„Habe nun ach! Philosophie, Juristerei und Medizin, und leider auch Theologie! durchaus studiert mit heißem Bemühn. Da steh ich nun, ich armer Tor! und bin so klug als wie zuvor; heiße Magister, heiße Doktor gar, und ziehe schon an die zehen Jahr herauf, herab und quer und krumm meine Schüler an der Nase herum – und sehe, dass wir nichts wissen können!

Das will mir schier das Herz verbrennen!“ 

- Faust I, S. 354–365

Universum

Das Universum (auch: Kosmos, Weltall) ist unsere physikalische Wirklichkeit, d.h. die Gesamtheit von Raum, Zeit und aller Materie und Energie darin.

Die Kosmologie, ein Teilgebiet sowohl der Physik als auch der gegenwärtigen Philosophie der Naturwissenschaften, befasst sich mit dem wissenschaftlichen Studium des Universums und versucht Eigenschaften des Universums wie beispielsweise die Hintergrundstrahlung oder die Frage nach der  "Feinabstimmung der Naturkonstanten" zu ergründen. Gemäß dem Standardmodell der Kosmologie ist das Universum vor etwa 13,81 Milliarden Jahren[1] mit dem Urknall entstanden, nach der daraufhin folgenden raschen kosmologischen Inflation verlangsamte sich die andauernde Expansion des Universums zunächst und nimmt seitdem wieder zu, was u.a. zum Konzept der Dunklen Energie geführt hat (siehe auch: kosmologische Evolution).

Gegenwärtig besteht das Universum aus mehreren Filamenten, Filamente setzen sich aus Superhaufen und Galaxienhaufen und diese aus Galaxien zusammen, in Galaxien finden sich u.a. Sterne- und Planetensysteme wieder, die aus Atomen bestehen, Atome konstituieren sich aus Leptonen (Elektronen)  und Baryonen (Protonen und Neutronen), welche laut der populären Stringtheorie wiederum nichts weiter sind als eindimensionale Strings (siehe auch:  Reduktionismus). Das Universum könnte einmal in einem Big Rip oder einem Big Whimper sein Ende finden.

Die moderne kosmologische Forschung beruht v.a. auf der allgemeinen Relativitätstheorie in Kombination mit astronomischen Beobachtungen (z.B. die das gesamte Universum erfüllende Hintergrundstrahlung). Auch die Quantenphysik hat wichtige Beiträge zum Verständnis speziell des frühen Universums geliefert, in dem die Dichte und Temperatur enorm hoch waren. Ein erweitertes Verständnis des Universums wird wahrscheinlich erst erreicht, wenn eine sog. Quantengravitationstheorie formuliert wird, die die vier physikalischen Grundkräfte einheitlich erklärt.

Das Wort "Universum" kommt vom Lateinischen universus ("gesamt") und wurde im 17. Jahrhundert von Philipp von Zesen durch das Wort „Weltall“ verdeutscht.[2] Während das Universum bzw. Weltall alles umfasst, ist mit dem Begriff Weltraum nur der Raum außerhalb der Erdatmosphäre und außerhalb der Atmosphären anderer Himmelskörper gemeint, in dem nahezu ein Vakuum  herrscht. Umgangssprachlich wird "Weltall" oder "All" aber auch mit der Bedeutung von "Weltraum" verwendet.

Universum

Hubble ultra deep field.jpg

Das Bild Hubble Ultra Deep Field bietet einen sehr tiefen Blick ins Universum.

Physikalische Eigenschaften des beobachtbaren Universums

Radius

> 45 Mrd. Lj[3]

Masse (sichtbar)

ca. 1053 kg

Mittlere Dichte

ca. 4,7 · 10−30 g/cm3

Alter

13,81 ± 0,04 Mrd. Jahre

Anzahl Galaxien

ca. 200 Mrd.[4]

Temperatur Hintergrundstrahlung

2,7 K

Struktur des Universums

1. Entstehung, Alter und Zusammensetzung

Die klassische und heute weithin anerkannte Urknalltheorie geht davon aus, dass das Universum in einem bestimmten Augenblick, dem Urknall, aus einer Singularität heraus entstanden ist und sich seitdem ausdehnt. Zeit, Raum und Materie sind demnach mit dem Urknall entstanden. Einige Physiker argumentieren nun, dass Fragen nach einem "vor" dem Urknall und "außerhalb" des Universums keine physikalischen darstellen, da Raum und Zeit notwendige Bedingungen für die Sinnhaftigkeit solcher Ausdrücke sind. Nach diesem Standpunkt ist die Frage nach der Ursache des Universums, wenn überhaupt, dann nur metaphysisch behandelbar (siehe auch: Warum ist überhaupt etwas und nicht vielmehr nichts?). Andere Physiker halten dem das Modell des Big Bounce entgegen, nach dem unser Universum aus einem Vorgängeruniversum heraus entstanden ist. Allerdings ist die Annahme eines ewigen Ursachenregresses nicht weniger "intellektuell unbefriedigend" als die einer unbewirkten Erstursache oder eines Zirkelschlusses, nach dem das Universum seine eigene Ursache darstellt (siehe auch: Münchhausen-Trilemma).

