Wie Alt Ist Das Universum?

Wie Alt Ist Das Universum

Wie alt ist das Universum und woher weiß man das?

Der Blick ins All ist auch ein Blick in die Vergangenheit. So können Forscher das Alter des Weltraums abschätzen. Das Universum ist fast 14 Milliarden Jahre alt. Etwa eine Sekunde nach dem Urknall war der Kosmos schon mit Protonen, Neutronen und Elektronen gefüllt.

  1. Sie befanden sich in einem “See” aus Photonen, den Strahlungsteilchen.
  2. Diese energiereiche Strahlung verhinderte zunächst, dass sich Wasserstoffatome aus Proton und Elektron oder schwerere Atomkerne aus mehreren Protonen und Neutronen bilden konnten.
  3. Erst in den nächsten Minuten bildeten sich die Atomkerne der beiden leichteren Elemente Helium (zwei Protonen) und Lithium (drei Protonen).

Bis heute liegt der größte Teil der Materie im Kosmos in Form von Wasserstoff und Helium vor. Ohne die Vielfalt der Atomarten, wie sie im Periodensystem der Elemente dargestellt ist, wäre aber die Existenz von Planeten oder menschliches Leben nicht möglich.

Und tatsächlich entstanden die meisten Elemente in Sternen. In ihrem Inneren verschmilzt Wasserstoff zu Helium, in massereicheren Sternen werden durch solche Kernfusionen auch Kohlenstoff, Sauerstoff und schwerere Elemente bis hin zum Eisen erzeugt. Elemente schwerer als Eisen kommen zustande, wenn sich nochmals weitere Neutronen und Protonen anlagern.

Dafür sind allerdings physikalische Bedingungen vonnöten, wie sie nur bei Supernova-Explosionen und in Roten Riesensternen vorkommen. Wir alle bestehen also aus Sternen-Staub! Supernovae und Sternwinde verteilten die „erbrüteten” Elemente danach im All.

Wie alt ist das älteste Universum?

In den Weiten des Universums haben australische Forscher einen rekordverdächtigen Stern entdeckt – er ist 13,6 Milliarden Jahre alt und damit der älteste bisher bekannte. Das Universum ist wahrscheinlich 13,8 Milliarden Jahre alt. Die Forscher spürten den Stern mit Hilfe des Teleskops “SkyMapper” am Siding Spring Observatorium im australischen Coonabarabran auf.

Mit Hilfe dieses Teleskops wollen die Astronomen die erste digitale Karte des südlichen Himmels erstellen. Im Herzen des Teleskops steckt eine Digitalkamera, die mit 268 Megapixeln pro Minute eine Himmelsfläche aufnehmen kann, die 27-mal größer ist als der Vollmond. Der Stern mit dem Namen SMSS J031300.36-670839.3 gehört zu einer zweiten Sternengeneration, schreiben die Forscher – er entstand aus den Trümmerstücken eines anderen Sterns.

Die älteste Galaxie? Sein Alter bestimmten sie anhand seines Eisenanteils, schreiben die Forscher in einer Studie im Wissenschaftsmagazin “Nature”. Das Fehlen jeglichen nachweisbaren Eisens im Lichtspektrum des Sterns habe zu dem Altersnachweis geführt.

  1. Der Eisenanteil gilt wie eine Uhr für das Alter eines Sterns: er steigt mit der Zeit, so wie sich die Sternengenerationen formieren und sterben.
  2. Auch eine der ältesten Galaxien entdeckten Forscher dieser Tage.
  3. Mit Hilfe von Bildern des Weltraumteleskops “Hubble” und des US-Weltraumteleskops “Spitzer” spürten Astronomen vom Instituto de Astrofìsica de Canarias und der Laguna Universität Sterne eine Galaxie auf, die sich 650 Millionen Jahre nach dem Urknall bildeten, also vor rund 13,15 Milliarden Jahren.

Die Galaxie mit dem Namen Abell 2744 Y1 ist etwa 30-mal kleiner als unsere Galaxie, die Milchstraße. Die Studie der Forscher wird demnächst im Fachjournal “Astronomy and Astrophysics Letters” veröffentlicht. Mit der Erforschung der ersten Galaxien wollen die Wissenschaftler auch das Rätsel lösen, wie sich nach dem Urknall ultraviolettes Licht im finsteren Weltraum ausbreiten konnte.

Wie alt ist der Urknall?

Das Universum ist nach heutigem Verständnis mit dem Urknall entstanden und dehnt sich seitdem immer weiter aus. Aber wo hat dieser Urknall stattgefunden? Gibt es so etwas wie das Zentrum des Universums, wo alles seinen Anfang nahm? Und wenn es sich immer weiter ausdehnt – wohin dehnt es sich aus? Da muss doch irgendein Raum am Rand des Universums sein, in den hinein es expandiert.

  • Und was war vor dem Urknall? Wie kann eigentlich unser ganzes Universum mit all seinen Himmelskörpern aus dem „Nichts” entstanden sein? Das alles werden wir immer wieder gefragt.
  • Zu einigen dieser fundamentalen Fragen gibt es wissenschaftliche Annahmen und Theorien, zu anderen nicht einmal das.
  • Aber gehen wir die Sache mal der Reihe nach durch und tragen einige Überlegungen und Erkenntnisse auf heutigem Stand zusammen – wie immer stark vereinfacht, da das alles ohnehin verdammt kompliziert ist.

Sensationelle Entdeckung Wie Alt Ist Das Universum Die Skizze illustriert die Entstehung und Entwicklung des Universums. Die Zeitskala beginnt unten links mit dem Urknall. Danach dehnte sich das Universum „blitzartig” aus.400.000 Jahre lang war das Universum undurchsichtig: Man kann sich das wie einen super-heißen „Teilchen-Brei” vorstellen.

  1. Erst als sich das Universum weiter abkühlte, bildete sich Materie, wie wir sie kennen – und dabei wurde viel Strahlung abgegeben, die wir noch heute ganz schwach als sogenannte Hintergrundstrahlung messen können.
  2. Damit wurde das Universum durchsichtig und danach bildeten sich Sterne und Galaxien.
  3. Bild: DLR Fangen wir am besten ganz am Anfang an, beim Urknall.

Woher kommt eigentlich die Annahme, dass es einen solchen Urknall gab? Es könnte doch auch sein, dass das Universum schon immer existiert hat und auch immer existieren wird – gewissermaßen unveränderlich und ewig. Diese Vermutung gab es tatsächlich einmal; sie wird in der Fachwelt „Steady-State-Theorie” genannt. Herausgefunden hat das der Astronom Edwin Hubble (Bild) vor knapp 100 Jahren – und es war wirklich eine sensationelle Entdeckung, zu der auch andere Astronomen wie Vesto Slipher, Georges Lemaître und Milton Humason beitrugen. Jetzt darf man sich das nicht so vorstellen, als ob die Galaxien durchs Weltall rasen und sich dabei immer weiter von uns entfernen.

Nein, diese gewaltigen Ansammlungen von Millionen oder sogar Milliarden Sternen bewegen sich nur ganz langsam von der Stelle – um diese Art von Bewegung durch den Raum geht es hier nicht. Vielmehr dehnt sich der Raum selbst aus! Der Raum zwischen den Galaxien wird immer größer und größer, und dadurch werden sie auseinander getrieben und ihr Abstand zu uns nimmt immer mehr zu.

Man kann auch sagen: Überall im Universum entsteht andauernd neuer Raum. Zum Vergleich: Luftballon und Kuchen Wie Alt Ist Das Universum Diese Aufnahme des Weltraum-Teleskops Hubble zeigt Galaxien, die bis zu 13 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt sind. Das Licht, das wir hier sehen, ist also 13 Milliarden Jahre lang durch das Universum unterwegs gewesen – und wir blicken damit zugleich weit in die Vergangenheit zurück.

  • Viel weiter in die Vergangenheit oder gar bis zum Urknall kann man nicht schauen, denn anfangs war das Universum undurchsichtig.
  • Bild: NASA, ESA Damit man das auch nur halbwegs verstehen kann, hier ein Vergleich: Du kannst dir die Galaxien wie Punkte auf einem Luftballon vorstellen, den du aufbläst.
  • Jede Galaxie ein Punkt.

Hast du einen Ballon zur Hand? Prima! Dann zeichne doch mit ‘nem Filzstift einige solche Punkte drauf und puste ihn ein wenig auf! Die Flecken entfernen sich voneinander. Oder stell dir einen Kuchenteig vor, in dem Rosinen drin sind. Wer keine Rosinen mag, kann an Nüsse oder kleine Apfelstückchen denken und wer gegen Nüsse und Äpfel allergisch ist, denkt eben an Mandelsplitter.

  • Oder du nimmst einfach von allem etwas.
  • Die Rosinen, Nüsse, Apfelstücke und Mandelsplitter: Das sind die Galaxien.
  • Und das Universum, also der Raum – das ist der Kuchenteig, den wir jetzt bei 180 Grad ungefähr 45 Minuten auf mittlerer Schiene in den Ofen geben, danach etwas abkühlen lassen, einen Klecks frisch geschlagene Sahne drauf und ein paar ungespritzte (!) Orangenschalen fein geraspelt darüber streuen: köstlich! Aber wir kommen vom Thema ab.

Also: Was passiert mit dem Kuchenteig im Ofen? Er geht auf und wird größer und größer – und damit auch der Abstand zwischen den Rosinen und Nüssen und den anderen Zutaten! Genau so wird der Raum zwischen den Galaxien größer und größer und der Abstand der Galaxien nimmt zu. Ein Regenbogen: Durch die Art und Weise, wie die Regentropfen das Sonnenlicht reflektieren, wird es in seine Bestandteile zerlegt. So sieht man die einzelnen Farben, aus denen sich das weiße Licht zusammensetzt. Bild: K.-A. Hubble hat das übrigens nicht beim Kuchenbacken bemerkt, sondern am Licht der Sterne aus anderen Galaxien festgestellt.

Wie man die Bewegung von Galaxien am Licht erkennen kann, das ihre Sterne ausstrahlen? Licht setzt sich bekanntlich aus verschiedenen Farben zusammen – das sieht man ja am Regenbogen. Oder wenn die Sonne durchs Fenster scheint: Halte dann mal eine CD mit der Unterseite ins Licht – und zwar so, dass du die Sonnenstrahlen in Richtung einer Wand oder auf ein Blatt Papier reflektierst.

Da entsteht dann so etwas wie ein künstlicher Regenbogen – weil das Licht durch die Beschichtung der CD in seine verschiedenen Farben aufgespalten wird. Jede Farbe hat dabei eine bestimmte Wellenlänge: Blaues Licht ist kurzwellig, rotes Licht langwellig.

  1. Das kannst du dir wie eine Zick-Zack-Linie vorstellen, die du auf ein Blatt Papier malst: einmal ganz eng immer rauf und runter und rauf und runter mit kurzen Abständen und einmal ganz weit gestreckt in die Länge gezogen rauf und runter mit großen Abständen.
  2. Wenn nun ein Stern auf uns zukommt, wird sein Licht durch diese Bewegung in unsere Richtung zusammengestaucht.

Dadurch verringern sich die Abstände, die Wellenlänge wird kürzer und das Licht – vereinfacht gesagt – blau verfärbt. Umgekehrt wird das Licht eines Sterns, der sich von uns entfernt, in die Länge gezogen und rötlich verfärbt. Das ist ähnlich wie bei einer Luftschlange, wie man sie von Silvester oder von Geburtstagsfeiern kennt: Du kannst sie zusammenstauchen oder in die Länge ziehen. Dieser Effekt tritt übrigens nicht nur bei Lichtwellen auf, sondern auch bei Schallwellen – und da ist er leichter zu verstehen, weil wir das alle kennen: Du stehst am Straßenrand und da kommt ein Feuerwehr- oder Krankenwagen. Wenn er sich dir mit lauter Sirene nähert, werden die Schallwellen durch die Bewegung des Autos in deine Richtung zusammengestaucht und der Ton der Sirene klingt höher; wenn der Wagen an dir vorbeigefahren ist und sich wieder entfernt, werden die Schallwellen durch die Bewegung in die Länge gezogen und klingen daher tiefer.

