Was wissen wir wirklich über das Universum?

Es gibt so viel, was wir über unser Universum gelernt haben

Universum: Geschichte und Entstehung
Was wissen wir wirklich über das Universum?

Von so ziemlich jedem Standpunkt aus betrachtet, ist die Existenz ziemlich komisch und seltsam. Aber wenn Sie direkt auf die fundamentale Physik von allem zu bekommen, wird es noch seltsamer! Während viele Menschen vielleicht denken, dass im Bereich der Wissenschaft, alles ist klar und geordnet. Aber ist das die Art, wie die Dinge wirklich funktionieren?

Über Jahrtausende hinweg haben Gelehrte und Philosophen endlos darüber debattiert, ob das Leben und der Kosmos geordnet oder chaotisch sind. Die Wissenschaften sind von dieser Debatte nicht verschont geblieben, und viele bedeutende Entdeckungen wurden entweder von der einen oder der anderen Denkschule aufgegriffen.

Das Wissen über die Bewegungen der Planeten, die Schwerkraft, die Atomtheorie, die Relativitätstheorie, die Quantenmechanik und die großräumige Struktur des Universums wurde manchmal genutzt, um den Vorstellungen von Ordnung und Chaos mehr Gewicht zu verleihen.

Derzeit gibt es eine Menge Unklarheiten, wenn es um diese Frage geht, und zukünftige Entdeckungen können helfen, sie zu lösen. Aber in der Zwischenzeit ist es gut, eine Bestandsaufnahme dessen zu machen, was wir gelernt haben und was es uns über das Leben, wie wir es kennen, sagen kann.

Die Milchstraße
Die Milchstraße

Was ist das Universum?

Das Wort „Universum“ kommt vom lateinischen „Universum“, mit dem die römischen Autoren den Kosmos bezeichneten, wie sie ihn kannten. Dieser bestand aus der Erde und allem Leben sowie dem Mond, der Sonne, den Planeten, die sie kannten (Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn) und den Sternen.

Der Begriff „Kosmos“ hingegen leitet sich vom griechischen Wort kosmos ab, das „Ordnung“ oder „die Welt“ bedeutet. Andere Wörter, die häufig verwendet werden, um die gesamte bekannte Existenz zu definieren, sind „Natur“ (vom germanischen Wort natur) und das englische Wort „everything“ (selbsterklärend).

Das Wort Universum wird heute von Wissenschaftlern für die gesamte existierende Materie und den Raum verwendet. Dazu gehören das Sonnensystem, die Milchstraße, alle bekannten Galaxien und Superstrukturen. Im Sinne der modernen Wissenschaft und Astrophysik umfasst es auch alle Zeit, Raum, Materie, Energie und die fundamentalen Kräfte, die sie verbinden.

Kosmologie, auf der anderen Seite, wird verwendet, um die Studie des Universums (oder Kosmos) und die Kräfte, die es binden zu beschreiben. Dank jahrtausendelanger Forschung ist unser Wissen über das physikalische Universum sprunghaft gewachsen. Und doch gibt es immer noch so viel, was wir nicht verstehen.

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wo wir heute stehen, müssen wir zunächst einen Blick zurück werfen…

Geschichte der Kosmologie

Der Mensch studiert die Natur der Existenz so ziemlich seit er aufrecht gehen und sprechen kann. Das meiste, was wir über die Erforschung des Kosmos wissen, reicht jedoch nur so weit zurück, wie es schriftliche Aufzeichnungen gibt.

Glücklicherweise stammen viele dieser Aufzeichnungen aus mündlichen Überlieferungen, die der Schrift vorausgingen, so dass eine allgemeine Vorstellung von dem, was unsere Vorfahren glaubten, existiert. Was wir wissen, deutet darauf hin, dass die frühesten Berichte über die Schöpfung des Universums eher symbolischer und metaphorischer Natur waren.

Soweit wir das beurteilen können, hat jede Kultur, die je existiert hat, ihre eigene Version einer Schöpfungsgeschichte gehabt. In vielen begannen die Zeit und alles Leben mit einem einzigen Ereignis, bei dem ein Gott oder Götter für die Erschaffung der Welt, des Himmels und allem dazwischen verantwortlich waren. Die meisten Schöpfungsgeschichten schlossen entweder die Geburt der Menschheit ein oder gipfelten in ihr.

Archäologische Beweise deuten darauf hin, dass die Menschen bereits 8000 v. Chr. Himmelsereignisse, wie die Bewegung des Mondes, verfolgten, um Kalender zu erstellen. Im 2. Jahrtausend v. Chr. begann sich die Astronomie als Studienfach zu entwickeln. Einige der frühesten aufgezeichneten Himmelsbeobachtungen werden den alten Babyloniern zugeschrieben. Diese sollten die kosmologischen und astrologischen Traditionen der Kulturen des Nahen Ostens und des Mittelmeerraums über Jahrtausende hinweg prägen.

Kosmische Evolution
Kosmische Evolution: Der Pfeil der Zeit

Die Vorstellung von endlicher Zeit wird manchmal auf diese Zeit und vielleicht auf die zorastrische Religion zurückgeführt. Im Kern geht es um den Glauben, dass das Universum erschaffen wurde, die Entfaltung eines göttlichen Plans darstellt und ein Ende hat.

