Entstehung des Universums

Temprär
Auf Grund von Interesse im Forum habe ich diesen Artikel verfasst, der die eine oder andere Frage berührt, und im Grunde ohne Vorwissen verstanden werden kann, doch das Interesse an diesem faszinierenden Gebiet wecken soll. Es ist keineswegs nur wilde Spekulation, es existieren eine ganze Reihe viel versprechender Theorien, auch wenn die Selektion sich als durchaus aufwendig erweist.
Etwas genauer gehe ich auf das Modell eines heißen Urknalls ein, nach dem es sicherlich das am weitesten verbreitete ist. Dieses erklärt weit mehr als lediglich die Kosmische Hintergrundstrahlung oder die Expansion, auch wenn wir bei Berechnungen stark vereinfachen müssen, und nur eine grobe Vorstellung wie vom De-Sitter-Universum erlangen können.

Entstehung des Universums

Seit jeher beschäftigt sich die Menschheit mit der Frage woher wir kommen, und wie es überhaupt zum Universum gekommen ist, welche Umstände dafür ausschlaggebend waren, um dies alles entstehen zu lassen, dazu gab es je nach Wissensstand verschiedene Ansätze. Nach vielen tausend Jahren Entwicklung von Theorien, darunter selbstverständlich auch den einen oder anderen Fehlansätzen, beisitzen wir ausgereifte Modelle um die Vorgänge und Reaktionen beschreiben zu können, teilweise mathematisch und physikalisch so komplex, dass ohne intensive Auseinandersetzung mit der Thematik, kein Verständnis an den Tag gebracht werden kann, doch ein Ende scheint noch nicht greifbar. Ganz im Gegenteil besitzt es den Anschein, als ob wir gerade erst er zu verstehen beginnen, welche Prozesse tatsächlich ausschlaggebend für die Entwicklung des Universums, so wie dessen Entstehung, waren, und erst zukünftige Theorien Gewissheit darüber bringen. Heute können wir feststellen, dass die Schöpfungstheorie vor allem auf zwei Pfeilern ruht, zum einen der Quantentheorie und zum anderen der Allgemeine Relativitätstheorie. Doch als wir den göttlichen Schöpfungsakt durch den Urknall ersetzten, vertauschten wir die Probleme nur, denn wodurch wurde dieser ausgelöst? Die Relativitätstheorie versagt bei Abständen welche weniger als 10^-35 Meter betragen, und Quanteneffekte gewinnen die Überhand. Ist das ursprüngliche Universum in ein sechsund vierdimensionales zerfallen, so könnten wir den Urknall als Zerfall der vorher vereinten Symmetrien verstehen. Sechs Dimensionen könnten sich aufgewickelt haben, wie ein Bettlaken mit Gummiband, nach dem Abziehen, wobei jenes nur vier Möglichkeiten besitzt, davon abhängig, von welcher Ecke es zuerst abspringt, doch ein zehndimensionales Universum, Millionen von Arten. Um zu ermitteln, welche tatsächlich eingetreten sein könnte, müssen wir die Stringtheorie mit Hilfe der Theorie vom Phasenübergang lösen, eine der wohl schwierigsten Aufgaben der Quantenphysik.
Phasenübergänge können oftmals explosive Gestalt annehmen, denken wir zum Beispiel an einen Fluss, der aufgestaut wird, ein Stausee bildet sich, doch ist der Damm instabil, so befindet sich dieser in einem falschen Vakuum, das Wasser hingegen befände sich lieber in einem wirklichen Vakuum, und ist bestrebt den Staudamm zu sprengen, das Tal hinab zu fließen, in einen niedrigeren Energiezustand – katastrophale Folgen würden hieraus resultieren. Ein weiteres, noch explosiveres Beispiel wäre eine Atombombe, bei der hie und da ein Kern in einen niedrigeren Energiezustand tunnelt, sich also teilt.
Phasenübergänge sind immer von einem Symmetriebruch begleitet, dazu ein kleines Gedankenexperiment vom Nobelpreisträger Abdus Salam: Denken wir uns eine runde Festtafel, an der jeder Gast ein Champagnerglas neben sich stehen hat, es herrscht Symmetrie. Auch wenn wir das Festbankett in einem Spiegel betrachten, bietet sich uns dasselbe Bild, genau wie bei Drehung der Tafel. Der erste Gast hebt nun sein Glas mit der rechten Hand, und wie üblich folgen andere seinem Beispiel, im Spiegel allerdings ist ein anderes Bild zu sehen, es erscheint seitenverkehrt, als ob der Champagner auf der linken Seite erhoben würde, die LinksRechtsSymmetrie ist gebrochen.
Bei Untersuchungen der Superstringtheorie ist man zur Annahme gelangt, das zehndimensionale Universum sei instabil gewesen, und habe sich durch Tunneleffekte in das sechs und vierdimensionale aufgespalten, also vom Zustand maximaler Symmetrie, einem falschen Vakuum, in einen gebrochenen Zustand, wirklichen Vakuums, den wir heute noch beobachten, entwickelt. Doch eine unberuhigende Frage resultiert aus diesem Gedanken, wenn unser Universum kein wirkliches Vakuum wäre, der Superstring sich diesen Zustand nur vorübergehend ausgesucht hätte, und sich das Reale, das Unsrige, unter Millionen möglicher Orbifolds befände, welches allerdings nicht unbedingt das Standartmodell beinhaltet, verlören die Gesetzte der Physik wie wir diese heute kennen, ihre Geltung, eine winzige Blase welche sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, könnte entstehen, in der die Energie vielleicht Zusammenhang ganz anderer Art bildet, die Super Strings manifestieren sich in vollkommen anderer Weise für uns.