  1. Das nennt man den Doppler-Effekt (benannt nach dem hier abgebildeten Mathematiker und Physiker Christian Doppler).
  2. Zurück zum Licht der Sterne aus fernen Galaxien: Hubble entdeckte, dass die Strahlung der Galaxien in Richtung des roten Lichts verschoben ist – also in die Länge gezogen und gedehnt wird, wie bei dem Auto, das sich von uns entfernt.

So wusste man also, dass sich andere Galaxien von uns fortbewegen. Und zwar umso schneller, je weiter die Galaxien bereits von uns weg sind. Genau das war der entscheidende Hinweis, dass es nicht die Bewegungen der Galaxien durch das Universum, durch den Raum sind, die man da am Licht ablesen konnte.

  • Denn das wäre ja ein verrückter Zufall, wenn ausgerechnet die entferntesten Galaxien auch diejenigen wären, die sich am schnellsten von uns wegbewegen.
  • Es gab nur eine logische Erklärung: nämlich dass sich der Raum selbst zwischen den Galaxien ausdehnt.
  • Betrachte nochmal deinen Luftballon beim Aufpusten.

Da wächst der Abstand zwischen den Punkten auch umso mehr, je weiter die Punkte voneinander entfernt sind: bei zwei benachbarten Punkten nur etwas, bei weiter voneinander entfernten Punkten mehr – einfach weil mehr von der Ballonhülle dazwischen liegt, die sich ausdehnt. Wie Alt Ist Das Universum Wo ist das Zentrum des Universums? Die Antwort: Überall und nirgends Wenn sich nun die anderen Galaxien von uns entfernen und das Universum um uns herum ausdehnt – egal in welche Richtung wir blicken: Sind wir dann im Zentrum des Universums? Sind wir zufällig genau in der Mitte? Nein! Puste den Luftballon noch etwas weiter auf – aber pass auf, dass er nicht platzt! Zwischen den Punkten entsteht immer mehr Raum – wie im Universum.

Wähle jetzt irgendeinen dieser Punkte aus und stell dir vor, dass er unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, wäre. Von da aus gesehen entfernen sich also alle anderen Punkte. Aber auch wenn du in einer anderen Galaxie leben würdest, wäre das Bild dasselbe: Auch von dort aus betrachtet entfernen sich alle anderen Galaxien von dir.

Kein Punkt auf deinem Luftballon ist in der Mitte – und umgekehrt könnte man auch sagen: Jeder Punkt ist aus seiner Sicht in der Mitte. Kurz und gut: Das Zentrum des Universums ist nirgends und zugleich überall. Was hat das jetzt mit unserer Frage nach dem Urknall zu tun? Erstens: Das Universum hat kein Zentrum.

Und daher kann man auch keinen Ort bestimmen, an dem der Urknall stattgefunden hat. Oder wieder anders gesagt: Der Urknall hat überall stattgefunden. Zweitens: Wenn das Universum andauernd wächst, muss es logischerweise gestern noch etwas kleiner und vorgestern noch kleiner gewesen sein und so weiter Und vor gaaaanz langer Zeit muss dann alles ganz nah beieinander gewesen sein.

Wenn man nun die Geschwindigkeit kennt, mit der sich alles ausdehnt, kann man sogar „rückwärts” ausrechnen, wann alles an einem einzigen Punkt zusammen war. Stell dir vor, dein Freund kommt ins Zimmer, während du gerade dabei bist, den schon recht großen Luftballon noch etwas weiter aufzupusten.

  • Dein Freund beobachtet, wie schnell der Ballon größer wird.
  • Dann kann er sich natürlich leicht überlegen, wann du mit dem Aufblasen des Ballons angefangen hast, wann also der Ballon noch ganz klein und alle Punkte ganz nah beieinander waren.
  • Bei deinem Luftballon waren das vielleicht zwei Minuten – beim Universum eben 13,8 Milliarden Jahre.

Kurze Verschnaufpause Verschnaufen wir mal kurz nach dem vielen Luftballon-Aufpusten und fassen wir zusammen: Das Universum dehnt sich permanent aus. Das erkennt man daran, dass sich die Galaxien voneinander entfernen, was man wiederum an ihrem Licht ablesen kann.

  • Rechnet man zurück, wann alles ganz nah zusammen war, so ist das 13,8 Milliarden Jahre her – und diesen Moment, in dem alles seinen Anfang nahm, nennt man Urknall.
  • Wichtig ist dabei: Der Urknall fand dieser Theorie zufolge nicht in einem leeren Raum statt, sondern mit dem Urknall entstand der Raum selbst überhaupt erst.

Und auch die Zeit – aber dazu später mehr. Das alles war jetzt wirklich sehr stark vereinfacht und wir müssen ein paar Dinge ergänzen und geraderücken: Diese Fotomontage simuliert den „Zusammenstoß” unserer Milchstraße mit der Andromeda-Galaxie. Bild: NASA; Z. Levay and R. van der Marel, STScI; T. Hallas; and A. Mellinger Nicht alle Galaxien entfernen sich voneinander: Einige bewegen sich sogar aufeinander zu, weil sie sich gegenseitig mit der gewaltigen Masse all ihrer Milliarden Sterne anziehen.

Zum Beispiel nähert sich unsere eigene Galaxie, die Milchstraße, allmählich der riesigen Andromeda-Galaxie, die einer unserer „Nachbarn” ist. In 2 bis 3 Milliarden Jahren werden sich beide Galaxien vereinigen. Das liegt einfach daran, dass wir und die Andromeda-Galaxie schneller aufeinander zurasen, als sich das Universum ausdehnt.

Es ist etwa so, als ob man eine Rolltreppe in die falsche Richtung läuft: Die bewegt sich zwar mit allen anderen Menschen langsam nach oben – aber wenn ich schnell genug nach unten renne, komme ich eben in der entgegengesetzten Richtung voran. Das war jetzt übrigens nur ein Beispiel – also keinesfalls bei echten Rolltreppen nachmachen! Sterne strahlen zwar hell und weiß leuchtend am Nachthimmel. Aber ihr Licht setzt sich – wie das weiße Licht der Sonne – eigentlich aus verschiedenfarbigen Wellenlängen zusammen. Wenn das Sternenlicht auf seinem Weg zu uns kosmische Gas- und Staubwolken durchquert und dabei auf bestimmte chemische Elemente trifft, entstehen dunkle Spektrallinien, wie man sie hier sieht.

Bild: Wikipedia Was die Sache mit dem roten Licht angeht: Streng genommen wird dabei nicht gemessen, wie „rot” das Licht ist. Die Sterne sehen nicht wirklich „rot” aus und mit „Roten Riesen” – einem bestimmten Sternen-Typ – hat das gar nichts zu tun. Es geht vielmehr um dünne Linien im Spektrum des Sternenlichts.

Bei Galaxien, die sich von uns entfernen, sind diese sogenannten Spektrallinien in Richtung des roten Lichtanteils verschoben. Und je stärker diese „Rotverschiebung” ist, umso schneller entfernen sich die Galaxien von uns. Zur Berechnung, wann der Urknall stattgefunden hat, noch ein Hinweis: Da hatten wir den Vergleich mit deinem Freund angestellt, der dich beim Aufpusten des Ballons beobachtet und daraus „rückwärts” berechnen kann, wann du damit angefangen hast.

  1. Aber die Rechnung stimmt natürlich nur, wenn der Ballon die ganze Zeit über im gleichen Tempo aufgepustet wurde.
  2. Will man das Alter des Universums berechnen, wird das etwas kompliziert, weil es sich möglicherweise zu Beginn schneller ausgedehnt hat als danach: Gerade war es noch klein wie eine Stecknadel oder Erbse, einen Sekundenbruchteil später – wuuussschhh – war es schon riesig groß.

Überraschung! Lange spekulierten Wissenschaftler darüber, wie sich die Ausdehnung in Zukunft weiterentwickeln würde – und da gab’s eine ziemlich fette Überraschung! Man dachte nämlich, dass ja die Anziehungskräfte aller Sterne und Planeten und Gas- und Staubwolken – also all dieser Masse im gesamten Universum – dazu führen müssten, dass sich die Ausdehnung allmählich verlangsamt.

  • Denn schließlich wirkt die Anziehungskraft, die Gravitation, ja genau in die andere Richtung: nämlich der Ausdehnung entgegengerichtet.
  • Als ob da Gummibänder zwischen allen Galaxien gespannt wären, die sie zusammenhalten.
  • Gäbe es im Weltall genug Materie, wäre all ihre Anziehungskraft zusammen vielleicht so stark, dass sie die Ausdehnung stoppen oder sogar umkehren könnte und dann alles wieder aufeinander zurast! Also: Wird die Ausdehnung nur allmählich langsamer? Oder kommt sie ganz zum Stillstand und kehrt sich sogar um? Auf diese Frage lieferten Beobachtungen mit großen Teleskopen und auch Satellitendaten vor einigen Jahren eine verblüffende Antwort: Beides ist falsch! Die Ausdehnung wird nämlich nicht langsamer und sie kommt schon gar nicht zum Stillstand, sondern sie schreitet immer schneller voran! Sie beschleunigt sich! Wow! Damit hatte man nicht gerechnet! Die einzig denkbare Erklärung: Eine geheimnisvolle Kraft, die der Gravitation entgegenwirkt, scheint da im Spiel zu sein.

So eine Art Anti-Schwerkraft. Man nannte sie „Dunkle Energie”, hat aber bis heute keine Ahnung, um was es sich dabei handelt. Dunkle Materie hält Galaxien zusammen – wie die Ketten an einem Kettenkarussell. Bild: K.-A. Nur damit es hier keine Verwechslung gibt: Die „Dunkle Energie” hat nichts mit der sogenannten „Dunklen Materie” zu tun – außer der Tatsache, dass die Wissenschaft da auch noch ziemlich im Dunkeln tappt.

Kurzfassung zur Erklärung: Dass es so etwas wie „Dunkle Materie” geben könnte, geht auf folgende Überlegung zurück. Viele Galaxien sehen wie eine gigantische Frisbee-Scheibe aus: Sie bestehen aus Millionen und Milliarden Sternen, die um das Zentrum ihrer Galaxie kreisen. Sie sausen dabei allerdings so schnell im Kreis herum, dass sie eigentlich nach draußen weggeschleudert werden müssten – es sei denn, es gäbe so etwas wie eine zusätzliche Masse in den Galaxien, die eine zusätzliche Anziehungskraft ausübt und alles beieinander hält.

Beispielsweise so wie die Ketten in einem Kettenkarussell, die alles festhalten. Was war davor? So, jetzt weiter im Text. Was war vor dem Urknall? Niemand weiß es. Selbst der Urknall ist ja nur eine Theorie – wenn auch auf Daten und vielen wissenschaftlichen Überlegungen beruhend.

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Er ist zurzeit eben das beste Modell, das wir zur Entstehung des Universums haben. Vielleicht wird sich eines Tages – über die heutigen Hinweise hinaus – bestätigen, dass alles wirklich so war. Vielleicht – nicht völlig auszuschließen – machen wir eines Tages aber auch eine Entdeckung, die die ganze Urknall-Theorie über den Haufen wirft.

Bis dahin gilt sie jedenfalls. Und wenn mit dem Urknall der Raum und auch die Zeit überhaupt erst begonnen haben, dann ist schon die Frage, was „vorher” war, unsinnig. „Vor” Beginn der Zeit – das kann’s ja gar nicht geben, sonst hätte es da ja auch schon eine Zeit gegeben.

