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scobel: Das Dunkel der Astrophysik
Überlegungen zur sogenannten "Fünften Kraft"
Neuste Beobachtungen und Erkenntnisse über Gravitationswellen- und Gravitationstheorie, über Dunkle Materie und Dunkle Energie:
  • Sind die komplizierten modernen Theorien über die Entstehung und die Struktur des Universums am Ende nicht reine mathematische Fingerübungen?
  • Lassen sie sich in beobachtbare Experimente überführen? Denn: Nur wenn es gelingt Theorien beobachtbar zu machen, lassen sie sich empirisch überprüfen und gelten als wissenschaftlich.
  • Der Nachweis von Gravitationswellen konnte erst 2015 geführt werden. Seit 1927 ist bekannt, dass das Universum expandiert - und dies immer schneller. Warum?
  • Was weiß man über Dunkle Materie, die - wie Lisa Randall behauptet - auch für die Evolution eine große Bedeutung hatte?

Nach wie vor gibt das Universium uns Rätsel auf
<b>Leben wir in Parallelwelten? </b><br />Lisa Randall  beschäftigt sich mit theoretischer Physik. Zu sehen war sie auch in der Serie "Big Bang Theory".  [Video - in englischer Sprache]
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<b>Neueste Erkenntnisse <br />der Astrophysik</b><br />Bisher geltende Annahmen werden in Frage gestellt.
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der Astrophysik

Bisher geltende Annahmen werden in Frage gestellt.

Vom Urknall zum Urprall - Erkenntnisse über die Zeit vor dem Anfang

Um die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantentheorie zu verbinden, entwickelten Carlo Rovelli, Lee Smolin und Abhay Ashtekar 1987 das Konzept der Schleifen-Quantengravitation. Die Theorie kommt zu der Schlussfolgerung, dass so wie die Materie aus Atomen aufgebaut ist, auch Raum und Zeit aus kleinsten, nicht weiter teilbaren Bausteinen bestehen müssen. Diese Raumzeitatome sind kleinste ringförmige Gebilde, auch Loops oder Schleifen genannt.Die Ausdehnung der Loops oder Schleifen liegt im Bereich von 10-32 Millimeter, der kleinstmöglichen Längenskala, der Planck-Länge. Sie sind daher mit physikalischen Experimenten nicht direkt messbar. Die Raumzeitatome bilden sogenannte Spin-Netzwerke von beliebiger Größe und Komplexität und sind der Sub-Mikrokosmos unserer Welt.

Mathematische Berechnungen kollabieren
Bisher scheiterte die Allgemeine Relativitätstheorie am Urknall. Sie sagt ihn zwar voraus, kann ihn aber nicht beschreiben, weil im Zustand von unendlicher Dichte und Hitze alle mathematischen Berechnungen kollabieren. Mit Hilfe der Raumzeitatome wird dieser Unendlichkeit jedoch eine Grenze gesetzt. Sie verhindern, dass das Universum im Urknall im Zeitpunkt Null auf die Größe eines Punktes schrumpft und zur Singularität wird.

Mit diesen Hypothesen im Gepäck stellte der deutsche Physiker Martin Bojowald an der Pennstate University neue Berechnungen auf und kam dabei zu einem überraschenden Ergebnis. Seiner Erkenntnis nach verhalten sich die Raumatome wie ein Schwamm, der erst Wasser aufsaugt und wenn er voll ist, Wasser abstößt. Auf den Quantenraum bezogen bedeutet das, dass sich ab einer bestimmten endlichen Energiedichte das Wesen der Gravitation verändert.

Neue Erkenntnisse über die Zeit vor dem Urknall
Statt immer nur anzuziehen, wie überall sonst, stößt sie plötzlich ab. Mit dieser Entdeckung öffnet sich ein Fenster in eine Zeit vor dem Urknall. In dieser negativen Zeit muss es ein anderes Universum gegeben haben, das in sich zusammenfiel, aber nicht zu einem unendlich kleinen Punkt, sondern zu einer Minimalgröße. Die endliche Dichte des Urknall-Universums beschreibt Bojowald als eine Billion Sonnenmassen konzentriert auf die Größe eines Protons.