Quantenkosmologie

Die Quantenkosmologie ist ein Zweig der modernen Kosmologie in der Gesetzmäßigkeiten und Formalismen der Quantentheorie verwendet werden, um das Universum als Ganzes zu beschreiben. Das BigBangModell, die Theorie des heißen Urknalls, beschreibt und versucht streng genommen nur die die Folgen des Urknalls zu erklären, nicht aber dessen Ursache. Im Modell des Ekpyrotischen Universums von Steinhardt & Turok werden bereits Konzepte der Stringtheorien benutzt, um die Ursache des Urknalls abzuleiten, und es ist damit ein Paradebeispiel für ein Quantenkosmologisches Modell, welches eben jene Ursachen für die Entstehung des Universums zu erklären versucht.
Der HamiltonFormalismus stellt einen möglichen Zugang zur Quantenkosmologie dar, den man auf die Einsteinsche Relativitätstheorie anwendet. Hierbei wird der ADMFormalismus gebraucht, um die RaumZeit quasi aufzubrechen, man leitet die kanonischen Variablen aus der LagrangeDichte ab, dabei liefert dann Integration die HamiltonDichte.
Es kann dann der kanonische Quantisierungsapparat, wie er auch exzessiv in der Quantenfeldtheorie Anwendung findet, eingesetzt werden – dies nennt man auch dritte Quantisierung – dabei erhält man die kanonische Vertauschungsrelation und schließlich die WheelerdeWittGleichung, welche die relativistische, aber nicht kovariante Verallgemeinerung der SchrödingerGleichung für die Wellenfunktion des Universums, darstellt.
Es scheint jede Menge Analogien zwischen der Quantenwelt und dem Makrokosmos zu geben, und somit auch Prinzipien die von einer Welt in die andere übertragbar sind. So werden in der Quantenkosmologie nicht nur Teilchen vernichtet und erzeugt, sondern gleich ganze Universen. Die erzeugten Mehrteilchenzustände, die FockZustände in der Quantentheorie, sind so äquivalent zu den Voids – den VakuumUniversen – wenn man eine Quantenfeldtheorie mit freiem WheelerdeWittOperator erzeugt, oder BabyUniversen, wenn man zum nichtlinearen WheelerdeWittOperator übergeht.
Ein anderer Aspekt der Quantenkosmologie ist die Interpretation der Kopplungskonstanten, wie beispielsweise der Kosmologischen Konstante als dynamischen Parameter, oder den fundamentalen Naturkonstanten. Die Implikationen der Quantenkosmologie führen uns in eine phantastische Welt, wie man diese vielleicht sonst nur aus ScienceFictionFilmen kennt, neben Multiversen, Hyperversen gibt es virtuelle Universen und vieles mehr.