  • Deshalb sagen viele Experten, dass die Frage gar nicht erlaubt sei.
  • So wie es ja auch keinen Sinn macht, nach der größten aller Zahlen zu fragen: Welche Zahl man sich da auch immer ausdenkt – man kann immer noch 1 oder 2 oder eine andere Zahl dazu addieren und hätte eine noch größere.
  • Aber weil es irgendwie ziemlich doof ist, nicht mal die Frage stellen zu dürfen, können wir ja trotzdem mal ein paar Überlegungen dazu anstellen, was vor dem Urknall gewesen sein könnte Zwei Möglichkeiten: etwas oder nichts! Nehmen wir also mal an, es gab den Urknall wirklich.

Was davor war – dazu gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder war davor nichts. Oder es war davor etwas anderes. Na bitte, damit sind wir schon mal etwas weiter. Wie Alt Ist Das Universum Diese Grafik zeigt nein: nicht den Urknall. Sie stellt vielmehr die Spuren kleinster Teilchen dar – und zwar beim Zusammenstoß in einem riesigen Teilchen-Beschleuniger. So heißen diese Forschungsanlagen, bei denen kleinste Teilchen in einer ringförmigen Röhre auf Crash-Kurs gebracht werden.

Was die Forscher hier in der „Mini-Welt” der kleinsten Teilchen untersuchen, könnte auch Hinweise darauf geben, was beim Urknall passiert ist. Die berühmteste Anlage dieser Art (von der auch dieses Bild stammt) findet sich beim CERN in der Schweiz. Bild: CERN Sehen wir uns mal die erste Möglichkeit an: Vor dem Urknall war einfach nichts – und plötzlich ist da aus dem Nichts etwas entstanden.

Hmmm Da fragt sich, warum das überhaupt passiert ist. Warum gibt es nicht weiterhin „Nichts”? Und es fragt sich auch: Kann überhaupt aus dem „Nichts” etwas entstehen? Um das zu beantworten, müssen wir vom großen „Makrokosmos”, dem Universum, mal kurz in den „Mikrokosmos” der kleinsten Teilchen wechseln.

  • Denn da gibt es tatsächlich so etwas: Da entstehen Teilchen immer mal für Sekundenbruchteile aus dem Nichts – und zwar immer zwei zusammen als „Paar”.
  • Normalerweise verschwinden sie dann auch sofort wieder.
  • Aber es gibt einige Wissenschaftler, die Folgendes annehmen: Vor dem Urknall sind im „Nichts” immer wieder kurz solche „Mini-Teilchen” entstanden und immer gleich wieder verschwunden – bis sie dann plötzlich nicht mehr verschwunden, sondern geblieben sind.

Stellen wir uns mal ein solchen Teilchen-Paar wie zwei Disco-Besucher vor: Sie machen kurz die Tür auf, gucken rein – aber drinnen ist gähnende Leere, weil es noch recht früh am Abend ist. Niemand da, keiner tanzt. „Na, dann gehen wir wieder”, denken sich die beiden und verschwinden sofort wieder.

  • Das geht einige Zeit so weiter: Ab und zu schaut irgendein Pärchen kurz zur Tür hinein – und weil immer noch nichts los ist, gehen sie sofort wieder weg.
  • Irgendwann aber kommen zufällig mehrere Besucher gleichzeitig zur Tür rein – und weil sie jetzt nicht mehr ganz alleine wären und von hinten schon weitere Gäste drängeln und schupsen, bleiben sie.

Andere Gäste flitzen auch schnell noch durch die Tür – und schwupp: Unsere Disco namens „Universum” füllt sich blitzartig. Unser Disco-Beispiel ist natürlich wieder mal mega-mäßig vereinfacht. Wer es genauer wissen will, kann im Internet unter den Fachbegriffen „Vakuumfluktuation” und „Virtuelle Teilchen” nachsehen (ist aber ohne Physikstudium kaum zu verstehen).

Nur nebenbei bemerkt: Nach dieser Theorie muss es vor dem Urknall schon einen Raum gegeben haben, der also nicht erst beim Urknall entstanden ist – aber in dem eben erst einmal „nichts” war. Wenden wir uns nun der zweiten dieser beiden Möglichkeiten zu: Wenn da vor dem Urknall nicht „nichts”, sondern „irgendetwas” war, dann war es nicht „statisch” und unbewegt – also nicht mit sich selbst im Gleichgewicht.

Sondern es muss einen Prozess gegeben haben, der den Urknall ausgelöst hat. Es gab also so etwas wie ein „Ungleichgewicht”. Wieder mal ein simples Beispiel: Ein ruhiger See unten im Tal – das wäre eine Situation im Gleichgewicht. Der See liegt da still rum und liegt da still rum und liegt da still rum.

Einfach so. Nichts fließt hin und her, es gibt kein Gefälle wie bei einem Fluss. Gegenbeispiel: Ein Stausee, bei dem die Mauer bricht und das Wasser ins Tal stürzt – das wäre eine Situation im Ungleichgewicht. Vielleicht ist da also ein anderes Universum zusammengebrochen? Das ist natürlich völlige Spekulation – wir wissen es nicht und es gibt für uns heute auch keinen Weg, es herauszufinden.

Vielleicht hat auch bloß jemand einen Luftballon zu weit aufgepustet und Peng! gab’s ‘nen Urknall und seitdem sausen die ganzen Filzstift-Galaxien durchs Zimmer. Okay, das war ein dummer Witz – sorry! Nur ein Universum? Aber Moment mal! Hatten wir da eben was von einem „anderen” Universum gesagt? Gibt es vielleicht gar nicht nur unser Universum? Sondern mehrere? Viele? Diese Theorie ist in den letzten Jahren entstanden: Man spricht dabei von einem „Multiversum”, in dem unser Universum nur eines von vielen ist.

Und wenn zwei zusammenstoßen, macht es „peng”. Wiegesagt: Das ist auch nur eine Theorie, bisher überhaupt nicht bewiesen und vielleicht auch nie beweisbar Und die Frage, was „davor” war, beantwortet sie auch nicht so ganz. Denn man könnte dann ja wieder fragen, was vor der Entstehung dieses „Multiversums” war.

Und selbst wenn man das wüsste, käme sicher wieder jemand mit der Frage daher, was denn davor war und immer so weiter. Auf langen Autofahrten nerven Kinder die Eltern immer wieder mit der Frage „Wann sind wir endlich da?”. Und so ähnlich ist es auch bei unserer „Gedanken-Fahrt” zurück in der Zeit bis zum Anfang von allem.

  • Was immer man antwortet, die nächste Frage lautet: „Und was war davor?” Gedankenspiel mit einem „2D-Flächen-Menschen” So, nach all den Theorien erzählen wir dir jetzt, wie es wirklich war! Nein, natürlich nicht – schön wär‘s.
  • Wir waren nicht dabei und können nur Hinweise auswerten, darauf aufbauend Theorien entwickeln, sie durch neue Beobachtungen überprüfen – und dann vielleicht weitere Überlegungen anstellen.

Eine ziemlich verrückte Überlegung noch zum Abschluss: Wir hatten über die Ausdehnung des Universums gesprochen. Und dass sie sich immer mehr beschleunigt, obwohl man eigentlich das Gegenteil erwarten würde, weil sich alle Materie im All wechselweise anzieht.

Was wäre nun, wenn beides stimmt? Gleichzeitig! Der Gedanke ist dabei folgender: Wir glauben zu beobachten, dass sich das Universum immer schneller ausdehnt und dass sich alle Galaxien immer weiter voneinander entfernen – und das können wir auch messen und es ist wohl auch so. Aber zugleich sausen all diese Galaxien dabei aufeinander zu! Klingt unlogisch? Ja logisch, schon klar.

Aber stell dir mal einen Moment lang folgendes vor: Wie Alt Ist Das Universum Gedankenspiel zu einer „Wanderung” um die ganze Erdkugel herum. Originalbild: NASA Du läufst von einem Punkt auf der Erde los – immer geradeaus. Okay, wir müssen für dieses Gedankenspiel vorübergehend das Wasser aus den Ozeanen lassen. Moment, wir ziehen mal eben den Stöpsel So, jetzt müsste es klappen.

  • Du entfernst dich also immer weiter von dem Punkt, an dem du gestartet bist.
  • Und plötzlich – nach vielen Jahren und einer ganzen Erdumrundung – kommst du wieder genau da an, wo du losgelaufen bist.
  • Lar, du weißt, dass die Erde eine Kugel ist.
  • Denn dir ist bekannt, dass es drei Dimensionen gibt: erstens vorwärts und rückwärts, zweitens rechts und links, drittens oben und unten.

Was aber, wenn du nur zwei Dimensionen kennen würdest? Vor und zurück, rechts und links – alles kein Problem. Aber oben und unten? „Hä? Was soll denn oben und unten bedeuten?” Das würdest du nicht verstehen – und deshalb könntest du dir auch gar keine Kugel vorstellen.3D kennst du nicht, sondern nur 2D.

  1. Auf deinem Weg über die Erde denkst du, dass du dich die ganze Zeit auf einer ebenen Fläche fortbewegst – immer nur geradeaus.
  2. Und als „Flächen-Mensch” glaubst du, dass du dich auf deiner Wanderung immer weiter von deinem Startpunkt entfernst.
  3. Das stimmt auch – aber gleichzeitig näherst du dich mit jedem Schritt in der 3D-Welt deinem Ausgangspunkt wieder an.

Weil nämlich Start und Ziel dasselbe sind und du nach deinem Weg um die ganze Erdkugel herum wieder da ankommst, wo du losgelaufen bist. Übertragen wir das mal kurz auf unsere Überlegungen zum Universum: Man geht davon aus, dass das Universum in einer vierten Dimension gekrümmt ist.

  1. Wir als 3D-Menschen können uns ein solches 4D-Universum nicht vorstellen – so wie sich ein 2D-Mensch keinen 3D-Raum und keine 3D-Erdkugel vorstellen kann.
  2. Und wenn wir mit einem super-schnellen Raumschiff immer geradeaus durchs Universum fliegen würden, wären wir überrascht, wenn wir irgendwann wieder da ankommen, wo wir losgeflogen sind.

Sind wir längst auf dem Rückweg? Du merkst vielleicht schon, worauf das alles hinausläuft: Während sich die Galaxien immer weiter voneinander entfernen, könnte es ja sein, dass sie gleichzeitig längst wieder aufeinander zurasen, ohne dass wir das ahnen.

Wir glauben, das All würde ich immer weiter ausdehnen – und zugleich zieht es sich längst wieder zusammen. Weil uns eine Dimension beim Denken fehlt, haben wir bloß noch nicht bemerkt, dass wir längst auf dem Rückweg sind. Die seltsame Dunkle Energie – die sich Wissenschaftler ja nur ausgedacht haben, um irgendwie zu erklären, warum die Ausdehnung des Universums immer schneller wird – würde man in diesem Fall gar nicht zur Erklärung benötigen: Denn sie wäre nichts anderes als die altbekannte, ganz normale Anziehungskraft, nur eben gewissermaßen aus der falschen Richtung kommend.

Stell dir nochmal kurz deine Wanderung als 2D-Mensch über die Erdkugel vor – und nimmt mal an, an deinem Startpunkt wäre ein starker Magnet. Außerdem musst du jetzt noch eine Ritterrüstung anziehen, damit dich der Magnet anzieht. Ja, die Rüstung ist unbequem, aber jetzt hör mal auf hier rumzumeckern! Okay.

  1. Mit größter Kraft läufst du los und entfernst dich vom Magneten.
  2. Immer noch spürst du im Rücken die Magnetkraft, die dich nach hinten zieht.
  3. Und nachdem du die halbe Erde umrundet hast und immer weiter geradeaus gehst, spürst du plötzlich von vorne eine andere seltsame Kraft, die dich immer weiter in die Richtung zieht, in die du läufst.

