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Wann die ersten Wesen begannen, sich für den Ursprung und das Werden der Welt zu interessieren, ist nicht bekannt. Aber aus vielen Kulturen sind Schöpfungesmythen überliefert; gemeinsam ist vielen dieser Mythen, dass die Welt aus dem Werk von göttlichen Wesen hervorgegangen ist, die im weiteren mehr oder weniger stark in den Lauf der Welt involviert sind. Häufig wurde die Welt aufgeteilt in einen irdischen (menschlichen) und eine himmlischen (göttlichen) Bereich. Seine besondere und im weiteren für die abendländische Vorstellungswelt einflussreiche Formulierung entstand unter Plato und, ähnlich noch, bei Aristoteles.
In den alten Kosmologien stand die zentrale Stellung der Erde und der Menschen als dominante Spezies im Vordergrund. Allerdings gab es schon früh, etwa um 300 vor der Zeitenwende, abweichende Vorstellungen, die zum Beispiel von Aristarch von Samos vertreten wurde: die Sonne ersetzte die Erde als zentralen Himmelskörper. Leider existieren keine direkten Quellen von Aristarchs Werken mehr, so dass seine Vorstellungen aus Zitaten anderer rekonstruieren werden müssen. Seine Zeitgenossen, vor allem der berühmte Archimedes, fanden keinen Gefallen an diesem Modell, da man die Bewegung der nahen ``Fixsterne'' vor den weiter entfernten, die durch den Lauf der Erde um die Sonne auftreten sollte, nicht beobachten konnte. Damit, so schloss man richtig, müssten die Entfernungen zu den ``Fixsternen'' unvorstellbar gross sein, und das wollte man nicht glauben. So recht Aristarch hatte, sowenig setzte sich seine Vorstellung durch. Die scheinbare Bewegung der nahen Sterne vor dem Hintergrund der weiter entfernten konnte man mit damaligen Mitteln wirklich nicht beobachten: die bestmögliche Messgenauigkeit ohne abbildendes Gerät (Teleskop) ist etwa eine Bogenminute, ein sechzigstel eines Winkelgrades (Tycho Brahe erreichte im 16. Jahrhundert diese Genauigkeit mit seinen Instrumenten in Uraniborg.). Die tatsächliche Bewegung macht allerdings nur weniger als eine Parallaxensekunde aus. Somit fehlte den Griechen etwa ein Faktor hundert Messgenauigkeit.
Erst im 16. Jahrhundert begann die endgütige Revolution des Weltbildes. Mit Kopernikus setzte sich die Vorstellung durch, dass die Erde ein Trabant der Sonne ist. Kepler konnte mit Brahes Messdaten, vor allem der Positionen des Mars, die Bahnform der Planetenbahnen als Ellipsen erklären und somit die künstlichen Epizklen als unnötige Hilfskonstruktionen einmotten. Galilei erbrachte mit seinen Teleskopbeobachtungen (das Teleskop hatte Lippershey 1608 erfunden) und seinen Experimenten zu den Fallgesetzen weitere wichtige Bausteine, die Newton am Beginn des 17. Jahrhunderts in der Gravitationstheorie zusammensetzte. Die Entwicklung der Infinitesimalrechnung (Differentiation und Integration) durch Leibniz und Newton eröffnete ein weites Feld von Anwendungen der Gravitationstheorie im Planetensystem und natürlich auch in irdischen Anwendungen (z.B. in Pendeluhren).
Die Beobachtungen einer Nova durch Brahe und einer Supernova durch Kepler erbrachten den Beweis, dass die Sterne nicht fix (ewiglich unveränderlich sind).
Bis Herschel zu Beginn des 19. Jahrhunderts anhand der Bewegung eines Doppelsternsystems nachweisen konnte, dass die Newtonsche Theorie auch ausserhalb des Sonnensystems gilt, musste man sich darüber Spekulationen hingeben. Die Entwicklung des mathematischen Apparates, vor allem die Störungsrechnung, erzielte mit dem Auffinden des Neptun einen ersten grossen Erfolg. Die Position des Neptun war von Adams und Le Verrier berechnet worden, und Galle fand den aufgrund von Bahnschwankungen des Uranus postulierten Planeten ziemlich genau an der angegebenen Stelle (im nachhinein ist man bekanntlich immer schlauer, und so weiss man, dass hier der Zufall nachholfen hat. Adams und Le Verrier mussten einige Annahmen machen, z.B. über Masse und Sonnenabstand des neuen Planeten, die falsch waren. Sie erhielten eine mit ihren Annahmen korrekte Lösung, die zufällig zu dieser Zeit auch mit der tatsächlichen übereinstimmte; dreissig Jahre später wären die vorausgesagte und die tatsächlich Position so weit auseinandergelegen, dass man den Neptun wahrscheinlich nicht mehr aufgefunden hätte.