Spätere Lehren vertraten, dass die Zeit mit der Schöpfung oder der Selbsterschaffung begann und mit einem Triumph der Ordnung über das Chaos und einer Version des Tages des Gerichts enden wird, an dem die gesamte Schöpfung wieder mit dem Schöpfer vereint sein wird. Diese Konzepte wurden wahrscheinlich etwa im 6. Jahrhundert v. Chr. mit der persischen Eroberung Babylons in das Judentum übertragen.

Die Vorstellung von der Zeit als linearem Verlauf sollte die westliche Kosmologie über Jahrtausende hinweg prägen und existiert auch heute noch (z.B. mit den Theorien des „Urknalls“ und des „Pfeils der Zeit“).

Zwischen dem 8. Jahrhundert v. Chr. und dem 6. Jahrhundert n. Chr. (die Periode, die oft als „klassische Antike“ bezeichnet wird), begann das Konzept, dass physikalische Gesetze das Universum regieren, an Zugkraft zu gewinnen. Sowohl in Indien als auch in Griechenland begannen die Gelehrten zu dieser Zeit, Erklärungen für Naturphänomene anzubieten, die Ursache und Wirkung betonten.

Die Geburt des Atoms

Im 5. Jahrhundert v. Chr. stellte der griechische Philosoph Empedokles die Theorie auf, dass das Universum aus den vier Elementen Erde, Luft, Wasser und Feuer besteht. Etwa zur gleichen Zeit entstand in China ein ähnliches System, das aus den fünf Elementen Erde, Wasser, Feuer, Holz und Metall bestand.

Diese Idee sollte einflussreich werden, wurde aber bald von dem griechischen Philosophen Leucippus widerlegt, der die Idee aufstellte, dass das Universum aus unteilbaren Teilchen besteht, die als „atomos“ (griechisch für „unzerlegbar“) bekannt sind.

Das Konzept wurde von seinem Schüler Demokrit (460 – 370 v. Chr.) popularisiert, der argumentierte, dass Atome unzerstörbar und ewig seien und die Eigenschaften aller Materie bestimmten.

Der griechische Philosoph Epikur (341-270 v. Chr.) sollte diese Idee verfeinern und weiterentwickeln. Aus diesem Grund wurde sie mit der von ihm inspirierten philosophischen Schule (Epikureismus) in Verbindung gebracht.

Der indische Philosoph Kanada, der zwischen dem 6. und 2. Jahrhundert v. Chr. gelebt haben soll, schlug eine ähnliche Idee vor. In seiner Philosophie war alle Materie aus „paramanu“ – unteilbaren und unzerstörbaren Partikeln – zusammengesetzt. Er schlug auch vor, dass Licht und Wärme die gleiche Substanz in einer anderen Form waren.

Standardmodell der Teilchenphysik
Standardmodell der Teilchenphysik

Der indische Philosoph Dignana (480 – 540 n. Chr.), einer der buddhistischen Begründer der indischen Denkschule der Logik, ging sogar noch weiter und schlug vor, dass alle Materie aus Energie besteht.

Diese Theorien gerieten im Westen weitgehend in Vergessenheit, blieben aber bei islamischen und asiatischen Gelehrten beliebt, die sie ins Arabische und andere Sprachen übersetzten. Um das 14. Jahrhundert herum erwachte das Interesse am „Atomismus“ im Westen wieder, dank der Übersetzung klassischer Werke zurück ins Lateinische.

Der Platz der Erde im Sonnensystem

Zwischen dem 2. Jahrtausend v. Chr. und dem 2. Jahrhundert n. Chr. entwickelten sich die Astronomie und die Astrologie weiter und wurden weiterentwickelt. Während dieser Zeit beobachteten die Astronomen die Eigenbewegungen der Planeten und die Bewegung der Sternbilder durch den Tierkreis.

In dieser Zeit formulierten die griechischen Astronomen auch das geozentrische Modell des Universums, bei dem sich die Sonne, die Planeten und die Sterne um die Erde drehen.

Diese Traditionen wurden im 2. Jahrhundert n. Chr. im mathematischen und astronomischen Traktat, dem Almagest, zusammengefasst, das von dem griechisch-ägyptischen Astronomen Claudius Ptolemaeus (auch bekannt als Ptolemäus) geschrieben wurde.

Diese Abhandlung und das darin enthaltene kosmologische Modell wurden von vielen mittelalterlichen europäischen und islamischen Gelehrten als Kanon betrachtet und blieben für über tausend Jahre die maßgebliche Quelle zur Astronomie.

Während des Mittelalters (ca. 5. – 15. Jahrhundert n. Chr.) pflegten und erweiterten indische, persische und arabische Gelehrte die klassischen astronomischen Traditionen. Gleichzeitig ergänzten sie diese, indem sie einige revolutionäre Ideen vorschlugen – wie die Rotation der Erde.

