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Das Universum

Was ist das Universum? Das ist eine ungeheuer geladene Frage! Egal, aus welchem ​​Blickwinkel man diese Frage beantwortet, man könnte Jahre damit verbringen, diese Frage zu beantworten und dabei kaum an der Oberfläche kratzen. In Bezug auf Zeit und Raum ist es unergründlich groß (und möglicherweise sogar unendlich) und für menschliche Verhältnisse unglaublich alt. Es im Detail zu beschreiben, ist daher eine monumentale Aufgabe. Aber wir hier bei Universe Today sind entschlossen, es zu versuchen!

Was also ist das Universum? Nun, die kurze Antwort ist, dass es die Summe aller Existenzen ist. Es ist die Gesamtheit von Zeit, Raum, Materie und Energie, die vor etwa 13,8 Milliarden Jahren begann und sich seither immer weiter ausdehnte. Niemand ist sich ganz sicher, wie umfangreich das Universum wirklich ist, und niemand ist sich ganz sicher, wie alles enden wird. Aber die kontinuierliche Forschung und das Studium haben uns im Laufe der Menschheitsgeschichte viel gelehrt.

Definition:

Der Begriff „das Universum“ leitet sich vom lateinischen „universum“ ab, mit dem der römische Staatsmann Cicero und spätere römische Autoren die Welt und den Kosmos, wie sie ihn kannten, bezeichneten. Diese bestand aus der Erde und allen darin lebenden Lebewesen sowie dem Mond, der Sonne, den damals bekannten Planeten (Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn) und den Sternen.

Beleuchtete Illustration der ptolemäischen geozentrischen Weltauffassung des portugiesischen Kosmographen und Kartographen Bartolomeu Velho (?-1568) in seinem Werk Cosmographia (1568). Bildnachweis: Biblotèque nationale de France, Paris



Der Begriff „Kosmos“ wird oft synonym mit dem Universum verwendet. Es leitet sich vom griechischen Wort abKosmos, was wörtlich „die Welt“ bedeutet. Andere Wörter, die häufig verwendet werden, um die Gesamtheit der Existenz zu definieren, sind „Natur“ (abgeleitet vom germanischen Wortnatur) und das englische Wort „everything“, dessen Verwendung in der wissenschaftlichen Terminologie erkennbar ist – d.h. „ Theorie von allem “ (ZEHE).

Heute wird dieser Begriff oft verwendet, um sich auf alle Dinge zu beziehen, die im bekannten Universum existieren – das Sonnensystem, die Milchstraße und alle bekannten Galaxien und Überstrukturen. Im Kontext der modernen Wissenschaft, Astronomie und Astrophysik bezieht es sich auch auf die gesamte Raumzeit, alle Energieformen (d. h. elektromagnetische Strahlung und Materie) und die sie verbindenden physikalischen Gesetze.

Ursprung des Universums:

Der aktuelle wissenschaftliche Konsens ist, dass sich das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren von einem Punkt mit superhoher Materie- und Energiedichte aus ausgedehnt hat. Diese Theorie, bekannt als die Urknalltheorie , ist nicht das einzige kosmologische Modell zur Erklärung der Ursprünge des Universums und seiner Entwicklung – zum Beispiel gibt es das Steady-State-Theorie oder der Theorie des oszillierenden Universums .

Es ist jedoch das am weitesten verbreitete und beliebteste. Dies liegt daran, dass allein die Urknalltheorie in der Lage ist, den Ursprung aller bekannten Materie, die Gesetze der Physik und die großräumige Struktur des Universums zu erklären. Es erklärt auch die Expansion des Universums, die Existenz der Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund , und eine breite Palette anderer Phänomene.

Illustration der Urknalltheorie

The Big Bang Theory: Eine Geschichte des Universums, die von einer Singularität ausgeht und sich seitdem ausdehnt. Bildnachweis: grandunificationtheory.com

Ausgehend vom aktuellen Zustand des Universums haben Wissenschaftler die Theorie aufgestellt, dass es an einem einzigen Punkt unendlicher Dichte und endlicher Zeit entstanden sein muss, der sich auszudehnen begann. Nach der anfänglichen Expansion behauptet die Theorie, dass das Universum ausreichend abgekühlt ist, um die Bildung subatomarer Teilchen und später einfacher Atome zu ermöglichen. Riesige Wolken dieser Urelemente verschmolzen später durch die Schwerkraft zu Sternen und Galaxien.



