Wolfgang Korsus Dipl.-Ing. NT , Astrophysiker
Klingenberg 40
25451 Quickborn
Email : wkorsus@gmx.de
website : Wolfgang.Korsus.net
Jetzt die Explosion ohne Knall : Die Urknalltheorie
Alle Theorien sind ins Leben geworfen worden, von irgend jemand selbstverständlich; auch diese. Sie wurde 1929 geschrieben und sie wurde begründet, durch Georges Lemaître; nur was der Knall in diesem Wort soll, daß kann ich mir nicht vorstellen !
Er hatte an der Universität Löwen in Belgien Mathematik und Physik studiert und auch gleichzeitig die Unterweisung für das katholische Pfarramt erhalten. So…So
Wer meine Einstellung zur Religion und den dort angehefteten Glauben kennt, der weis wie ich darüber denke !
Dieser Mensch war in beiden Lagern erfolgreich; denn er promovierte 1920 in Mathematik und wurde 1923 zum Priester ordiniert. Eine für mich eigenartige Kombination…..!? So kam dabei nachfolgendes heraus : denn 4 Jahre später im Jahr 1926 bestätigte er rein unabhängig noch einmal die Richtigkeit von Friedmanns „expandierender“ Lösung und benutzte diese auch, um die fantastischen Beobachtungen Hubbles zu erklären; also meinte er, dass sich unser sichtbares Universum kontinuierlich ausdehnt. Schauen wir kurz zurück, so meinen wir, man stößt deshalb irgendwann auf sehr dichte, heiße, energiereiche Urmaterie, aus der dann unsere Welt wohl entstanden ist.
Daraus läßt sich schließen, es muss also einen Anfang gegeben haben, einen „Urknall“ und dem katholischen Priester Lemaître erschien namtürlich eine solche Form der Genesis als sehr natürlich, aber sie ist verdammt weit entfernt von dem Dogma, das von Giordano Bruno oder Galileo Galilei vorgelegt wurde. Einstein hingegen, der nicht alles sofort in trockene Tücher wickeln wollte, war anscheinend nicht so begeistert über Lemaîtres Ergebnisse; es hieß, er soll ihm etwas geschrieben haben das lautete : Ihre Berechnungen sind richtig, aber Ihre Physik ist scheußlich.»
Aber wie etwas neues so läuft und dann ist sogar noch ein Geistlicher dabei……..die „Urknalltheorie“ nahm ihren Lauf, in den folgenden Jahren fand sie mehr und mehr Unterstützung und Anhänger. Aber ein entscheidender Schritt noch folgte, es spielte sich im Jahre 1964 ab. Es handelt sich wieder einmal um eine Entdeckung, nämlich die von zwei amerikanischen Astronomen. Arno Penzias und Robert Wilson entdeckten etwas, das heute als kosmische Hintergrundstrahlung bezeichnet wird. Es ist eine Strahlung die man überall im Universum findet, messbar in allen Bereichen des Himmels und es ist ein direktes Überbleibsel des „Urknalls“.
Ich gehe mal etwas detaillierter an diese Entdeckung ran. Sie wird auch als einer der glücklichsten Zufälle in der Entwicklung unseres Weltbildes bezeichnet.
Also los….! Das folgende ist vielfach in der fachlichen Literatur nachzulesen :
Penzias und Wilson arbeiteten im Auftrag der Bell Telephone Company nach praktikablen Methoden der Mikrowellenkommunikation, indem sie Signale an Ballonsatelliten in großer Höhe reflektierten. Äußerst wichtig damit notwendig war es alle Störeffekte mit höchster Präzision auszuschließen. Selbst die Signalempfänger waren bis auf wenige Grad Kelvin, also bis kurz über den absoluten Nullpunkt, abgekühlt, so wollte man mögliche thermische Störstrahlung eliminieren. Doch als sie alle vorstellbaren Störquellen ausgeschlossen hatten, sogar den üblichen Taubendreck auf den Empfangsantennen, empfingen sie immer noch eine mysteriöse Strahlung von etwa drei Grad Kelvin. Diese Strahlung war Tag und Nacht da und selbst in allen Himmelsrichtungen wurde sie entdeckt. An Freunde gewandt hörten sie dann, dass an der nahe gelegenen Princeton-Universität Robert Dicke und Mitarbeiter gerade eine Arbeit beendeten über eine „Hintergrundstrahlung“, erzeugt und dann hinterlassen vom Urknall. Infolge dessen setzten sich Penzias und Wilson mit der Princeton-Gruppe in Verbindung, diskutierten ihre Beobachtungen mit ihnen und schlossen, dass sie in der Tat diesen „Urknallblitz“ gefunden hatten. Folgend wurde Ihre Arbeit 1965 veröffentlicht mit der Vorhersage, dass eine vom Urknall emittierte Strahlung noch heute messbar sein sollte und ist.