Nach dem kosmologischen Standardmodell kam es danach zur Planck-Ära, die auch eine Planck-Zeit andauerte und in der noch alle vier Grundkräfte vereinigt waren. Es folgte eine Symmetriebrechung und die GUT-Ära (siehe auch: Inflationsphase) von etwa 10^-35 s bis 10^-33 s nach dem Urknall. Während dieser enormen kurzen und spannenden Phase expandierte das Universum um den Faktor 10^26, danach setzte es seine Expansion stark entschleunigt fort, wie von den Friedmann-Gleichungen beschrieben. Als Ursachen für die Inflations-phase werden unter anderem skalare Felder diskutiert (siehe: Higgs-Feld).

Heute ist das Universum etwa 13,81 ± 0,04 Milliarden Jahre alt und hat damit die meiste Zeit seiner Existenz vermutlich noch vor sich. Das Alter des Universums wird aufgrund von Präzisionsmessungen des Weltraumteleskops Planck und Extrapolation von der momentanen Expansionsgeschwindigkeit des Universums auf den Zeitpunkt, an dem das Universum in einem Punkt komprimiert war, berechnet. Die bisher nur indirekt nachgewiesene Dunkle Energie kann die Expansion allerdings auch beschleunigen. So können diverse Annahmen über die Zusammensetzung des Universums zu verschiedenen Altersangaben führen. Durch das Alter der ältesten Sterne kann eine untere Grenze für das Alter des Universums angegeben werden. Im aktuellen Standardmodell stimmen die Ergebnisse dieser Methoden sehr gut überein.

Eine interessante Frage ist, wie sich eine einheitliche Altersbestimmung des Universums mit der Speziellen Relativitätstheorie verträgt. Gemäß der Zeitdilatation vergeht die Zeit eines physikalischen Systems für einen Beobachter nämlich subjektiv langsamer, wenn sich dieses relativ zu ihm bewegt. Man könnte also annehmen, dass unterschiedliche Systeme oder Teilchen im Universum unterschiedlich alt sind, obwohl sie alle beim Urknall entstanden sind. Aufgrund der das gesamte Universum durchdringenden Hintergrundstrahlung wissen wir jedoch, dass sich das Universum ungefähr gleichförmig entwickelt. Weshalb eine Uhr in der Milchstraße in etwa synchron zu einer in der eliptischen Galaxie Messier 89 geht. Man spricht auch von einer universellen Synchronizität. Unser Universum besaß somit genug Asymmetrie, um sich selbst hervorzubringen, und gleichzeitig genug Symmetrie, damit ein NASA-Mitarbeiter aus der Zukunft, dem ein Alien aus Messier 89 etwas über das Universum von vor 10 Milliarden Jahren erzählt, nicht umherrechnen muss.

Sämtliche Berechnungen für das Alter des Universums setzen voraus, dass der Urknall tatsächlich als zeitlicher Beginn des Universums betrachtet werden kann, was wegen Unkenntnis der physikalischen Gesetze für den Zustand unmittelbar nach Beginn des Urknalls nicht gesichert ist. Zwar kann ein statisches Universum, das unendlich alt und unendlich groß ist, mit großer Sicherheit ausgeschlossen werden (siehe: Steady-State-Universum), nicht jedoch die Big-Bounce-Theorie oder ein dynamisches unendlich großes Weltall. Dieses wird unter anderem durch die beobachtete Expansion des Weltalls begründet. Des Weiteren wies schon der Astronom Heinrich Wilhelm Olbers darauf hin, dass bei unendlicher Ausdehnung und unendlichem Alter eines statischen Universums der Nachthimmel hell leuchten müsste (Olberssches Paradoxon), da jeder Blick, den man in den Himmel richtet, automatisch auf einen Stern fallen müsste. Ist das Universum allerdings unendlich groß, hat aber nur ein endliches Alter, so hat uns das Licht von bestimmten Sternen einfach noch nicht erreicht.

