Wer sind wir? Woher kommen wir? Was ist unser Ziel? Diese Fragen haben Philosophen, Theologen und Gelehrte seit der Antike inspiriert und oft gequält, während sie nach Antworten suchten, die wir vielleicht nie bekommen werden. Die Wissenschaft hat also versucht, das Leben und die Realität, die uns umgibt, zu erklären, indem sie eine Zeitreise zum Ursprung des Universums unternommen hat, zum Urmoment, aus dem alles entstand. Nach Ansicht von Astrophysikern in aller Welt wurde diese Entstehung durch eine gigantische Explosion ausgelöst: den Urknall.
Nach der Theorie des Wissenschaftlers Georges Lemaître, die später von George Gamow unterstützt und weiterentwickelt wurde, dehnte sich das Universum bei seiner Geburt von einem Punkt unendlicher Dichte aus, bis es sich selbst erzeugte. Das kosmologische Modell des Urknalls basiert daher auf der Vorstellung, dass sich das Universum in einer endlichen Zeit in der Vergangenheit mit sehr hoher Geschwindigkeit aus einem Zustand extremer Krümmung, Temperatur und Dichte auszudehnen begann, wodurch die Raumzeit entstand. Nicht nur das, man glaubt auch, dass dieser Prozess bis heute anhält.
Was ist das Universum
Bevor wir uns in die Tiefen des Weltraums begeben und uns daran machen, den Ursprung des Universums zu erklären, ist es angebracht zu definieren, was genau mit dem Begriff Universum gemeint ist, natürlich in wissenschaftlicher Hinsicht. In der Literatur wird das Universum allgemein als der Komplex definiert, der den gesamten Weltraum und alles, was darin enthalten ist, umfasst, d. h. Materie und Energie, Planeten, Sterne, Galaxien und den Inhalt des intergalaktischen Raums.
Der beobachtbare Teil des Universums hat, zumindest zum jetzigen Zeitpunkt und mit der uns zur Verfügung stehenden Technologie, einen Durchmesser von etwa 93 Milliarden Lichtjahren, was nach Ansicht von Experten darauf hindeutet, dass es während des größten Teils seiner Geschichte und seiner gesamten beobachtbaren Ausdehnung denselben physikalischen Gesetzen und Konstanten unterlag. Außerdem lässt seine "Struktur" durchaus Rückschlüsse auf die Anfänge zu, was es besonders schwierig macht, seine Geschichte genau zu rekonstruieren.
Die Urknalltheorie ist bekanntlich das am weitesten akzeptierte kosmologische Modell, das die Entstehung des Universums beschreibt. Nach Berechnungen, die sich natürlich auf unseren lokalen Zeitrahmen beziehen, hätte sich dieses Ereignis vor etwa 13,8 Milliarden Jahren ereignet. Theoretisch ist die maximal beobachtbare Entfernung im beobachtbaren Universum enthalten. Untersuchungen mehrerer Supernovae haben gezeigt, dass sich das Universum stetig weiter ausdehnt, und es wurden viele Modelle entwickelt, um sein endgültiges Schicksal vorherzusagen. 1929 verkündete Edwin Hubble die Entdeckung der Expansion des Universums.
Bei der Beobachtung verschiedener Galaxien konnte er feststellen, dass sich die meisten von ihnen von der Erde wegbewegten, da ihre Spektren in Richtung Rot ausgerichtet waren. Er beobachtete auch, dass sie sich umso schneller entfernten, je größer ihre Entfernung von der Erde war. Diese Situation lässt sich durch das erste kosmologische Prinzip erklären, demzufolge "die Struktur und die Eigenschaften des Universums in großem Maßstab überall und zu allen Zeiten gleich sind". Dies ist, kurz gesagt, die berühmte Formel v = H r, wobei v die Entfernungsgeschwindigkeit ist, r die Entfernung und H, eine Zahl, die als Hubble-Konstante bekannt ist, 53 km/s pro Million Parsec beträgt.