Nach dem Big Bang

Nach dem sogenannten »heißem Urknall« – auch »Big Bang« genannt – vor ca. Fünfzehn Milliarden Jahren entstand nach dem Durchlauf mehrerer Phasen, jene Materie, die wir auch heute noch sehen. Zu bemerken gilt es, dass keine Einigkeit über die Daten der Zeitintervalle der einzelnen im Folgenden detailliert beschriebenen Phasen der Frühgeschichte des Kosmos herrscht. Je nach vertretener Theorie gibt es ganz beträchtliche Unterschiede, in folge dessen hier die großteils Mittelwerte aus den verschiedenen Literaturquellen verwendet sind.
Die erste Ära nach dem Urknall, stellte die rund 10^-6 Sekunden dauernde Phase, in der die Quarks entstanden, dar. Sowohl die Quarks als auch ihre Antiteilchen, die Antiquarks, haben eine besondere Eigenschaft, desto mehr man diese zusammendrückt, desto geringer wird ihre gegenseitige Wechselwirkung, die durch die Starke Kraft ausgelöst wird, da das Universum noch sehr klein und sehr Energiereich war, hatten sie damals auch praktisch keinen Einfluss aufeinander. In weiterer Folge sind die Abstände zwischen ihnen so groß geworden, da das Universum rasend schnell expandierte, dass die zwischen ihnen herrschenden Kräfte groß genug wurden, dass sie Hadronen bilden konnten, wobei man unter dem Namen Hadronen alle baryonischen Elementarteilchen zusammen fasst.
Es folgte, wie sollte es anders sein, die HadronenÄra, die etwa 10^-4 Sekunden dauerte, in der die Temperatur von 10^14 auf rund 10^13 Kelvin abkühlte, und die Dichte von 10^13 auf 10^10 kg/cm^3 abfiel, rasante Änderrungen der Randbedingungen vollzogen sich. 10 Millionen Tonnen pro cm3 entspricht in etwa der Dichte eines Atomkerns, woraus die Wechselwirkung der Hadronen resultierte, etwa 50% Neutronen und 50% Protonen entstehen. Doch die Temperatur sank ist weiter ab, daher reichte die Energie der Photonen bald nicht mehr aus, um durch Aufspaltung in sogenannte Teilchenpaare, diverse Teilchen und Antiteilchen zu erzeugen, wodurch verständlicherweise auch die Paarvernichtung abnimmt. Die Zahl der Photonen und der Teilchen bzw. Antiteilchen gleicht sich in der HadronenÄra aneinander an. Am Ende zerstrahlten beinahe alle Teichen, wobei die zahl der Photonen stark zunahm. Da es allerdings heute noch Teilchen gibt, muss es schon damals mehr Teichen als Antiteilchen gegeben haben, aber nur um einen kleinen Bruchteil mehr, auf rund 10^9 TeilchenAntiteilchenPaare kam ein zusätzliches Hadron aus der auch heute noch die Materie unseres Universums existiert.
Als die LeptonenÄra begann, die vergleichsweise ewig hinzog und nicht enden wollte, nämlich 10 Sekunden – die Dauer erklärt sich durch die vergleichsweise kleinen Ruhemasse des Elektrons – beeinflusste die Paarerzeugung von Elektronen und Positronen den Gesamtzustand wesentlich, denn für diese Prozesse reicht eine rund 2*10^3 mal geringere Energie aus, als für jene mit Hadronen. Das Universum ist noch immer relativ einfach zu beschreiben, denn es befand sich noch im thermischen Gleichgewicht. Es kam auch nur auf rund 10^9 Photonen ein Hadron. Die Energiedichte der Strahlung ist durch das Plancksche Strahlungsgesetzt des schwarzen Körpers als Funktion der Temperatur festgelegt, und durch die Expansion verändert sich diese in der dritten Potenz, die Temperatur damit umgekehrt wie das von einer gewissen Menge Materie eingenommene Volumen. Anfangs gab es noch ein Gleichgewicht zwischen Paarerzeugung und Paarvernichtung, Neutronen konnten noch leicht