Dies alles begann vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren und wird daher als das Alter des Universums angesehen. Durch das Testen theoretischer Prinzipien, Experimente mit Teilchenbeschleunigern und hochenergetischen Zuständen und astronomische Studien, die das tiefe Universum beobachtet haben, haben Wissenschaftler eine Zeitleiste von Ereignissen erstellt, die mit dem Urknall begann und zum aktuellen Stand der kosmischen Evolution geführt hat .

Die frühesten Zeiten des Universums – dauerten jedoch etwa 10-43bis 10-elfSekunden nach dem Urknall – sind Gegenstand umfangreicher Spekulationen. Angesichts der Tatsache, dass die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, zu diesem Zeitpunkt noch nicht existiert haben können, ist es schwer vorstellbar, wie das Universum regiert werden könnte. Darüber hinaus stecken Experimente, die die Arten von Energien erzeugen können, noch in den Kinderschuhen.

Dennoch herrschen viele Theorien darüber vor, was in diesem ersten Moment geschah, von denen viele kompatibel sind. In Übereinstimmung mit vielen dieser Theorien kann der Augenblick nach dem Urknall in die folgenden Zeitabschnitte unterteilt werden: die Singularitätsepoche, die Inflationsepoche und die Abkühlungsepoche.

Auch bekannt als die Planck-Epoche (oder Planck-Ära) war die Singularitätsepoche die früheste bekannte Periode des Universums. Zu dieser Zeit war alle Materie an einem einzigen Punkt von unendlicher Dichte und extremer Hitze kondensiert. Während dieser Zeit wird angenommen, dass die Quanteneffekte der Gravitation die physikalischen Wechselwirkungen dominierten und dass keine anderen physikalischen Kräfte von gleicher Stärke wie die Gravitation waren.

Diese Planck-Zeit erstreckt sich von Punkt 0 bis ungefähr 10-43Sekunden und wird so genannt, weil sie nur in der Planck-Zeit gemessen werden kann. Aufgrund der extremen Hitze und Dichte der Materie war der Zustand des Universums sehr instabil. So begann es sich auszudehnen und abzukühlen, was zur Manifestation der fundamentalen Kräfte der Physik führte. Ab ca. 10-43zweite und 10-36, begann das Universum die Übergangstemperaturen zu überschreiten.

Es wird angenommen, dass hier die fundamentalen Kräfte, die das Universum regieren, begonnen haben, sich voneinander zu trennen. Der erste Schritt dabei war die Trennung der Gravitationskraft von den Eichkräften, die für starke und schwache Kernkräfte und Elektromagnetismus verantwortlich sind. Dann ab 10-36bis 10-32Sekunden nach dem Urknall war die Temperatur des Universums niedrig genug (1028K) dass auch Elektromagnetismus und schwache Kernkraft sich trennen konnten.

Mit der Erschaffung der ersten fundamentalen Kräfte des Universums begann die Inflationsepoche, die vom 10-32Sekunden in der Planck-Zeit zu einem unbekannten Punkt. Die meisten kosmologischen Modelle legen nahe, dass das Universum zu diesem Zeitpunkt homogen mit einer hohen Energiedichte gefüllt war und dass die unglaublich hohen Temperaturen und der Druck zu einer schnellen Expansion und Abkühlung führten.

Dies begann um 10-37Sekunden, wo der Phasenübergang, der zur Trennung der Kräfte führte, auch zu einer Periode führte, in der das Universum exponentiell wuchs. Zu diesem Zeitpunkt trat auch die Baryogenese auf, die sich auf ein hypothetisches Ereignis bezieht, bei dem die Temperaturen so hoch waren, dass die zufälligen Bewegungen der Teilchen mit relativistischen Geschwindigkeiten auftraten.