Wilhelm Olbers formulierte 1823 das nach ihm benannte Olberssche Paradoxon. Diesem Paradox liegt die Beobachtung zugrunde, dass der Himmel im Wesentlichen dunkel ist, mit der Ausnahme von einigen Sternen (und Planeten). Wenn man allerdings davon ausgeht, dass die Sterne einigermassen gleichmässig im Raum verteilt sind, so müsste man, egal in welche Richtung man schaut, immer auf einen Stern treffen. Da die Oberflächenhelligkeit nicht davon abhängt, wie nah oder fern ein Stern ist, müsste der Himmel eigentlich hell erscheinen. Als Veranschaulichung kann man sich vorstellen, man stehe in einem Wald. Ist es nur ein kleiner Wald, so kann man an einigen Stellen zwischen den Bäumen hindurch sehen. Ist der Wald allerdings gross, so wird man in jeder Richtung nur noch Bäume sehen. Würden die Bäume leuchten wie Sterne, so wäre es eben rundum hell.
Mit Hilfe der im 19. Jahrhundert entwickelten Spektralanalyse (Fraunhofer, Bunsen, Kirchhoff und andere) gelang es, beginnend mit der Sonne, die chemische Zusammensetzung der Sterne zu erforschen. Es zeigte sich, dass die Sterne alle aus den gleichen Elementen, allerdings in anderen Zusammensetzungen bestanden. Damit war bewiesen, dass nicht nur die gleichen physikalischen Gesetze (speziell der Gravitation), sondern auch die Zusammensetzung nicht eine Spezialität der Erde oder des Sonnensystems waren. Die Erde hatte wieder ein Stück ``Besonderheit'' verloren.
Eine weiterer Meilenstein war die Messung der ersten Sternparallaxe durch Bessel. Somit konnte man die Entfernungen zu den nächsten Nachbarn der Sonne direkt bestimmen. Die Messgenauigkeit der Parallaxenmethode ist allerdings stark begrenzt auf etwa 100 pc, das heisst auf eine hunderstel Bogensekunde scheinbare Sternbewegung. (Erst mit dem Hipparcos-Satelliten in den neunziger Jahren des 20. Jahrhunderts konnte man deutlich weiterkommen mit brauchbarer Genauigkeit.) Um grössere Distanzen messen zu können (siehe Entfernungsbestimmung), musste man auf Standardkerzen ausweichen. Vor allem Shapley konnte mit Hilfe von Cepheiden die Ausdehnung der Milchstrasse abschätzen. Da er noch nicht wusste, dass es zwei Arten von Cepheiden gibt, verschätzte er sich allerdings und fand einen zu grossen Durchmesser für die Milchstrasse von 300000 Lichtjahren.
Im Rahmen der Untersuchungen eines physikalischen Gesetzes, nämlich des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, der sich ursprünglich aus den Gesetzen von Wärmekraftmaschinen aufgestellt wurde, fand Helmholtz eine, für seine Sicht sehr unbefriedigende Schlussfolgerung: nach dem 2. Hauptsatz fliesst Energie immer vom warmen zum kalten Gebiet (Eiswürfel lösen sich im Wasser auf und nicht umgekehrt), aber dabei wird immer eine Grösse namens Entropie vergrössert. Die Entropie ist eine Art Mass für Unordnung. Man kann es drehen und wenden wie man will, es gibt keine Handlung, mit der global die Entropie verringert werden kann. Lokal ist dies möglich, wenn z.B. ein Kristall aus einer Salzlösung entsteht. Aber diese lokale Verringerung der Unordnung geht mit einer gesamthaften Vergrösserung einher. Dieses Entropiewachstum geht solange weiter, bis das Gesamtsystem, das Universum, im thermodynamischen Gleichgewicht ist, dann, wenn alles die gleiche Temperatur hat. Diesen Prozess nannte man den Hitzetod des Universums.