Danach gab es einen gewaltigen Rückprall und unser sich ständig ausdehnender Kosmos entstand. Der Urknall war also ein Urprall. "Die größte Überraschung war jedoch, dass es tatsächlich auf der anderen Seite, also vor dem Big Bang, ein anderes Universum gab. Das hatten wir nicht erwartet. Ich war anfangs nicht sicher, ob es sich um einen künstlichen Effekt handelte. Durch Berechnungen konnten wir dann von einem echten physikalischen Effekt ausgehen," so der theoretische Physiker Abhay Ashketar.

Zyklisches Universum ohne Anfang und Ende?
Mit Hilfe der Mathematik lassen sich noch weitere Vermutungen über die Beschaffenheit der Welt vor dem Urprall anstellen. Eine Hypothese beschreibt diese Welt als Spiegelbild unseres Universums, das sich im Moment des Urpralls wie ein Luftballon von innen nach außen wendete. Was dabei mit der Materie passiert, bleibt jedoch rätselhaft. Die Schleifen-Quantengravitation legt auch ein zyklisches Universum nahe, dass sich von einem Urprall zum nächsten wiederholt, ohne Anfang und ohne Ende. Doch auch ein zyklisches Universum muss irgendwann einmal entstanden sein.
Eine Möglichkeit, die Raumzeit-Atome nachzuweisen besteht in dem Einsatz neuartiger Weltraumteleskope, die die kosmische Hintergrundstrahlung wesentlich genauer analysieren können als bisher. Das Interesse richtet sich dabei auf hochenergetische Lichtstrahlen, die fast das gesamte Weltall durchquert haben. Wenn der Raum - wie von der Schleifen-Quantentheorie gefordert - wirklich aus Raumatomen zusammengesetzt ist, dann müssten sich bei einer so langen Reise winzige Laufzeitänderungen nachweisen lassen.

Wie sah er aus, der Anfang von allem im Universum?

Tatsächlich war der Urknall eigentlich kein Urknall. Denn zum Zeitpunkt des Geschehens gab es weder Licht noch Schall. Der Urknall, der mit seiner Initialphase von circa 10-43 Sekunden unbeschreiblich kurz war, entzieht sich unserer Vorstellungskraft. Denn die Naturgesetze, mit denen wir vertraut sind, wurden in diesen ersten Momenten extremer Energie und extremer Hitze erst geboren.

Da die Geschehnisse des Urknalls nur schwer zu fassen sind, sollen die Weltraumteleskope Herschel und Planck, die im Mai 2009 ins All starten, noch mehr Wissen über die Jugend des Universums liefern. Die Urknall-Theorie hat viele Fragen beantwortet, aber noch mehr aufgeworfen. Am CERN in Genf versucht man, einigen der zentralen Fragen nachzuspüren, indem man in einem Teilchenbeschleuniger die Situation kurz nach dem Urknall simuliert.

Auf der Suche nach "Gottes-Teilchen"
Die Forscher schießen Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander und hoffen dadurch, das Higgs-Teilchen zu finden. Es ist auch als Gottes-Teilchen bekannt und soll dafür gesorgt haben, dass sich kurz nach dem Urknall Energie überhaupt in Masse umwandeln konnte. Die Entdeckung des Higgs-Teilchen wäre zwar ein Meilenstein in der Wissenschaft, aber auch dann blieben noch genügend Fragen übrig. Die beiden spannendsten: Was wird aus dem Universum werden, wenn es immer größer und kälter wird? Und was war eigentlich vor dem Urknall?

Bereits in den 1920er Jahren hatte Edwin Hubble bemerkt, dass das Universum sich ausdehnt und die Galaxien sich voneinander entfernen. Bis dahin hatte man das Weltall für statisch gehalten. Ein wichtiger Anhaltspunkt für den Urknall war 1964 die Entdeckung seiner kosmischen Hintergrundstrahlung. Heute weiß man, dass sich das Universum vor etwa 13,7 Milliarden bildete.

