Verschiedene Fragen zum Stichwort Universum

 
Wo im Universum hat der Urknall stattgefunden?

Da wir keine anderweitigen Hinweise haben, müssen wir annehmen, dass der Urknall nicht an einem bestimmten Ort, sondern überall mehr oder weniger gleichzeitig stattgefunden hat (siehe genauer hier).

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Welche geometrische Form hat unser Universum?

Das Universum hat keine der Formen, die wir aus dem dreidimensionalen Raum unserer Anschauung kennen. Alle Zeichnungen und Skizzen, die zur Erläuterung kosmologischer Zusammenhänge dargestellt werden, sind Metaphern, die unserem Verständnis auf die Beine helfen sollen, keineswegs aber Zwischenschritte in logisch unabweisbaren Schlussfolgen sind. Sie stellen auch immer nur bestimmte Aspekte dieser Zusammenhänge dar.
Das Universum ist ohne Berandung, deshalb wird es oft als Kugel apostrophiert. Eine (universelle) Krümmung des Raums hat man jedoch nicht feststellen können (unbeschadet der Tatsache, dass der Raum durch lokale Schwerefeldquellen gekrümmt wird). Die Kugel(fläche!) kommt als einzige Metapher in Betracht, weil sie keinen Rand hat und keine besonderen Punkte und Richtungen kennt (im Gegensatz zu Zylinder und zu Polyedern).

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Muss das Universum begrenzt sein, weil Unendlichkeit schwer vorstellbar ist?

Die Tatsache, dass das Unendliche schwer vollstellbar ist, lässt nicht auf Endlichkeit schließen! Vorstellbarkeit ist kein Kriterium der Wahrheit. In der Politik können wir uns auch immer kaum vorstellen, was wirklich so abgeht.

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Ist der Urknall der Übergang vom Nichts zum Sein? Ist die Welt aus dem Nichts entstanden?

Die Form der Frage impliziert bereits, dass das Nichts etwas ist. Wenn wir genauer hinsehen, ist das, was wir mit Urknall meinen, die Scheidung von Raum und Zeit. Der Urknall trennt den Bereich, in dem Raum und Zeit geschieden sind, Entwicklung stattfinden kann, von dem Bereich, in dem es diesen Unterschied nicht gibt. Die Entstehung ist nichts weiter als die Grenze dieses Bereichs. Das rein Geometrische dabei ist leicht modellierbar, die konsistente Erfüllung der physikalischen Bedingungen dagegen nicht.
    Dennoch sind Formulierungen wie Das Universum entstand aus dem Nichts oder gar Das Universum entstand aus dem Vakuum irreführend. Erst lang nach der Scheidung von Raum und Zeit, erst nach der Abkühlung von etwa 1032 K auf etwa 1028 K geriet das Universum durch die Verdünnung in einen Zustand, wo nur noch das Hochtemperaturvakuum bei der Energiebilanz zählte. Der Zerfall dieses Hochtemperaturvakuums, das ist die Wiederentstehung der gewohnten Teilchen aus der Energie des zerfallenden Vakuums, ist nicht der Urknall, wohl aber eine Art Entstehung der Vorform des heute sichtbaren Zustands des Universums aus dem Vakuum.

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Sind wir bezüglich des Urknalls unsicher, weil wir die Physik nicht kennen?

Es geht beim Urknall um die Konsistenz der bekannten Physik. Es ist die bekannte Physik, die auf Konsistenz geprüft wird, und deren konsistente Formulierung gesucht wird. Das ist das, was wir schaffen müssen. Haben wir einst eine konsistente Formulierung, kann man daran gehen, den Zustand zu bestimmen, der in dem Bereich geherrscht haben kann, in dem Raum und Zeit nicht geschieden waren, in dem so verstandenen Sinne also im Bereich vor dem Urknall. Das Wort Nichts für diesen Bereich ist irreführend, und: Die Struktur dieses Bereichs könnte der Theorie einst zugänglich sein.

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Gibt es Einigkeit darüber, was beim Urknall passierte?