Infolgedessen wurden kontinuierlich Teilchen-Antiteilchen-Paare aller Art erzeugt und bei Kollisionen zerstört, was vermutlich zur Vorherrschaft von Materie gegenüber Antimaterie im gegenwärtigen Universum geführt hat. Nachdem die Inflation aufgehört hatte, bestand das Universum aus einem Quark-Gluon-Plasma sowie allen anderen Elementarteilchen. Von diesem Punkt an begann sich das Universum abzukühlen und die Materie verschmolz und formte sich.

Als das Universum an Dichte und Temperatur weiter abnahm, begann die Abkühlungsepoche. Diese war dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Teilchen abnahm und Phasenübergänge anhielten, bis die Grundkräfte der Physik und Elementarteilchen in ihre heutige Form übergingen. Da die Teilchenenergien auf Werte abgesunken wären, die durch Teilchenphysik-Experimente gewonnen werden können, ist ab diesem Zeitraum weniger spekuliert.

Wissenschaftler glauben beispielsweise, dass etwa 10-elfSekunden nach dem Urknall sank die Teilchenenergie erheblich. Bei etwa 10-6Sekunden kombinierten sich Quarks und Gluonen zu Baryonen wie Protonen und Neutronen, und ein kleiner Überschuss an Quarks gegenüber Antiquarks führte zu einem kleinen Überschuss an Baryonen gegenüber Antibaryonen.

Da die Temperaturen nicht hoch genug waren, um neue Proton-Antiproton-Paare (oder Neutron-Anit-Neutron-Paare) zu erzeugen, folgte sofort die Massenvernichtung, sodass nur noch eines von 10 . übrig blieb10der ursprünglichen Protonen und Neutronen und keiner ihrer Antiteilchen. Ein ähnlicher Prozess geschah etwa 1 Sekunde nach dem Urknall für Elektronen und Positronen.

Nach diesen Annihilationen bewegten sich die restlichen Protonen, Neutronen und Elektronen nicht mehr relativistisch und die Energiedichte des Universums wurde von Photonen – und in geringerem Maße von Neutrinos – dominiert. Ein paar Minuten nach der Expansion begann auch die Periode, die als Urknall-Nukleosynthese bekannt ist.

Dank der Temperaturen, die auf 1 Milliarde Kelvin fielen, und der Energiedichten, die auf etwa das Äquivalent von Luft sanken, begannen Neutronen und Protonen, sich zu verbinden, um das erste Deuterium (ein stabiles Wasserstoffisotop) und Heliumatome des Universums zu bilden. Die meisten Protonen des Universums blieben jedoch unverbunden als Wasserstoffkerne.

Nach etwa 379.000 Jahren verbanden sich Elektronen mit diesen Kernen zu Atomen (wiederum meist Wasserstoff), während sich die Strahlung von der Materie entkoppelte und sich weitgehend ungehindert durch den Weltraum ausbreitete. Diese Strahlung ist heute bekannt als das, was die Kosmischer Mikrowellen-Hintergrund (CMB), das heute das älteste Licht im Universum ist.

Als sich das CMB ausdehnte, verlor es allmählich an Dichte und Energie und wird derzeit auf eine Temperatur von 2,7260 ± 0,0013 K (-270,424 °C/-454,763 °F) und eine Energiedichte von 0,25 eV/cm . geschätzt3(oder 4.005×10-14J/m3; 400–500 Photonen/cm3). Der CMB ist in einer Entfernung von etwa 13,8 Milliarden Lichtjahren in alle Richtungen zu sehen, aber Schätzungen seiner tatsächlichen Entfernung beziffern ihn auf etwa 46 Milliarden Lichtjahre vom Zentrum des Universums.

Entwicklung des Universums:

Im Laufe der folgenden mehreren Milliarden Jahre begannen sich die etwas dichteren Bereiche der Materie des Universums (die fast gleichmäßig verteilt war) gravitativ anzuziehen. Daher wurden sie noch dichter und bildeten Gaswolken, Sterne, Galaxien und die anderen astronomischen Strukturen, die wir heute regelmäßig beobachten.