Der Raum zwischen Galaxien ist nicht vollständig leer. Er ist mit stark verdünntem Wasserstoff-Gas gefüllt. Dieses intergalaktische Medium besteht aus etwa einem Atom pro Kubikmeter. Innerhalb von Galaxien ist die Dichte der Materie jedoch wesentlich höher. Desgleichen ist der Raum von Feldern und Strahlung durchsetzt. Die Temperatur der Hintergrundstrahlung beträgt derzeit 2,7 Kelvin (also etwa −270 °C). Sie entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall. Das Universum besteht nur zu einem kleinen Teil aus uns bekannter Materie und Energie (5 %), von dem wiederum nur 10 % Licht aussendet und dadurch sichtbar ist. Einen größeren Teil macht Dunkle Materie aus (27 %). Dunkle Materie ist durch eine Vielzahl von Beobachtungen indirekt nachgewiesen, aber ihre Zusammensetzung ist noch weitgehend unverstanden. Der größte Teil ist Dunkle Energie (68 %), die für die beschleunigte Expansion verantwortlich ist.[5] Auf die Dunkle Energie wurde aus den Daten von weit entfernten Supernovaexplosionen geschlossen, ihre Existenz wird durch Satelliten wie COBE, WMAP und Planck, Ballonexperimente wie BOOMERanG sowie Gravitationslinseneffekte und die Galaxienverteilung im Universum bestätigt.

Hinweis: Dieser Absatz hatte die Entstehung, Alter und Zusammensetzung des Universums zum Thema. Für eine Übersicht über die Entwicklung des Universums vom Urknall bis heute siehe: kosmologische Evolution.

2. Größe, Form und Volumen

siehe auch: Alles Physik, RLScience, TheSimplePhysics.

 

2.1. beobachtbares Universum

Dieser Punkt lässt sich sehr schnell zusammenfassen: Wir wissen nicht, wie groß das Universum ist. Aber das ist eine ziemlich unbefriedigende Antwort. Und zum Glück können wir auch eine bessere Antwort geben, wenn wir zuerst klären, was unter "Universum" verstanden werden soll.

Für das beobachtbare Universum sieht die Situation wie folgt aus: Wie bereits erwähnt, ist das Universum in etwa 13,81 Milliarden Jahre alt. Wir wissen heute ziemlich gut, wie alt das Universum ist: 13,819 Milliarden Jahre. Licht das länger braucht, um die Erde zu erreichen, kann logischerweise noch nicht bei uns angekommen sein, weil das Universum dafür noch nicht alt genug ist. Die ältesten Objekte im Universum, die wir beobachten können, können daher auch nicht älter sein als 13,819 Milliarden Jahre.[6] Es erscheint daher logisch, dass von der Erde daher auch nur 13,819 Milliarden Lichtjahre in alle Richtungen blicken können. Wenn das Licht in einem Jahr eine Entfernung von genau einem Lichtjahr zurücklegen kann und das Universum 13,819 Milliarden Jahre alt ist, kann das beobachtbare Universum doch auch nur 13,819 Milliarden Lichtjahren groß sein, oder?

Könnte man denken, ist aber nicht so. Denn dabei haben wir vergessen, dass sich das Universum beständig ausdehnt. In der Zeit, in der das Licht von einer fernen Galaxie zu uns unterwegs ist, wird das Universum immer größer. Es hat dann zwar im Extremfall wirklich 13,819 Milliarden Jahre bis zur Erde gebraucht. Aber in dieser Zeit ist das Universum gewachsen und die Entfernung ist daher größer! Berücksichtigt man die Ausdehnung des Universums in den entsprechenden Rechnungen, dann folgt daraus, dass wir knapp 46,6 Milliarden Lichtjahre in jede Richtung blicken. Die Antwort auf die Frage “Wie groß ist das (beobachtbare) Universum?” lautet also: Das beobachtbare Universum hat einen Durchmesser von etwa 93 Milliarden Lichtjahren.

beobachtbares Universum (Bild: Pablo Carlos Budassi, CC-BY-SA 3.0)
beobachtbares Universum (Bild: Pablo Carlos Budassi, CC-BY-SA 3.0)

2.2. gesamtes Universum

Aber das was wir beobachten können, ist nicht das gesamte Universum. Die Größe des gesamten Universums ist unbekannt, sie ist abhängig von dessen Topologie, also der Krümmung der Raumzeit in sich, welche wiederum durch die Energie- bzw. Massedichte im Universum bestimmt wird. Es ist unmöglich, sich das Universum als in sich gekrümmtes Raumzeitkontinuum vorzustellen. Wir können uns zwar alle möglichen Formen vorstellen, die in einem dreidimensionalem Raum existieren. Die Form des dreidimensionalen Raums selbst dagegen kann man sich nicht mehr direkt vorstellen, sondern muss mit Analogien arbeiten.