in Protonen umgewandelt werden, so wie auch der inverse Prozess von statten ging, wobei ein Proton und ein Elektron, ein Neutron und ein Elektronneutrino ergibt. Später, gegen Ende der ersten Sekunde, macht sich deutlich bemerkbar, das die Umwandlung von Protonen in Neutronen energetisch etwas ungünstiger ist, so nahm die Zahl der Neutronen im Vergleich zu den Protonen stark ab, sie machte nur mehr ein Drittel aus. Das Universum hatte nur mehr eine Temperatur von rund 10^10 Kelvin und eine Dichte von 5*10^2 kg/cm^3. Das Universum wird jetzt durchsichtig für Neutrinos, sprich, sie können bereits größere Strecken zurücklegen, bevor sie mit einem Teilchen Wechselwirken, daher musste es noch heute eine große Anzahl von Neutrinos und Antineutrinos geben, mehrere Tausend pro cm^3, die mit der Materie allerdings nicht wechselwirken. Am Ende der LeptonenÄra hatte das Universum nur mehr rund 3*10^9 Kelvin, die Energie reicht daher nicht mehr im großen Stil für die Paarerzeugung aus. Die Positronen vernichten sich mit den Elektronen, wieder blieb ein geringer Überschuss an Elektronen über, der die Ladung der zuvor entstandenen Protonen genau ausglich.
Das Universum bestand nun fast nur aus Photonen, deren Energie mit der Expansion weiter abnahm, während die Energie der Materie, die nun fast völlig durch ihre Ruhemasse gegeben war, sich nicht mehr wesentlich ändert. Es liefen zwar Kernreaktionen ab, doch entstanden Deuteriumkerne, welche sofort wieder aufgrund von StoßPrezesse zerfielen.
Die FusionsÄra unterbrach die PhotonÄra nach etwa 2,4*10^2 Sekunden, und dauert selbst etwa 1,8*10^3 Sekunden. Deuteriumkerne entstanden nun, und zerfielen nicht sofort wieder, über Tritium und Helium3 entstanden auch stabile Atomkerne von Helium-4. Freien Neutronen wurden in Heliumkernen gebunden, und da diese nach einer Halbwertszeit von ca. 660 Sekunden zerfallen, dezimierten sie sich quasi, nur mehr 13% Neutronen existieren. Das erklärt auch weshalb wir heute noch ein Verhältnis von ca. 26% He zu 74% H beobachten. Schwerere Atomkerne als Helium sind damals nicht entstanden, sondern erst in bestimmten Sternentwicklungsphasen viel später produziert worden.
In der heute noch andauernden MaterieÄra, sank die Temperatur auf einen heutigen Durchschnitt von 2,6 Kelvin, die wir in Form der Kosmischen Hintergrundstrahlung observieren können. Am Anfang dieser verbanden sich Atomkerne mit den Elektronen zu Atomen, diese Entkopplung hat eine weitere wichtige Konsequenz, denn bisher waren die Materieteilchen in die Strahlung eingebettet, die mittlere kinetische Energie der Materie entsprach der mittleren Photonenenergie, und wegen der großen Photonenzahl war der Druck des Gemisches durch den Strahlungsdruck bestimmt – das Universum wurde quasi nach 397.000 Jahren durchsichtig. Dieser hohe Druck führte dazu, dass Dichtefluktuationen sich immer wieder ausglichen, doch nach der Entkopplung, ist das Verhalten der Materie nur noch von einem sehr viel kleinerem Druck bestimmt, und die Fluktuationen können sich unter dem Einfluss der Gravitation verstärken. Die erste Fragmentation führte zu den Superhaufen, eine weitere zu Galaxienhaufen, und eine dritte Fragmentation führte schließlich zu Gaswolken von der Größe der einzelnen Galaxien.
Im Kontrast zu diesem Modell gibt es viele weitere, bei denen auch die Entwicklungsgeschichte anders verlaufen sein muss.

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Harald Wolfsgruber