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Das „Warum gerade jetzt“-Problem

Ungelöste Frage der modernen Kosmologie: Astronomische Beobachtungen zeigen, dass die mit der Dunklen Energie assoziierte Dichte zum jetzigen Zeitpunkt von derselben Größenordnung ist wie die Dichte der im Universum enthaltenen Materie. Das ist ein bemerkenswertes Zusammentreffen – in der Vergangenheit war die Materiedichte deutlich größer als die Dichte der Dunklen Energie, und in der fernen Zukunft wird es gerade anders herum sein. Ist es ein Zufall, dass wir unsere Beobachtungen gerade zu jener besonderen Zeit vornehmen, da die beiden Dichten ähnlich groß sind, oder gibt es dafür eine physikalische Erklärung?

Definitioner

Größenordnung

Im Sprachgebrauch der Physik: Der Wert einer Größe, gerundet bis auf die nächste Zehnerpotenz. Die Höhe eines Menschen ist beispielsweise von der Größenordnung her ein Meter, die Höhe eines zweistöckigen Hauses 10 Meter. Über Größenordnungen zu reden, ist beispielsweise für grobe Vergleiche sinnvoll, die der Orientierung dienen - dass ein zweistöckiges Haus rund 10 Mal größer ist als ein Mensch, ist ein nützlicher ungefährer Wert; jede genauere Angabe wäre angesichts der Tatsache, dass sowohl Menschen wie Häuser in ihrer genauen Größe variieren, unangemessen oder sogar irreführend. In der Physik wird man von stark vereinfachten Modellen nicht verlangen, dass ihre Vorhersagen exakt zutreffen, allerdings sollten sie ungefähr in der richtigen Größenordnung liegen.

Zeit

Dass in unserer Welt nicht alles auf ein Mal passiert, sondern dass gewisse Ereignisse in bestimmter Reihenfolge nacheinander stattfinden, ist eine Alltagserfahrung. Die Zeitkoordinate (kurz: Zeit), so, wie sie die Physiker definieren, ist eine Vorschrift, jedem Ereignis einen Zahlenwert zuzuordnen, der diese Reihenfolge wiedergibt. Der erste Schritt ist die Konstruktion einer Uhr: Dazu wird ein bestimmter einfacher Vorgang gewählt, der sich regelmäßig wiederholt. (Was dabei "regelmäßig" heißt, ist wieder eine Sache der Konvention, doch scheint die Natur so eingerichtet sein, dass alle einfachen Vorgänge, vom Hin- und Herschwingen eines Pendels bis zu den Schwingungsvorgängen von Atomen oder von elektronischen Schwingkreisen auf denselben Begriff der Regelmäßigkeit führen.) Dann wird ein Zählwerk konstruiert, das den Zählerstand der Zeitkoordinate bei jeder Wiederholung des gewählten einfachen Vorgangs erhöht. Damit lässt sich zumindest Ereignissen, die nahe der Uhr stattfinden, eine Zeit zuordnen, nämlich den Zählerstand der Uhr. Findet Ereignis B nach Ereignis A statt, so entspricht Ereignis B auch ein höherer Zählerstand. Um Ereignissen eine Zeit zuzuordnen, die nicht direkt am Ort der Uhr stattfinden, ist zudem eine Definition der Gleichzeitigkeit vonnöten - dass ein fernes Ereignis A zum Zeitpunkt 12:00 Uhr stattfindet heißt schließlich gerade, dass das Ereignis A und die 12:00 Uhr-Anzeige der Uhr gleichzeitig stattfinden. Dass es notwendig ist, hier eine Definition zu treffen ist ein zentraler Baustein der Speziellen Relativitätstheorie und samt Einsteinscher Gleichzeitigkeitsdefinition Inhalt eines eigenen Vertiefungsthemas Die Unselbstverständlichkeit des Jetzt. Sind all diese Vorbereitungen getroffen können die Physiker im Prinzip jedem Ereignis einen Zeitkoordinatenwert ("eine Zeit") zuordnen und genauer beschreiben, wie schnell oder langsam beobachtbare Prozesse oder Entwicklungen relativ zu der gewählten Zeitkoordinate stattfinden. Zur Umsetzung solcher Verfahren zur Zeit(koordinaten)bestimmung siehe das Vertiefungsthema Zeitbestimmung mit Radiosignalen - von der Funkuhr zur Satellitennavigation.

Materie

In der Allgemeinen Relativitätstheorie: Alle Gebilde, die zur Krümmung der Raumzeit beitragen, also Teilchen, Staub, Gase, Flüssigkeiten, elektromagnetische und andere Felder.

In der Elementarteilchenphysik: Alle Elementarteilchen mit halbzahligem Spin, etwa Elektronen und Quarks und aus ihnen zusammengesetzte Gebilde wie Protonen und Neutronen, im Gegensatz zu Kraftteilchen.

Kosmologie

Die Lehre vom Aufbau und der Entwicklung des Universums als Ganzes. Kernstück der modernen Kosmologie sind die auf der Allgemeinen Relativitätstheorie basierenden Urknallmodelle, deren grundlegende Eigenschaften im Abschnitt Kosmologie von Einstein für Einsteiger vorgestellt werden.

Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Kosmologie finden sich bei den Vertiefungsthemen in der Kategorie Kosmologie.

Energie

Physikalische Größe, die sich dadurch auszeichnet, dass bei physikalischen Prozessen niemals Energie erzeugt oder vernichtet, sondern lediglich bestimmte Energieformen ineinander umgewandelt werden.

Beispiele für spezielle Energieformen sind Bewegungsenergie, Wärmeenergie und die Energie elektromagnetischer Strahlung.

Für Alltagsanwendungen ist dabei besonders interessant, dass bei Energieumwandlungen Arbeit verrichtet werden kann, wenn etwa elektrische Energie in Bewegungsenergie umgewandelt wird (wie in einer elektrischen Lokomotive, die einen Zug in Bewegung setzt) oder in Wärmeenergie (wie in einer elektrischen Heizdecke).

Wichtige Aussage der Speziellen Relativitätstheorie ist, dass Energie und Masse einander komplett äquivalent sind - zwei Möglichkeiten, um letzendlich dieselbe physikalische Größe zu definieren. Siehe das Stichwort Masse-Energie-Äquivalenz.

Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie trägt auch Energie zur Gravitationswirkung bei (siehe hierzu das Vertiefungsthema Masse und mehr).

Dichte

Im engeren Sinne synonym zu Massendichte: Die mittlere Massendichte der Materie in einer Raumregion ist die Masse der in der Region enthaltenen Materie, geteilt durch das Volumen der Region.

Allgemeiner kann Dichte auch andere physikalische Größen betreffen: Die Energiedichte in einer Raumregion beispielsweise ist die Menge der in der Region enthaltenen Energie, geteilt durch das Volumen.

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