Weltall und das Leben, Fragen zum Urknall! Teil 2

Wolfgang Korsus Dipl.-Ing.NT, Astrophysiker

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Unser Universum wird immer größer, das ist uns seit genau 90 Jahren sicher bekannt. Es war der Astronom Edwin Hubble, er entdeckte im Jahre 1929 dieses bei der Beobachtung anderer Galaxien. Wirft man heute einen Blick darauf zurück, kann man für diese Arbeit nur mit größtem Respeckt den Hut ziehen!

Jetzt mehr ins Detail.

Unter Anderem stellte er dabei fest, die Galaxien bewegen sich nicht nur weiter weg, sondern das tun sie um so schneller, je weiter sie von uns entfernt sind.

Das sich alle Galaxien von uns weg bewegen muß simpel als eine Expansion des Weltalls selbst ausgelegt werden. Es herrscht eine lineare Beziehung zwischen der sogenannten radialen Geschwindigkeit und der Entfernung einer Galaxie…sie beschreibt man durch das äußerst bekannte Hubble-Gesetz.

Und die Konstante, die zwischen beiden Größen vermittelt, die also bestimmt wie schnell die Geschwindigkeit der Galaxien mit ihrer Entfernung wächst, ist die Hubble-Konatante.

Vorsicht sie muß heißen:  Die veränderliche Konstante!

Seid ehrlich!….hört sich seltsam oder besser etwas konfus an !?Dieser, von der Wissenschaft vergebene Name ist sehr irreführend. Diese Hubble-Konstante hat nachgeforscht ihren Wert seit dem Urknall stetig verändert….und ganz nebenbei, Ihr heutiger Wert wird mit dem Symbol H0 beschrieben.

Ist dieser Wert nicht nur vage ermittelt worden, sondern bis ins Einzelne angegeben, dann ergeben sich viele interessante Informationen über unser Universum. Genauer gesagt, das Wort „angeben“ kann man anders formulieren, besser gesagt, “Informationen ableiten“.

Zähle ich mal ein paar Beispiele auf.  In dem Wert der Hubble- Konstanten befindet sich das Alter des Universums: Schaut her, rechnet die Dauer aus wie lange es gedauert hat bis sich das bekannte Weltall seit dem Urknall mit bekannter Ausdehnungsgeschwindigkeit zu seiner heutigen bekannten Größe entwickelt hat. Der dann zu erhaltende Wert gibt aber noch zusätzliche Anhaltspunkte für das kosmologische Modell an, nämlich wie unser Universum beschrieben werden kann. Ich weise mal auf die Natur der dunklen Energie oder die Physik der Neutrinos hin.

Die Frage die sehr schnell aufkam, wie genau war nun der Wert der Hubble-Konstanten, sie war lange umstritten. Die sehr großen Schwierigkeit der Messung ergibt sich aus der komplizierten Bestimmung kosmischer Entfernungen, denn die kommt daher, dass wir unser sichtbares Universum nur als Projektion auf einer zweidimensionalen Himmelssphäre sehen können. Bedeutend einfacher können die radialen Geschwindigkeiten kosmischer Objekte vergleichsweise problemlos anhand des Dopplereffekts gemessen werden, denn dieser führt zu einer bewegungsabhängigen Verschiebung von Spektrallinien. Zurückblickend wurde neben der Methode, den aktuellen Wert der Hubble-Konstante anhand präziser Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessungen zu bestimmen, die eine alternative Messweise auf der Grundlage der kosmischen Hintergrundstrahlung genutzt.

Bitte, liebe Leser, werft nun ruhig mal einen Blick auf das Diagramm.

 

                       

 

In Hubble’s Diagramm also sind es so knapp über dreißig Messpunkte und die waren sehr unregelmäßig verteilt.

Natürlich gibt es eine kurze Beschreibung, also…das Hubble-Diagramm wie folgt:

Auf der Horizontalen ist die Entfernung der Objekte aufgetragen dagegen vertikal die sogenannte Fluchtgeschwindigkeit (natürlich sorgfältig wie alle seine Hinterlassenschaften ….korrigiert um die Eigenbewegung unseres Sonnensystems).

– Schwarze Punkte stellen Objekte dar, die individuell gemessen wurden.

-Kreuze, sind mittlere Geschwindigkeiten von 22 Nebeln, deren Abstände von ihm nicht einzeln ermittelt werden konnten.