Was das für eine „neue” Kraft ist, die dich da anzieht, weißt du nicht. Du nennst sie „Dunkle Energie” und ahnst nicht, dass es bloß wieder der Magnet ist, der dich anzieht, Nach diesem Gedankengang, bei dem die Dunkle Energie nichts anderes als die ganz normale Gravitation ist (nur eben in der „falschen” Richtung wirkend), wäre es auch ganz logisch, dass sich die Ausdehnung des Universums immer mehr beschleunigt: Auch ein Apfel, der durch die Gravitation auf den Boden fällt, wird unterwegs immer schneller – und je mehr sich alles annähert, umso mehr zieht sich alles an.

  1. Am Ende würde das ganze Universum wieder auf einen Punkt zurasen – und dann käme es zu einem neuen „Knall”, vielleicht zu einem neuen „Urknall” und alles würde wieder von vorne losgehen.
  2. Und dann wieder und wieder Das würde auch die Frage beantworten, wohin sich das Universum ausdehnt: nicht in einen anderen Raum, der da „drumherum” wäre (auch da würde jeder gleich wieder fragen, was denn jenseits dieses Raumes wäre).

Sondern – Achtung: neue Wortschöpfung – es dehnt sich zusammen, und zwar zurück in der Zeit 😉 Tja, wir haben dich oben gewarnt: Das sind ziemlich verrückte Überlegungen. Und nochmal: Das ist reine Spekulation. Es steht noch nicht einmal fest, ob und wenn ja wie das Universum in sich „gekrümmt” ist (da gibt es verschiedene Modelle und Theorien).

Jetzt ist aber Schluss Kleiner Nachtrag ganz zum Schluss: Es gibt viele Theorien zu diesen Fragen – manche wie etwa die Stringtheorie klingen mindestens so verrückt wie unser kleines Gedankenspiel eben. Keine kann heute für sich beanspruchen, all die Rätsel des Universums zu lösen. Wir haben insgesamt schon eine Menge über unseren Kosmos herausgefunden – und doch stehen wir immer noch am Anfang dieser Entdeckungsreise durch den Raum und durch die Zeit (streng genommen hätten wir hier übrigens immer von der „Raumzeit” reden müssen).

Und gerade das macht es ja so aufregend. Dieser Text sollte dir zum Einstieg in das Thema nur etwas „Appetit” machen auf mehr. Apropos „Appetit”: Jetzt müssen wir aber wirklich Schluss machen – der Kuchen mit den Rosinen ist nämlich fertig und muss dringend aus dem Ofen raus! Sonst gibt’s da noch ‘nen Big Bang in der Küche Und danach geht’s ab in die Disco.

Mal gucken, ob da schon was los ist. Ach ja: Die Ritterrüstung kannst du jetzt wieder ausziehen. Und räum mal dein Zimmer auf: Der Ballon mit den Punkten, die Luftschlange und all der andere Kram muss da doch nicht so in der Gegend rumliegen 😉 Nachtrag: Eben mit einem angehenden Astrophysiker – Sebastian, 8 Jahre – im Rahmen eines einstündigen Forschungsaufenthalts hier im DLR die Frage, was vor dem Urknall war, nochmal eingehend diskutiert.

Seine spontane These: „Vor dem Urknall war einfach ein schwarzer Klumpen – und der ist dann explodiert.” Wir werden diese Schwarze-Klumpen-Theorie (kurz SKT) weiter untersuchen und danken Sebastian für diesen interessanten Denkanstoß! Wenn du auch eine Frage hast: Schick sie uns über: [email protected].

Wie viele Universum gibt es?

Was gibt es außerhalb des Universums? – Was liegt hinter dem Weltall? Nichts, weil es ein „dahinter” gar nicht gibt. Im Wort „Weltall”, wie auch im Wort „Universum”, steckt die Bedeutung „alles”. Das Weltall umfasst alles. Es gibt nur ein Universum. Eine Grenze, hinter der etwas anderes beginnen könnte, ist logisch ausgeschlossen! Denn dieses „andere” würde auch wieder zum Weltall gehören.

  1. Wie wir seit Einstein wissen, sind Raum und Zeit unlösbar mit der kosmischen Materie, dem Stoff aus dem das Weltall besteht, verbunden.
  2. Außerhalb gibt es also, physikalisch gesehen, keinen Raum.
  3. Auch wenn das Weltall grenzenlos ist, muss es deswegen nicht unendlich groß sein.
  4. Man stelle sich zur Veranschaulichung eine Kugeloberfläche vor, also etwas Zweidimensionales.

Eine Kugeloberfläche ist unbegrenzt, aber trotzdem endlich. In einer solchen Welt könnte ich immer geradeaus laufen, ich käme irgendwann an den Ausgangspunkt zurück, ohne allerdings unterwegs an eine Grenze gestoßen zu sein. Das Weltall kann endlich sein, muss es aber nicht.

  1. Die astronomischen Beobachtungen sind auch mit der Annahme eines unendlich großen Universum vereinbar.
  2. Die Unendlichkeit beweisen kann man nie.
  3. Hinzu kommen Grenzen der Beobachtbarkeit.
  4. Das Weltall hat vor 13 Milliarden Jahren mit einer extrem dichten und heißen Phase seinen Anfang genommen.
  5. Noch Hunderttausende von Jahren nach diesem so genannten „Urknall” war es total undurchsichtig.

Astronomen sind die einzigen Leute, die in die Vergangenheit zurückschauen können. Denn das Licht, das uns jetzt erreicht, war lange unterwegs, zum Teil über Milliarden von Jahren. Da es frühestens vor 13 Milliarden Jahren ausgesendet worden sein kann – nachdem das Weltall durchsichtig geworden war -können wir bislang auch nicht weiter schauen, als es einer Strecke entspricht, die das Licht in dieser Zeit zurückgelegt hat.

Was ist die größte Galaxie der Welt?

Eine Galaxie und noch mehr – Um zu bestimmen, welches das größte Objekt im Universum ist, muss man allerdings wissen, wie man den Begriff „Objekt” definieren möchte. Eine Galaxie kann sicherlich in diese Kategorie fallen. Der Durchmesser der galaktischen Scheibe unserer Milchstraße ist schwindelerregend: mehr als 105.000 Lichtjahre.

  1. Aber unsere Galaxie, ihr galaktischer Halo, würde sich in Wirklichkeit über einen Radius von etwa 520.000 Lichtjahren erstrecken.
  2. Das sind 5×1018 Kilometer! Die größte bislang bekannte Galaxie ist eine elliptische Galaxie, die unter dem Namen IC 1101 bekannt ist.
  3. Sie befindet sich etwa 1 Milliarde Lichtjahre von unserer Erde entfernt im Sternbild Schlange.

Ihr Durchmesser beträgt 6 Millionen Lichtjahre. Und wenn wir noch einen Schritt weiter gehen, können wir die Große Herkuleswand-Boreale Krone als das größte Objekt in unserem Universum bezeichnen. Genauer gesagt, die größte Struktur unseres beobachtbaren Universums. Wie Alt Ist Das Universum 25. Juli 2022

Wie alt können Galaxien werden?

Dank der Aufnahmen des Weltraumteleskops ‘Hubble’ haben Forscher die bislang älteste Galaxie aufgespürt. Sie bringt es auf geschätzte 13,5 Milliarden Jahre.

Ist das Universum unendlich alt?

Was liegt hinter dem Weltall? Nichts, weil es ein “dahinter” gar nicht gibt. Im Wort “Weltall”, wie auch im Wort “Universum”, steckt die Bedeutung “alles”. Das Weltall umfasst alles. Es gibt nur ein Universum. Eine Grenze, hinter der etwas anderes beginnen könnte, ist logisch ausgeschlossen! Denn dieses “andere” würde auch wieder zum Weltall gehören.

  1. Wie wir seit Einstein wissen, sind Raum und Zeit unlösbar mit der kosmischen Materie, dem Stoff aus dem das Weltall besteht, verbunden.
  2. Außerhalb gibt es also, physikalisch gesehen, keinen Raum.
  3. Auch wenn das Weltall grenzenlos ist, muss es deswegen nicht unendlich groß sein.
  4. Man stelle sich zur Veranschaulichung eine Kugeloberfläche vor, also etwas Zweidimensionales.

Eine Kugeloberfläche ist unbegrenzt, aber trotzdem endlich. In einer solchen Welt könnte ich immer geradeaus laufen, ich käme irgendwann an den Ausgangspunkt zurück, ohne allerdings unterwegs an eine Grenze gestoßen zu sein. Das Weltall kann endlich sein, muss es aber nicht.

  1. Die astronomischen Beobachtungen sind auch mit der Annahme eines unendlich großen Universum vereinbar.
  2. Die Unendlichkeit beweisen kann man nie.
  3. Hinzu kommen Grenzen der Beobachtbarkeit.
  4. Das Weltall hat vor 13 Milliarden Jahren mit einer extrem dichten und heißen Phase seinen Anfang genommen.
  5. Noch Hunderttausende von Jahren nach diesem so genannten “Urknall” war es total undurchsichtig.

Astronomen sind die einzigen Leute, die in die Vergangenheit zurückschauen können. Denn das Licht, das uns jetzt erreicht, war lange unterwegs, zum Teil über Milliarden von Jahren. Da es frühestens vor 13 Milliarden Jahren ausgesendet worden sein kann – nachdem das Weltall durchsichtig geworden war -können wir bislang auch nicht weiter schauen, als es einer Strecke entspricht, die das Licht in dieser Zeit zurückgelegt hat.

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Was gab es nach dem Urknall?

Die Bausteine des Lebens entstehen – Kurz nach dem Urknall ist das Universum etwa zehn Billionen Grad heiß. Die ersten Elementarteilchen entstehen, darunter Quarks und Gluonen. Sekundenbruchteile später bilden sich Protonen und Neutronen, die Bausteine künftiger Atomkerne.

  • Im Laufe der Zeit kühlt sich das All immer weiter ab.
  • Bei rund 2700 Grad Celsius entstehen die ersten Wasserstoffatome, Lithium und Helium.
  • Nach 100 bis 200 Millionen Jahren bilden sich die ersten Gaswolken – Sterne beginnen zu leuchten.
  • Wissenschaftler vermuten, dass es schon zu dieser Zeit Planeten gegeben hat, die um die Sonnen kreisten.

Unser Sonnensystem, bestehend aus der Sonne und den acht Planeten, entstand vor etwa 4,6 Milliarden Jahren.

Ist der Urknall belegt?

Urknalltheorie – Einen eindeutige n Beweis, wie das Universum entstanden ist, gibt es auch heute noch nicht, Das heißt auch, dass die Urknalltheorie, oder auch „Big Bang Theorie”, nicht endgültig sein muss. Sie kann mit neuen Erkenntnissen erweitert oder sogar entkräftet werden.

  1. Es ist ebenfalls möglich, dass sie eines Tages von einer anderen Theorie abgelöst werden wird.
  2. Sie ist dennoch zur heutigen Zeit die weit verbreitetste Theorie,
  3. Die Urknalltheorie erklärt den Anfang der Zeit, des Raumes und der Materie,
  4. Damit beschäftigt sich die Kosmologie, ein Teil der Astronomie,

Das Konzept der Urknalltheorie beruht auf Einsteins Relativitätstheorie, Diese besagt, dass sich Energie und Materie ineinander umwandeln lassen. Das kann heute simuliert werden. Um Energie in Materie umzuwandeln, werden Teilchen in sogenannten Teilchenbeschleunigern auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt,

  1. Dabei erhalten die Teilchen eine extrem hohe Energiemenge,
  2. Bei einem Aufprall mit einem anderen T eilchen wird die Energie freigesetzt,
  3. Dabei kann sich die frei gewordene Energie auch in Materie umwandeln,
  4. In der Erklärung Ein neuer Energiebegriff: E=mc² erfährst Du mehr über den Zusammenhang von Energie und Materie.