Bezüglich der Form des Universums sieht die Astronomie gegenwärtig drei Möglichkeiten:

1. Das Universum ist positiv gekrümmt (kugelförmig), weil seine tatsächliche Energiedichte größer als die kritische Energiedichte. Auch die Erdoberfläche ist positiv gekrümmt. Eine ihrer interessantesten Eigenschaften ist ihre Endlichkeit bei gleichzeitiger Grenzenlosigkeit, d.h. man kann sie (beispielsweise mit einem Flugzeug) unendliche Male umrunden ohne je an eine Grenze zu stoßen. Auch ein positiv gekrümmtes Universum wäre in diesem Sinne grenzenlos, aber endlich: Wenn ein Weltraumreisender nur lange genug in eine Richtung fliegt, wäre er irgendwann wieder am Startpunkt. Und trotzdem wäre das positiv gekrümmte Universum wie auch die Erde bezüglich seiner Oberfläche und seines Volumens endlich. Nun ist die Oberfläche der Erde zweidimensional, um sie aber tatsächlich mit dem Universum zu vergleichen, müssten wir uns eine vierdimensionale Kugel vorstellen können, deren Oberfläche dann ein dreidimensionaler Raum mit gekrümmter Oberfläche wäre. Auch wenn die Vorstellungskraft hier an seine Grenzen stößt, ist das positiv gekrümmte Universum noch die anschaulichste Option. Sie wird auch durch die populärwissenschaftlichen, „explosionsartigen“ Darstellung des Urknalls vermittelt, in der das Universum positiv gekrümmt und endlich erscheint.

2. Das Universum hat eine Krümmung von Null (euklidisch), da seine Energiedichte exakt der kritischen Energiedichte entspricht. Die Oberfläche Ihres Schreibtisches ist hoffentlich einigermaßen krümmungslos. Anders als bei ihr, die irgendwann zu Ende ist, ist die Topologie des flachen Universums im einfachsten Fall aber sowohl unendlich als auch grenzenlos. Es sind auch komplizierte, endliche Topologien vorstellbar, wie beispielsweise ein Hypertorus. Im CDM-Standardmodell sowie dem aktuelleren Lambda-CDM-Standardmodell, das die gemessene Beschleunigung der Expansion des Universums berücksichtigt, ist das Universum jeweils flach.

3. Das Universum ist negativ gekrümmt (hyperbolisch), denn seine Energiedichte ist kleiner als die kritische Energiedichte. Ein Universum mit negativ gekrümmter Raumzeit lässt sich besonders schwer veranschaulichen. Hilfreich kann es sein, sich die Form eines Pringles-Chips oder eines Sattels vorzustellen. Auch in so einem Universum könnte man beliebig lange reisen, ohne jemals zurück zu kehren. Das Gesamtvolumen eines hyperbolischen Universums kann sowohl unendlich als auch endlich groß sein.

Die bisherigen Beobachtungen und Messungen deuten jedoch auf ein krümmungsloses und unendlich großes Universum hin.[7]

Die Annahme eines Universums mit unendlichem Raumzeitvolumen wirft nun einige Fragen auf: (1) Wenn sich das Universum (1a) erst seit endlicher Zeit und (1b) immer noch ausdehnt, wie kann es dann aktual unendlich groß sein? Die Antwort lautet, dass das Universum unendlich groß sein kann, wenn es schon immer unendlich groß war! Urknall und Expansion machen nämlich keine Aussagen über die Größe des Universums. "Urknall" bedeutet schlichtweg, dass das beobachtbare Universum früher auf einen sehr kleinen Punkt komprimiert war und "Expansion" heißt, dass seitdem neuer Raum in ihm entsteht. Beides kann in einem unendlich großen Universum der Fall sein, wenn es schon zum Urknall unendlich groß war und seitdem expandiert (Vgl. Cantorsche Unendlichkeiten). (2) Wenn das Universum unendlich groß ist, ist dann jedes noch so unwahrscheinliche (aber logisch und physikalisch mögliche!) Ereignis notwendig? Aus der Wahrscheinlichkeitstheorie wissen wir, dass sich die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses mit der Anzahl der Versuche wächst. Bei unendlich vielen Versuchen tritt jedes mögliche Ereignis notwendig ein. Bezogen auf das Anthropische Prinzip bedeutet das, dass selbst wenn die Entstehung von intelligentem Leben in unserem Sonnensystem extrem unwahrscheinlich war, es in einem unendlich großem Universum zu irgendeinem Raumzeitpunkt doch unausweichlich war (p=1). Dass wir uns nun wundern, dass gerade bei uns Leben entstehen konnte, ist nur logisch, denn wären wir nicht entstanden, könnten wir uns auch nicht wundern (Vgl. Feinabstimmung der Naturkonstanten).