-Kreise sollen Nebel aufzeigen, deren Objekte er nicht individuell auflösen konnte.

………………..-…Eine gestrichelte Linie ergibt sich dann unter Berücksichtigung der Kreise, aber die durchgezogene Linie approximiert die schwarzen Punkte. Es muß bemerkt werden, die Steigungen beider Geraden sind aus heutiger Sicht falsch. Sehr bemerkenswert ist aber die grundlegende Idee einer Geraden, denn diese ist wahrlich gesagt bahnbrechend.

Wie sagt man heute immer wenn jemand Mut zur Lücke hatte…z.B. …Ein starkes Stück…!!!
Hubble gehörte zu der Art von Wissenschaftler, der den Mut hatte, durch einen Haufen von Punkten einfach mal einen Strich zu ziehen und dann zu sagen: „So!, das wär‘s“ !

Jedoch ohne so ein Selbstvertrauen hätte er nicht Hubble geheißen und das braucht man halt wenn man so einen Wissenschaftler darstellt.

Ich kann nicht umhin schlicht zu sagen, da hat dieser Edwin Hubble einfach nur „Physikgeschichte“ geschrieben. Sein Wahnsinns-Diagramm – das auch später nach ihm benannte Hubble-Diagramm – hat den Zusammenhang zwischen Entfernung und Fluchtgeschwindigkeit von Sonnen verdeutlicht.

Noch einfacher ausgedrückt belegen die von ihm angeführten Daten eindeutig, dass sich Objekte, die man von der Erde aus in beliebigen Richtungen betrachtet, umso schneller von uns wegbewegen, je weiter sie entfernt sind !!!

Das statische Universum starb, genauer ausgedrückt, es war tot. Damit war die Hoffnung vieler Wissenschaftler auf eine Erhaltung der bisherigen Theorie nicht mehr haltbar. Sie wurde ganz einfach verdrängt durch ein expandierendes Universum.

Jetzt tat es vielen Wissenschaftlern richtig gut zu sagen, das die immer währende Evolution auch in der Naturwissenschaft schließlich mehrere Falschdenker getroffen und gefordert hatte.

 Was mir im Laufe meines Lebens von Lebensjahr zu Lebensjahr immer öfter aufgefallen ist, in dem biologischen „Fortlauf“ aller Organismen, also in deren Lebensraum hat sich auch nie etwas Statisch verhalten. Eine fleißige Evolution hat es dort immer gegeben. Die schwachen oder spätdynamischen wurden immer verdrängt und waren dann nicht mehr da.

Also ganz einfach festzustellen ist : …… so unterliegen auch naturwissenschaftliche Theorien einem Evolutionsprinzip. Noch klarer gesagt: „der natürliche Feind der Theorie ist hierbei allerdings nicht wieder eine andere Theorie, sondern das als richtig bestätigte Experiment“.

Ich komme gern zu einem „wahnsinnig bemerkenswerten“ weiteren „Wissenschaftler“, oder besser wohl einmalig denkenden Menschen des frühen 1900-ten Jahrhunderts. 

Es ist Albert Einstein ( 1879-1955)

Ich habe an diesem Kosmo-physikalischem Genie etwas Bestimmtes zu bewundern….nämlich seine bis heute nicht zu widerlegende Arbeit.

Den zeitlichen Ablauf betrachtend kann man feststellen, er hatte bereits Jahre vor Hubbles Entdeckung die ………. Allgemeine Relativitätstheorie entwickelt. Und es läßt sich eindeutig feststellen, deren Gleichungen beinhalten zwangsläufig ein expandierendes Universum !!!!!!!!!

Ich bezeichne ihn einfach als einen der bedeutendsten und weltweit bekanntesten Wissenschaftler der Wissenschaftsgeschichte der vorher schon von mir erwähnten Neuzeit.

Besonders sind seine Forschungsergebnisse zur Struktur von Materie, Raum und Zeit sowie zur immer wieder auftauchenden Gravitation zu benennen. Begriffe die sich, so denkt so manch Einer, einfach behandeln lassen. Aber Vorsicht nicht zu schnell urteilen, diese Begriffe müssen meiner Meinung nach immer im Zusammenhang mit dem newtonschen Weldbild betrachtet werden. Denn gerade die Gravitation brachte dieses nämlich zu Fall.