Dies ist die sogenannte Strukturepoche, da in dieser Zeit das moderne Universum Gestalt annahm. Diese bestand aus sichtbarer Materie, die in Strukturen unterschiedlicher Größe (d. h. Sterne und Planeten zu Galaxien, Galaxienhaufen und Superhaufen) verteilt war, in denen die Materie konzentriert ist und die durch riesige Abgründe mit wenigen Galaxien getrennt sind.

Die Details dieses Prozesses hängen von der Menge und Art der Materie im Universum ab. Kalte dunkle Materie, warme dunkle Materie, heiße dunkle Materie und baryonische Materie sind die vier vorgeschlagenen Typen. Allerdings ist die Lambda-kalte dunkle Materie Modell (Lambda-CDM), bei dem sich die Teilchen der Dunklen Materie langsam im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit bewegten, gilt als das Standardmodell der Urknall-Kosmologie, da es am besten zu den verfügbaren Daten passt.

In diesem Modell wird geschätzt, dass kalte dunkle Materie etwa 23% der Materie/Energie des Universums ausmacht, während baryonische Materie etwa 4,6% ausmacht. Das Lambda bezieht sich auf die Kosmologische Konstante , eine Theorie, die ursprünglich von vorgeschlagen wurde Albert Einstein die versuchten zu zeigen, dass das Gleichgewicht von Masse-Energie im Universum statisch bleibt.

In diesem Fall ist es verbunden mit dunkle Energie , die dazu diente, die Expansion des Universums zu beschleunigen und seine großräumige Struktur weitgehend einheitlich zu halten. Die Existenz dunkler Energie basiert auf mehreren Beweislinien, die alle darauf hindeuten, dass das Universum von ihr durchdrungen ist. Basierend auf Beobachtungen wird geschätzt, dass 73 % des Universums aus dieser Energie besteht.

Während der frühesten Phasen des Universums, als die gesamte baryonische Materie dichter beieinander war, herrschte die Schwerkraft vor. Doch nach Milliarden von Jahren der Expansion führte die wachsende Fülle an Dunkler Energie dazu, dass sie begann, die Wechselwirkungen zwischen Galaxien zu dominieren. Dies löste eine Beschleunigung aus, die als kosmische Beschleunigungsepoche bekannt ist.

Wann diese Periode begann, ist umstritten, aber es wird geschätzt, dass sie ungefähr 8,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall (vor 5 Milliarden Jahren) begann. Kosmologen verlassen sich sowohl auf die Quantenmechanik als auch auf Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, um den Prozess der kosmischen Evolution zu beschreiben, der in dieser Zeit und zu jeder Zeit nach der Inflationsepoche stattfand.

Durch einen rigorosen Beobachtungs- und Modellierungsprozess haben Wissenschaftler festgestellt, dass diese Evolutionsperiode mit Einsteins Feldgleichungen übereinstimmt, obwohl die wahre Natur der Dunklen Energie illusorisch bleibt. Darüber hinaus gibt es keine gut gestützten Modelle, die in der Lage sind, zu bestimmen, was im Universum vor der Zeit vor dem 10-fünfzehnSekunden nach dem Urknall.

Laufende Experimente mit dem Large Hadron Collider (LHC) des CERN zielen jedoch darauf ab, die Energiebedingungen wiederherzustellen, die während des Urknalls bestanden hätten Standardmodell .

Alle Durchbrüche in diesem Bereich werden wahrscheinlich zu einer einheitlichen Theorie der Quantengravitation führen, in der Wissenschaftler endlich verstehen werden, wie die Gravitation mit den drei anderen fundamentalen Kräften der Physik – Elektromagnetismus, schwache Kernkraft und starke Kernkraft – interagiert. Dies wiederum wird uns auch helfen zu verstehen, was in den frühesten Epochen des Universums wirklich geschah.

Struktur des Universums:

Die tatsächliche Größe, Form und großräumige Struktur des Universums ist Gegenstand laufender Forschung. Während das älteste Licht im Universum, das beobachtet werden kann, 13,8 Milliarden Lichtjahre entfernt ist (die CMB), entspricht dies nicht der tatsächlichen Ausdehnung des Universums. Angesichts der Tatsache, dass sich das Universum seit Milliarden von Jahren in einem Expansionszustand befindet und bei Geschwindigkeiten, die die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, reicht die tatsächliche Grenze weit über das hinaus, was wir sehen können.