Also sage ich recht simpel, achtet nicht nur auf das Licht der Sterne. Der Urknall konnte natürlich nicht «knallen», er konnte so etwas wie Blitzen, also Licht emittieren, und dieses Licht ist noch heute vorhanden in Form der von Penzias und Wilson entdeckten kosmischen Hintergrundstrahlung. Wenn ich sage, das Licht ist noch heute vorhanden, dann muß ich hinzufügen : aber für unsere Augen nicht. Es ist eine Mikrowellen-Strahlung
Zur Info, Wikipedia schreibt :
Die Hintergrundstrahlung, genauer kosmische Microwellenhontergrundstrahlung, in Englisch: cosmic microwave background (CMB), wegen ihrer niedrigen Temperatur bzw. Energiedichte auch Drei-Kelvin-Strahlung genannt, ist eine das ganze Universum erfüllende nahezu isotrope Strahlung im Microwellenbereich.
Jetzt ist die Zeit gekommen mich zum Thema „Urmaterie“ aufzumachen. Aus was bestand sie im Anfang- aus den wechselwirkenden Urteilchen und das hat selbstverständlich etwas mit „Anfang“ zu tun. Also einfach ausgedrückt ein Plasma bestehend aus QUARKS,ELEKTRONEN und ……mehr
Angeführtes Plasma dehnte sich rasch aus und kühlte nebenbei bemerkt auch schnell ab; die Quarks bildeten sich zusammen zu Protonen und Neutronen. Letztendlich verschmolzen diese wiederum zu Kernen. Jetzt war es nicht mehr weit das Elektronen und Kerne dann im Endeffekt elektrisch neutrale Atome bildeten.
Diesen Zeitpunkt nenne ich „Entkopplungsphase“, das war etwa 300.000 Jahre nach dem Urknall, da waren die Photonen ihrem Schicksal überlassen: Denn es gab keine ungebundenen geladenen Teilchen mehr, und untereinander, ja, da war keine Wechselwirkung möglich.
Ich benutze mal die Augen der Photonen und sage etwas zu deren Sicht. Das Universum war jetzt völlig durchsichtig geworden, das Licht breitete sich ungehindert aus in den expandierenden Raum und diese Photonen sind simpel ausgedrückt die ursprünglichsten Signale des Urknalls, die wir empfangen können.
Noch hinzuzufügenden ist aus meiner Sicht, vor der Entkopplung war das Plasma geladener Teilchen für Licht undurchlässig; wir können also aus dieser Zeit keine Signale erhalten. Ich sage der Zeitpunkt der Entkopplung, als sich elektrisch neutrale Atome bildeten, ist für uns somit ein absoluter Zeithorizont.
Achtung ZEITHORIZONT habe ich gesagt….wir sind zurück !!!
Die Photonen wurden damals frei, denn es war die „Entkopplungszeit“ und sie bildeten ein Gas das hatte eine Temperatur von etwa 3000 Grad Kelvin. Betrachten wir die Wellenlänge, sie liegt im gelben Teil des sichtbaren Spektrums. Was aussagt, der Himmel war damals nicht dunkel sondern leuchtend gelb. Nur seitdem hat sich das Universum immer weiter ausgedehnt, heute können wir sagen es war so um einen Faktor 1000, seit der Entkopplungszeit. Was wirkt dann auf die Ausdehnung ? Es ist die Energiedichte, denn diese wurde immer geringer, das führte halt wiederum zu einer entsprechenden Abkühlung . Deshalb hat die kosmische Strahlung jetzt nur noch eine Temperatur von etwa drei Grad Kelvin. Weiter mit der Wellenlänge, sie vergrößerte sich zum Wert von heute. Dieser Wert liegt im Bereich von ca. 7 cm und liegt damit im Mikrowellenbereich. Somit leider weit unter der Sichtbarkeitsgrenze.
Man kann also ganz locker sagen : der Himmel erscheint uns nur deshalb dunkel, weil wir sein Leuchten halt nicht sehen können. Eine noch zu erfindende Brille würde es möglich machen das der Himmel auch nachts leuchtet und die Aussage geht weiter, nicht wegen der vielen Sterne, sondern durch das Nachglühen des Urknalls.
Aber merkt Euch, das soll noch nicht alles gewesen sein, es geht weiter……..
Das erwähnte Leuchten erzeugt ein schwer ins Gewicht fallendes Problem, und das möglicherweise nachteilig auswirkend ist.