Es gibt mehr oder weniger Einigkeit, was nach dem Urknall passierte: Es fand eine Inflation (exponentielle Expansion) statt, die mit der Anregung aller Teilchen endete. Deren Zerstrahlung war dann nicht vollständig, weil die Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen gebrochen wurde. Der Rest der nichtzerstrahlten Teilchen verschmolz zum Teil zu den leichtesten Atomkernen (Deuteronen, Heliumkerne), so dass wir heute 25 % Helium und 1/1000 % Deuterium im interstellaren Wasserstoff finden. Nach dem Aufklaren fand eine von der Schwerkraft bestimmte Strukturentwicklung statt, deren Ergebnis die beobachtete Verteilung der Galaxien ist.
    Was beim Urknall selbst geschah, ist unklar, weil die verschiedenen Modelle noch nicht auf Konsistenz geprüft sind oder noch nicht auf Konsistenz geprüft werden können. Es deutet nur alles darauf hin, dass man den Urknall als Scheidung von Raum und Zeit auffassen muss.

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Wie kann man wissen, was beim Urknall passierte?

Man weiß es nicht im Sinne einer unmittelbaren Beobachtbarkeit. Der Urknall ist nicht beobachtbar, weil er hinter der Inflation wie hinter einem Schleier verborgen ist. Das theoretisch Angenehme an der Inflation - sie schafft einen einheitlichen Frühzustand extrem niedriger Temperatur, der das beobachtete Spektrum der Strukturbildung begründet - ist gerade der Grund, dass die heißen Zustände vor der Inflation nicht aus Beobachtungen rekonstruierbar ist. Die Zustände vor der Inflation sind nur aus der Forderung nach einer konsistenten Extrapolation unserer Erfahrungen zu erschießen. Was wir suchen, ist ein vollständiges Modell für die Zeit vor der Inflation, dessen Konsistenz prüfbar ist.

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Was war vor dem Urknall?

Vor dem Urknall waren Raum und Zeit nicht geschieden (siehe genauer hier).
    Es muss aber immer wieder darauf hingewiesen werden, dass man zwar die utopischsten geometrischen Modelle entwerfen kann, diese dann aber meist nicht oder nicht befriedigend die Physik zu integrieren gestatten. Vielleicht gab es auch überhaupt kein davor, so wie es auf dem Globus auch nichts gibt, was nördlicher als der Nordpol ist.

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War der Urknall einmalig, oder kann er mehrmals auftreten?

Der Urknall ist die Grenze des Bereichs der Welt, in dem es die bekannte Unterscheidung von Zeit und Raum gibt. Diese Grenze kann ein mehr oder weniger einheitlicher Zeitpunkt sein, man könnte sich aber auch Modelle vorstellen in denen dies nicht so ist. Es gibt aber überhaupt noch kein bis zu dieser Frage konsistentes Modell, geschweige denn eines, das so sehr gegen unsere (durch die Isotropie der Hintergrundstrahlung begründete) Vorstellung eines im Großen homogenen Universums spräche.

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Sind Multiversen bloße Spekulation oder mehr?

Das Universum ist das hypothetische Gegenstück eines konsistenten (und vollständigen) Systems von ins Unbegrenzte extrapolierten Erfahrungen und enthält daher alles, was dafür relevant ist, alles. Die Vorstellung mehrerer Universen ist somit absurd.
Meist versteht man aber unter mehreren Universen die Existenz von (unter Umständen auch getrennten) Teilen des Universums, die sich in ihrer Erscheinung, ihrem Ursprung oder ihrer Entwicklung unterscheiden. Dafür gibt es aber seitens der Beobachtung keinen Hinweis und seitens der Theorie kein Modell, dessen Konsistenz geprüft werden kann, und es widerspricht schließlich der historischen Erfahrung, die ständig den Verlust von Besonderheiten unserer Umgebung registrieren musste. Deshalb formulieren wir auch das sogenannte kosmologische Prinzip, dessen überzeugendste Formulierung sich im sizilianischen Sprichwort findet: Tuttu lu munnu è comu casa nostra (Überall auf der Welt geht es zu wie bei uns zu Hause).

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Dehnt sich der Raum in höhere Dimensionen aus?