Das Problem bei dieser Annahme ist, dass vor dem Urknall jedoch keine Zeit, kein Raum und vor allem keine Materie, also auch keine Teilchen zum Beschleunigen existierten. Für die Menschen ist so ein „Nichts” kaum vorstellbar, Entsprechend haben Wissenschaftler*innen auch keine Erklärung dafür, was vor dem Urknall war.

Wie groß war der Urknall?

Der Urknall Die meisten Astronomen gehen davon aus, dass das Universum ungefähr vor 14 Milliarden Jahren bei einem großen Knall, dem Urknall, entstanden ist. Zu jener Zeit befand sich das gesamte Universum in einer Blase, die tausendmal kleiner als ein Stecknadelkopf war.

Es war heißer und dichter als wir uns überhaupt vorstellen können. Plötzlich explodierte die Blase, und das uns bekannte Universum war geboren. Raum, Zeit und Materie – all das begann mit dem Urknall. In nur einem Bruchteil einer Sekunde hatte sich das Universum von noch nicht einmal der Größe eines einzelnen Atoms zu einem Raum ausgedehnt, der größer war als eine Galaxie (Milchstrasse).

Und es wuchs in einem unglaublichen Tempo weiter. Noch heute dehnt sich das Universum weiter aus. Mit der Ausdehnung und der Abkühlung des Universums verwandelte sich die Energie in Teilchen von Materie und Antimaterie. Diese zwei gegensätzlichen Teilchenarten zerstörten sich größtenteils gegenseitig.

Eine gewisse Menge von Materie überlebte jedoch. Als das Universum eine Sekunde alt war, bildeten sich stabilere Teilchen, die wir Protonen und Neutronen nennen. Während der nächsten drei Minuten sank die Temperatur unter 1 Milliarde Grad Celsius ab. Es war also ‘kühl’ genug, damit sich die Protonen und die Neutronen verbinden konnten.

Dadurch entstanden Wasserstoff- und Heliumkerne.300.000 Jahre später war das Universum auf ungefähr 3.000 Grad Celsius abgekühlt. Endlich konnten Atomkerne Elektronen einfangen und dadurch Atome bilden. Das Universum füllte sich mit Wasserstoff- und Heliumgaswolken.

Sind Parallelwelten möglich?

Frühe Neuzeit – Im 16. Jahrhundert wandte sich gegen die aristotelische Kosmologie. Er nahm ein unbegrenztes Universum an, das eine unendliche Zahl endlicher Welten (mondi) enthält. Allerdings handelt es sich bei den Welten nicht um gegeneinander durch Schranken abgeschlossene Paralleluniversen, denn für Bruno gibt es nur ein Universum und dieses bildet eine Einheit.

  1. Das Universum ist ein Kontinuum, definiert als die unendliche körperliche Substanz im unendlichen Raum.
  2. Es ist ungeteilt, von einheitlicher Natur und einheitlich organisiert, alle seine Bestandteile hängen zusammen.
  3. Außerhalb des Universums ist nichts.
  4. Ging davon aus, dass die Materie überall dieselbe sein müsse und demnach alle möglichen Welten aus ein und derselben Materie bestehen müssten.

Gegen die Annahme von Parallelwelten brachte er das Argument vor, die Natur der Materie bestehe nur darin, eine ausgedehnte Substanz zu sein, und diese müsse jeden Raum ausfüllen, also auch alle möglichen Räume, die andere Welten einnehmen könnten. Somit könne es nur eine Welt geben.

nahm an, die bestehende Welt sei die beste der unendlich vielen möglichen Welten. In seinem Modell gibt es nur eine wirkliche Welt, da Gott, der das Beste will, von allen theoretischen Möglichkeiten notwendigerweise nur die beste verwirklicht hat. war der Ansicht, es sei „im recht metaphysischen Verstande wahr”, dass mehr als eine Welt existieren könne.

Damit meinte er gegeneinander abgeschottete Welten, deren Substanzen nur innerhalb der eigenen Welt mit anderen Substanzen verknüpft sind und mit nichts in einer anderen Welt in einer Relation stehen. Gott könne viele Millionen solcher Welten erschaffen haben.

Ob sie tatsächlich existieren, lasse sich nicht entscheiden. Eine Einschätzung der Wahrscheinlichkeit von Paralleluniversen hielt Kant aber für sinnvoll. Seiner Argumentation zufolge ist es unwahrscheinlich, dass Gott mehrere Welten erschaffen hat, die räumlich der bekannten Welt entsprechen und daher mit ihr verbunden sein könnten.

Gegen diese Annahme spricht, dass die Schöpfung eine Unvollkommenheit aufweist, wenn solche Welten unverbunden nebeneinander bestehen. Verbundenheit bewirkt Harmonie und ist ein Aspekt der Vollkommenheit. Daher ist die Hypothese von Parallelwelten nur dann plausibel, wenn es sich um räumlich andersartige, nicht dreidimensionale Universen handelt, die mit der dreidimensionalen Welt prinzipiell nicht verbunden werden können.

Wie viele Dimension gibt es?

Theoretische Physik: Die unsichtbaren Dimensionen des Universums Im Jahre 1884 beschrieb Edwin A. Abbott in seinem skurrilen Roman “Flatland: A Romance of Many Dimensions” die Abenteuer des Quadratwesens “A. Square” in einer zweidimensionalen Flachwelt, die von geometrischen Lebewesen – Dreiecken, Quadraten, Fünfecken und so weiter – bevölkert ist.

  • Gegen Ende der Geschichte, am ersten Tag des Jahres 2000, durchquert ein Kugelwesen aus dem dreidimensionalen “Spaceland” das Flachland und hebt A.
  • Square aus seinem ebenen Lebensraum empor, um ihm die dreidimensionale große weite Welt zu zeigen.
  • Das bringt A.
  • Square auf die Idee, das Raumland sei vielleicht wiederum nur ein kleiner Unterraum eines noch größeren vierdimensionalen Universums.

Tatsächlich haben einige Physiker in den letzten Jahren begonnen, allen Ernstes einen ganz ähnlichen Gedanken zu verfolgen: dass alles, was wir in unserem Universum wahrnehmen, auf eine dreidimensionale “Membran” beschränkt ist, die in einem höherdimensionalen Bereich liegt.

  1. Aber anders als A.
  2. Square, der nur mit Hilfe höherer Einmischung aus dem Raumland zu seinen Einsichten kam, werden die Physiker die Existenz von zusätzlichen Dimensionen vielleicht schon bald selbst herausfinden.
  3. Es gibt bereits Versuche, die Auswirkungen dieser Extra-Dimensionen auf die Schwerkraft nachzuweisen.

Und wenn die Theorie stimmt, könnten demnächst geplante Experimente in hochenergetischen Teilchenbeschleunigern exotische Prozesse im Grenzbereich von Quanten- und Gravitationstheorie aufzeigen – zum Beispiel die kurzzeitige Erzeugung winziger Schwarzer Löcher.

  1. Diese Theorie ist mehr als nur eine “Romanze in vielen Dimensionen”; sie beruht auf neuesten Entwicklungen der String-Theorie und wird möglicherweise einige hartnäckige Rätsel der Kosmologie und Teilchenphysik lösen.
  2. Die unerklärliche Schwäche der Schwerkraft Begriffe wie Strings und Extra-Dimensionen entspringen eigentlich dem Versuch, die Vertrauteste aller Naturkräfte zu verstehen: die Schwerkraft.

Mehr als drei Jahrhunderte, nachdem Isaac Newton sein Gravitationsgesetz formulierte, vermag die Physik noch immer nicht zu erklären, warum die Schwerkraft so viel schwächer ist als alle anderen Wechselwirkungen. Ein kleiner Magnet überwindet, wenn er einen Nagel vom Boden hebt, ohne weiteres die Anziehungskraft der gesamten Masse der Erde.

Die Gravitationsanziehung zwischen zwei Elektronen ist 10E43-mal schwächer als die elektrische Abstoßung zwischen ihnen. Die Schwerkraft drückt unsere Füße auf den Boden und lässt die Erde um die Sonne kreisen – aber nur, weil diese gewaltigen Massen elektrisch neutral sind. Darum bleiben die elektrischen Kräfte verschwindend gering, und die Gravitation macht sich trotz ihrer Schwäche als einzige bemerkbar.

Die Elektronmasse müsste 10E22-mal so groß sein wie ihr tatsächlicher Wert, damit Schwerkraft und elektrische Wechselwirkung gleich stark wären. Um ein so schweres Teilchen zu produzieren, wäre eine Energie von 10E19 Gigaelektronenvolt (GeV, Milliarden Elektronenvolt) erforderlich – die so genannte Planck-Energie.

  • Mit ihr hängt die Planck-Länge zusammen, die nur winzige 10E-35 Meter beträgt.
  • Zum Vergleich: Der Kern des Wasserstoffatoms, das Proton, ist etwa 10E19 mal so groß und hat eine Masse von ungefähr 1 GeV.
  • Planck-Energie und Planck-Länge – zusammen Planck-Skala genannt – liegen weit jenseits der Reichweite der stärksten Teilchenbeschleuniger.

Sogar der Large Hadron Collider bei Cern wird, wenn er in fünf Jahren seinen Betrieb aufnimmt, nur Längen bis zu minimal 10E-19 Meter untersuchen können (siehe “Der große Hadronen-Collider” von Chris Llewellyn Smith, Spektrum der Wissenschaft 9/2000, S.68).

Da im Bereich der Planck-Skala die Gravitation ähnlich stark wird wie der Elektromagnetismus und die anderen Naturkräfte, nahmen die Physiker an, erst bei solch enormen Energien würde sich eine “Theorie für alles” offenbaren, die große Vereinigung der Gravitation mit den übrigen Kräften. Demnach wäre die vereinheitlichte Theorie in absehbarer Zukunft hoffnungslos außer Reichweite direkter experimenteller Überprüfung (siehe “Eine Theorie für alles?” von Steven Weinberg, Spektrum Spezial 1/2000 “Forschung im 21.

Jahrhundert”, S.12). Die stärksten heutigen Beschleuniger erreichen Energien zwischen 100 GeV und 1 TeV (Teraelektronenvolt, Billionen Elektronenvolt). In diesem Bereich vereinigt sich der Elektromagnetismus mit der so genannten schwachen Wechselwirkung, einer für bestimmte radioaktive Zerfallsformen verantwortlichen Kraft zwischen subatomaren Teilchen.

  1. Wir würden die außerordentliche Schwäche der Gravitation verstehen, wenn wir den riesigen Faktor 10E16 erklären könnten, der die elektroschwache Skala von der Planck-Skala trennt.
  2. Leider reicht das äußerst erfolgreiche Standardmodell der Teilchenphysik dazu nicht aus, denn das Modell wurde eigens an den experimentell beobachteten Wert der elektroschwachen Skala angepasst.

Die gute Nachricht ist, dass diese Anpassung – zusammen mit 16 anderen – ausreicht, um auf einen Schlag Hunderttausende Beobachtungen zu erklären. Die schlechte Nachricht ist, dass wir die zu Grunde liegende Theorie bis auf die zweiunddreißigste Stelle hinter dem Komma genau einstellen müssen; sonst würde die elektroschwache Skala auf Grund quantenphysikalischer Instabilitäten die extremen Werte der Planck-Skala annehmen.

  1. Das ist, als würde man einen Raum betreten und einen Bleistift finden, der mitten auf dem Tisch perfekt ausbalanciert auf der Spitze steht.
  2. Obwohl nicht unmöglich, ist eine solche Situation doch extrem instabil, und man fragt sich, woher sie kommt.
  3. Große” Raumdimensionen Seit zwanzig Jahren suchen die Theoretiker dieses Rätsel – das Hierarchieproblem – zu lösen, indem sie bei rund 10E-19 Meter (oder 1 TeV) die Teilchenphysik abändern, um die elektroschwache Skala zu stabilisieren.