Einige Gelehrte gingen sogar noch weiter und schlugen heliozentrische Modelle des Universums vor – wie der indische Astronom Aryabhata (476-550 n. Chr.), die persischen Astronomen Albumasar (787 – 886 n. Chr.) und Al-Sijzi (945 – 1020 n. Chr.).

Es ist möglich, dass ihre Werke von den früheren Werken von Aristarchus von Samos (310 -230 v. Chr.), Seleukos von Seleukia (190 v. Chr. – 150 v. Chr.) und bestimmten pythagoreischen Philosophen aus dem 4. und 5. Jahrhundert v. Chr. inspiriert wurden.

Bartolomeu Velho: Abbildung der Himmelskörper
Bartolomeu Velho: Abbildung der Himmelskörper

Im 16. Jahrhundert veröffentlichte Nikolaus Kopernikus ein vollständiges Modell eines heliozentrischen Universums. Er schlug dieses Modell zunächst in einem 40-seitigen Manuskript mit dem Titel Commentariolus („Kleiner Kommentar“) vor, das im Jahr 1514 veröffentlicht wurde.

Seine Theorie löste die anhaltenden Probleme, die frühere heliozentrische Modelle geplagt hatten, und basierte auf sieben allgemeinen Prinzipien. Diese postulierten, dass:

Kopernikus würde diese Ideen in seinem Hauptwerk – De revolutionibus orbium coelestium (Über die Umdrehungen der himmlischen Sphären) – erweitern, das er 1532 fertigstellte. Aus Angst vor Verfolgung erlaubte Kopernikus jedoch nicht, dass es bis kurz vor seinem Tod (1534) veröffentlicht wurde.

In diesem Werk wiederholte Kopernikus seine sieben Hauptargumente und lieferte detaillierte Berechnungen, um sie zu untermauern. Seine Ideen sollten den italienischen Astronomen, Mathematiker und Erfinder Galileo Galilei (1564 – 1642) inspirieren.

Galilei würde ein selbst geschaffenes Teleskop, sein Verständnis von Physik und Mathematik und die rigorose Anwendung der wissenschaftlichen Methode nutzen, um Kopernikus‘ Beobachtungen und Berechnungen zu verfeinern.

Galileos Beobachtungen des Mondes, der Sonne und des Jupiters sollten sich als sehr einflussreich erweisen und halfen, die Schwächen des geozentrischen Modells aufzudecken. Seine Beobachtungen des Mondes, zum Beispiel, enthüllten eine pockennarbige und kraterartige Oberfläche, während seine Beobachtungen der Sonne Sonnenflecken enthüllten.

Geozentrisches und Heliozentrisches Weltbild
Vergleich des geozentrischen und heliozentrischen Weltbilds

Er war auch für die Entdeckung der größten Monde des Jupiters – Io, Europa, Ganymed und Callisto – verantwortlich, die ihm zu Ehren später die „Galileischen Monde“ genannt wurden.

Diese Entdeckungen widersprachen den lang gehegten Vorstellungen, dass der Himmel eine perfekte Kugel sei (in Übereinstimmung mit der christlichen Theologie) und dass außer der Erde keine anderen Planeten Satelliten hätten.

Seine Beobachtungen der Planeten zeigten, dass ihre Erscheinungen und Positionen am Himmel mit der Theorie übereinstimmten, dass sie die Sonne umkreisen.

Er teilte diese Beobachtungen in Abhandlungen wie dem Sidereus Nuncius (Der Sternenbote) und dem On the Spots Observed in the Sun (Über die in der Sonne beobachteten Flecken), die beide 1610 veröffentlicht wurden.

Aber es war seine Abhandlung von 1632, Dialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (Dialog über die zwei wichtigsten Weltsysteme), in der er für das heliozentrische Modell des Universums eintrat.

Johannes Kepler (1571-1630) verfeinerte das Modell weiter mit seinen Gesetzen der Planetenbewegung , die zeigten, dass die Bahnen der Planeten elliptisch waren und nicht perfekte Kreise (wie Galileo und frühere Astronomen behauptet hatten).

Damit wurde die „Große Debatte“ über die Natur des Sonnensystems beigelegt und der Heliozentrismus zum wissenschaftlichen Konsens ab dem späten 17.

Vom Sonnensystem zur Milchstraße

Eine weitere revolutionäre Entdeckung, die im 17. und 18. Jahrhundert aufkam, war die Erkenntnis, dass unser Sonnensystem nicht einzigartig ist. Dank der Erfindung des Teleskops änderte sich unser Verständnis der Milchstraße drastisch.

Anstatt eine riesige Wolke in Form eines Bandes zu sein (wie man vorher dachte), begannen die Astronomen zu verstehen, dass die neblige Struktur, die sie seit Jahrtausenden am Nachthimmel beobachtet hatten, in Wirklichkeit Milliarden von fernen Sternen waren.