Ursprung des Universums: die Urknalltheorie
Hubbles Beobachtungen stellten die vorherrschende Ansicht, dass das Universum stationär ist, in Frage. Wenn sich das Universum ausdehnt, muss seine Dichte in der Tat variabel sein. Seitdem wurde die Theorie dahingehend modifiziert, dass alle eine Million Milliarden Jahre ein Wasserstoffatom pro Kubikzentimeter entstehen muss. Erst später wurde angenommen, dass das Universum durch eine Explosion vor über 13 Milliarden Jahren entstanden ist und dass die Rückwärtsbewegung eine Folge dieser Explosion war.
Die Explosion ist als Urknall bekannt. Die Physiker ihrerseits sind unsicher, was der großen kosmischen Explosion vorausging: Einige schlagen Modelle eines zyklischen Universums vor, andere beschreiben einen Anfangszustand ohne Grenzen, aus dem die Raumzeit im Moment des Urknalls hervorging und sich ausdehnte. Andere behaupten sogar, dass unser Universum nur eines von vielen ist, die es geben könnte.
Das Urknallmodell, ein von Fred Hoyle 1949 in einer BBC-Radiosendung geprägter Begriff, der damals mit einer abwertenden Konnotation verwendet wurde, wird allgemein als das Modell anerkannt, das der Erklärung der Entstehung des Universums am nächsten kommt und sich in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf der Grundlage astronomischer Beweise und Beobachtungen durchsetzt. Insbesondere die gute Übereinstimmung der kosmischen Häufigkeit leichter Elemente wie Wasserstoff und Helium mit den Werten, die als Ergebnis des primordialen Nukleosyntheseprozesses vorhergesagt wurden, in Verbindung mit der Existenz der kosmischen Hintergrundstrahlung mit einem Spektrum, das mit dem des schwarzen Körpers übereinstimmt, haben die meisten Wissenschaftler davon überzeugt, dass ein Big Bang-ähnliches Ereignis vor mehr als 13 Milliarden Jahren stattfand.
Als die Menschheit nur die Projektion einer sehr fernen Zukunft war. Man stellt sich vor, dass das Universum vor dem Urknall in einer Kugel konzentriert war, mit unendlicher Temperatur und Dichte. In ihm muss sich ein Plasma befunden haben, ein besonderer Zustand der Materie, in dem sich Kerne und Elektronen frei chaotisch bewegen können und der aus Quarks und Gluonen besteht. Die ausgesprochen instabile Situation verursachte die Explosion, auf die vier aufeinander folgende Phasen folgten, die gemeinhin als "Epochen" bezeichnet werden: die Ära des Quantenzeitalters, die elektroschwache Ära, die Ära der Strahlung und die Ära der Materie.
Die Urknalltheorie beruht auf zwei grundlegenden Annahmen, nämlich der Universalität der physikalischen Gesetze und dem kosmologischen Prinzip, das besagt, dass das Universum in großem Maßstab homogen und isotrop ist. Obwohl die Rekonstruktion unter bestimmten Bedingungen genau und glaubwürdig ist, hat die Theorie, wie so oft, ihre Grenzen. Es genügt zu bedenken, dass im Idealfall, wenn man in der Zeit zurückgeht, in einem zur Ausdehnung umgekehrten Prozess Dichte und Temperatur bis zu einem Zeitpunkt zunehmen, in dem diese Werte gegen unendlich tendieren und das Volumen gegen Null tendiert. Diese Beobachtung bedeutet, dass die derzeitigen physikalischen Theorien nicht mehr anwendbar sind, was zu dem Prozess führt, der allgemein als Singularität bekannt ist. Gerade deshalb scheint der Urknall zur Erklärung des Anfangszustandes unzureichend zu sein, bietet aber eine gute Beschreibung der Entwicklung des Universums ab einem bestimmten Punkt in seiner langen Geschichte.