Auch wenn das Universum unendlich groß sein sollte, expandiert es mit Überlichtgeschwindigkeit. Dies ist kein Widerspruch zur Speziellen Relativitätstheorie, da es sich um keine Expansion innerhalb des Raums sondern des Raumes selbst handelt. Für einen Beobachter ergibt sich daraus eine Art "Zeithorizont", alles was jenseits dieses Horizonts liegt, entfernt sich vom Beobachter mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als die des Lichts. Zwei Objekte oder Personen, deren Zeithorizonte zueinander disjunkt sind, lassen sich aufgrund der Lichtkonstante weder zeitlich noch räumlich in Beziehung zueinander setzen. Daraus ergibt sich, dass auch wenn das Universum unendlich groß sein sollte, wir de facto doch nur ein ganz individuelles, endlich großes Universum erleben. Unser Zeithorizont ist dessen äußerte Grenze. Metaphorisch gesprochen folgt daraus bedeutet das, dass jedes im All lebende Wesen oder auch Objekt sein ganz persönliches, eigenes Universum hat. Dieses individuelle Universum mag nur in unseren Köpfen existieren, stellt für jeden von uns aber eine ganz reale epistemologische Grenze dar. Das Universum hinter dieser Grenze wird uns für immer verborgen bleiben - es sei denn, die Hypothese der konstanten Lichtgeschwindigkeit erweist sich als falsch oder Ingenieure entwerfen eines Tages einen Warp-Antrieb, der mit gezielter Raumkrümmung arbeitet und unsere individuellen Zeithorizonte aushebelt.

Einzelnachweise

[1] Planck Collaboration u. a: Planck 2015 results. XIII. Cosmological parameters In: Astronomy & Astrophysics 594, A13 (2016), Seite 32.

[2] Christa Pöppelmann: 1000 Irrtümer der Allgemeinbildung.. Compact-Verlag, Januar 2009, ISBN 978-3-8174-6689-4, S. 191.

[3] J. Richard Gott III u. a.: A Map of the Universe. In: The Astrophysical Journal. Ausgabe 624, Nr. 2, arxiv:astro-ph/0310571.

[4] Hubble Reveals Observable Universe Contains 10 Times More Galaxies Than Previously Thought. In: NASA. Abgerufen am 22. Januar 2018.

[5] Astronomie – Planeten, Sterne, Galaxien. GEO Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG. GEO Themenlexikon. Bd. 5.

[6] In Wahrheit ist es ein wenig komplizierter, denn erst knapp 400.000 Jahre nach dem Urknall waren die Bedingungen so, dass sich Licht ausbreiten konnte.

[7] Eine interessante, ausbleibende Beobachtung spricht gegen die These eines kleinen Universums: Bei einer maximalen Gesamtgröße des Universums von 78 Mrd. Lichtjahren und etwa 45 Mrd. Lj Entfernung in alle Richtungen der Grenzgalaxien von der Erde aus, ist nicht ausgeschlossen, dass man dieselben Himmelskörper in verschiedenen Richtungen beobachten kann. Dass dies bislang nicht gelungen ist, ist ein Indiz dafür, dass das Universum größer als "nur" 78 Mrd. Lj ist.

Siehe auch:

Farbe des Universums
Multiversum
Paralleluniversum
Schwarzes Loch
Weltraumtourismus

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Stand: 2018

Kommentare: 1
  • #1

    WissensWert (Donnerstag, 19 April 2018 01:11)

    Ein Nachweis der Existenz bzw. Nichtexistenz des Universums wird dir nicht gelingen. „Das Universum“ ist nur ein Begriff, mit dem wir eine Vielzahl unserer Sinneseindrücke, Beobachtungen und Messauswertungen zusammenfassen, was „da draußen“ wirklich ist, wissen wir nicht. Einfacher Beweis, dass die Frage nach der Existenz des Universums sinnlos ist: Schon die alten Griechen kannten „das Universum“. Für sie enthielt es zum Beispiel den Olymp mit seinen Göttern. War das ein anderes Universum, lebten sie in einem anderen Universum? – Falsch gestellte Frage! Auf die Spitze gebracht bedeutet es, dass das Universum genauso lange existiert, wie Menschen diesen Begriff verwenden werden.


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