Kosmologie / Einsteiger-Tour Teil Fazit

Im Rahmen von Einsteins Allgemeinen Relativitätstheorie lassen sich kosmologische Modelle formulieren, die den Kosmos als Ganzes beschreiben, die Urknallmodelle. Sie liefern ein zuverlässiges Bild für die letzten 14 Milliarden Jahre der Entwicklung des Universums, das sich anhand von Beobachten überprüfen lässt.

Trotz der Erklärungserfolge bleibt eine Reihe offener Fragen bestehen: Die Fragen der dunklen Materie, der dunklen Energie und nicht zuletzt der enigmatischen Frühzeit unseres Alls dürften dafür sorgen, dass die Kosmologie in den nächsten Jahren ein lebendiges Forschungsgebiet bleibt.

Im Rahmen von Einstein für Einsteiger geht es weiter mit den Querverbindungen zwischen den Relativitätstheorien und der anderen Säule der modernen Physik, und zwar in

Kapitel 6: Relativität und Quanten.

Wer erst noch den Geheimnissen der relativistischen Kosmologie hinterherspüren möchte, kann stattdessen zu den Vertiefungsthemen zur Kosmologie springen.

Aus der Reihe „Faszination Astronomie Online“ gibt es außerdem einige zusammenfassende und weiterführende Vorträge zum Thema.

Der Kosmologe Dr. Jean-Luc Lehners vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik verrät, wie Raum und Zeit entstanden sind.

Prof. Dr. Martin Bojowald von der Pennsylvania State University spricht über die Frage, was vor dem Urknall existierte.

Der Ingenieur Stefan Thürey spricht über die kosmische Hintergrundstrahlung.

Dr. Dominik Elsässer von der TU Dortmund widmet seinen Vortrag der rätselhaften Dunklen Materie.

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Definitioner

Raum

Im engeren Sinne: Der Raum, wie wir ihn aus dem Alltag kennen - die Gesamtheit aller Orte, an denen sich Objekte befinden können, ein Gebilde mit drei Dimensionen. Im allgemeineren Sinne sind in der Mathematik auch allgemeinere Punktmengen Räume - eine Linie beispielsweise, eine Punktmenge mit nur einer Dimension, oder eine zweidimensionale Fläche, aber auch höherdimensionale Räume. In solchen Räumen muss zudem nicht zwangsweise die Euklidische Geometrie gelten, wie sie in den Schulen gelehrt wird, es kann sich auch um allgemeinere, verzerrte Gebilde handeln, etwa um Räume mit Krümmung.

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.

Urknallmodelle

Die Urknallmodelle sind die Standardmodelle der heutigen Kosmologie. Sie beschreiben ein expandierendes Universum, das aus einer heißen Frühphase hervorgegangen ist. In ihnen ist der Anfang des Universums eine Raumzeit-Singularität, ein Zustand unendlich großer Dichte (weitere Informationen zu Singularitäten bietet das Vertiefungsthema Raumzeitsingularitäten). Diese Singularität ist der Urknall im engeren Sinne, im weiteren Sinne wird Urknall dagegen auch für die auf die Singularität folgende heiße Frühphase verwandt, aus der unser Universum hervorgegangen ist. Diese Unterscheidung ist wichtig: Die Physik der heißen Frühphase ist durch Beobachtungen gut abgesichert, die Anfangssingularität ist dagegen höchstwahrscheinlich ein unphysikalisches Artefakt, dass sich ergibt, da die Allgemeine Relativitätstheorie, auf der die Urknallmodelle beruhen, die Effekte der Quantenphysik außer acht lässt (weitere Informationen zu den beiden Bedeutungen des Wortes bietet das Vertiefungsthema Der doppelte Urknall). Eine Einführung in die Grundlagen dieser Modelle bietet das Kapitel Kosmologie von Einstein für Einsteiger. Informationen zu einer Reihe weiterer Aspekte der Urknallmodelle finden sich bei den Vertiefungsthemen in der Kategorie Kosmologie.

Urknall (Urknallmodelle)

Relativitätstheorie

Die auf Albert Einstein zurückgehenden Theorien von Raum und Zeit: Die Spezielle Relativitätstheorie, in der die Gravitation außen vor bleibt, und die Allgemeine Relativität, in der die Gravitation als Verzerrung von Raum und Zeit in Erscheinung tritt. Eine Einführung in die Grundideen der beiden Relativitätstheorien bieten die Kapitel Spezielle Relativitätstheorie und Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein für Einsteiger. Viele weitere Informationen zu den Relativitätstheorien und der auf ihnen basierenden relativistischen Physik bieten unsere Vertiefungsthemen.

Relativitätstheorien (Relativitätstheorie)

Mikrowellen

Elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen zwischen einem Millimeter und dreißig Zentimetern, entsprechend Frequenzen zwischen einigen und einigen Hundert Milliarden Schwingungen pro Sekunde.

Die allermeisten Anteile der kosmischen Hintergrundstrahlung liegen in heutiger Zeit im Bereich der Mikrowellen.

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).

Dunkle Materie

Beobachtungen an Galaxien und Galaxienhaufen sowie Vergleiche der astronomischen Beobachtungen mit den Vorhersagen der Urknallmodelle zeigen, dass sich nur rund 15 Prozent der Materie in unserem Universum durch ihr Leuchten (d.h. durch die Aussendung elektromagnetischer Strahlung) verrät. Die restlichen 85 Prozent sind dunkle Materie, und es gibt überzeugende Hinweise, dass es sich bei einem Gutteil davon um Materie handelt, die nicht aus den üblichen Protonen und Neutronen besteht, sondern aus einer nicht näher bekannten Art von Teilchen, die nur über die Gravitation mit herkömmlicher Materie wechselwirkt.

Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Forschungsinstitut der Max-Planck-Gesellschaft, das sich mit Forschungen zur Einsteinschen Gravitationstheorie beschäftigt - von den mathematischen Grundlagen über die Astrophysik der Gravitationswellen bis zur Quantengravitation. Das 1995 gegründete Institut befindet sich im Ortsteil Golm in Potsdam. Ein Teilinstitut in Hannover, das der Forschung mit dem Gravitationswellendetektor GEO 600 gewidmet ist, kam 2002 hinzu. Webseiten des AEI Webseiten des AEI-Teilinstituts Hannover

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