Unsere aktuellen kosmologischen Modelle zeigen, dass das Universum einen Durchmesser von etwa 91 Milliarden Lichtjahren (28 Milliarden Parsec) hat. Mit anderen Worten, das beobachtbare Universum erstreckt sich von unserem Sonnensystem bis zu einer Entfernung von etwa 46 Milliarden Lichtjahren in alle Richtungen nach außen. Da der Rand des Universums jedoch nicht beobachtbar ist, ist noch nicht klar, ob das Universum tatsächlich einen Rand hat. Soweit wir wissen, geht es ewig weiter!

Diagramm, das das Lambda-CBR-Universum vom Urknall bis zur heutigen Zeit zeigt. Bildnachweis: Alex Mittelmann/Coldcreation

Innerhalb des beobachtbaren Universums ist Materie stark strukturiert verteilt. Innerhalb von Galaxien besteht dies aus großen Konzentrationen – also Planeten, Sternen und Nebeln – durchsetzt mit großen Flächen des leeren Raums (also dem interplanetaren Raum und dem interstellaren Medium).

In größeren Maßstäben ist es ähnlich, da Galaxien durch Raumvolumina getrennt sind, die mit Gas und Staub gefüllt sind. Im größten Maßstab, wo Galaxienhaufen und Superhaufen existieren, hast du ein feines Netzwerk großräumiger Strukturen, bestehend aus dichten Materiefilamenten und gigantischen kosmischen Hohlräumen.

In Bezug auf seine Form , Raumzeit kann in einer von drei möglichen Konfigurationen existieren – positiv gekrümmt, negativ gekrümmt und flach. Diese Möglichkeiten basieren auf der Existenz von mindestens vier Dimensionen der Raumzeit (einer x-Koordinate, einer y-Koordinate, einer z-Koordinate und der Zeit) und hängen von der Natur der kosmischen Expansion ab und davon, ob das Universum ist endlich oder unendlich.

Ein positiv gekrümmtes (oder geschlossenes) Universum würde einer vierdimensionalen Kugel ähneln, die im Raum endlich und ohne erkennbare Kante wäre. Ein negativ gekrümmtes (oder offenes) Universum würde wie ein vierdimensionaler „Sattel“ aussehen und hätte keine räumlichen oder zeitlichen Grenzen.

Verschiedene mögliche Formen des beobachtbaren Universums – wo Masse/Energiedichte zu hoch ist; zu niedrig – oder genau richtig, so dass die euklidische Geometrie, bei der sich die drei Winkel eines Triables zu 180 Grad addieren, ergibt. Quelle: Wikipedia Commons

Im ersten Szenario müsste das Universum aufgrund eines Energieüberschusses aufhören, sich auszudehnen. Im letzteren Fall würde es zu wenig Energie enthalten, um jemals aufhören zu expandieren. Im dritten und letzten Szenario – einem flachen Universum – würde eine kritische Energiemenge existieren und ihre Expansion würde erst nach unendlich langer Zeit aufhören.

Schicksal des Universums:

Die Hypothese, dass das Universum einen Ausgangspunkt hatte, wirft natürlich Fragen nach einem möglichen Endpunkt auf. Wenn das Universum als ein winziger Punkt unendlicher Dichte begann, der sich auszudehnen begann, bedeutet das dann, dass es sich auf unbestimmte Zeit weiter ausdehnen wird? Oder wird es eines Tages seine expansive Kraft verlieren und sich nach innen zurückziehen, bis alle Materie wieder zu einer winzigen Kugel knirscht?

Die Beantwortung dieser Frage ist seit Beginn der Debatte darüber, welches Modell des Universums das richtige sei, ein Hauptaugenmerk der Kosmologen. Mit der Annahme der Urknalltheorie, aber vor der Beobachtung der Dunklen Energie in den 1990er Jahren, waren sich Kosmologen auf zwei Szenarien als die wahrscheinlichsten Ergebnisse für unser Universum einig.

