Das Universum: Entstehung, Expansion und Aufbau

Was ist das Universum?

Das Universum ist die Gesamtheit von Raum und Zeit, aller Formen von Materie, Energie und Impuls sowie der physikalischen Gesetze und Naturkonstanten, die sie bestimmen. Der Begriff Universum kann jedoch auch kontextabhängig in leicht abweichender Bedeutung verwendet werden und bezieht sich dann auf Konzepte wie den Kosmos, die Welt oder die Natur.

Alter und Größe des Universums

Astronomische Beobachtungen zeigen, dass das Universum ein Alter von 13,73 ± 0,12 Milliarden Jahren hat¹ und einen Durchmesser von mindestens 93 Milliarden Lichtjahren aufweist.

Der Urknall

Das Ereignis, das als Beginn des Universums angenommen wird, ist der sogenannte Urknall (engl. Big Bang). In diesem Moment war alle Materie und Energie des beobachtbaren Universums an einem Punkt unendlicher Dichte konzentriert. Nach dem Urknall begann das Universum zu expandieren, um seinen heutigen Zustand zu erreichen, und diese Expansion setzt sich fort.

Expansion des Universums

Relativitätstheorie und Expansion

Gemäß der speziellen Relativitätstheorie kann sich Materie nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Es mag daher paradox erscheinen, dass zwei Objekte im Universum, die vor 13,73 Milliarden Jahren am selben Ort waren, heute 93 Milliarden Lichtjahre voneinander entfernt sein können. Diese Trennung steht jedoch nicht im Widerspruch zur allgemeinen Relativitätstheorie. Diese begrenzt nur die Bewegung im Raum, nicht aber die Ausdehnung des Raumes selbst. Der Raum kann sich mit einer Rate ausdehnen, die nicht durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist. Daher können sich zwei Galaxien schneller voneinander entfernen als die Lichtgeschwindigkeit, wenn sich der Raum zwischen ihnen entsprechend ausdehnt.

Belege für die Expansion

Messungen der räumlichen Verteilung und der Rotverschiebung (Redshift) weit entfernter Galaxien, der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung und der relativen Häufigkeit leichter chemischer Elemente stützen die Theorie des expandierenden Raumes und, allgemeiner, die Urknall-Theorie. Diese besagt, dass der Raum selbst zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Vergangenheit entstanden ist.

Beschleunigte Expansion und Dunkle Energie

Neuere Beobachtungen haben gezeigt, dass sich diese Expansion beschleunigt. Der größte Teil der Materie und Energie im Universum unterscheidet sich grundlegend von der auf der Erde beobachteten Materie und Energie und ist nicht direkt nachweisbar (siehe Dunkle Materie und Dunkle Energie). Die Ungenauigkeit aktueller Beobachtungen begrenzt die Aussagen über das endgültige Schicksal des Universums.

Physikalische Gesetze und Struktur

Experimente deuten darauf hin, dass das Universum während seiner gesamten Geschichte und Ausdehnung denselben physikalischen Gesetzen und Konstanten unterlag. Die dominierende Kraft über kosmische Entfernungen ist die Gravitation, und die allgemeine Relativitätstheorie ist die Theorie, die sie am genauesten beschreibt.

Grundkräfte und Dimensionen

Die anderen drei fundamentalen Kräfte und die Teilchen, auf die sie wirken, werden durch das Standardmodell der Teilchenphysik beschrieben. Das Universum hat mindestens drei Raumdimensionen und eine Zeitdimension. Experimentell können jedoch zusätzliche, sehr kleine Dimensionen nicht ausgeschlossen werden. Die Raumzeit erscheint glatt und einfach zusammenhängend. Der Raum hat eine sehr geringe mittlere Krümmung, sodass die euklidische Geometrie im Allgemeinen eine gute Näherung darstellt.

In der Philosophie wird das Universum oft als die Welt oder die Gesamtheit von allem, was existiert oder geschieht, betrachtet.

Die Wissenschaft modelliert das Universum oft als ein geschlossenes System, das Energie und Materie innerhalb der Raumzeit enthält und hauptsächlich durch Kausalitätsprinzipien bestimmt wird.

Kosmologie: Wissenschaft des Universums

Basierend auf Beobachtungen des beobachtbaren Universums versuchen Physiker, das Raumzeit-Kontinuum, in dem wir uns befinden, zusammen mit aller darin existierenden Materie und Energie zu beschreiben. Die Untersuchung des Universums auf den größten Skalen ist Gegenstand der Kosmologie, einer Disziplin, die auf Astronomie und Physik basiert und alle Aspekte dieses Universums und seiner Phänomene beschreibt.

Entstehung: Urknall und Inflation

Die derzeit am meisten akzeptierte Theorie über die Entstehung des Universums, vorgeschlagen vom belgischen Priester und Physiker Georges Lemaître, ist das Urknall-Modell. Es beschreibt die Expansion der Raumzeit aus einer anfänglichen Singularität. Das Universum durchlief eine sehr frühe, rapide Phase der kosmischen Inflation, die anfängliche Unregelmäßigkeiten ausglich. Seitdem expandiert das Universum und wurde dabei kühler, weniger dicht und stabiler. Geringfügige Dichteschwankungen in der frühen Massenverteilung führten durch gravitative Instabilität zur Bildung der Strukturen, die wir heute als Galaxienhaufen und Filamente sehen.

Das Schicksal des Universums

Was das endgültige Schicksal betrifft, so scheinen die aktuellen Belege die Theorie einer permanenten Expansion des Universums zu stützen (Big Freeze oder Big Rip). Andere Szenarien, wie der Big Crunch, bei dem die Gravitation die Expansion stoppt und umkehrt, erscheinen derzeit weniger wahrscheinlich, sind aber nicht gänzlich ausgeschlossen.