Damit nicht genug, denn dieses Leuchten schafft tatsächlich wiederum ein gravierendes Problem, ……..für unser Weltbild. Denn kurz erwähnt, die Hintergrundstrahlung, die wir heute empfangen, kommt seltsamerweise aus Himmelsgebieten, die zur Entkopplungszeit absolut keinerlei kausale Verbindung hatten, es waren schlicht gesagt, Himmelsgebiete, die zur Entkopplungszeit aus getrennten Raumzeitbereichen, zwischen denen keine Kommunikation möglich war, gekommen. Seltsamerweise hatte ich vorhin gesagt und zwar zurecht, denn die Entkopplung liegt sehr weit zurück und seitdem hat sich der Raum wirklich nachgewiesen, immens ausgedehnt. Was das bedeutet, lässt sich auch leicht schematisch zeigen.
Schaut Euch mal zwei Markierungspunkte an, die einen Kilometer auseinanderliegen. Ein Beobachter, der von jedem der beiden um einen Kilometer entfernt ist, unter einem Winkel von 60 Grad (siehe Bild ) Für einen fünf Kilometer entfernten Beobachter aber beträgt der Betrachtungswinkel nur noch etwas mehr als zehn Grad ?
Sowas Ähnliches passierte ebenfalls bei der Entkopplung. Denn zur fraglichen Zeit, das waren 300.000 Jahre nach dem Urknall, da konnten nur solche Bereiche miteinander kommunizieren, die um nicht mehr als 300.000 Lichtjahre voneinander getrennt waren.
Beobachtungswinkel sinkt mit wachsender Entfernung
Die zeitliche Entwicklung der kosmischen Hintergrundstrahlung
Bitte beachtet das folgende, es erleichtert ein besseres Verstehen. Ich sage mal das nächste an: stellt Euch vor diese Bereiche sind heute von uns mehr als 1000 Lichtjahre entfernt, dann bildet ihr Winkel für uns nur den Bruchteil eines Grades. Genauer gesagt, messen wir zuerst die Hintergrundstrahlung in einem bestimmten Winkel und im Anschluss daran in einem anderen Winkel, dann sagt das, die Ursprungsbereiche der Strahlungen haben aus diesen beiden Messungen keinerlei Verbindung gehabt. Aber warum zeigen dann beide die gleiche Temperatur an? Die Strahlung, die wir hier messen, kommt von Millionen von Raumgebieten, die nie eine Möglichkeit hatten, sich abzustimmen. Ein amüsanter Vergleich ist sehr ähnlich : Das Ganze stellt wie ein riesiger Sängerchor dar aber ohne Chorleiter aber mit vielen, vielen Sängern die sich aber auf keine Weise untereinander verständigen können. Trotzdem singen sie alle den selben Text und die selbe Melodie. Jedoch die Entkopplung von „Photonen und Materie“ hat zu verschiedenen Zeiten in verschiedenen Bereichen stattgefunden und diese Bereiche haben unterschiedliche Temperaturen ihrer Hintergrundstrahlung erzeugt. Aber alle verhalten sich so, als ob ein allmächtiger, imaginärer Chorleiter irgendwann seine Arme gesenkt und die Anweisung gegeben hätte: …Entkoppelt jetzt.
Dieser Effekt, das Horizontproblem wird auch als eines der großen Rätsel der heutigen Kosmologie bezeichnet, für das es, trotz einiger interessanter Vorschläge, bislang keine rundum zufriedenstellende Lösung gibt. Auf einen dieser Vorschläge komme ich noch zurück.
Die zeitliche Entwicklung der kosmischen Hintergrundstrahlung
Aber werfen wir als nächstes einen Blick auf das Thema „Abkühlung“ .Denn durch diese ist die damalige Strahlung von 3000 Grad auf die heutigen drei Grad abgesunken. Ganz nebenbei bemerkt, die Frequenz des von einer Wärmequelle emittierten Lichts sinkt mit der Temperatur. Eine normale Wechselwirkung des Lichts mit den Atomen der Quelle. Denn dessen Atome befinden sich in verschiedenen Anregungszuständen die beim Übergang von einem Zustand in einen anderen, Photonen absorbieren und emittieren. Kühlt man aber die Quelle ab, absorbieren die Atome mehr Photonen hoher Frequenz und emittieren mehr Photonen niedriger Frequenz – das führt wiederum zu einer allgemeinen Verschiebung in Richtung niedrigerer Frequenzen, also niedrigerer Temperatur.
Verschiebung…….??????