Das anschauliche Bild des Luftballons, der sich ausdehnt und auf den die Galaxien gemalt sind, führt uns in Versuchung, die Ausdehnung des Unviersums wie die der Oberfläche des Luftballons als Ausdehnung in wenigstens eine weitere Dimension zu begreifen. Das ist aber allein unserer dreidimensionalen Anschauung geschuldet und zur exakten Beschreibung der Expansion nicht nötig. Expansion wie Krümmung werden innerhalb des Universums (der Oberfläche des Ballons) ohne Rückgriff auf zusätzliche Dimensionen gemessen und vollständig beschrieben.
    Theorien, die höhere Dimensionen betrachten, verfolgen ein anderes Ziel. Sie sehen in den Strukturen der zusätzlichen Dimensionen das Mittel, physikalische Phänomene einfacher und unter gemeinsamem Gesichtspunkt zu beschreiben. Ihr grundlegendes Problem ist zu begründen, wieso sich diese zusätzlichen Dimensionen unter der gewohnten Umständen nicht zeigen. Die Entschuldigung ist, dass die zusätzlichen Dimensionen in irgendeiner Form abgeschnürt sind und ihre Expansion und Kontraktion anders als die der drei gewohnten Dimensionen verläuft. Heute darf sich die Ausdehnung in den höheren Dimensionen ohnehin nicht ändern (wenn es solche höheren Dimensionen gibt), weil sonst die gewöhnliche Dampfmaschine nicht funktionieren würde. Es gibt Modelle des Universums, in denen die vermutete Inflation im frühen Universum mit einer Kontraktion der Skalen in den höheren Dimensionen einhergeht. Diese Skalen der höheren Dimensionen müssen heute submikroskopisch klein und von konstanter Ausdehnung sein, damit die möglichen Effekte ihrer Existenz den gut gesicherten Teil der Gesetze der Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen nicht stören. Ein Kapitel über höhere Dimensionen findet sich in
          Dierck-E.Liebscher: Kosmologie, J.A.Barth, Heidelberg 1994.
Die Frage, ob sich Gravitation wie der Casimir-Effekt als eine Art abschirmbaren Drucks in einem Teilchengas darstellen lässt, im vor hundert Jahren ohne Erfolg untersucht worden. Es ergibt sich unmittelbar nur eine volumenabhängige Kraft, die Gravitation ist aber der Masse proportional.

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Wie kann negative Krümmung isotrop sein?

Negative Krümmung nennt man hyperbolisch, und zur Darstellung wird immer auf das (einschalige) Hyperboloid verwiesen. Das hat anscheinend keine konstante Krümmung, ist also nicht homogen, und enthält an jedem Punkt auch Geodäten ohne Krümmung, ist also nicht isotrop. Warum also Hyperboloid?
Zunächst ist die Beobachtung richtig, dass ein einschaliges Hyperboloid im dreidimensionalen euklidischen Raum keine konstante Krümmung hat. Die Hyperboloide, die als Illustration kosmologischer Modelle in der Regel gezeichnet werden, sind jedoch Flächen in einer (in der Zeichnung) (2+1)-dimensionalen Raum-Zeit mit Minkowski-Geometrie, und in dieser haben sie konstante Krümmung. Im einfachsten Fall, dem Milne-Kosmos, sind die Flächen konstanter negativer Krümmung (und auch konstanten Abstands vom Zentrum) Schalen eines zweischaligen Hyperboloids, die als Flächen im euklidischen Raum sogar positive Krümmung hätten und dort dann ebenfalls nicht homogen wären.
Negative Krümmung bedeutet nur bei einer Fläche im euklidischen Raum Sattelpunkteigenschaft, nicht aber in einer (2+1)-dimensionalen Raum-Zeit. Die Isotropie der Tangenten ist also nicht verletzt.
Negative gekrümmte Räume sind auch nicht deshalb offen, weil ihre Darstellung als Hyperboloide keine endliche Fläche hat (solche Darstellungen gibt es auch für die Kugel), sondern weil Geraden in diesen Räumen im einfachsten Fall unendliche Länge haben. Das ist aber eigentlich eine Frage der Topologie. Unter Umständen gibt es mehrfachen Zusammenhang, der lokal keine Besonderheiten erzeugt, und dann ist die Frage der Unendlichkeit losgelöst von der der Krümmung.

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Woher kommt der Begriff vom Urknall?