Kurz ein paar Worte zum Wesen der Gravitation

Die Gravitation (von lateinisch Gravitation für („Schwere“), auch Gravitationskraft oder Massenanziehung genannt, ist eine der vier Grundkräfte der Physik.

Sie zeigt sich in der gegenseitigen Anziehung von Massen und sie nimmt mit zunehmender Entfernung der Massen ab, besitzt aber eine unbegrenzte Reichweite. Was aber noch sehr erwähnenswert ist, im Gegensatz zu den -elektrischen- oder -magnetischen- Kräften läßt sie sich nicht isolieren, besser noch nicht abschirmen.

Als Einsteins Hauptwerk, gilt eindeutig die Relativitätstheorie sie machte ihn weltberühmt. Schon im Jahr 1905 erschien seine erste Arbeit mit dem Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“, der Inhalt dieser Arbeit wird heute als Spezielle Relativitätstheorie bezeichnet. 1915 kam es dann schon zur Publikation der Allgemeinen Relativitätstheorie .

Das Thema „Quantenphysik“ blieb natürlich auch nicht verschont, wenn ich das mal so leicht dahin geworfen betrachte. Besser gesagt, es waren natürlich wesentliche Beiträge zu der „frühen“ Zeit. ……..und, wo bleibt der Nobelpreis ????

Den bekam er, so ganz nebenbei, für seine Verdienste und hervorragende Arbeit in der theoretischen Physik.

Sicher sagt so manchem neugierigen Leser der Begriff „Photoelektrischer Effekt“ vieles. Er entdeckte dessen Gesetz. Dafür erhielt er den Nobelpreis des Jahres 1921, dieser wurde ihm 1922 überreicht.

Albert Einstein gilt als Inbegriff des Forschers und Genies.

Er nutzte seine außerordentliche Bekanntheit auch außerhalb der naturwissenschaftlichen Fachwelt bei seinem Einsatz z.B. , für Völkerverständigung und Frieden.

Ich sage es nochmal: Einstein war vor Hubble und noch ganz nebenbei, er starb zwei Jahre nach Hubble’s Tod. (1955) nochmal zur Allgemeinen Relativitätstheorie, sie wurde 1915 veröffentlicht. Aber erst 14 Jahre später kamen Hubble’s wichtige Beobachtungen auf den Tisch. Das heißt nichts Anderes als das Einsteins Theorie sehr lange im „luftleeren Raum“ schwebte.

Stimmt nicht ganz, denn einige ihrer Vorhersagen waren durch Beobachtungen schon bestätigt worden: Es waren die gravitative Beugung des Lichts und die Stärke der Periheldrehung des Merkurs . ..dazu gleich mehr!

Ich schlage vor, jetzt etwas langsamer an diese vorher genannten Themen heranzugehen. Zunächst hat die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein vorhergesagt, dass, wenn Licht sich an schweren Massen vorbei bewegt, dort wird der Weg des Lichtes gekrümmt. Ihr hört gerade richtig…….dann werden seine Wege gekrümmt, das wiederum nennt man „Gravitative Beugung“ …..und dieser bemerkenswerte Effekt hat die Allgemeine Relativitätstheorie unwidersprochen sehr berühmt gemacht.

 …und damit nicht genug was die gravitative Beugung des Lichts betrifft:

Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt noch etwas voraus, es ist nicht nur Masse, sondern gemäß der bekannten Formel E = m c² …..auch Energie die wirkt, nämlich gravitativ. Newton war nicht dieser Meinung ! …auch Licht somit wird – im Gegensatz zur Newtonschen Theorie – von massereichen Objekten abgelenkt.

Das folgende Bild soll die Krümmung des Raumes durch ein massives Objekt geometrisch (zweidimensional) veranschaulichen. Die Photonen wählen den schnellsten Weg. In einer gekrümmten Raumzeit ist dies nicht mehr eine Gerade, sondern eine gekrümmte Linie.

                 

 

 

Jetzt aber, wie angekündigt, zu der Periheldrehung des Merkurs. Es handelt sich um die Wechselwirkung des Planeten mit dem Gravitationsfeld der Sonne. Dieses „Eiern“ um den Brennpunkt, ausgelöst durch Störungen der Planeten Venus und Erde, kannte man schon vor Einstein, allerdings gab es zwischen den Messdaten und der theoretischen Berechnung eine Abweichung von 43 Bogensekunden pro hundert Jahre. Die Allgemeine Relativitätstheorie konnte diese Bahnveränderung auf die Raumkrümmung durch die Anwesenheit der Sonne zurückführen.