Die gängigste Änderung des Standardmodells erreicht diesen Zweck über die so genannte Supersymmetrie. Um im Bild des ausbalancierten Bleistifts zu bleiben: Die Supersymmetrie wirkt wie ein unsichtbarer Faden, der den Stift nach oben zieht und vor dem Umkippen bewahrt.

  • Obwohl die Teilchenbeschleuniger bis jetzt noch keine direkten Hinweise auf Supersymmetrie gefunden haben, gibt es immerhin indirekte Indizien.
  • Werden etwa die gemessenen Stärken der starken, schwachen und elektromagnetischen Wechselwirkung theoretisch zu immer kürzeren Abständen extrapoliert, so konvergieren sie nur dann sehr exakt in einem gemeinsamen Wert, wenn die Extrapolation den Regeln der Supersymmetrie gehorcht.

Dieses Ergebnis weist auf eine supersymmetrische Vereinigung der drei Kräfte bei etwa 10E-32 Meter hin; das ist rund tausendmal größer als die Planck-Länge, aber immer noch weit jenseits des für Teilchenbeschleuniger zugänglichen Bereichs. Doch in den letzten zwei Jahren haben einige Theoretiker einen radikal neuen Ansatz vorgeschlagen, bei dem Raumzeit, Gravitation und Planck-Skala selbst modifiziert werden.

  • Die Grundidee ist, dass die extremen Werte der Planck-Skala – die akzeptiert werden, seit der deutsche Physiker Max Planck (1858–1947) sie vor einem Jahrhundert eingeführt hat – auf einer ungeprüften Annahme über die Schwerkraft bei kleinen Entfernungen beruhen.
  • Newtons Gravitationsgesetz besagt, dass die Kraft zwischen zwei Massen umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands ist; es funktioniert hervorragend über makroskopische Distanzen und erklärt die Umlaufbahn der Erde um die Sonne, die Bahn des Mondes um die Erde und so weiter.

Doch weil die Schwerkraft so schwach ist, wurde das Gesetz experimentell nur bis zu Abständen von rund einem Millimeter überprüft – und immerhin müssen wir über 32 Größenordnungen extrapolieren, um zu schließen, dass die Schwerkraft erst bei einem Planck-Maßstab von 10E-35 Meter stark wird.

Das Membran-Modell des Universums Das Gesetz des inversen Abstandsquadrats ergibt sich im dreidimensionalen Raum ganz. Betrachten wir die gleichförmig von der Erde ausgehenden Feldlinien der Schwerkraft. In größerer Entfernung von der Erde verteilen sie sich über eine entsprechend größere Kugelfläche: Die Oberfläche wächst mit dem Quadrat des Radius, und im selben Maß wird die Kraft verdünnt.

Angenommen, es gäbe noch eine weitere Dimension, der Raum wäre vierdimensional. Dann würden die von einem Punkt ausgehenden Feldlinien sich über eine vierdimensionale Kugelschale ausbreiten, deren Oberfläche mit der dritten Potenz des Radius wächst, und die Schwerkraft würde einem Gesetz der inversen dritten Potenz des Abstands gehorchen.

  1. Dieses invers kubische Gesetz beschreibt ganz sicher nicht unser Universum, aber stellen wir uns einmal vor, dass die zusätzliche Dimension zu einem kleinen Kreis mit Radius R zusammengerollt ist.
  2. Betrachten wir nun Feldlinien, die von einer fast punktförmigen Masse ausgehen.
  3. Über sehr kleine Abstände – viel kleiner als R – können die Feldlinien sich gleichförmig in alle vier Dimensionen ausbreiten, und darum ist die Schwerkraft umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Entfernung.

Haben sich die Feldlinien aber erst einmal ganz um den Kreis herum ausgebreitet, bleiben ihnen nur noch drei Dimensionen übrig. Darum ist die Kraft für Abstände, die viel größer sind als R, invers quadratisch. Entsprechendes gilt für beliebig viele Extra-Dimensionen, die alle zu Kreisen mit Radius R eingerollt sind.

  • Bei n zusätzlichen Dimensionen folgt die Schwerkraft für Entfernungen unterhalb R einem inversen Potenzgesetz mit der Potenz 2+n.
  • Weil wir die Schwerkraft nur für Entfernungen oberhalb eines Millimeters gemessen haben, würden wir Änderungen der Schwerkraft durch Extra-Dimensionen, deren Größe R weniger als ein Millimeter beträgt, gar nicht bemerken.

Zudem würde das (2+n)-Potenzgesetz bewirken, dass die Schwerkraft nicht erst bei Erreichen des herkömmlichen Planck-Maßstabs von 10E-35 Meter “stark” wird, sondern schon weit darüber. Das heißt, die Planck-Länge – definiert als die Länge, bei der die Schwerkraft stark wird – wäre nicht gar so winzig, und das Hierarchieproblem würde geringer.

Das Hierarchieproblem lässt sich sogar vollständig lösen, indem man so viele Extra-Dimensionen postuliert, dass die Planck-Skala sich in die Nähe der elektroschwachen Größenordnung verschiebt. Die endgültige Vereinigung der Gravitation mit den anderen Kräften würde dann schon bei 10E-19 Meter stattfinden und nicht erst – wie bisher angenommen – bei 10E-35 Meter.

Wie viele Dimensionen man braucht, hängt davon ab, wie groß sie sind. Wenn wir umgekehrt eine Anzahl von zusätzlichen Dimensionen vorgeben, können wir berechnen, wie groß sie sein müssen, um die Schwerkraft bei 10E-19 Meter stark zu machen. Bei nur einer zusätzlichen Dimension muss ihr Radius R etwa so groß sein wie die Entfernung zwischen Erde und Sonne.

Deshalb ist dieser Fall schon durch die Beobachtung ausgeschlossen. Doch schon zwei Extra-Dimensionen können das Hierarchieproblem lösen, wenn sie rund einen Millimeter groß sind – und genau an dieser Grenze endet unsere direkte Kenntnis der Schwerkraft. Die Dimensionen sind noch kleiner, wenn wir mehr davon nehmen: Sieben zusätzliche Dimensionen müssen nur 10E-14 Meter groß sein – so groß wie ein Uran-Kern.

Das ist für Alltagsbegriffe winzig, aber im Maßstab der Teilchenphysik immer noch riesig. Das Postulieren zusätzlicher Dimensionen mag bizarr und willkürlich scheinen, aber für Theoretiker ist es eine vertraute Idee. Schon in den zwanziger Jahren entwickelten die Physiker Theodor Kaluza (1885– 1954) und Oskar Klein (1894– 1977) eine vereinigte Theorie der Gravitation und des Elektromagnetismus, die eine zusätzliche Dimension erforderte.

  1. Die Idee kehrt in den modernen String-Theorien wieder, die aus mathematischen Gründen insgesamt 10 Raumdimensionen benötigen.
  2. Bisher haben die Physiker angenommen, dass die Extra-Dimensionen zu winzigen Kreisen von der Größe der herkömmlichen Planck-Länge – 10E-35 Meter – eingerollt sind, wodurch sie zwar verborgen bleiben, aber das Dilemma des Hierarchieproblems bestehen lassen.

Hingegen werden die zusätzlichen Dimensionen in der neuen Theorie, die wir vorschlagen, zu relativ großen Kreisen – mindestens 10E-14 Meter, maximal ein Millimeter – zusammengerollt. Wenn diese Dimensionen so groß sind, warum haben wir sie bisher noch nicht bemerkt? Millimetergroße Extra-Dimensionen wären bereits mit dem bloßen Auge und erst recht durch ein Mikroskop wahrnehmbar.

Und obwohl wir die Schwerkraft nicht unterhalb eines Millimeters gemessen haben, besitzen wir eine Fülle experimenteller Erkenntnisse über alle anderen Kräfte bei viel kürzeren Entfernungen bis hinunter zu 10E-19 Meter – und all dies lässt sich nur mit einem dreidimensionalen Raum vereinbaren. Wie kann es dann große Extra-Dimensionen geben? Die Antwort ist einfach und seltsam zugleich: Die gesamte Materie und alle uns bekannten Kräfte – mit Ausnahme der Schwerkraft – sind auf eine Art Wand im Raum der zusätzlichen Dimensionen beschränkt.

Elektronen, Protonen, Photonen und all die anderen Teilchen des Standardmodells können sich nicht in den Extra-Dimensionen bewegen; auch elektrische und magnetische Feldlinien breiten sich nicht in den höherdimensionalen Raum aus. Die Wand hat nur drei Dimensionen, und soweit es diese Teilchen betrifft, könnte das Universum ebenso gut dreidimensional sein.

  • Nur die Feldlinien der Gravitation reichen in den höherdimensionalen Raum hinaus, und nur das Graviton – das Quantenteilchen, das die Schwerkraft überträgt – vermag sich dort frei zu bewegen.
  • Das heißt, die zusätzlichen Dimensionen machen sich ausschließlich durch die Gravitation bemerkbar.
  • Was taugt die Theorie? Zur Veranschaulichung stellen wir uns alle Teilchen des Standardmodells als Kugeln auf einem unermesslich großen Billardtisch vor; soweit es sie betrifft, ist das Universum zweidimensional.

Dennoch können Bewohner dieses Billard-Universums die höherdimensionale Welt entdecken: Wenn zwei Billardkugeln zusammenstoßen, entstehen Schallwellen, die sich in allen drei Dimensionen fortpflanzen und ein wenig Energie von der Tischoberfläche verschwinden lassen.

Die Schallwellen entsprechen den Gravitonen, die sich im gesamten höherdimensionalen Raum bewegen können. Bei hochenergetischen Teilchenkollisionen sollten wir demnach gewisse Energie-Fehlbeträge beobachten, die von in höhere Dimensionen entwischten Gravitonen herrühren. Auch wenn es uns seltsam erscheinen mag, dass manche Teilchen auf eine Wand beschränkt sein sollen, sind uns ähnliche Phänomene doch vertraut.

Zum Beispiel können Elektronen in einem Kupferdraht sich nur im eindimensionalen Raum des Drahtes bewegen; sie wandern nicht in die dreidimensionale Umgebung ab. Auch Wasserwellen pflanzen sich auf der Oberfläche fort, nicht in der Tiefe. Unser spezielles Szenario, in dem alle Teilchen außer der Schwerkraft auf eine Wand beschränkt sind, folgt zwanglos aus der String-Theorie.

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Tatsächlich hängt der jüngste Durchbruch in der String-Theorie gerade mit solchen Wänden oder Membranen zusammen, so genannten “D-Branes”; dieses Kunstwort ist aus “D” für Dirichlet – ein deutscher Mathematiker des 19. Jahrhunderts, nach dem gewisse Randbedingungen für Felder benannt sind – und “Brane” von englisch membrane zusammengesetzt.

D-Branes haben genau die erforderlichen Eigenschaften: Elektronen, Photonen und andere Partikel werden durch winzige schwingende Saiten (englisch strings) beschrieben, deren beide Endpunkte an einer D-Brane haften müssen. Hingegen sind die Gravitonen winzige geschlossene String-Schleifen; sie können in allen Dimensionen umherwandern, weil sie keine Endpunkte besitzen, die in einer D-Brane verankert wären.

  • Ein guter Forscher versucht eine neue Theorie gleich zu erledigen, indem er einen Widerspruch zu bekannten experimentellen Ergebnissen findet.
  • Die Theorie der großen Extra-Dimensionen verändert die Schwerkraft bei makroskopischen Entfernungen und die übrige Physik bei hohen Energien – also sollte sie eigentlich leicht zu entkräften sein.