Zugegeben, die Idee war nicht ganz neu. Im 13. Jahrhundert schlug der persische Astronom und Universalgelehrte Nasir al-Din al-Tusi (1201 – 1274) in seinem Buch Tadhkira genau diese Möglichkeit vor:

„Die Milchstraße, d.h. die Galaxie, besteht aus einer sehr großen Anzahl von kleinen, dicht aneinander gereihten Sternen, die aufgrund ihrer Konzentration und Kleinheit wie trübe Flecken wirken. Aus diesem Grund wurde sie von der Farbe her mit Milch verglichen.“

Doch erst im Zuge der wissenschaftlichen Revolution (ca. 16. – 18. Jahrhundert) konnten die Astronomen dies direkt beobachten. Galilei beschrieb im Sternenboten die von ihm durchgeführte Beobachtung der „Nebelsterne“, die im Sternkatalog des Almagest enthalten waren.

Diese Beobachtungen führten ihn zu dem Schluss, dass die „nebligen“ Abschnitte des Milchstraßenbandes eigentlich „Ansammlungen von unzähligen Sternen, die in Haufen gruppiert sind“, waren. Diese Entdeckung untermauerte die These des Heliozentrismus, da sie zeigte, dass das Universum viel größer war als bisher angenommen.

Im Jahr 1755 stellte der deutsche Philosoph Immanuel Kant die Theorie auf, dass die Milchstraße ein massiver Haufen von Sternen ist, die durch die Kraft ihrer gegenseitigen Schwerkraft zusammengehalten werden. Er sagte weiter voraus, dass diese Sterne (zusammen mit dem Sonnensystem) Teil einer abgeflachten Scheibe waren, die um ein gemeinsames Zentrum rotierte – ähnlich wie die Planeten um die Sonne.

Im Jahr 1785 versuchte der Astronom William Herschel, die erste Karte der Milchstraße zu erstellen. Seine Schätzungen ihrer Größe und Form wurden durch die Tatsache, dass ein großer Teil unserer Galaxie von Staub und Gas verdeckt ist, verworfen, aber sein Versuch war ein Hinweis auf den Fortschritt, der gemacht wurde.

Im 19. Jahrhundert erlaubten verbesserte Optiken und Teleskope den Astronomen, einen größeren Teil des Nachthimmels abzubilden, was viele zu dem Schluss führte, dass unser Sonnensystem nur eines von Milliarden in der Milchstraße war.

Im 20. Jahrhundert sollten sie erkennen, dass die Milchstraße nur eine von Milliarden im Universum ist. Aber eins nach dem anderen…

Newton und Einstein revolutionieren alles

Das Verständnis der Menschheit für das Universum wurde im späten 17. Jahrhundert durch die Arbeit des britischen Universalgelehrten Sir Isaac Newton (1642/43 – 1727) erneut revolutioniert. Ausgehend von Keplers Bewegungstheorie entwickelte er eine Theorie der Schwerkraft (auch bekannt als „Universelle Gravitation“).

Newtons Philosophiae Naturalis Principia Mathematica
Newtons Philosophiae Naturalis Principia Mathematica

Dies wurde in seinem Hauptwerk, Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica („Mathematische Grundsätze der Naturphilosophie“), zusammengefasst, das 1687 veröffentlicht wurde und Newtons Drei Gesetze der Bewegung enthielt. Diese Gesetze besagen, dass:

Diese Gesetze beschrieben, wie Objekte Kräfte aufeinander ausüben und wie Bewegung als Ergebnis auftritt. Durch seine Arbeit war Newton in der Lage, die Masse der Planeten zu berechnen, festzustellen, dass die Erde keine perfekte Kugel ist und wie die Wechselwirkung der Erde mit der Sonne und dem Mond die Meeresgezeiten beeinflusst.

Diese und andere detaillierte Berechnungen sollten einen tiefgreifenden Einfluss auf die Wissenschaften haben und die Grundlage der Klassischen Physik (auch bekannt als Newtonsche Physik) bilden, die für die nächsten 200 Jahre der akzeptierte Kanon bleiben sollte.

Dies änderte sich im frühen 20. Jahrhundert, als ein junger theoretischer Physiker namens Albert Einstein begann, eine Reihe von Arbeiten zu veröffentlichen, in denen er seine Theorien der Speziellen und Allgemeinen Relativitätstheorie diskutierte.

Diese Theorien waren zum Teil das Ergebnis des Versuchs, die Unstimmigkeiten zwischen der Newtonschen Physik und den kürzlich entdeckten Gesetzen des Elektromagnetismus zu lösen – am besten zusammengefasst durch die Maxwellschen Gleichungen und das Lorentz-Kraftgesetz).

Einstein würde diese Ungereimtheit in einem der Papiere ansprechen, die er 1905 schrieb, während er in einem Patentamt in Bern, Schweiz, arbeitete. Unter dem Titel “ Über die Elektrodynamik bewegter Körper“ wurde dieses Papier die Grundlage der Speziellen Relativitätstheorie (SR).

Einsteins Theorie stellte den bis dahin geltenden Arbeitskonsens in Frage, dass Licht, das sich durch ein Medium bewegt, von diesem Medium mitgerissen wird. Dies bedeutete, dass die Geschwindigkeit des Lichts (die bereits bestimmt worden war) die Summe seiner Geschwindigkeit durch ein Medium plus die Geschwindigkeit dieses Mediums war.