Im ersten Szenario, das allgemein als „Big Crunch“ bekannt ist, erreicht das Universum eine maximale Größe und beginnt dann in sich zusammenzubrechen. Dies wird nur möglich sein, wenn die Massendichte des Universums größer als die kritische Dichte ist. Mit anderen Worten, solange die Dichte der Materie bei oder über einem bestimmten Wert bleibt (1-3 × 10-26kg Materie pro m³) wird sich das Universum schließlich zusammenziehen.

Wenn die Dichte im Universum der kritischen Dichte entspricht oder darunter liegt, würde sich die Expansion verlangsamen, aber nie aufhören. In diesem Szenario, das als „Big Freeze“ bekannt ist, würde das Universum so lange weitergehen, bis die Sternentstehung schließlich mit dem Verbrauch des gesamten interstellaren Gases in jeder Galaxie aufhört. Inzwischen würden alle existierenden Sterne ausbrennen und zu Weißen Zwergen, Neutronensternen und Schwarzen Löchern werden.

Ganz allmählich würden Kollisionen zwischen diesen Schwarzen Löchern dazu führen, dass sich Masse in immer größeren Schwarzen Löchern anhäuft. Die Durchschnittstemperatur des Universums würde sich dem absoluten Nullpunkt nähern und Schwarze Löcher würden verdampfen, nachdem sie die letzte ihrer Hawking-Strahlung emittiert haben. Schließlich würde die Entropie des Universums so weit ansteigen, dass keine organisierte Energieform daraus gewonnen werden könnte (ein Szenario, das als „Hitzetod“ bekannt ist).

Moderne Beobachtungen, die die Existenz dunkler Energie und deren Einfluss auf die kosmische Expansion beinhalten, haben zu dem Schluss geführt, dass immer mehr des derzeit sichtbaren Universums unseren Ereignishorizont (dh die CMB, den Rand dessen, was wir sehen können) überschreiten wird. und werden für uns unsichtbar. Das letztendliche Ergebnis davon ist derzeit nicht bekannt, aber auch in diesem Szenario wird der „Hitzetod“ als wahrscheinlicher Endpunkt angesehen.

Andere Erklärungen der Dunklen Energie, sogenannte Phantomenergietheorien, legen nahe, dass letztendlich Galaxienhaufen, Sterne, Planeten, Atome, Kerne und die Materie selbst durch die ständig zunehmende Expansion auseinandergerissen werden. Dieses Szenario ist als „Big Rip“ bekannt, in dem die Expansion des Universums selbst schließlich sein Untergang sein wird.

Geschichte des Studiums:

Genau genommen haben die Menschen seit prähistorischen Zeiten über die Natur des Universums nachgedacht und studiert. Daher waren die frühesten Berichte über die Entstehung des Universums mythologischer Natur und wurden mündlich von einer Generation zur nächsten weitergegeben. In diesen Geschichten begannen die Welt, der Raum, die Zeit und alles Leben mit einem Schöpfungsereignis, bei dem ein Gott oder mehrere Götter dafür verantwortlich waren, alles zu erschaffen.

Zur Zeit der alten Babylonier begann sich auch die Astronomie als Studiengebiet zu etablieren. Konstellationssysteme und astrologische Kalender, die von babylonischen Gelehrten bereits im 2. Jahrtausend v. Chr. erstellt wurden, sollten die kosmologischen und astrologischen Traditionen der Kulturen für Tausende von Jahren prägen.

In der Antike begann sich die Vorstellung von einem Universum zu entwickeln, das von physikalischen Gesetzen diktiert wurde. Zwischen griechischen und indischen Gelehrten begannen Erklärungen für die Schöpfung philosophischer Natur zu werden, wobei eher Ursache und Wirkung als die göttliche Kraft betont wurden. Zu den frühesten Beispielen gehören Thales und Anaximander, zwei vorsokratische griechische Gelehrte, die argumentierten, dass alles aus einer ursprünglichen Form der Materie geboren wurde.

