Bild: NASA, ESA, STScI
 

Der Urknall – oder: als das Nichts explodierte

Nein, das ist kein Foto vom Urknall. Schön wär’s, wenn jemand da damals schon fotografiert hätte ;-) Das hier ist nur ein Stern, der Materie ins All schleudert. Aber wie ist das alles entstanden – das Universum? Hier eine Kurzfassung … Bild: NASA, ESA, STScI
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Quatsch! Das ganze Universum soll mit einem großen Knall begonnen haben? Einem „Big Bang“? Als ob es damals einfach „Peng!“ gemacht hätte … Was für ein Unsinn! So oder so ähnlich schimpfte ein Wissenschaftler, der von der Urknall-Theorie überhaupt nichts hielt. Und unfreiwillig hat er ihr so den Namen gegeben: der Theorie vom „Big Bang“. Heute sind sich die meisten Wissenschaftler einig, dass die Urknall-Theorie stimmt. Den Urknall kann man sich wie eine Explosion vorstellen. Aber was soll da explodiert sein? Schließlich war ja – immer der Theorie zufolge – vorher nichts da. Fachleute vermeiden daher den Begriff der „Explosion". Aber wie sind sie überhaupt auf die Idee von einem „Big Bang" gekommen? Und wie soll sich diesen Überlegungen zufolge das Universum danach entwickelt haben?

Wie ist das Universum entstanden? Heute meinen die meisten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler: Alles begann vor 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall. Fotografiert hat das damals natürlich niemand. Diese Aufnahme zeigt den Orionnebel – eine Region in unserer Galaxie, der Milchstraße. Bild: NASA, ESA, STScI
Wie ist das Universum entstanden? Heute meinen die meisten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler: Alles begann vor 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall. Fotografiert hat das damals natürlich niemand. Diese Aufnahme zeigt den Orionnebel – eine Region in unserer Galaxie, der Milchstraße. Bild: NASA, ESA, STScI

Was vor dem Urknall war, und was genau zu diesem Zeitpunkt geschah, weiß niemand. Nun ja, „wissen“ weiß man ohnehin nichts davon. Schließlich ist keiner damals dabei gewesen. Doch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben Modelle entwickelt. Vor allem für das, was nach dem Urknall passiert ist – und zwar schon für die ersten Sekundenbruchteile. Sogar für Bruchteile von Bruchteilen einer Sekunde. Ungeheuer heiß ist das junge Universum – immer dieser Theorie zufolge – damals gewesen. Und ungeheuer schnell hat es sich ausgedehnt. Eben war es noch so klein, dass es in deine Hosentasche gepasst hätte. „Was hast du denn da in der Tasche?“ „Ach, nur so ein Universum …“ Doch sofort dehnte es sich blitzartig aus. Und zwar offenbar schneller als erlaubt: schneller als mit Lichtgeschwindigkeit – was eigentlich gar nicht sein kann. Über dieses kleine Rechenproblem grübelten die Experten lange. Irgendwie ist das Universum heute größer als es die Berechnungen erlauben. Es sei denn, es gab wirklich eine Phase ganz kurz nach dem Urknall, in der sich der Raum überlichtschnell ausdehnte – erst kleiner als ein Atom, im nächsten Bruchteil eines Bruchteils eines Bruchteils einer Sekunde riesig.

Das aber hätte zu „Wellen“ führen müssen – die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sprechen von „Gravitationswellen“. Man kann sie sich vorstellen wie die Wellen, die ein schnell fahrendes Schiff im Wasser auslöst – nur dass sich hier die Wellen durchs All ausbreiten. Schon Albert Einstein hatte diese Gravitationswellen vorausgesagt. Und jetzt kommt der Hammer: Im Februar 2016 gaben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bekannt, diese Wellen gemessen zu haben. Dabei handelte es sich allerdings um Gravitationswellen, die durch die Kollision von zwei Schwarzen Löchern ausgelöst wurden. Aber immerhin: Mit dieser sensationellen Entdeckung steht fest, dass es Gravitationswellen gibt und dass wir sie nachweisen können. Man darf gespannt sein, was dadurch künftig noch alles entdeckt wird – vielleicht auch über die Frühzeit des Universums …

Ein Nebel aus Licht

Anfangs war das Universum so unvorstellbar heiß, dass es nur aus Energie bestand. Materie konnte sich da nicht bilden. Die Elementarteilchen waren so geladen, dass sie nicht zusammenfanden, sondern nur nervös in der Gegend herumflitzen.

