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Die Geschichte der Materie

 

Wilfried Louis  2006

2. Kapitel

Inflation des Universums
Aktuelle Daten und Erkenntnisse
 

Üd.:07.2004

Aus den Entfernungen und den Fluchtgeschwindigkeiten der Galaxien kann man auch den Anfangs-Zeitpunkt des Urknalls berechnen. Wie stark nun die Fluchtgeschwindigkeit mit dem Abstand der Galaxien anwächst, wird durch die »Hubble- Konstanten« bestimmt. (Über eine präzise Festlegung dieser Konstanze konnten sich die Wissenschaftler bis heute noch nicht einheitlich einigen. Sie liegt bei dem "Faktor um 2", so dass unser Universum auf ein Alter von etwa 15 Milliarden Jahren geschätzt wird. Andere Altersangaben ergeben sich aus der Verschiebung dieser Hubble- Konstante.
Die Erforschung der entferntesten Galaxien ist für die Astrophysiker eine technische Herausforderung, da der Beobachtungshorizont immer größer wird, aber die Sterne immer schwächer leuchten. So können wir nur etwa 5% des theoretisch möglichen Beobachtungsbereichs erkennen.

Teleskope sind die Werkzeuge für die Beobachtungen des Universums. Diese Zeitmaschinen ermöglichen uns eine Reise in die Tiefe der Zeit. Das Licht breitet sich  mit der Geschwindigkeit von etwa 300.000 Kilometern pro Sekunde aus; daher schaut, wer ein strahlendes Objekt in 300.000 Kilometern Entfernung ansieht, in die Vergangenheit vor einer Sekunde zurück. Sehen die Forscher, wie neuerdings möglich, 14 Milliarden Lichtjahre weit, dann haben sie eine Epoche im Blick in der das Universum gerade eine Milliarden Jahre jung ist. Für das »Very Large« Teleskope« in Chile - das neuste und gewaltigste aller Superfernrohre- ließ man den Gipfel eines Berges wegsprengen. Die vier Türme besitzen einen Hohlspiegel mit acht Metern Durchmesser. Man könnte mit ihm einen Astronauten, der über den Mond spaziert, fotografieren. Die Hohlspiegel der Very Large Teleskope fangen die Strahlen der ersten Sterne ein, indem sie einzelne Photonen eines Himmelsobjektes einige Zeit sammeln und auswerten. Es sind Signale aus jener Epoche, als die Himmelskörper gerade entstanden. So wollen die Astronomen herausfinden, was zur Entstehung der Galaxien führte. Wenn auch nur wenige Lichtquanten, als Zeuge für die ersten Anfänge einer universellen Entwicklung zu Verfügung stehen, zu hören sind die Geburtsmomente des Kosmos gleichwohl durch den elektromagnetischen Nachhall des Urknalls. Diese Hintergrundstrahlung ist der erkaltete Überrest der enormen  Photonen- Energie, die nach der Bildung der Atomkerne ungehindert das Weltall durchquerten. Das Universum dehnte sich immer weiter aus und kühlte dadurch ab. Aus der ursprünglich harten energiereicher Photonen- Strahlung wurde die energiearme langwellige Hintergrundstrahlung. 
Der NASA-Satellit "Cosmic Mikrowave Background Explorer »Cobe« hatte im Jahre 1992 die kosmische Hintergrundstrahlung vermessen. Wobei eine erstaunliche Gleichmäßigkeit, vom Urknall ausgehende, Reststrahlungsenergie gemessen wurde (nur wenige Tausendstel Prozent betrug die Homogenitätsabweichung dieser Strahlenenergie). Diese Hintergrundstrahlung enthält einerseits die Botschaft dass sie aus allen Bereichen des Weltalls uns überflutet und somit aus den Anfängen des Universums sein muss. Anderseits spiegelt diese Strahlung winzige Unregelmäßigkeiten einer inhomogenen Verteilung der Energie im Urkosmos wieder.
Der Ballon »Boomerang« untersuchte in 28 Kilometer Höhe, über der Antarktis die Temperaturschwankungen der Hintergrundstrahlung noch genauer als Cobe es bisher konnte. Es war nun möglich, Schwankungen in einem engen Winkelbereich zu messen. Würden sich Frequenz-Schwankungen über ein enges Winkelsegment erstrecken, wäre unser All eine flache Schale; würde sie einen großen Bereich einnehmen, wäre unsere Welt konkav bzw. konvex gekrümmt. Das Ergebnis wurde erst kürzlich, vor der Jahrtausendwende veröffentlicht. Die größten Wärmeschwankungen ergaben sich innerhalb eines Messwinkels von etwa einem Grad