Hubble, der im Andromeda-Nebel (M31) nach Novae suchte, fand einen Cepheiden und konnte damit die Entfernung zu M31 bestimmen. Es stellte sich heraus, dass die Entfernung zu M31 deutlich grösser ist als die Grösse der Milchstrasse, was zur Folgerung Anlass gab, dass M31 eine eigene 'Weltinsel' wie die Milchstrasse ist. Von da an begann man, auch von anderen Galaxien die Entfernungen zu messen.
Es war wiederum Hubble, der eine zunächst seltsam erscheinende Entdeckung machte: je weiter eine Galaxie entfernt ist, desto schneller scheint sie sich von uns wegzubewegen. Nur die nahen Galaxien waren von diesem Effekt ausgenommen. Wie konnte man die Bewegung der Galaxien relativ zur Erde (bzw. nach Korrekturen für die Erdbewegung um die Sonne und für deren Bewegung um das Zentrum der Milchstrasse) bestimmen? Nimmt man eine Galaxie durch einen Spektrographen auf, so sieht man viele verschiedene (Absorptions- und Emissions-)Linien. Mit Hilfe der Spektralanalyse kann man diese Linien chemischen Elementen zuordnen. Die Wellenlängen, bei welchen diese Linien auftreten, kann man im Labor messen oder, nach Entdeckung der Quantenmechanik, berechnen. Nun zeigte sich, dass die Linien bei entfernten Galaxien nur mit den bekannten übereinstimmten, wenn man das Spektrum verschob. Meist waren die Spektren dieser entfernten Objekte zu langen Wellenlängen (ins Rote) verschoben. Diese ``Rotverschiebung'' der Spektrallinien der beobachteten Galaxien deutet man als Dopplerverschiebung: ist zum Beispiel ein Empfänger in Ruhe (wir auf der Erde) und ein Sender relativ zu uns bewegt, so verkürzt sich die Wellenlänge eines gesandten Signals, wenn der Sender auf uns zukommt, und sie verlängert sich, wenn der Sender wegfliegt. Verkürzen von Wellenlängen bedeutet Blauverschiebung von Licht und Verlängerung Rotverschiebung. Das bedeutet also, dass sich scheinbar alle Galaxien von uns weg bewegen (bis auf einige nahe gelegene Ausnahmen). Da wir in solchen Fällen lieber davon ausgehen, dass es nicht an uns liegt, musste man zu einer anderen Erklärung kommen. So gelangte man zu der Erkenntnis, dass der Raum selbst expandiert. Das ist sehr praktisch, weil in so einem Fall die Wegbewegung von jedem Punkt gleich aussieht (sofern die Expansion überall gleich ist) und wir uns keine Gedanken mehr machen müssen, warum uns da draussen keiner mag.
Die Expansion des Raumes ist nicht leicht vorstellbar. Am einfachsten behilft man sich damit, dass man sich Punkte, z.B. Knöpfe, auf einem Gummiband vorstellt. Dehnt man dieses Gummiband, so entfernen sich die Knöpfe (Galaxien) von einander. Der Effekt erscheint umso schneller, je weiter zwei Knöpfe voneinander entfernt sind. Jeder Knopfbeobachter sieht eine Bewegung der anderen Knöpfe von ihm weg, obwohl kein Knopf sich aus sich bewegt hat. Nahe Galaxien haben eine ``Partikulargeschwindigkeit'' (eine Eigenbewegung) relativ zur Milchstrasse, weil sie sich in ihrem Umfeld bewegen. So sind die Partikulargeschwindigkeiten in Galaxiengruppen im Bereich von einigen hundert Kilometern pro Sekunde und in Galaxienhaufen von der Grössenordnung tausend Kilometer pro Sekunde. Um von diesen ``Störungen'' nicht betroffen zu sein, muss die ``Fluchtgeschwindigkeit'' aufgrund der Expansion des Raumes entsprechend grösser sein.
Die beobachtete Expansion wirft die Frage auf, was am Anfang mit dem Raum war: Dreht man das Rad der Zeit zurück, so findet man ein sich immer stärker verdichtendes Universum bis man bei einer Singularität ankommt, wo alles in einem Punkt vereinigt liegt. Das ist nicht eine Stecknadelspitze voll uns vertrauter Materie, sondern der Raum samt jeglichen Inhalts. Religionen können es auch nicht sehr viel einfacher machen, etwas zu glauben oder nicht.