Manche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler würden übrigens bei solchen Sätzen graue Haare bekommen, weil wir das alles hier sehr stark vereinfacht haben. Andere haben schon graue Haare und werden sie sich jetzt wahrscheinlich raufen. Aber das soll nicht euer Problem sein. Besser einfach und halbwegs richtig als ganz richtig und dafür auch ganz unverständlich.

Das frühe Universum war also so etwas wie ein gigantischer Nebel aus Licht. Und damit war es undurchsichtig. Das nur für alle von euch, die schon auf anderen Seiten von DLR_next gelesen haben, dass Teleskope – wie das Weltraum-Teleskop Hubble – ja nicht nur tief ins All hinein schauen, sondern dabei auch tief in die Vergangenheit zurück blicken. Und zwar, weil das Licht, das man da von anderen Sternen einfängt, schon Millionen und Milliarden Jahre unterwegs war, bevor es bei uns ankommt. Da könnte man meinen, dass man dann nur noch etwas weiter in den Raum hinein und damit in die Vergangenheit zurück schauen müsste, um quasi den Urknall selbst zu beobachten. Das aber geht eben nicht so einfach: Denn wir können nur erkennen, was im Universum passierte, als es schließlich durchsichtig wurde.

Das Zeitalter der Materie

Die Entwicklung des Universums. Bild: DLR
Die Entwicklung des Universums. Bild: DLR

Und genau das geschah rund 400.000 Jahre nach dem Urknall. Inzwischen hatte sich das Universum so weit ausgedehnt, dass es dabei immer weiter abkühlte. Und erst dadurch konnten sich die kleinsten Teilchen zu Atomen zusammenschließen. Zum Vergleich: Ein wenig erinnert das an Feuchtigkeit in der Luft. Ist die Luft warm, ist sie wie ein Nebel einfach feucht und trüb. Wird sie kälter, kann sie die Feuchtigkeit nicht mehr speichern und es bilden sich Wassertropfen und es regnet. Allerdings spielen dabei ganz andere Prozesse eine Rolle – das ist also wirklich nur als Vergleich gedacht, um sich die Abläufe im jungen Universum vorstellen zu können.

Jedenfalls: Die Zeit der Strahlung und Energie war – grob gesagt – vorbei und das Zeitalter der Materie begann. Zuerst gab es da nur Wasserstoff und Helium. Alle anderen chemischen Elemente entstanden später. Doch das genügte, um die ersten Sterne zu bilden – und viel später auch Planeten und andere Himmelskörper.

Ganz nebenbei: Erstaunlich, dass das alles so passiert ist! Wäre die Kraft, mit der sich kleinste Teilchen und Atome gegenseitig anziehen, etwas anders beschaffen: Es wäre nie zu all dem gekommen! Die Kräfte, die alles zusammenhalten, sind gerade so stark, dass Materie so ist, wie wir sie kennen. Wären sie beispielsweise schwächer, würde dein Fuß, wenn du damit einen Ball schießt, einfach durch den Ball hindurchgehen. Ganz abgesehen davon, dass es dich in einem solchen Universum mit etwas anderen Bedingungen gar nicht geben würde. Und auch keine Fußbälle! Nie wäre da der FC Bayern deutscher Meister geworden! Kein einziges Mal! Aber eben auch nicht Schalke oder sonst jemand.

Doch unsere Welt ist, wie sie ist. Damit aber ein Planet wie die Erde überhaupt entstehen konnte, musste erst noch etwas passieren: Denn Wasserstoff und Helium – die ersten Elemente – genügten da allein nicht. Erst im Inneren der ersten Sterne bildeten sich nach und nach andere chemische Elemente. Doch auch Sterne strahlen nicht ewig. Und wenn sie dann nach einigen Millionen oder Milliarden Jahren am Ende ihrer Lebenszeit ausgebrannt waren und explodierten, setzten sie Gas- und Staubwolken frei, die diese neuen Atome in sich trugen. Diese kleinen Partikel zogen sich gegenseitig an und ballten sich allmählich wieder zu neuen Sternen zusammen, in denen dann weitere Elemente „gebacken“ wurden. Und erst so kamen die Bausteine des Lebens in die Welt …

Damit sind wir auf unserer kurzen Reise vom Urknall bis heute am Ziel angekommen. Tja, so schnell kann das gehen – wenn man wie gesagt alles sehr stark vereinfacht. Wenn ihr mehr darüber wissen wollt: Es gibt spannende Bücher zum Thema Urknall und zum Rest des Universums. Und natürlich auch noch viele spannende Dinge, die ihr hier in DLR_next entdecken könnt. Zum Beispiel die schönsten Bilder aus dem Universum, die wir hier für euch zusammengestellt haben ...