Doch erstaunlicherweise widerspricht diese Theorie, obwohl sie von unserem gewohnten Bild des Universums radikal abweicht, keinem bekannten experimentellen Resultat. Einige Beispiele zeigen, wie überraschend diese Schlussfolgerung ist. Man mag zunächst erwarten, dass eine Veränderung der Gravitation sich auf die von ihr zusammengehaltenen Objekte auswirkt, zum Beispiel Sterne und Galaxien.

  • Aber das ist nicht der Fall.
  • Die Schwerkraft verändert sich nur für Entfernungen unterhalb eines Millimeters, während sie einen Stern über Tausende von Kilometern hinweg zusammenhält.
  • Allgemein gesagt: Obwohl die Gravitation über kurze Distanzen durch die zusätzlichen Dimensionen verstärkt wird, holt sie die anderen Kräfte doch erst bei 10E-19 Meter ein; auf große Entfernungen bleibt sie vergleichsweise sehr schwach.

Ein viel ernsteres Problem bilden die Gravitonen, die hypothetischen Quanten der Gravitation. In unserer Theorie treten sie – wegen der auf kurze Entfernung erhöhten Schwerkraft – viel stärker mit Materie in Wechselwirkung, und darum sollten bei energiereichen Teilchenkollisionen viel mehr Gravitonen erzeugt werden.

  1. Außerdem pflanzen sie sich in sämtlichen Dimensionen fort und entführen darum Energie aus der Wand oder Membran, die unser Universum ausmacht.
  2. Wenn ein Stern kollabiert und anschließend als Supernova explodiert, können bei den hohen Temperaturen Gravitonen leicht in die Extra-Dimensionen verdampfen.
  3. Doch wie wir aus Beobachtungen der berühmten Supernova 1987A wissen, emittiert eine solche Explosion ihre Energie größtenteils in Form von Neutrinos; für einen Energieverlust durch Gravitonen bleibt kaum Spielraum.

Unser Wissen über Supernovae setzt deshalb der Wechselwirkung von Gravitonen mit Materie eine enge Grenze. Diese Einschränkung hätte der Idee der Extra-Dimensionen um ein Haar den Todesstoß versetzt; doch detaillierte Berechnungen zeigen, dass die Theorie überlebt.

Die engste Schranke gilt bei nur zwei zusätzlichen Dimensionen; in diesem Fall kühlen Gravitonen die Supernova zu stark ab, wenn der fundamentale Planck-Maßstab auf weniger als rund 50 TeV abgesenkt wird. Bei drei oder mehr Extra-Dimensionen darf diese Größe sogar nur wenige TeV betragen, ohne dass die Supernova vorzeitig erlischt.

Theoretisch sind viele andere Systeme – vom erfolgreichen Urknallmodell des frühen Universums bis zur Kollision von kosmischen Strahlen höchster Energie – darauf untersucht worden, welche Einschränkungen sie der neuen Theorie auferlegen. Die Theorie besteht all diese experimentellen Prüfungen; sie sind sogar weniger streng als die Einschränkung durch die Supernovae.

Je mehr Dimensionen zur Theorie hinzugefügt werden, desto lockerer werden die Einschränkungen: Das dramatische Anwachsen der Schwerkraft beginnt schon bei kleineren Entfernungen und hat deshalb weniger Auswirkungen auf weiträumige Prozesse. Klarheit im Jahre 2010 Die Theorie löst das Hierarchieproblem, indem sie die Gravitation im TeV-Energiebereich zu einer starken Kraft macht – gerade in dem Bereich, den die geplanten Teilchenbeschleuniger untersuchen sollen.

Demnach könnte der Large Hadron Collider (LHC), der um 2005 die Arbeit aufnehmen wird, das Wesen der Quantengravitation enthüllen. Falls die String-Theorie die Quantengravitation richtig beschreibt, gleichen die Teilchen winzigen String-Schleifen, die wie eine Violinsaite schwingen können.

Die bekannten fundamentalen Teilchen entsprechen einem String, das nicht schwingt – einer nicht gestrichenen Saite. Jeder unterschiedliche Ton, den die schwingende Saite hervorzubringen vermag, entspricht in diesem Bild einem neuen exotischen Teilchen. Gemäß der herkömmlichen String-Theorie sollen die Strings nur etwa 10E-35 Meter groß sein, und die neuen Teilchen hätten Massen von der Größenordnung der herkömmlichen Planck-Energie.

Die Musik dieser Saiten wäre gleichsam zu schrill, als dass wir sie mit unseren Beschleunigern hören könnten. Aber bei großen Extra-Dimensionen sind die Strings viel länger, nämlich rund 10E-19 Meter, und die neuen Teilchen können bereits bei einigen TeV auftreten – tief genug, um sie mit dem LHC zu hören.

  1. Ebenso wären Energien experimentell erreichbar, bei denen Teilchenkollisionen mikroskopische Schwarze Löcher erzeugen.
  2. Diese Gebilde wären mit rund 10E-19 Meter Durchmesser zu klein, um Probleme zu schaffen; sie würden Energie in Form so genannter Hawking-Strahlung emittieren und in weniger als 10E-27 Sekunden verdampfen.

Durch Beobachten solcher Phänomene ließe sich die rätselhafte Quantenphysik Schwarzer Löcher unmittelbar erforschen. Selbst bei Energien, die zu gering sind, um schwingende Strings oder Schwarze Löcher zu erzeugen, produzieren die Teilchenzusammenstöße große Mengen von Gravitonen – ein in herkömmlichen Theorien unerheblicher Vorgang.

  1. Experimentell sind die emittierten Gravitonen nicht direkt nachweisbar, doch die von ihnen abtransportierte Energie würde sich als Energiedefizit der Kollisionstrümmer offenbaren.
  2. Die Theorie sagt bestimmte Eigenschaften der fehlenden Energie voraus – etwa, wie sie mit der Kollisionsenergie variiert.

Somit ließe sich die Gravitonenerzeugung von anderen Prozessen unterscheiden, die in Form unsichtbarer Teilchen Energie wegschaffen. Bereits jetzt schränken die Daten der stärksten Hochenergie-Beschleuniger das Szenario der großen Extra-Dimensionen etwas ein.

Die Experimente am LHC sollten entweder Anzeichen für Gravitonen finden oder, falls nicht, die Theorie widerlegen. Auch eine ganz andere Art von Experimenten könnte die Theorie untermauern, vielleicht sogar früher als die Teilchenbeschleuniger. Wie wir wissen, müssen zwei Extra-Dimensionen rund ein Millimeter groß sein, um das Hierarchieproblem zu lösen.

Dann würden Schwerkraftmessungen bei Millimeterabständen einen Übergang des Newtonschen invers quadratischen Gesetzes zu einem Gesetz mit der inversen vierten Potenz des Abstands aufzeigen. Erweiterungen der grundlegenden Theorie führen zu zahlreichen anderen möglichen Abweichungen vom Newtonschen Gesetz; am interessantesten sind dabei abstoßende Kräfte, die mehr als eine Million Mal stärker als die Schwerkraft wirken, wenn zwei Teilchen weniger als ein Millimeter voneinander entfernt sind.

  1. Derzeit überprüfen extrem empfindliche Detektoren, die auf einem Labortisch Platz haben, das Newtonsche Gravitationsgesetz im Bereich von Zentimetern bis zu einigen Hundertstel Millimetern.
  2. Um die Schwerkraft unterhalb von Millimeterabständen zu testen, dürfen die Objekte nicht viel größer als ein Millimeter sein; darum haben sie nur sehr geringe Massen.

Man muss zahlreiche Effekte sehr sorgfältig abschirmen – etwa elektrostatische Restladungen, welche die winzige Gravitationsanziehung überdecken oder imitieren. Solche Experimente sind schwierig und subtil, aber auch ungeheuer spannend, denn sie könnten eine völlig neue Physik enthüllen.

Selbst unabhängig von der Suche nach zusätzlichen Dimensionen ist es wichtig, unsere unmittelbare Kenntnis der Schwerkraft auf diese kurzen Entfernungen zu erweitern. Drei Forscher führen zur Zeit solche Experimente durch: John Price von der Universität von Colorado, Aharon Kapitulnik von der Stanford-Universität und Eric G.

Adelberger von der Universität von Washington. Sie erwarten noch in diesem Jahr vorläufige Resultate. Die Idee der zusätzlichen Dimensionen setzt eigentlich die Tradition unseres kopernikanischen Weltbilds fort: Die Erde ist nicht das Zentrum des Sonnensystems, die Sonne ist nicht das Zentrum unserer Galaxis, unsere Galaxis ist bloß eine unter Milliarden in einem Universum ohne Mittelpunkt – und nun bildet unser ganzes dreidimensionales Universum nur eine dünne Membran in einem Raum mit vielen Dimensionen.

  1. Wenn wir Schnitte durch die Extra-Dimensionen betrachten, nimmt unser Universum darin nur einen einzigen, unendlich kleinen Punkt ein, umgeben von Leere.
  2. Aber vielleicht ist das nicht die ganze Wahrheit.
  3. So wie die Milchstraße nicht die einzige Galaxie im Universum ist, ist unser Universum in den Extra-Dimensionen vielleicht nicht allein.

Die Membranen anderer dreidimensionaler Universen könnten parallel zu unserem liegen, in den Extra-Dimensionen nur ein Millimeter von uns entfernt. Und obwohl alle Teilchen des Standardmodells in unserem Membran-Universum gefangen sind, könnten sich außer den Gravitonen noch weitere Teilchen, die nicht zum Standardmodell gehören, durch die Extra-Dimensionen fortpflanzen.

Weit davon entfernt, leer zu sein, weisen die zusätzlichen Dimensionen möglicherweise eine Vielfalt interessanter Strukturen auf. Die Effekte neuer Teilchen und Universen in den Extra-Dimensionen lösen vielleicht viele Rätsel der Teilchenphysik und Kosmologie. Sie könnten zum Beispiel für die Neutrinomasse verantwortlich sein.

Eindrucksvolle neue Ergebnisse des Super-Kamiokande-Experiments in Japan zeigen an, dass die Neutrinos, die lange als masselos galten, eine winzige Masse besitzen (siehe “Der Neutrinomasse auf der Spur” von Edward Kearns, Takaaki Kajita und Yoji Totsuka, Spektrum der Wissenschaft 10/1999, S.44).

  1. Das Neutrino könnte seine Masse durch Wechselwirkung mit einem Partnerfeld in den Extra-Dimensionen erlangen.
  2. Wie bei der Schwerkraft wäre die Wechselwirkung sehr stark verdünnt – und die Neutrinomasse winzig –, weil der Partner sich durch die Extra-Dimensionen ausbreitet.
  3. Ein weiteres Rätsel der Kosmologie ist die Frage, woraus die dunkle Materie besteht: die unsichtbare, nur durch ihre Schwereanziehung kenntliche Substanz, die mehr als 90 Prozent der Masse des Universums auszumachen scheint.

Vielleicht hält sie sich in Parallel-Universen auf. Eine solche Materie würde unser Universum durch die Schwerkraft beeinflussen; sie wäre notwendigerweise “dunkel”, denn unsere Art Photonen ist unwiderruflich in unserer Membran gefangen, und darum vermag niemals Licht durch die Leere zu dringen, die uns von der Parallelmaterie trennt.

  • Solche Parallel-Universen sind vielleicht völlig verschieden von unserem: Sie bestehen aus einer Membran mit weniger oder mehr Dimensionen und enthalten ganz andere Teilchen und Kräfte.
  • Oder noch seltsamer, sie haben sogar dieselben Eigenschaften wie unsere Welt.
  • Angenommen, unsere Heimatmembran ist in den Extra-Dimensionen mehrfach gefaltet.