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Heute ist der Urknall (zu englisch der ``Big Bang'') weithin als der Anfangspunkt unseres Universums akzeptiert. Dafür sprechen die folgenden Argumente:
Soweit gekommen, können wir den groben Ablauf der Entwicklung des Universums erläutern. Wenn wir von ganz vorne beginnen, müssen wir uns eingestehen, dass wir über die ersten 10-43 Sekunden - diese Zeit nennt man die Planck-Zeit - nichts wissen. Erst ab dieser Zeit können wir mit Hilfe der uns bekannten Physik Aussagen machen. Zu dieser Zeit beträgt die Temperatur des Universums 1033 K (K ist die Einheit der Temperatur und heisst Kelvin). Von der Planck-Zeit bis etwa 10-36 sec waren die sogenannten Hadronen, eine Sorte von Elementarteilchen, mit Lichtteilchen, den Photonen, im Gleichgewicht. Man kann sich das als eine Art heisse Suppe von ``nur'' noch 1029 K. Zu dieser Zeit hat sich das Universum vermutlich sehr schnell ausgedehnt, und darum nennt man diese Phase auch die Inflation. Bei etwa 10-10 sec sind wir bei einer Temperatur von 1016 K angelangt und damit in etwa dem Energiebereich, den die grössten Teilchenbeschleuniger derzeit erreichen. Bei einer zehntausendstel Sekunde oder 1013 K verbinden sich die Quarks zu den Protonen und Neutronen. Etwa 1 sec nach dem Urknall entkoppeln sich die Neutrinos von der Materie. Die Temperatur liegt bei vorstellbaren 10 Milliarden Kelvin. Schon 100 Sekunden nach dem Start bilden sich die chemischen Elemente He-3, He-4, Li-7 und der schwere Wasserstoff, Deuterium (He ist das chemische Symbol für Helium, Li für Lithium). Es entsteht ein Gemisch von etwa 75% Wasserstoff, H, und Helium mit rund 25 %, und einem bescheidenen Rest schwerer Elemente - ``Metalle'' im Jargon. Bis etwa 300000 Jahre nach dem Urknall dominiert die Strahlung das Geschehen, wodurch ungleichmässige Verteilung der Materie immer schnell ausgeglichen wird. Zu diesem Zeitpunkt, bei etwa 10000 K, entkoppeln Strahlung und Materie; dieses Ereignis ist heute als Kosmische Hintergrundstrahlung sichtbar. Die Hintergrundstrahlung hat heute eine Temperatur von nur noch etwa 3 K (aufgrund der Expansion des Raums sinkt die Temperatur; das ist der gleiche Effekt, den man bei Druckgasflaschen beobachten kann: wenn das Gas nach dem Entweichen aus der Flasche ausdehnt, kühlt es ab). Entdeckt wurde sie von den Radiotechnikern Penzias und Wilson. Der Cosmic Background Explorer (COBE-Satellit) wurde vor allem für die Vermessung der Hintergrundstrahlung gebaut. Nach ungefähr einer Million Jahren beginnen die ersten Quasare zu leuchten und von da an bilden sich Galaxien, und in diesen Sterne, und nach einiger Zeit aufgrund der Anreicherung des Interstellaren Mediums mit schwereren Elementen aus ausgebrannten Sternen auch Sterne mit Planetensystemen. In einem von diesen lesen SIE das gerade.
Die frühen Galaxien lagen rämlich sehr nahe aneinander, so dass es kein Wunder ist, dass die Wechselwirkungen untereinander sehr stark waren. Im Bild des ``hierarchical clustering'', der hierarchischen Strukturbildung, sind in dieser Phase viele Urgalaxien zu grösseren Galaxien verschmolzen (Merging).
Im weiteren Verlauf nehmen die mittleren Abstände zwischen den (verbliebenen) Galaxien zu. Allerdings bedeutet das nicht, dass die Galaxien gleichmässig im Raum verteilt sind. Vielmehr ``häufeln'' sie und bilden Gruppen oder Haufen, in welchen es nach wie vor zu Wechselwirkungen kommen kann.