Dies führte zu allen möglichen theoretischen Komplikationen, und Experimente, die versuchten, sie zu lösen, erhielten alle null Ergebnisse. Stattdessen stellte Einstein fest, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialbezugsrahmen gleich ist, eine Theorie, die die Notwendigkeit von Medien oder fremden Erklärungen überflüssig machte.

Als Theorie vereinfachte die SR nicht nur die mathematischen Berechnungen und löste Probleme zwischen Elektromagnetismus und Physik, sie stimmte auch eng mit der Lichtgeschwindigkeit überein und erklärte Abweichungen, die bei Experimenten aufgetreten waren.

Zwischen 1907 und 1911 begann Einstein, seine Theorie der SR auf Gravitationsfelder anzuwenden, ein weiterer Bereich, in dem die Newtonsche Physik Schwierigkeiten hatte. Bis 1911 gipfelten diese Bemühungen in der Veröffentlichung von “ Über den Einfluss der Gravitation auf die Ausbreitung des Lichts„.

Dieses Papier legte den Grundstein für die Allgemeine Relativitätstheorie (GR). Darin sagte Einstein voraus, dass die Zeit relativ zum Beobachter ist und von dessen Position innerhalb eines Gravitationsfeldes abhängt, und dass die Gravitationsmasse identisch mit der trägen Masse ist (auch bekannt als Äquivalenzprinzip).

Eine weitere Sache, die Einstein in diesem Papier vorhergesagt hat, war die Idee, dass zwei Beobachter, die sich in unterschiedlichen Entfernungen von einer gravitierenden Masse befinden, den Fluss der Zeit unterschiedlich wahrnehmen würden (aka. Gravitationszeitdilatation). Diese Theorien sind bis heute ein fester Bestandteil der modernen Physik.

Das Universum ist dunkel

Einsteins Theorien, die eine breite Akzeptanz fanden, hatten viele Konsequenzen für die Wissenschaften. Insbesondere seine Feldgleichungen für die Relativitätstheorie sagten auch die Existenz von Schwarzen Löchern und ein Universum voraus, das sich entweder in einem Zustand konstanter Expansion oder Kontraktion befindet.

Im Jahr 1915, ein paar Monate nachdem GR weithin bekannt wurde, fand der deutsche Physiker und Astronom Karl Schwarzschild eine Lösung für Einsteins Feldgleichungen, aus der die Theorie der schwarzen Löcher hervorging, Jahrzehnte bevor eines beobachtet wurde.

Diese auch als Schwarzschild-Radius bezeichnete Lösung beschreibt, wie die Masse einer Kugel so komprimiert werden kann, dass die Fluchtgeschwindigkeit von der Oberfläche gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Der „Radius“ bezieht sich in diesem Fall auf die Größe, unterhalb derer die Anziehungskraft zwischen den Teilchen eines Körpers dazu führen muss, dass er einen irreversiblen Gravitationskollaps erleidet.

Im Jahr 1931 erweiterte der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar dies, indem er mit Hilfe der SR berechnete, wie massiv ein Körper werden müsste, bevor er in sich selbst kollabiert – später als Chandrasekhar-Limit bezeichnet.

1939 bestätigte die Entdeckung von Neutronensternen die Theorien von Chandrasekhar, indem sie zeigte, dass Weiße Zwerge mit einer Masse unterhalb dieser Grenze tatsächlich kollabieren. Das dabei entstehende Objekt (ein Neutronenstern) ist als Ergebnis superdicht und hat ein unglaublich starkes Magnetfeld.

Daraus leiteten Physiker wie Robert Oppenheimer ab, dass ein Weißer Zwerg mit ausreichender Masse weiter kollabieren und ein Schwarzes Loch bilden würde. Dies war zwar eine ganz andere Massengrenze (bekannt als Tolman-Oppenheimer-Volkoff-Grenze), aber sie war konsistent mit Chandrasekhars Theorie.

In den 1960er und 1970er Jahren führten Astrophysiker viele Tests der Allgemeinen Relativitätstheorie mit Schwarzen Löchern und großräumigen Strukturen (wie Galaxien und Galaxienhaufen) durch. Dies sollte als das „Goldene Zeitalter der Allgemeinen Relativitätstheorie“ (1960 – 1975) bekannt werden, da es Einsteins Theorie erlaubte, wie nie zuvor getestet zu werden.

Allerdings fiel den Astrophysikern auch bei diesen Tests etwas besonders Abschreckendes auf. Bei der Betrachtung von Galaxien und größeren Materieansammlungen im Universum stellten sie fest, dass die beobachteten Gravitationswirkungen dieser Objekte nicht mit ihrer scheinbaren Masse übereinstimmten.

Dies führte die wissenschaftliche Gemeinschaft zu dem Schluss, dass es innerhalb von Galaxien eine ganze Menge an Masse gibt, die sie nicht sehen können. Daraus entstand die Theorie der Dunklen Materie, einer mysteriösen Masse, die nicht mit „normaler Materie“ (aka. sichtbarer oder baryonischer Materie) über die elektromagnetische Kraft interagiert.