Bereits Jahre vor Hubbles Entdeckung hatte Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie entwickelt. Deren Gleichungen beinhalten zwangsläufig ein expandierendes Universum. Nur mit größter Mühe – mit Hilfe eines mathematischen Kunstgriffes in Form einer Kosmologischen Konstante – war die Theorie mit einem statischen Universum vereinbar.

Er hatte einfach eine Konstante mit der Dimension inverse Fläche addiert, und zwar so raffiniert, dass wieder alles passte.

 …..und damit es im Gehirnspeicher auch sitzen bleibt :nochmal !

Die gravitative Beugung des Lichts: Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass nicht nur Masse, sondern gemäß E = m c² auch Energie gravitativ wirkt. Somit wird – im Gegensatz zur Newtonschen Theorie – auch Licht von massereichen Objekten abgelenkt. Das vorherige Bild soll die Krümmung des Raumes durch ein massives Objekt geometrisch (zweidimensional) veranschaulichen. Die Photonen wählen den schnellsten Weg. In einer gekrümmten Raumzeit ist dies nicht mehr eine Gerade, sondern eine gekrümmte Linie.

….bei der Periheldrehung des Merkurs handelt es sich um die Wechselwirkung des Planeten mit dem Gravitationsfeld der Sonne. Dieses „Eiern“ um den Brennpunkt, ausgelöst durch Störungen der Planeten Venus und Erde, kannte man schon vor Einstein, allerdings gab es zwischen den Messdaten und der theoretischen Berechnung, eine Abweichung von 43 Bogensekunden pro hundert Jahre. Die Allgemeine Relativitätstheorie………konnte diese Bahnveränderung auf die Raumkrümmung durch die Anwesenheit der Sonne zurückführen.

….jetzt aber wirklich zur Periheldrehung des Merkurs

Bei diesem Thema noch eine überlieferte Anekdote. Der Wissenschaftler Arthur Eddington machte eine Expedition nach Afrika. Was hatte er vor ?

Er wollte spezielle Daten einer „Sonnenfinsternis“ erforschen und sie zu Hause in England einem erlauchten Kreis vorstellen, nämlich der Royal Society.

Man muss hinzufügen, mit dem Ergebnis dieser Expedition stand das Weiterleben von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie auf dem Spiel.

Denn diese hatte eine klare Vorhersage getroffen, dass Licht an schweren Massen so sehr gebeugt wird, dass die scheinbaren Positionen von den tatsächlichen Positionen der Lichtquellen, also der dahinter liegenden Sterne, abweichen. Für eine Beobachtung dieses feinen Effekts muss jedoch die alles dominierende Leuchtkraft der Sonne abgedeckt sein – daher die Sonnenfinsternis.

Und die Naturerscheinung hat glücklicherweise mitgespielt. Sir Arthur Eddington hatte genau die Daten mitgebracht, die die Theorie bestätigten.

Arthur Stanley Eddington (1882 – 1944)

Wirft man heutzutage seinen Blick auf das Thema Wechselwirkung von elektromagnetischen Wellen in Gravitationsfeldern, dann läßt sich einfach feststellen, sie lassen sich wirklich genau vermessen. Denn wir sind nicht angewiesen auf eine entsprechende Gesamtlage, wie sie sich aus dem Zusammentreffen besonderer Umstände oder Verhältnisse aus einer Sonnenfinsternis und Hintergrundstrahlung ergibt. – Wir senden geeignete Messgeräte hinter die Sonne. Zum Beispiel die Cassini Sonde. Mit ihr konnte auf diese Weise nachgewiesen werden, das elektromagnetische Signale beim Durchlaufen von Gravitationsfeldern entsprechend der Allgemeinen Relativitätstheorie eine Verzögerung erfahren. Dieser, nennen wir ihn Effekt (Shapiro) wurde mit einer Genauigkeit von 0,001 Prozent bestätigt.

Eindeutig mußte man wieder feststellen, sie, die Allgemeine Relativitätstheorie hatte auch schon vor hundert Jahren vieles erklärt. In dem Moment als dann Edwin Hubble noch seine sehr wertvollen Beobachtungsdaten bekannt machte, konnte man von einer endgültigen Präsenz der Allgemeinen Relativitätstheorie in der Wissenschaft sprechen.

Es folgt in Kürze Teil 4


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