Im 5. Jahrhundert v. Chr. schlug der vorsokratische Philosoph Empedokles als erster westlicher Gelehrter ein Universum vor, das aus vier Elementen besteht – Erde, Luft, Wasser und Feuer. Diese Philosophie wurde in westlichen Kreisen sehr populär und ähnelte dem chinesischen System der fünf Elemente – Metall, Holz, Wasser, Feuer und Erde – das ungefähr zur gleichen Zeit auftauchte.

Die frühe Atomtheorie besagte, dass verschiedene Materialien unterschiedlich geformte Atome haben. Bildnachweis: github.com

Erst Demokrit, der griechische Philosoph aus dem 5./4. Jahrhundert v. Chr., schlug ein Universum vor, das aus unteilbaren Teilchen (Atomen) besteht. Der indische Philosoph Kanada (der im 6. oder 2. Jahrhundert v. Chr. lebte) führte diese Philosophie weiter, indem er vorschlug, dass Licht und Wärme dieselbe Substanz in unterschiedlicher Form seien. Der buddhistische Philosoph Dignana aus dem 5. Jahrhundert n. Chr. ging noch weiter und schlug vor, dass alle Materie aus Energie besteht.

Der Begriff der endlichen Zeit war auch ein zentrales Merkmal der abrahamitischen Religionen – Judentum, Christentum und Islam. Vielleicht inspiriert durch das zoroastrische Konzept des Jüngsten Gerichts, wird der Glaube, dass das Universum einen Anfang und ein Ende hat, die westlichen Konzepte der Kosmologie bis heute prägen.

Zwischen dem 2. Jahrtausend v. Chr. und dem 2. Jahrhundert n. Chr. entwickelten sich Astronomie und Astrologie weiter. Neben der Überwachung der Eigenbewegungen der Planeten und der Bewegung der Konstellationen durch den Tierkreis formulierten griechische Astronomen auch das geozentrische Modell des Universums, in dem Sonne, Planeten und Sterne um die Erde kreisen.

Diese Traditionen werden am besten in der mathematischen und astronomischen Abhandlung aus dem 2. Almagest , das vom griechisch-ägyptischen Astronomen Claudius Ptolemaeus (alias Ptolemäus) geschrieben wurde. Diese Abhandlung und das von ihr vertretene kosmologische Modell würden von mittelalterlichen europäischen und islamischen Gelehrten für über tausend Jahre als Kanon betrachtet.

Ein Vergleich der geozentrischen und heliozentrischen Modelle des Universums. Bildnachweis: history.ucsb.edu

Doch schon vor der wissenschaftlichen Revolution (ca. 16. bis 18. Jahrhundert) gab es Astronomen, die ein heliozentrisches Modell des Universums vorschlugen – in dem sich Erde, Planeten und Sterne um die Sonne drehen. Dazu gehörten der griechische Astronom Aristarchos von Samos (ca. 310 – 230 v. Chr.) und der hellenistische Astronom und Philosoph Seleukos von Seleucia (190 – 150 v. Chr.).

Im Mittelalter pflegten und erweiterten indische, persische und arabische Philosophen und Gelehrte die klassische Astronomie. Sie hielten nicht nur ptolemäische und nicht-aristotelische Ideen am Leben, sondern schlugen auch revolutionäre Ideen wie die Rotation der Erde vor. Einige Gelehrte – wie der indische Astronom Aryabhata und die persischen Astronomen Albumasar und Al-Sijzi – haben sogar fortgeschrittene Versionen eines heliozentrischen Universums entwickelt.