Schwarze Löcher dominieren das "junge" Universum
In den ersten 10-35 Sekunden nach dem Urknall expandierte das Universum mit mehr als Lichtgeschwindigkeit in der sogenannten Inflation. Das bedeutet, dass es in extrem kurzer Zeit extrem viel größer wurde. Als sich Teilchen und Antiteilchen nicht mehr vollständig gegenseitig aufhoben, bildete sich Sekundenbruchteile später Materie. Innerhalb etwa einer Mikrosekunde formierten sich Quarks zu Wasserstoffatomkernen.

In den nächsten hundert Sekunden entstanden auch die komplexeren Heliumatomkerne. Das All war heiß und undurchsichtig, Lichtteilchen kollidierten ständig mit Materieteilchen. Nach etwa 400.000 Jahren hatten sich die Atomkerne mit den Elektronen zu neutralen Atomen vereinigt. Indem sich nun Licht ausbreiten konnte, wurde das Universum durchsichtig. Dominiert war das junge Universum von der noch kaum erforschten Dunklen Materie.

Keimzellen der Galaxien
Sie zog ein unsichtbares Netz und riss dabei die normale Materie mit sich, aus der später die Galaxien entstanden. Bis es allerdings dazu kam, dass sich die ersten Sterne bilden konnten, musste sich das Universum noch 200 Millionen Jahre abkühlen. Viele der ersten Sterne hatten teilweise die hundertfache Sonnenmasse, doch sie wurden nur etwa drei bis zehn Millionen Jahre alt. Dann explodierten sie in einer sehr hellen Supernova.

Dabei konnte es zur Entstehung von extrem massereichen sogenannten Schwarzen Löchern kommen. Die Schwarzen Löcher, denen nichts entkommt, wurden zu Keimzellen der Galaxien, die sich um sie herum anlagerten. Man findet ein Schwarzes Loch im Zentrum fast jeder Galaxie - auch in unserer Milchstrasse. Nachdem Wissenschaftler das lange vermutet hatten, gelang 2003 der Nachweis dafür.

Suche nach der Weltformel - Ist unser Universum eines von vielen?

Seit langem sind sich Forscher darüber einig, dass es den Urknall gab. Doch was ihn ausgelöst hat und ob er wirklich der Anfang von allem ist, das ist bislang nicht geklärt. Auch, ob noch etwas davor oder in anderen Dimensionen existiert, ist reine Spekulation. Um diese Rätsel zu lösen, versuchen Wissenschaftler seit langem die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantentheorie zu vereinen. Das Problem: Beide funktionieren für sich, lassen sich jedoch nicht miteinander verbinden.

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt den Makrokosmos, die Welt, wie sie sich seit dem Urknall entwickelte, die Quantentheorie dagegen beschreibt den Mikrokosmos, die Bausteine der Materie. In dem unendlich dichten und heißen Punkt des Urknalls jedoch sind Makro- und Mikrokosmos untrennbar miteinander verbunden.

Gibt es eine Urkraft?
Der Physiker Hermann Nicolai sagt: "Eine Möglichkeit, sich dem Punkt zu nähern ist, dass es in dieser Phase der Aufheizung der Welt zu einer Vereinheitlichung der Wechselwirkung kommt. Die verschiedenen Kräfte und Teilchen in der Natur, die wir wahrnehmen, kämen dann aus einer einzigen Urkraft heraus. Diese Urkraft müsste man finden, was nur mit den Mitteln der Mathematik funktioniert. Diese Bemühungen sind in Form der Stringtheorie am Weitesten gediehen. Sie versucht die Wechselwirkung, die Kräfte, die im ganz Kleinen wirksam sind, mit der Gravitation unter einen Hut zu bringen."