Es ist immer eine Frage, wo man anfängt und was man unter dem Urknall versteht. Wenn man keine Klimmzüge macht, um Metaphern zu interpretieren, sondern sich an wirkliche Theorie hält, dann beginnt es mit Alexander Friedmann, der dem ungläubigen Einstein 1922 vorrechnete, dass man ein konsistentes Modell für ein homogenes Universum auch mit negativer Krümmung des Raums konstruieren kann, wenn man nur eine Expansion des Universums akzeptiert (die damals noch keine Beobachtungsgrundlage hatte). Ein expandierendes homogenes Universum hat nach der Allgemeinen Relativitätstheorie bei konventioneller Materie immer eine Singularität, einen Anfang mit der Zeit. Georges LeMa^itre nannte die Singularität des Anfangs das Uratom. Der Urknall kommt erst später ins Spiel, als man die Expansion des Universums ernst zu nehmen beginnt und die Physik der Kernreaktionen etwas besser ausgearbeitet ist. Georges Gamow schlussfolgert nämlich glasklar, dass die höhere Dichte in der Frühzeit auch höhere Temperatur bedeuten muss. Er schliesst auf die Hintergrundstrahlung (aus der Zeit, als das Universum erst etwa 100000 Jahre alt war) bereits 17 Jahre vor ihrer Entdeckung und auf eine das ganze Universum erfassende Kernsynthese (aus der Zeit als das Universum 3 Minuten alt war) 19 Jahre vor ihrer genauen Berechnung. Diese Kernsynthese wurde von Fred Hoyle mit dem Spitznamen Big Bang belegt. Gamow soll sich sehr darüber geärgert haben. Heute ist Big Bang ein Markenname, und es waren Fred Hoyle und seine Schüler, die 1967 die genauen Rechnungen durchführen konnten. Heute wird mit Urknall im allgemeinen die Singularität selbst bezeichnet, wer der erste war, der dies tat, weiß ich nicht.

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Ist ein Unterschied zwischen Kosmos und Universum?

Der Kosmos ist die (vermutete) Ordnung der Welt, die Gesamtheit der Naturgesetze, deren Fundamente auch bei extremster Extrapolation gültig und konsistent sein sollen. Ein Kosmos ist der global konsistente Zusammenklang der Naturgesetze. Zum Kosmos gibt es ein Gegenteil, das Chaos: Die Naturgesetze müssten nicht unbedingt global konsistent sein. Als Gegenstand eines Kosmos erwarten wir die Gesamtheit des Existierenden, das Universum. Universum und Kosmos verhalten sich zueinander wie Land und Landkarte. Aber: Das Universum kann sowohl Gegenstand eines Kosmos als auch des Chaos sein. Das Universum darf -- wie der Kosmos -- keine äußeren Bedingungen kennen, muss also alles enthalten, was Einfluß ausübt. Was wir nun um uns beobachten -- Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen, Quasare, Hintergrundstrahlung -- ist dies das Universum? Nicht ohne weiteres: Wir sehen nur bis zu einem Horizont, der sich zwar auch ausdehnt, aber nicht überwunden werden kann. Wir müssen deshalb unterstellen, daß der Bereich innerhalb des Horizonts, unser Gesichtsfeld, für den Zustand und die Geschichte des Universums typisch ist. Nur dann testen unsere Beobachtungen den vermuteten Kosmos im Rahmen des Modells, das wir von ihm entwerfen können. Allerdings lässt sich die Unterstellung nicht jenseits des Horizonts prüfen, sie bleibt ein hypothetisch. Man nennt sie kosmologisches Prinzip.

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Ist unser Universum unwahrscheinlich?

Wahrscheinlichkeit erfordert die Existenz einer Familie gleichermaßen konsistenter Modelle für das Universum, auf der man sich eine Wahrscheinlichkeitsverteilung denken kann. Nur wenn die Modelle gezählt werden können (also Konsistenz nur ein diskretes Spektrum der Werte von Naturkonstanten erlaubt), kann man den einzelnen Modellen verschiedene und positive Wahrscheinlichkeiten zuschreiben. Erlaubt die Konsistenz dagegen eine stetige Wahl der Naturkonstanten, wird es schwieriger (siehe auch Was ist Zufall?).
Wenn man von Standpunkt der String-Theorie fragte, welche Modelle überhaupt möglich sind, wie wahrscheinlich oder unwahrscheinlich ist es dann, dass das Universum so ist, wie es ist, mit all seinen Naturkonstanten, mit all den Bedingungen, die das Leben möglich gemacht haben?
Es sind schon ohne Strings verschiedene Modelle geometrisch konstruierbar, deren Parameter gemessen werden müssen, weil wir noch keine guten theoretischen Gründe haben. Unkenntnis heißt aber noch nicht, dass irgendwo ein Zufall geherrscht hat. Wir vermuten Zufall auf Grund unserer Kenntnis der Mikrosysteme und unseres Wissens, dass die geometrischen Abstände früher einmal mikroskopisch klein gewesen sein müssen. Andererseits haben wir unsere Kenntnis über die Quanteneffekte aus einer Welt, in der die Schwerkraft nur eine untergeordnete Rolle spielt. Die Bestimmung allein, was Zufall für das Universum bedeuten soll, zeigt wie problematisch eine solche Vorstellung ist. Eine Weltformel sollte ihn in dieser einfachen Form ausschließen.