Das bedeutet, dass er kein Licht absorbiert, reflektiert oder emittiert, was ihn extrem schwer zu erkennen macht. Sie interagiert mit der Materie nur durch ihre Gravitationskraft. Es wird angenommen, dass die dunkle Materie die sichtbare Materie ungefähr sechs zu eins überwiegt und etwa 27 % des Universums ausmacht. Es wird auch angenommen, dass sie einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung des Universums hatte.

Das Universum dehnt sich aus

Eine weitere Folge der GR war die Vorhersage, dass sich das Universum entweder in einem konstanten Zustand der Expansion oder der Kontraktion befindet. In den Jahren 1927 – 1929 bestätigten der belgische Physiker (und römisch-katholische Priester) Georges Lemaître und der amerikanische Astronom Edwin Hubble, dass es sich um Ersteres handelt.

Zu dieser Zeit suchte Einstein noch nach einer Möglichkeit, die Idee eines statischen Universums zu rationalisieren. Zu diesem Zweck schlug er die “ Kosmologische Konstante“ vor, eine noch nicht entdeckte Kraft, die die Schwerkraft „zurückhält“, um sicherzustellen, dass die Verteilung der Materie im Kosmos über die Zeit gleichmäßig ist.

Mit Rotverschiebungsmessungen anderer Galaxien bewies Hubble, dass Einstein falsch lag. Diese Messungen zeigten, dass das von diesen Galaxien kommende Licht verkürzte Wellenlängen hatte – also zum roten Ende des Spektrums verschoben war – was darauf hindeutete, dass sich der dazwischenliegende Raum ausdehnte.

Hubbles Beobachtungen zeigten auch, dass die Galaxien, die am weitesten von unserer eigenen entfernt waren, sich schneller entfernten. Dieses Phänomen wurde als Hubble’s Law bekannt, und die Geschwindigkeit, mit der dies geschah, wurde als Hubble Constant bekannt.

1931 nutzte Georges Lemaitre die von ihm mitentdeckten Phänomene, um die Idee zu artikulieren, dass das Universum einen Anfang hatte. Nachdem er unabhängig bestätigt hatte, dass sich das Universum ausdehnt, schlug er vor, dass es immer kleiner wird, je weiter man in der Zeit zurückblickt.

Irgendwann in der Vergangenheit, so schlussfolgerte er, wäre die gesamte Masse des Universums auf einen einzigen Punkt konzentriert gewesen. Diese Entdeckungen lösten eine Debatte unter Physikern aus, die sich in zwei Denkschulen aufteilten.

Die Mehrheit vertrat nach wie vor die Ansicht, dass sich das Universum in einem stationären Zustand befindet (d. h. die Steady State Theory), bei der im Zuge der Ausdehnung des Universums kontinuierlich Materie geschaffen wird und somit eine Gleichförmigkeit über die Zeit gewährleistet ist.

Auf der anderen Seite gab es diejenigen, die glaubten, dass sich das Universum allmählich ausdehnt und die Dichte der Materie dadurch langsam abnimmt. Diese Idee wurde als “ Urknalltheorie“ bekannt, ein Spitzname, der von Befürwortern der Steady-State-Theorie scherzhaft vergeben wurde.

Nach mehreren Jahrzehnten tauchten mehrere Beweislinien auf, die die Urknall-Interpretation begünstigten. Dazu gehörte die Entdeckung und Bestätigung des Kosmischen Mikrowellenhintergrunds (CMB) im Jahr 1965, der von der Urknalltheorie vorhergesagt worden war.

CMB ist im Grunde eine „Reliktstrahlung“, die vom Urknall übrig geblieben ist und sich seither mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnt. Durch die Messung der Entfernung der CMB, die etwa 13,8 Milliarden Jahre in alle Richtungen beträgt, konnten die Wissenschaftler das Alter des Universums eingrenzen.

In den 1990er Jahren führten Verbesserungen bei bodengebundenen Teleskopen und die Einführung von Weltraumteleskopen zu neuen und verblüffenden Entdeckungen. Wissenschaftler hatten geglaubt, dass die Schwerkraft die Expansion des Universums irgendwann verlangsamen würde. Doch nun beobachteten die Astronomen, dass sich die kosmische Expansion in den letzten vier Milliarden Jahren tatsächlich beschleunigt hat.

Daraus entstand die Theorie der Dunklen Energie, einer geheimnisvollen Kraft, die irgendwie gegen die Schwerkraft arbeitet und den Kosmos weiter auseinander treibt. Theoretiker kamen mit verschiedenen Erklärungen für die Dunkle Materie auf. Einige schlugen vor, dass Einsteins „kosmologische Konstante“ die ganze Zeit korrekt gewesen sein könnte. Andere schlugen vor, dass Einsteins Theorie der Schwerkraft falsch war und eine neue Theorie benötigt wurde, die eine Art von Feld enthält, das diese kosmische Beschleunigung erzeugt.