Strings sind mikroskopisch kleine, schwingende Saiten oder Fäden. Ihre Schwingungen, man könnte auch von Tönen sprechen, erzeugen die uns bekannten Elementarteilchen. Mathematisch funktioniert diese Theorie jedoch nur, wenn man zu der vierdimensionalen Raumzeit noch sechs weitere Dimensionen hinzu rechnet. Diese Extradimensionen sind in der Vorstellung der Wissenschaftler "aufgerollt", das heißt sie sind so winzig klein, dass man sie vielleicht nie wird sehen können.

Das Universum als Blubberblase
Auch die Strings selbst lassen sich bisher nicht beweisen. Statt einer einheitlichen Theorie gibt es zahlreiche Varianten, die zu unterschiedlichen Hypothesen über Entstehung der Welt führen. Eine Überlegung ist die vom inflationären Universum oder Multiversum, einer gigantischen Erweiterung unseres Universums.

In dieser Vorstellung hat die Welt schon immer existiert und unser Universum ist nur eines von vielen. Ständig werden neue Universen geboren und sterben. "Man muss sich unser Universum vorstellen wie eine Blase in einem Topf mit kochendem Wasser", sagt Hermann Nicolai: "Eine Blase entsteht und vergeht wieder. Gleichzeitig entstehen viele andere Blasen und vergehen auch wieder. Eine Vorstellung ist, dass unser Universum nicht das einzige ist, sondern nur eine einzige Blase in einem riesigen Megaversum. Das Besondere daran ist, dass dieses Universum unsere Existenz ermöglicht."

Im Bann der Stringtheorie
Eine andere Vorstellung geht von einem zyklischen Universum aus, das immer wieder kollabiert und expandiert. Die meisten Ideen aber sprießen im Umfeld der Stringtheorie und ihrer Vorstellung von Extradimensionen. "Eine sehr aktuelle Theorie besagt, dass unser vierdimensionales Universum möglicherweise eine Art Hyperfläche ist, auch Bran genannt. Unser Universum wäre dann als Fläche eingebettet in ein höherdimensionales Universum", sagt Nicolai: "In der Dimension neben unserem Universum könnte es dann ein weiteres Parallel-Universum geben, das wir nicht direkt sehen können. Möglicherweise ist der Urknall auch aus dem Zusammenstoß zweier Hyperflächen entstanden."

An Ideen und hochkomplizierten mathematischen Modellrechnungen mangelt es also nicht. Was fehlt, sind neue physikalische Experimente und Messungen, die der Suche nach der Weltformel eine klare Richtung vorgeben könnten. Große Hoffnungen setzen die Theoretiker dabei auf den LHC-Teilchenbeschleuniger am CERN. Vielleicht liefert die Maschine sogar erste Hinweise auf die tatsächliche Existenz einer weiteren Dimension.

Immer neue Erkenntnisse
Doch schon die Formulierung neuer Theorien bereitet den Forschern Probleme. "Ein spezielles Modell des Urknalls zu entwerfen ist nicht so schwierig, wie der Entwurf einer Theorie, aus der eine Vorhersage produziert werden soll, mit der die Theorie steht oder fällt", sagt Nicolai.

Trotzdem machen die Forscher langsam Fortschritte. Seit kurzem weiß man, dass die Newtonschen Gesetze noch im Größenbereich von 50 Mikrometern gelten. Wenn es also eine weitere Dimension geben sollte, was bei den Newtonschen Gesetzen zu Abweichungen führen müsste, dann kann die höchstens so groß sein, wie der 100ste Teil eines Millimeters. Der Raum für eine mögliche String-Theorie wird also immer winziger.

Glossar: Dunkle Materie und Energie - das Universum

Der Anteil normaler sichtbarer Materie im Universum beträgt nur 4,9 Prozent seiner Masse, einschließlich aller Sterne, Galaxien und uns selbst.26,8 Prozent sind dunkle Materie und 68,3 Prozent dunkle Energie. Von der weiß man allerdings nicht, worum es sich handeln könnte.
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