Unser All ist demnach eine flache Scheibe 
Dies bedeutet zugleich eine Bestätigung der Inflations-Theorie.
Unser Universum ist kein Einzelfall 

Was heißt flach Scheibe?
Nach der allgemeinen Relativitätstheorie kann der Raum im Prinzip flach sein, unterschiedliche Geometrien einnehmen; je nach Dichte der Materie krümmt sich der Raum positiv bzw. konvex oder negativ bzw.  konkav. Bei positiver Krümmung würde sich die Materie und damit das Universum wieder zusammenziehen. Unser Universum ist aber nur sehr geringfügig gekrümmt (ein Ergebnis aus den jüngsten Messungen der Hintergrundstrahlung durch den Messballon "Boomerang).
In unserem Kosmos, mit seiner relativ geringen Materiendichte, bildet sich der geometrische Kompromiss in Form eines flachen bzw. euklidischen Raums, dessen Ausdehnung in die Unendlichkeit treibt. 

Die entscheidende Botschaft dieser Erkenntnisse ist die

- Unendlichkeit der Schöpfungsgeschichte -

Es stellt sich weiterhin die Frage, wie konnte aus Nichts ein Etwas, also Materie, werden?
A
lan Guth untersuchte in den 80er Jahren, neben den bekannten vier Kräften: "Elektromagnetismus", "Starke Kraft" und "Schwache Kraft" in den Atomkernen, sowie die "Gravitation", weitere Felder die eine Naturkraft enthalten könnte. Dass sie existiert dafür hatte die Teilchenbeschleunigungsanlage CERN in Genf schon einen wichtigen Hinweis geliefert. Dort hatte man eine Zustand simuliert, der den billardsten Teil einer Sekunde nach dem Urknall entsprach, wobei sie subatomare Elementarteilchen aufeinander knallen ließen. Dabei blitzten Spuren eines bisher nicht beobachteten Teilchens auf.
-siehe "CERN"
D
iese Teilchen hatte der britische Physiker “Higges« bereits in den 60er Jahren vorausgesagt. Seine Existenz verdankt das Higgs-Teilchen, wie alle Energieteilchen einem Energiefeld, dem "Higgs-Feld". Der Quantentheoretiker Guth geht davon aus, dass dieses Feld die einzige in der Natur vorkommende Kraft ist, die auch im leeren Raum (Vakuumenergie) wirken kann. Als Guth das Higgs-Feld als Zahlengröße in sein Formelwerk eingab, zeigte sich überraschend, dass die Kraft in dem Higgs-Feld, zur Zeit des frühen Universums, eine andere Stärke gehabt haben muss als heute. Das wiederum ist ein Hinweis darauf, dass sich die Entwicklung unsers Kosmos in zwei Phasen vollzogen haben könnte. Eine vor dem Urknall eine danach. Aus dieser Erkenntnis formulierte Alan Guth eine neue Theorie über die Geburt des Universums: Vor dem großen Urknall genauer gesagt: 1-34 Sekunden vor dem großen Big Bang bestand das Universum aus nichts anderem als dem Higgs-Feld, es dehnte sich in diesem Augenblick ruckartig - exponentiell - in unvorstellbaren kleinen Zeitintervallen aus. Guth nannte dieses Phänomen 