Wie sich diese Strukturen, die Galaxien, Gruppen und Haufen gebildet haben, kann man heute in Modellen mit Computersimulationen nachbilden. Dafür kommen einige der grössten Rechenanlagen der Welt zum Einsatz.
In Tabelle 6.2 ist die zeitliche Entwicklung des
Universums mit einem Focus auf die Geschehnisse in der Milchstrasse
in einem für uns Menschen übersichtlicheren Massstab aufgelistet.
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Heute haben wir ein gewisses Verständnis davon, wie die Welt, in der wir uns befinden, entstanden ist. Mit grossem Erfolg kann man mit dem Standardmodell der Kosmologie die Geschehnisse ab kurz nach dem Urknall nachvollziehen. Sehr viel spekulativer wird es, wenn wir versuchen, einen Blick in die Zukunft zu wagen. Vielleicht gibt es noch Bereiche der Physik, deren wir noch überhaupt nicht gewahr sind, die aber gleichwohl einen grossen Einfluss auf die künftigen Abläufe haben können.
Eine Frage ist, ob das Universum ewig expandieren, gegen eine Art Gleichgewicht laufen, oder wieder in sich zusammenfallen wird. Das wird vor allem von zwei Parametern beeinflusst: der Materiedichte im Universum und der kosmologischen Konstante. Letztere wurde von Albert Einstein eingeführt, nachdem er bemerkt hatte, dass kosmologische Modelle, die mit der von ihm entscheidend mitentwickelten Relativitätstheorie erstellt worden waren, instabil sind. Im Glauben daran, dass das Universum als Ganzes ewig und unveränderlich ist, führte Einstein die kosmologische Konstante ein, die eine noch nicht beobachtete abstossende und damit der Gravitation entgegenwirkende Kraft beschreibt, die das Universum ``stabilisiert''. Nachdem Hubble die Expansionsbewegung der Galaxien entdeckt hatte, änderte Einstein seine Meinung und sprach von der kosmologischen Konstante als seiner ``grössten Eselei''. Heute ist die kosmologische Konstante wieder eifrig im Gebrauch, nachdem es sich herauskristallisiert hatte, dass der Materiegehalt des Universums ``unterkritisch'' ist, das heisst, zu gering ist, um einen asymptotischen Gleichgewichtszustand, ein ``flaches Universum'', zu gewährleisten. Neue Ergebnisse der Beobachtung von fernen Supernovae geben der Existenz einer repulsiven Kraft, die mit einer Auftrieb, da sie die Beschleunigung der Expansionsgeschwindigkeit des Universums andeuten.
Generell bleiben zwei Szenarien: das derzeit unwahrscheinlichere, dass das Universum in sich wieder ``zusammenklappt'', und das Gegenmodell, dass sich das Universum unendlich weiterausdehnen wird. Spielen wir vielleicht kurz durch, was sich im Fall eines offenen Universums mit ewiger Expansion abspielen wird.
In den Galaxien wird mit der Zeit der Gasvorrat, aus dem sich neue Sterne bilden können, aufgebraucht, da bei jeder Sterngeneration Überreste gebildet werden, die nicht mehr in den Recyclingprozess eingehen können (Weisse Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher). Damit werden, beginnend bei den massereichen Sternen mit kurzen Lebensdauern, immer mehr Sterne verlöschen und ihre eventuell vorhandenen Planetensysteme dabei zum Teil zerstören. Die ganz massearmen Sterne haben Lebensdauern von der Grössenordnung Billionen Jahre. Sie werden noch lange Zeit für ein mattes Glimmen sorgen.
Die Galaxien in den Galaxiengruppen werden aufgrund der dynamischen Reibung bei nahen Vorbeigängen abgebremst und verschmelzen miteinander. Generell fallen die Gruppen in die benachbarten Galaxienhaufen ein, wobei die meisten Galaxien transformiert werden. Nach und nach sinken auch dort die Galaxien zum Haufenzentrum ab und Verschmelzen mit der zentralen Haufengalaxie. Durch die fortlaufende Expansion des Raums koppeln sich die Galaxienhaufen von einander ab, nachdem die Materie zwischen ihnen in die Haufen eingefallen ist.
Irgendwann verlöschen auch die masseärmsten Sterne. Es wird auf ewig dunkel.