassen langsam nach, bis schließlich die Sterne verlöschen. Der Kosmos wird kalt und dunkel. Während dieser Zeit geht der Zerfall der Materie in Strahlung unaufhörlich vor sich. Immer mehr Kernmaterie zerfällt. Schließlich, nach 10³⁴ Jahren, hat sich ein großer Teil der Materie aufgelöst. Nach 10⁴⁰ Jahren gibt es praktisch keine Quarks, also keine Kernmaterie mehr. Die Atome sind ausgestorben. Es ist die Zeit der Photonen, der Neutrinos und möglicherweise anderer neutraler Elementarteilchen.

 

Falls die Neutrinos eine Masse besitzen, haben sie ebenfalls die Möglichkeit, sich in Photonen umzuwandeln. Ein Neutrino und das entsprechende Antineutrino können eine Reaktion eingehen, wobei beide Teilchen vernichtet werden, und zwar in zwei Photonen. Die Wahrscheinlichkeit für diesen Prozess lässt sich berechnen. Liegt die Neutrinomasse in der Nähe von einigen Elektronvolt — ein interessanter Wert, falls die Neutrinos für die dunkle Materie eine Rolle spielen — so erwarten die Physiker, dass es etwas mehr als 10⁵⁰ Jahre dauert, bis auch die Neutrinos aus dem Universum verschwunden sind. Danach gibt es im Universum fast nur noch Photonen, deren Energie stetig durch die kosmische Expansion abnimmt. Hinzu kommen Schwarze Löcher, die sich durch den Zusammenbruch großer Sterne im Lauf der kosmischen Evolution gebildet haben.

 

Die Erkenntnisse der modernen Physik erlauben uns heute, die gesamte Entwicklung des Kosmos seit der Urexplosion auf der Basis der Naturgesetze zu verstehen. Nicht jeder der Schritte ist experimentell getestet. Mit Teilchenbeschleunigern kann man die Prozesse studieren, die etwa 10^-10 Sekunden nach dem Urknall abliefen. Was davor passierte, bleibt Spekulation. Jedoch erhält man ein konsistentes Bild der kosmischen Entwicklung. Nicht nur die auf der Erde lebenden Organismen sind Zeugen einer langen Evolution. Die Materie selbst ist das Produkt eines Entwicklungsprozesses. Außerdem werden letztlich dieselben Prozesse, die für die Existenz der Materie verantwortlich sind, auch dafür sorgen, dass die Materie wieder verschwindet und sich schließlich in Strahlungsenergie verwandeln wird.

 

 Naturgesetze und kosmische Dynamik

 

Die kosmische Entwicklung wird durch Naturgesetze geführt und bestimmt. Es stellt sich jedoch die Frage, auf welche Weise letztlich die Naturgesetze festgelegt sind. Im heutigen Standardmodell der Elementarteilchen gibt es eine Reihe von Problemen, die man im Rahmen dieses Modells nicht lösen kann. So stellt sich die Frage nach der Anzahl der Farben der Quarks, die wiederum mit der elektrischen Ladung der Quarks zusammenhängt. Warum es gerade drei Farben sind und nicht zwei oder vier, ist ein ungelöstes Problem.

 

In den Grundgleichungen des Standardmodells treten 18 verschiedene Parameter auf, darunter insbesondere die Massen der Leptonen und Quarks, oder die Stärken der Wechselwirkungen. Es könnte sein, so die Vermutung mancher Physiker, dass zumindest einige dieser Parameter kosmologischen Ursprungs sind, also durch die Zufälligkeiten der kosmischen Entwicklung festgelegt wurden. Dann würde sich jedoch kurz nach der inflationären Phase ein dynamischer Ausleseprozess ergeben, bei dem letztlich bestimmte Werte der fundamentalen Konstanten bevorzugt, andere wiederum ausgeschlossen würden. Nicht nur bei der Gestaltung der fundamentalen Naturkonstanten, wie der Massen der Leptonen und Quarks, sondern auch bei den Naturgesetzen selbst könnten also evolutionäre Aspekte eine Rolle gespielt haben.

 

Prof. Dr. Harald Fritzsch, München

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Relativitätstheorie und die Einheit von Raum und Zeit

 

Naturgesetze: Zusammenhänge des Naturgeschehens erkennen

 

Quantenphysik und eine neue Deutung der Naturgesetze

 

Literatur:

 

Rowan-Robinson, Michael: Das Flüstern des Urknalls. Die verschlüsselten Botschaften vom Anfang des Universums. Aus dem Englischen. Heidelberg u. a. 1994.

 Silk, Joseph: Der Urknall. Die Geburt des Universums. Aus dem Englischen. Basel u. a. 1990.