Das Universum hat soooo viel leeren Raum, aber nachdenklich gesagt mit soooo wenigen Atomen, jetzt meine zaghafte Frage : Wie kann dort eine kosmische Rotverschiebung stattfinden ? Also wenn ich so länger meinen Denkapparat in Schwung bringe, dann komme ich sehr nahe an die Doppler-Verschiebung heran. Ich mache deshalb mal folgende Aussage. Dieser Ursprung der kosmischen Abkühlung gleicht ein wenig der Doppler-Verschiebung, die ich schon bei bewegten Quellen beobachtet habe.
Dort beobachtet man, dass die Wellen «gestaucht» wurden, wenn sie auf uns zukamen, und «gestreckt» wurden, wenn sie sich von uns entfernten. ……..und so etwas geschieht auch mit einer einsamen Welle, wenn sie durch den sich ausdehnenden Raum fliegt. Der Abstand zwischen zwei benachbarten „Wellen-Bergen“ vergrößert sich, die Wellenlänge wird also desto länger, je mehr sich der Raum ausdehnt. Hat der Raum sich seit der Emission des Lichts um einen Faktor tausend gedehnt, dann ist auch die Wellenlänge um diesen Faktor größer geworden, Achtung, die Frequenz hingegen kleiner. Aber diese Art kosmischer Rotverschiebung bedeutet demnach nicht, dass sich die Quelle lokal von uns fortbewegt, nein, sondern nur, dass der von ihr durchquerte Raum sich ausdehnt.
Bewegen wir uns wieder unmittelbar zum Hubble’schen Gesetz…..
……v = H 0 d , es sagt : die Geschwindigkeit v einer fernen Galaxie ist proportional zur Entfernung d von der Erde. Der kritische Maßstab dabei ist die «Hubble-Konstante» H 0 ; der heutige Wert ist etwa 22 km/s pro eine Million Lichtjahre. Somit entschwindet eine Galaxie, die eine Million Lichtjahre von uns entfernt ist, durch die Raumexpansion mit 22 km/s, während eine zwei Millionen Lichtjahre entfernte Galaxie das mit 44 km/s tut.
Bei einer konstanten Expansionsbeschleunigung bestimmt die Hubble-Konstante
demnach das Alter des Universums, t 0 = 1/H 0 ; somit erhält man mit dem angegebenen Wert von H 0 die Bekannten 13,8 Milliarden Jahre .
Die erhaltene Expansionsbeschleunigung und ihre Zeitabhängigkeit werden durch eine Vielzahl von Aspekten, sowohl Messgrößen wie auch theoretischen Überlegungen, bestimmt. Eine wesentliche Größe ist dabei die gesamte Masse des Universums. Wenn diese genügend groß ist, kann die Schwerkraft auf lange Sicht die Expansion aufhalten und dafür sorgen, dass sich alles wieder zusammenzieht. Das Ergebnis sagt dann aus : eine Evolution vom Urknall führt zum Urkollaps. Umgekehrt würde folgendes sein, ist die die Masse des Universums genügend klein, überwältigt die Ausdehnung die Schwerkraft, und die Beschleunigung nimmt mit der Zeit zu.
Ich habe zwei Möglichkeiten gerade betrachtet beziehungsweise erklärt; eine kritische Grenze zwischen diesen beiden Möglichkeiten ergibt, eine konstante Beschleunigung ist bevorzugt worden. Die Natur des Universums mag es so. Nur die Masse des Universums ist allerdings nicht leicht zu bestimmen, denn es gibt da den sichtbaren Inhalt und noch große Mengen dunkler Materie , diese ist unsichtbar und die sich ausnahmslos nur durch ihre Auswirkungen auf das Schwerkraftverhalten von Galaxien feststellen lässt. Aber hinzu kommt dann noch die bereits erwähnte dunkle Energie , sie durchdringt das gesamte Universum auch bremst sie die Schwerkraft ab und mithin die Expansion des Universums verursachen mag. Die neuesten Erkenntnisse wurden mit dem Nobelpreis 2011 ausgezeichnet, sie deuten auf eine zunehmende Beschleunigung hin und unterstreichen die Wichtigkeit der nicht mysteriösen dunklen Energie. Zum Schluss jedenfalls gesagt bleiben die ca. 14 Milliarden Jahre heute der beste Wert für das Alter unseres Universums.
Aber vorher möchte ich noch einmal zurückkehren zu der Frage, wie die Expansion ganz kurz nach dem Urknall eigentlich abgelaufen ist; das bringt mich auch zurück zu dem erwähnten kosmologischen „Horizontproblem“. Ich weise allerdings verstärkt darauf hin, dass der «Grund», der eigentliche Auslöser des Urknalls, nicht bekannt ist. Aber man hat sehr wohl eine recht eindrucksvolle Möglichkeit oder besser den Versuch die Entwicklung des frühesten Stadiums zu beschreiben, nämlich eine………es folgt der nächste Teil mit der noch folgenden Auflösung