Eine führende kosmologische Theorie wird heute durch die Lambda Cold Dark Matter (λCDM) beschrieben. Es ist derzeit das einfachste Modell, das die meisten der beobachteten Eigenschaften des Universums erklärt. Es besagt, dass der größte Teil des Universums aus dunkler Energie, dunkler Materie und gewöhnlicher Materie besteht und wird auch als das Standardmodell der Urknallkosmologie bezeichnet. Es geht davon aus, dass die allgemeine Relativitätstheorie die korrekte Theorie der Schwerkraft auf kosmologischen Skalen ist und erklärt viele der Eigenschaften des Kosmos, einschließlich des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und der Beschleunigung der Expansion des Universums.

Das Lambda-CDM Modell
Das Lambda-CDM Modell

Was wissen wir also nicht?

Die Antwort auf diese Frage ist: eine ganze Menge, wirklich! Um sie jedoch effektiv zu beantworten, müssen wir einen Blick darauf werfen, wie Wissenschaftler das Universum von oben nach unten erforschen und zur Kenntnis nehmen, wo die Lücken liegen.

Zunächst einmal verstehen Wissenschaftler, wie sich Materie, Zeit und Raum auf den größten Skalen verhalten. Dies wird am besten durch die GR zusammengefasst, die genau beschreibt, wie Masse und Schwerkraft zusammenhängen und die Raumzeit beeinflussen.

Seit den 1960er Jahren sind Astrophysiker jedoch zu der Annahme gelangt, dass es eine ganze Menge Masse da draußen gibt, die sie nicht sehen können. Während dies theoretisch Sinn macht, haben die Versuche, Dunkle Materie zu finden, bisher nichts Schlüssiges ergeben.

Während man also sagen könnte, dass wir wissen, wie viel Materie da draußen ist, können wir den Großteil davon nicht schlüssig erklären. In ähnlicher Weise wissen wir seit den späten 1920er Jahren, dass sich das Universum in einem Zustand der Expansion befindet. Allerdings wissen wir nicht genau, warum.

Die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, kann durch das Vorhandensein einer Dunklen Energie erklärt werden. Aber genau wie bei der Dunklen Materie müssen die Untersuchungen noch herausfinden, was diese wirklich ist.

Und dann ist da noch die Ausdehnung des Universums selbst. Mit der Entdeckung des CMB konnten Astronomen und Kosmologen die Entwicklung des Kosmos nachvollziehen und waren in der Lage, genaue Schätzungen darüber abzugeben, wie alt er ist. Die aktuelle Schätzung ist, dass der Kosmos 13,799 ± 0,021 Milliarden Jahre alt ist.

Aber wie groß sie ist? Das bleibt ein Rätsel. Basierend auf der Geschwindigkeit der kosmischen Expansion schätzen Astrophysiker, dass das „beobachtbare“ Universum eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 93 Milliarden Lichtjahren ist. Doch darüber hinaus erstreckt sich das Universum wahrscheinlich noch viel weiter und könnte sogar unendlich sein.

Am anderen Ende der Dinge haben Wissenschaftler festgestellt, dass es vier fundamentale Kräfte (auch bekannt als fundamentale Wechselwirkungen) gibt, die alle Materie- und Energie-Interaktionen im Universum steuern.

Diese Kräfte bestehen aus der Gravitationskraft (die auf die Krümmung der Raumzeit zurückzuführen ist und durch die GR beschrieben wird) und den drei diskreten Feldern der Quantenmechanik – zusammen bekannt als Quantenfeldtheorie (QFT).

Zu diesen Feldern gehören die schwache Kernkraft, die starke Kernkraft und der Elektromagnetismus – die sich mit subatomaren Teilchen und ihren Wechselwirkungen beschäftigen, wie sie durch das Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben werden.

Eine andere Betrachtungsweise besteht darin, diese Wechselwirkungen in ein Drei-Kategorien-System zu gruppieren: Gravitation, elektroschwache Kräfte und starke Kräfte. Die beiden letztgenannten Kategorien sind unterteilt in die schwache Kernkraft und die elektromagnetische Kraft sowie in die fundamentalen und restlichen Kernkräfte.

Während die Gravitation Planeten, Sterne, Galaxien und Galaxienhaufen zusammenbindet (also die Makroebene), binden die elektroschwachen Kräfte Atome und Moleküle, während die starken Kräfte Hadronen und Atomkerne binden.

Hier liegt das Problem. Die Wissenschaftler verstehen, wie die Schwerkraft auf den größten Skalen funktioniert, aber nicht auf den kleinsten. Das unterscheidet sie von allen anderen bekannten Kräften im Universum, die ein entsprechendes subatomares Molekül haben.

Für Elektrizität und Magnetismus gibt es Elektronen und Photonen. Für die schwache und starke Kernkraft gibt es Bosonen, Gluonen und Mesonen. Ein „Graviton“ gibt es derzeit allerdings nicht, zumindest nicht außerhalb des Hypothetischen.

Und bisher sind alle Versuche, eine schlüssige Theorie der Quantengravitation – auch bekannt als Theory of Everything (ToE) – zu finden, gescheitert. Mehrere Theorien wurden vorgeschlagen, um dies zu lösen – die Top-Anwärter sind String-Theorie und Schleifen-Quantengravitation – aber keine wurde bisher entscheidend bewiesen.

Wie wird das alles enden?