  »Inflation des Universums«  

In dieser Phase wuchs das Universum enorm schnell an. Das heißt der Raum explodierte auf das 10100000fache der ursprünglichen Größe, dies entspricht einer Ausbreitung von 10-28 Zentimeter auf eine Größe von 10 Zentimeter, wobei sich die Ausdehnung mit einer Überlichtgeschwindigkeit vollzog, sonst wäre das Feld in sich wieder zusammengestürzt. Diese Überlichtgeschwindigkeit verstößt nicht gegen den Grundsatz, dass keine Strahlung schneller sein kann als das Licht, da sich Raum und Zeit selbst ausdehnten. In diesem sogenannten Higgs- Feld vergrößerte sich die Energie bis zu einem Phasenübergang (Energie- Materie), in dem sich die eingesperrte Energie durch einen Urknall befreite. Hierbei ging die Inflationsphase in einer verlangsamten Expansion über. Aus der thermischen Energie entstand jetzt der kosmische Stoff  »Materie«.
Somit ist der Urknall die Übergangphase zwischen zwei Zuständen des Universums - nicht wie bisher angenommen der Anfang der Schöpfung.
Das neue Bild von der Entstehung des Universums bot unter anderem einen Weg der Sackgasse. Das Modell der "Singularität" als Inflationsmodell bedarf nicht mehr den unendlich heißen Urzustand, dessen Zündung bisher nicht erklärt werden konnte. Auch die Frage, wie die Energie eigentlich in den Weltraum gekommen ist, scheint jetzt geklärt zu sein. Die Quantenphysiker gehen davon aus, dass das Higgs- Feld die Kraft hat aus dem  »Nichts« Energie zu schöpfen. Diese subatomare Kraft aus dem Nichts bzw. dem Vakuum ist zwar noch nicht bis ins Detail bewiesen, doch, dass sie existiert ist wissenschaftlich unumstritten.
D
er Quantenphysiker Alan Guth hatte aber bei seinen Ergebnissen etwas wichtiges übersehen. Was das war erklärte 1983 der russische Physiker Andrey Linde, mit Hilfe eines effektvollen Tricks. -Er legte 2 Streichhölzer zu einem Kreuz auf seine Hand, wobei das oberste Streichholz zitterte und hüpfte als ob er an einem unsichtbaren Faden gezogen würde- Seine Erklärung: Es bilden sich chaotische Kräfte im submikrokosmischen Bereich. Guth hatte diese chaotischen Fluktuationen des Universums vor dem Urknall nicht in den möglichen Variationen durchgerechnet. Linde erkannte bei diesen Berechnungen, das eine inhomogene Verteilung in diesem Urkosmos, während seiner Inflationsphase, bestand. Es wies höhere und niedrige Energiebereiche auf. Wenn alle "Energiebereiche" einen Urknall durchlaufen, dann gibt es nicht nur ein Universum, sondern viele-* So können wir uns, nach Lindes Theorie, dass »Multiversum« als einen Urschaum vorstellen. Von Außen beobachtet, besteht dieser Urschaum aus unzähligen Mini-Universen, von denen sich einige erst inflationär aufblasen, während andere bereits untergehen. Unser Universum ist in diesem kosmischen Schaumbad nur eine winzige Seifenblase.
Zwar fehlt dieser zweiten kopernikanischen Revolution (Zitat aus PM/Mai/2001)  noch den empirischen Beweis. Hoffnung setzen die Physiker auf den Ausbau des Teilchenbeschleunigers  »CERN« bei Genf, der im Jahr 2005 fertiggestellt sein soll. Er soll die geheimnisvollen Higgs- Teilchen mit dem LHC- Beschleuniger dingfest machen. Auch der Forschungssatellit  »Pank«, der ebenfalls im Jahr 2005 gestartet wird, soll durch genaue Messungen der winzigen Kräuselungen innerhalb der kosmischen Hintergrundstrahlung beweisen, dass eine Inflation des Universums stattgefunden hat.