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Die Organisation CODATA veröffentlicht Empfohlene Werte der Naturkonstanten. Steht es uns frei, welche Werte wir benutzen?

Die Naturkonstanten sind nicht frei, aber sie sind mit den verschiedenen Methoden nicht gleich genau und nicht gleich sicher zu messen. Und die Methoden werden immer wieder verbessert. Man ist gezwungen, aus den verschiedenen Werten ein gewogenes Mittel zu benutzen. Die Gewichte dieses Mittels alledings entstammen Einschätzungen der systematischen Fehler, die verschieden getroffen werden können. CODATA hat eine solche und empfiehlt, sie zu benutzen. Dann erhält man die empfohlenen Werte der Naturkonstanten. Wichtig sind die genauen Werte für alle anderen messtechnischen Verfahren, vorläufig aber nicht für das Verständnis der Natur.

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Hat das Universum Grenzen?

Soweit wir wissen, hat es keine Grenzen. Die Unterstellung, die Physik gelte überall gleich, hat allen Überprüfungen standgehalten. Alle Orte im Weltall sind gleich nach Physik und großräumiger Umgebung. Es gibt also keinen Rand des Weltalls, und das Argument dafür ist immer noch das gleiche, das Lukrez vor 2000 Jahren benutzt hat, auch wenn es sich in der Form über Cusanus, Kopernicus, Bruno und Einstein gewandelt hat: Am Rande stehend, könnten wir den Speer nicht nach allen Seiten in gleicher Weise schleudern. Damit wären die Randpunkte anders als die im Innern. Sind alle Punkte gleich, können alle nur innere Punkte sein. Cusanus argumentierte mit Gottes Allmacht, die keine Grenzen kennen kann: Alle Orte des Weltalls sind gleich weit von Gott entfernt.
Man darf Unbegrenztheit und Unendlichkeit nicht verwechseln: die Oberfläche einer Kugel ist unbegrenzt und dennoch endlich. Das Universum -- neueste Messungen der Hintergrundstrahlung bestätigen es -- ist nun doch unendlichen Volumens.
Die Unbegrenztheit des Universums heißt auch nicht, dass wir in alle Tiefen sehen können. Seine Expansion sorgt dafür, dass es einen Horizont gibt, der wie die gewohnten Horizonte auf der Erde je nach Standort variiert. Wenn wir in die Entfernung sehen, sehen wir auch in die Tiefen der Vergangenheit, weil das Licht seine Zeit braucht. Aus einer Entfernung, für die das Licht 13 Milliarden Jahre braucht, kommt das Licht aus einer Vergangenheit, in der das Universum tausendmal wärmer und eine Milliarde mal dichter war als heute. Von dort kommt die Mikrowellenhintergrundstrahlung, und tiefer in die Vergangenheit, weiter in die Tiefe des Raums, können wir nicht unmittelbar sehen. Weiter kommen wir nur mit der Theorie und durch die Überprüfung von Fossilien wie der Konzentration des schweren Wassers oder des Spektrums der Fluktuationen der Hintergrundstrahlung und der Struktur der Galaxienverteilung.
Soweit das Auge reicht, sind die Naturgesetze alle gleich, nicht die Spur eines Randes ist zu sehen. Dennoch bleibt es eine Unterstellung, dass alle Orte des Universums gleich sind. Wenn wir die Konsistenz der Physik an ihrer unbegrenzten Extrapolierbarkeit prüfen, wollen wir die theoretischen Ergebnisse dann auch an Beobachtungen prüfen. Das hat aber nur Sinn, wenn die Beobachtungen innerhalb unseres Horizonts das gesamte Universum gleichermaßen charakterisieren, das Universum also überall gleich beschaffen ist, eben so, wie sich das Cusanus vorgestellt hat. Geben wir diese Voraussetzung auf, bleibt der Kosmologie nur die theoretische Konsistenzprüfung, sie verliert aber den beobachtungsseitigen Test.
Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Konsistenzprüfung selbst einmal liefert, dass das Universum Grenzen hat, d.h., die Physik nicht widerspruchsfrei unbegrenzt extrapoliert werden kann. So weit sind wir aber nicht.

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