Objekte auf einer gegenüber liegenden Falte scheinen dann sehr weit entfernt zu liegen, obwohl sie in den Extra-Dimensionen weniger als ein Millimeter von uns trennt: Das von ihnen emittierte Licht muss bis zu uns den gesamten Umweg durch die Falte nehmen.

  • Wenn die Falte einige zehn Milliarden Lichtjahre groß ist, hat uns seit Beginn des Universums kein Lichtstrahl von der anderen Seite erreicht.
  • Die rätselhafte dunkle Materie könnte aus ganz normaler Materie bestehen, vielleicht sogar aus gewöhnlichen Sternen und Galaxien, die auf ihrer Seite der Falte hell strahlen.

Solche Sterne würden interessante beobachtbare Effekte erzeugen – etwa Gravitationswellen, die von Supernovae und anderen heftigen astrophysikalischen Prozessen stammen. Die Gravitationswellen-Detektoren, die in einigen Jahren fertig gestellt werden sollen, könnten Anzeichen für Falten finden: große Quellen von Gravitationsstrahlung, denen sich in unserem Universum keine sichtbare Materie zuordnen lässt.

  1. Die hier präsentierte Theorie ist nicht die erste mit zusätzlichen Dimensionen, die größer als 10E-35 Meter sind.
  2. Ignatios Antoniadis von der École Polytechnique in Frankreich hat 1990 vorgeschlagen, dass einige Dimensionen der String-Theorie bis zu 10E-19 Meter groß sein könnten, aber er beließ den Maßstab der Quantengravitation bei 10E-35 Meter.

Und 1996 haben Petr Horava vom California Institute of Technology und Edward Witten vom Institute for Advanced Study in Princeton (New Jersey) darauf hingewiesen, dass eine einzige Extra-Dimension von 10E-30 Meter Größe die Gravitation mit den anderen Kräften vereinigen könnte, und zwar im Rahmen einer supersymmetrischen Vereinigung bei 10E-32 Meter.

  • Unser Universum: nur eines unter vielen?
  • Literaturhinweise

Seit unserem Vorschlag aus dem Jahre 1998 sind mehrere interessante Varianten erschienen, die ebenfalls Extra-Dimensionen und unser Membran-Universum benutzen. So nehmen Lisa Randall von der Princeton University und Raman Sundrum von der Stanford University an, dass die Schwerkraft selbst auf einer Membran in einer fünfdimensionalen Raum-Zeit konzentriert ist, die in allen Richtungen unendlich ist.

  1. Die Schwerkraft erscheint in unserem Universum naturgemäß sehr schwach, wenn wir uns auf einer anderen Membran befinden.
  2. Zwanzig Jahre lang war es üblich, das Hierarchieproblem und somit die Schwäche der Schwerkraft durch die Annahme zu erklären, die Planck-Skala bei 10E-35 Meter sei Grundlage jeder Theorie, und die Teilchenphysik müsse sich bei 10E-19 Meter ändern.

Die Quantengravitation blieb pure Spekulation und hoffnungslos jenseits der Reichweite von Experimenten. In den letzten beiden Jahren haben wir erkannt, dass dies nicht unbedingt der Fall sein muss. Wenn es große zusätzliche Dimensionen gibt, könnten wir in den nächsten Jahren bei etwa 6 x 10E-5 Meter gewisse Abweichungen vom Newtonschen Gesetz entdecken sowie mit Hilfe des LHC Stringvibrationen oder winzige Schwarze Löcher.

Quantengravitation und String-Theorie würden Teil der experimentell überprüfbaren Wissenschaft. Jedenfalls werden wir um 2010 der Antwort auf die 300 Jahre alte Frage näher kommen, warum die Gravitation so schwach ist. Vielleicht finden wir uns dann in einem seltsamen Flachland wieder – in einem Membran-Universum, wo die Quantengravitation zum Greifen nahe liegt.

Das elegante Universum. Superstrings, verborgene Dimensionen und die Suche nach der Weltformel. Von Brian Greene. Siedler, Berlin 2000. Neue Welttheorien: von Strings zu Membranen. Von M. Duff in: Spektrum der Wissenschaft 4/1998, S.62. Flatland. A Romance of Many Dimensions.

  1. Kurz gefasst
  2. Dimensionen

Unser Universum hat offenbar vier Dimensionen: drei räumliche und eine zeitliche. Doch Mathematiker und Physiker erforschen schon seit langem die Eigenschaften von abstrakten Räumen mit beliebig vielen Dimensionen. Die “Größe” von Dimensionen Die vier bekannten Raum-Zeit-Dimensionen unseres Universums sind riesig.

  • Die Dimension der Zeit erstreckt sich mindestens 13 Milliarden Jahre in die Vergangenheit und vielleicht unendlich weit in die Zukunft.
  • Die drei Raumdimensionen sind vielleicht unendlich; unsere Teleskope erfassen Objekte, die mehr als 12 Milliarden Lichtjahre entfernt sind.
  • Dimensionen können aber auch endlich sein.

Zum Beispiel erreichen die zwei Dimensionen der Erdoberfläche nur etwa 40000 Kilometer. Kleine Extra-Dimensionen Einige moderne physikalische Theorien postulieren zusätzliche reale Dimensionen, die zu so winzigen Kreisen zusammengerollt sind – vielleicht mit nur 10E-35 Meter Radius –, dass wir sie noch nicht entdeckt haben.

  • Ein Baumwollfaden ist in guter Näherung eindimensional: Eine einzige Zahl vermag anzugeben, wo auf dem Faden eine Ameise sitzt.
  • Doch unter dem Mikroskop sehen wir Staubmilben auf der zweidimensionalen Oberfläche des Fadens krabbeln – entlang der großen Längendimension sowie der kleinen Umfangsdimension.

Große Extra-Dimensionen Kürzlich haben Physiker erkannt, dass es millimetergroße und dennoch unsichtbare Extra-Dimensionen geben könnte. Überraschenderweise steht diese Theorie nicht im Widerspruch zu bisher bekannten experimentellen Fakten, und sie könnte einige Rätsel der Teilchenphysik und Kosmologie klären.

Demnach wäre unser gesamtes räumliches Uni-versum – mit Ausnahme der Gravitation – in einer Membran gefangen wie Billardkugeln auf einem zweidimensionalen Spieltisch. Dimensionen und Gravitation Das Verhalten der Schwerkraft – insbesondere ihre Stärke – hängt eng mit der Anzahl der ihr zugänglichen Dimensionen zusammen.

Gravitationsmessungen über Entfernungen unterhalb eines Millimeters – solche Experi-mente sind zur Zeit im Gange – könnten demnach große Extra-Dimensionen enthüllen. Diese Dimensionen würden auch hypothetische Objekte der Quantengravitation in greifbare Nähe rücken.Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 2000, Seite 44© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH : Theoretische Physik: Die unsichtbaren Dimensionen des Universums

Kann es Parallelwelten geben?

Multiversum heißt diese Vielfalt von Paralleluniversen. Auch einige Quantenphysiker und Kosmologen glauben in ihren Theorien Hinweise auf Parallelwelten zu entdecken. Das Multiversum ist bislang jedoch nichts als eine Spekulation. Niemand weiß, ob man die Hypothese jemals überprüfen oder widerlegen kann.

Woher weiß man wie das Universum aussieht?

Woher wissen wir, wie die Milchstraße von “außen” aussieht, wenn wir doch mittendrin sind? Manchmal sieht man Bilder, die unsere Milchstraße von außen zeigen. Doch hier handelt sich nie um „Originalaufnahmen”. Es sind allenfalls mehr oder weniger realistische Projektionen auf der Basis dessen, was die Astronomie heute über die Verteilung der Sterne weiß.

  • So wie die Menschen schon vor dem Satellitenzeitalter Landkarten zeichnen konnten, ohne dass sie die Erde „von oben” hätten sehen können.
  • Um solche Karten zu zeichnen, genügen ja die Informationen, die man auf der Erde sammelt.
  • So ist das mit der Milchstraße auch.
  • Astronomen können in den Himmel blicken, sie können die Sterne und ihre jeweiligen Entfernungen von der Erde bestimmen.

Mit diesen Informationen können sie Himmelskarten zeichnen und mithilfe von Computern ausrechnen, wie die Milchstraße von außen aussehen müsste. Aber fotografiert hat das natürlich noch niemand – außer vielleicht außerirdische Zivilisationen, von denen wir aber noch nichts wissen.

Wie hat man herausgefunden dass sich das Universum ausdehnt?

Wie wird das Alter des Universums berechnet? Die wichtigste Entdeckung, die wir je gemacht haben über die Entwicklung des Universums, war die von Edwin Hubble. Die stammt von 1928/1929 und besagt, dass sich der Raum im Universum ausbreitet. Der Abstand zwischen den Galaxien vergrößert sich also immer weiter.

Woher kennt man die Größe des Universums?

Das Universum Das Universum ist alles, was wir anfassen, fühlen, wahrnehmen, messen oder erkennen können. Dazu gehören Lebewesen, Planeten, Sterne, Galaxien, Staubwolken, Licht und sogar die Zeit. Vor der Geburt des Universums gab es weder Zeit noch Raum oder Materie.

  • Das Universum umfasst Milliarden von Galaxien, von welchen jede einzelne Millionen oder Milliarden Sterne enthält.
  • Der Raum zwischen den Sternen und Galaxien ist größtenteils leer.
  • Doch selbst an weit von Sternen und Planeten entfernten Orten befinden sich vereinzelte Staubteilchen oder einige wenige Wasserstoffatome pro Kubikzentimeter.

Der Weltraum ist auch von Strahlung (z.B. Licht und Wärme), Magnetfeldern und sehr energiereichen Teilchen (z.B. kosmischen Strahlen) erfüllt. Das Universum ist unvorstellbar groß. Ein modernes Kampfflugzeug bräuchte mehr als eine Million Jahre, um den der Sonne nächsten Stern zu erreichen.

Selbst mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km pro Sekunde) würde es 100.000 Jahre dauern, nur unsere Milchstraßengalaxie zu durchqueren. Niemand kennt die genaue Größe des Universums, da wir den Rand nicht sehen können – wenn es denn überhaupt einen gibt. Wir wissen lediglich, dass das sichtbare Universum mindestens 93 Milliarden Lichtjahre im Durchmesser groß ist.

(Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt – das sind etwa neun Billionen Kilometer.) Das Universum hat nicht immer die gleiche Größe gehabt. Die Wissenschaftler glauben, dass es mit dem Urknall begann, der vor fast 14 Milliarden Jahren stattgefunden hat.

Wie viel weiß man über das Universum?

James Peebles und das Echo des Urknalls – Auch der Amerikaner James Peebles von der Princeton University, der die andere Hälfte des Physik-Nobelpreises bekommt, hat es mit vielen offenen Fragen zu tun. Der heute 84-Jährige ist theoretischer Physiker, und er wird geehrt für jene Beiträge, die er zum Verständnis des grossen Ganzen geleistet hat.

  • Er habe das Fundament dazu gelegt, dass sich unsere Vorstellung vom Kosmos «von der Spekulation zur Wissenschaft» entwickelt habe, erklärt das Nobelkomitee.
  • Peebles hat zum Beispiel in den Sechzigerjahren des vergangenen Jahrhunderts vorhergesagt, dass als Fernwirkung des sogenannten Urknalls vor rund 14 Milliarden Jahren eine ganz schwache Hintergrundstrahlung übrig sein muss – die dann wenige Jahre später auch tatsächlich gemessen werden konnte.

Schon früh hat er sich mit Galaxienbildung beschäftigt, und dabei jene Auffassung bestätigt gefunden, dass es im Universum eine grosse Menge unerkannter, deshalb auch «dunkel» genannter Materie gibt. Heute weiss man: Nur fünf Prozent dieses Universums sind uns bekannt, es sind jene Sterne und Planeten, die wir erkennen können.