Die Frage:
W
ie lange sich diese Expansion der Welt noch fortsetzt, hängt nach Newtons Berechnungen, von der Materiedichte und die daraus resultierende Gravitation der Massen ab. Ist genug Materie vorhanden, so gewinnt die Gravitationskraft über den expansiven Kräften. Als Folge davon wird die Expansion irgendwann aufhören und das Universum wieder kollabieren. Dieses Theorie nennt man "Big Crunch""(Grosses Knirschen). Es ist sogar denkbar, dass wieder ein singulärer Zustand erreicht wird und es wieder zu einem Urknall kommt. Dieses periodische Szenario von Expansion und Kollaps nennt man "Pulsierendes Universum". Ist jedoch zuwenig Materie vorhanden, so wird die Expansion nie aufgehalten werden können: Das Universum wird langsam auskühlen und als kaltes Universum enden. Dieses favorisierende Entwicklung kennt man unter der Bezeichnung "Big Whimper" (Grosses Wimmern).
Nach den aktuellen Berechnungen der Astrophysiker liegt der Anteil der sichtbaren Materie gegenüber der Gesamtmasse bei 4 bis 5 Prozent, das heißt, alle Galaxien, Sterne und Gaswolken aufgelöst und gleichmäßig im All verteilt - bringen lediglich 0,2% Partikel pro Kubikmeter. Diese Gesamtmasse reicht bei weitem nicht aus um die Expansion der Materie zu bremsen. Doch es scheint etwas zu geben, was die Dichte im Weltraum erhöht. Wäre da nur die Materie die wir sehen, würden die Sterneninseln unentwegt auseinander fliegen. Um das auseinander fliegen der Sterne in unser Universum anzuhalten benötigt es zehnmal mehr Masse als die Forscher bisher entdecken konnten. Die "Dunkle Materie", die wie schon in Zyklus 2 beschrieben wurde, macht etwa 80 bis 90 Prozent der Gesamtmasse im Universum aus. Doch gegenüber dieser Gravitations-Energie steht die Expansion- Kraft der "Dunklen Energie". Diese Energie meint zunächst die kosmologische Konstante der Einsteins Feldgleichung. Nach den heutigen aktuellen Messungen zählt die Kosmologische Konstante zu der entscheidenden Kraft im Universum. Sie überwiegt die Dunkle Materie um den Faktor 2. Damit ist die Dunkle Energie die entscheidende Substanz noch vor der Dunklen Materie. Das Schicksal des Universums hängt von seinem Materieinhalt (bzw. präzise formuliert von den Massen- und Energiedichten) ab.
B
estätigt wurde dies dunkle Energie 1998 durch die Australier "Schmidt" und der US Astronom "Saul Perlmutter" die über das Internet verbunden und mit Riesenfernrohre und Teleskope eine Neuvermessung des Weltraums durchführten.. Dabei dienten Supernovae vom Typ Ia als feststehende Messpunkte am äußeren Rand des Universums. Die Helligkeit mit der ihr Schein auf unsere Erde ankommt hängt allein von ihrer Entfernung ab, die Lichtfarbe ist somit der Garant für die Geschwindigkeit mit der die explodierenden Sterne sich von der Erde in die Tiefe des Weltalls entfernen. Mit einfachen Rechnungen konnten die Wissenschaftler das Alter des Universums von 15 Milliarden Jahren neu bestätigen. Neu und revolutionär war aber die Entdeckung, dass der Schwung der davonfliegenden Galaxien so groß ist, das eine Rückkehr unmöglich ist. Die 2 bis 5 Milliarden Jahre alten Supernovae standen zudem etwa 20% weiter entfernt als theoretisch erwartet. Sie müssen weggeschossen sein, folgerten die Forscher. Es muss also eine Kraft existieren die die Expansion des Weltalls beschleunigt -eine dunkle Energie die als Anti-Schwerkraft wirkt- Diese Entdeckung wurde in wiederholten Messungen und von mehreren Forscherteams bestätigt. Die Astrophysiker vermuten, dass zahllose virtuelle Teilchen den Raum stärker auseinander treiben. (Diese Teilchen werden auch als virtuelle Energie in einem Vakuum gemessen). Das Universum dehnt sich so schnell aus, wie schon einmal in der Nähe des Urknalls. Dies bestätigen auch die Aufnahmen der Supernova 1977ff die in der Rekordentfernung von 11,3 Milliarden Lichtjahre steht, und damit etwas weiter weg als das unbeschleunigte All sie platziert hätte, aber doch näher als wenn die Antigravitationskraft von Anfang an wirksam gewesen wäre. Hält diese rasende Bewegung an, dann sind wir irgendwann alleine im Universum - ohne Nachbargalaxien.
siehe: Die Zukunft


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