Okay, die Sache ist die… das wissen wir auch nicht. Zugegeben, die Vorstellung, dass das Universum einen Anfang hatte, führt natürlich zu der Idee, dass es ein mögliches Ende haben wird. Wenn das Universum als ein winziger Punkt in der Raumzeit begann, der sich plötzlich ausdehnte, bedeutet das, dass es sich für immer ausdehnen wird?

Oder, wie ebenfalls theoretisiert wurde, wird es aufhören, sich auszudehnen und beginnen, sich zusammenzuziehen, um schließlich wieder zu einer winzigen, kugelförmigen Masse zu werden? Diese Frage stellt sich, seit die Kosmologen darüber debattieren, wie das Universum begann – Urknall oder Steady State?

Vor den Beobachtungen, die zeigten, wie sich das Universum beschleunigt ausdehnt, waren die meisten Kosmologen geteilter Meinung zu diesem Thema. Diese waren als „Big Crunch“ und „Big Freeze“ Szenarien bekannt.

Im ersten Fall wird sich das Universum ausdehnen, bis ihm die Energie ausgeht, und dann beginnen, in sich zusammenzufallen. Angenommen, das Universum erreicht einen Punkt, an dem seine Massendichte größer ist als seine kritische Dichte, dann beginnt das Universum zu kontrahieren.

Wenn die Dichte des Universums gleich oder unter der kritischen Dichte ist, wird sich das Universum weiter ausdehnen, bis die Sternbildung aufhört. Schließlich erreichen alle Sterne das Ende ihrer Lebenszeit und werden zu toten Schalen oder schwarzen Löchern.

Irgendwann würden die schwarzen Löcher kollidieren und immer größere schwarze Löcher bilden. Dies würde schließlich zum „Wärmetod“ im Universum führen, bei dem die letzte elektromagnetische Strahlung verbraucht würde. Die Schwarzen Löcher selbst würden schließlich verschwinden, nachdem sie die letzte ihrer Hawking-Strahlung abgegeben haben.

Seit den 1990er Jahren haben die Beobachtungen, die zur Theorie der Dunklen Energie führten, neue Diskussionen über das Schicksal des Universums angeregt. Man geht nun davon aus, dass mit der weiteren Ausdehnung des Weltraums immer mehr des beobachtbaren Universums jenseits des CMB liegt und für Beobachter unsichtbar wird.

In der Zwischenzeit wird sich der CMB weiter rotverschieben, bis er nur noch im Radiowellenbereich sichtbar wird. Schließlich wird er ganz verschwinden und die Astronomen werden nichts als Schwärze jenseits des sichtbaren Randes sehen.

Eine andere Möglichkeit ist das „Big Rip“-Szenario, bei dem die fortgesetzte Expansion schließlich dazu führt, dass alle Galaxien, Sterne, Planeten und sogar die Atome selbst auseinandergerissen werden, was zum Tod der gesamten Materie führt.

Big Crunch, Big Freeze, oder Big Rip? Zu diesem Zeitpunkt wissen wir es einfach nicht. Das Gleiche gilt für die Theorien über die Entstehung des Universums – war es ein Urknall oder eher ein Big Bounce?

Dies ist auch der Fall, wenn es um unsere Versuche geht, die Gravitation mit den anderen fundamentalen Kräften zu vereinen. Im Moment sind das Beste, was wir haben, Theorien, die eine gewisse logische Konsistenz haben, aber unbewiesen bleiben.

Wie Sokrates bekanntlich sagte: „Nur eines weiß ich, und das ist, dass ich nichts weiß.“ Dieses Wissen, so sagt man, machte Sokrates zum weisesten Mann im ganzen Land. In derselben Hinsicht ist das Verständnis der Menschheit für das Universum seltsam paradox.

Wir wissen, dass sie sich ausdehnt, wir sind nur nicht sicher wie. Wir wissen, wie viel Masse es da draußen gibt, wir können nur das meiste davon nicht sehen. Wir wissen, wie die Schwerkraft funktioniert, nur nicht, wie sie mit den anderen Kräften zusammenpasst. Wir wissen nicht, wie es begann oder enden wird, aber wir haben einige Theorien, die zu den beobachtbaren Beweisen passen.

Während es also viel gibt, was wir nicht über das Universum wissen, haben wir zumindest eine ziemlich gute Vorstellung davon, was wir nicht wissen. Das verschafft uns einen Vorteil gegenüber früheren Generationen der Menschheit, die nicht nur unwissend über das Universum als Ganzes waren, sondern auch unwissend über ihre Unwissenheit.

Wir befinden uns auch an einem Punkt in unserer technologischen Entwicklung, an dem wir mehr vom Universum sehen können als je zuvor, sei es im größten oder kleinsten Maßstab. Mit Instrumenten der nächsten Generation, Supercomputern und Teilchenbeschleunigern verschieben Wissenschaftler die Grenzen dessen, was wir sehen können.

Die einzige Möglichkeit, Unwissenheit zu überwinden, besteht darin, zu wissen, wo unsere Unwissenheit liegt und sie dann anzugehen. In dieser Hinsicht wird die Menschheit in naher Zukunft eine Menge lernen!