Über den Urknall hinaus
Die Entstehung des Universums nach dem Urknallmodell beruht also nur für die Beschreibung der Entwicklung des Universums ab der primordialen Nukleosynthese auf Theorien, die durchaus zuverlässig und durch Beobachtungen bestätigt sind. Folglich sind spätere Aussagen über die Gesamtform des Universums und seine Entwicklung in der fernen Zukunft besonders unsicher. In Anbetracht der Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit ist die Beobachtung durch einen unüberwindbaren Horizont begrenzt, der keine weitere Extrapolation zulässt.
Das Modell beruht zudem auf Annahmen über die topologischen Eigenschaften der Raumzeit und ihre Regelmäßigkeit und ist in der Tat nur sehr hypothetisch. Der gegenwärtige technologische Fortschritt und die jüngste Beobachtung der dunklen Energie haben es uns jedoch ermöglicht, unser Wissen über das Universum, einschließlich seiner Entwicklung, zu verfeinern.
Zu den bekanntesten neuen Theorien gehört die, dass sich das Universum bis zu einem bestimmten Punkt ausdehnte und dann aufhörte zu wachsen. Für andere Experten wird die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, allmählich abnehmen und die Beschleunigung bei 0 negativ werden, was zu einem Big Crunch und einer Rückkehr zum Zustand der Singularität führt. Für andere wiederum wird das Universum nie aufhören, sich auszudehnen, und zyklisch die Bedingungen für die Existenz von Leben schaffen, selbst wenn es ursprünglich ist.
Die letzte Hypothese ist mit dem Namen Alan Guth verbunden, der 1984 von den meisten Gelehrten akzeptiert und als äußerst glaubwürdig angesehen wurde. Die Urknalltheorie, die 1929 von Alexander Friedmann formuliert und 1940 von George Gamow vervollständigt wurde, behält ihre Autorität, auch wenn sie ihre eigenen Grenzen einräumt. Was vor dem Urknall geschah, bleibt ein Rätsel, denn die Astrophysiker weigern sich, allzu viele Hypothesen aufzustellen, so dass wir mit einer Geschichte konfrontiert werden, für die es vielleicht nie eine für alle zufriedenstellende Erklärung geben wird.
Ursprung des Universums: alternative Theorien
Die Frage nach dem Ursprung des Universums ist ein weites und typischerweise geteiltes Thema, das zwangsläufig viele Gemüter inspiriert hat. Dies führte zu ebenso vielen Theorien und der anschließenden Entstehung einer nicht standardisierten Kosmologie. Dieser Begriff bezieht sich, wie Sie vielleicht schon erraten haben, auf jedes kosmologische Modell des Universums, das als Alternative zum Standardmodell der Kosmologie oder dessen Bezug auf den Urknall vorgeschlagen wurde oder noch wird. In der Geschichte der Weltraumbeobachtung gab es viele Forscher, die das "Urknall"-Modell ausdrücklich kritisierten, indem sie entweder seine grundlegenden Annahmen gänzlich verwarfen oder neue hinzufügten, die für die Erstellung neuer theoretischer Modelle des Universums als entscheidend angesehen wurden.
Vor allem in den 1940er und 1960er Jahren war die wissenschaftliche Gemeinschaft stark gespalten zwischen den glühenden Verfechtern des Urknalls und den Verfechtern konkurrierender Theorien, die auf dem Modell des stationären Zustands basierten. Heute diskutieren nur sehr wenige Astrophysiker über ihre Gültigkeit. Unter den Vertretern der Nicht-Standard-Kosmologie sind mehrere Namen aus der wissenschaftlichen Welt zu nennen, die vor allem im 20. Jahrhundert aktiv waren, wie Fred Hoyle, Paul Dirac, Kurt Gödel, Geoffrey Burbidge, Margaret Burbidge, Halton Arp, Jayant V. Narlikar, Hannes Alfvén, Eric Lerner, Dennis Sciama, Ernst Mach, Thomas Gold, Hermann Bondi, Fritz Zwicky, Christof Wetterich, Mordehai Milgrom, und Johan Masreliez.