Bis zum 16. Jahrhundert Nikolaus Kopernikus schlug das vollständigste Konzept eines heliozentrischen Universums vor, indem es bestehende mathematische Probleme mit der Theorie löste. Seine Ideen wurden erstmals in dem 40-seitigen Manuskript mit dem Titel Kommentar („Kleiner Kommentar“), der ein heliozentrisches Modell auf der Grundlage von sieben allgemeinen Prinzipien beschrieb. Diese sieben Prinzipien besagten:

  1. Himmelskörper drehen sich nicht alle um einen einzigen Punkt
  2. Der Mittelpunkt der Erde ist der Mittelpunkt der Mondkugel – die Umlaufbahn des Mondes um die Erde; alle Kugeln drehen sich um die Sonne, die sich in der Nähe des Zentrums des Universums befindet
  3. Die Entfernung zwischen Erde und Sonne ist ein unbedeutender Bruchteil der Entfernung von Erde und Sonne zu den Sternen, daher wird in den Sternen keine Parallaxe beobachtet
  4. Die Sterne sind unbeweglich – ihre scheinbare tägliche Bewegung wird durch die tägliche Rotation der Erde verursacht
  5. Die Erde wird in einer Kugel um die Sonne bewegt, was die scheinbare jährliche Wanderung der Sonne verursacht
  6. Die Erde hat mehr als eine Bewegung
  7. Die Umlaufbewegung der Erde um die Sonne bewirkt die scheinbare Umkehrung der Bewegungsrichtung der Planeten.

Frontispiz und Titelseite des Dialogs, 1632. Credit: moro.imss.fi.it

Eine umfassendere Behandlung seiner Ideen wurde 1532 veröffentlicht, als Kopernikus sein Opus Magnum vollendete – Kopernikus (Über die Revolutionen der himmlischen Sphären).Darin brachte er seine sieben Hauptargumente vor, jedoch in detaillierterer Form und mit detaillierten Berechnungen, um sie zu untermauern. Aus Angst vor Verfolgung und Gegenreaktionen wurde dieser Band erst zu seinem Tod im Jahr 1542 veröffentlicht.

Seine Ideen wurden von Mathematikern, Astronomen und Erfindern des 16./17. Jahrhunderts weiter verfeinert Galileo Galilei . Mit einem von ihm selbst geschaffenen Teleskop machte Galileo aufgezeichnete Beobachtungen des Mondes, der Sonne und des Jupiter, die Fehler im geozentrischen Modell des Universums aufzeigten und gleichzeitig die interne Konsistenz des kopernikanischen Modells demonstrierten.

Seine Beobachtungen wurden im frühen 17. Jahrhundert in mehreren verschiedenen Bänden veröffentlicht. Seine Beobachtungen der kraterüberzogenen Oberfläche des Mondes und seine Beobachtungen des Jupiter und seiner größten Monde wurden 1610 mit seinem Ein sternenklarer Bote (Der Sternenbote) während seine Beobachtungen Sonnenflecken waren, wurden in . beschriebenAn den in der Sonne beobachteten Stellen(1610).

Galileo hat auch seine Beobachtungen über die Milchstraße in demSternenbote, die zuvor für nebulös gehalten wurde. Stattdessen fand Galileo heraus, dass es sich um eine Vielzahl von Sternen handelte, die so dicht zusammengedrängt waren, dass sie aus der Ferne wie Wolken aussahen, aber tatsächlich Sterne waren, die viel weiter entfernt waren, als bisher angenommen.

1632 ging Galilei schließlich in seiner Abhandlung auf die „Große Debatte“ ein Dialog über die beiden größten Systeme der Welt (Dialog über die beiden Hauptweltsysteme), in dem er das heliozentrische Modell gegenüber dem geozentrischen vertrat. Mit seinen eigenen Teleskopbeobachtungen, moderner Physik und rigoroser Logik untergruben Galileis Argumente effektiv die Grundlage des Systems von Aristoteles und Ptolemäus für ein wachsendes und empfängliches Publikum.

Johannes Kepler das Modell mit seiner Theorie der elliptischen Bahnen der Planeten weiter. In Kombination mit genauen Tabellen, die die Positionen der Planeten vorhersagten, wurde das kopernikanische Modell effektiv bewiesen. Ab der Mitte des 17. Jahrhunderts gab es nur noch wenige Astronomen, die keine Kopernikaner waren.

Der nächste tolle Beitrag kam von Herr Isaac Newton (1642/43 – 1727), mit wem arbeitet Keplers Gesetze der Planetenbewegung führte ihn zur Entwicklung seiner Theorie der universellen Gravitation. 1687 veröffentlichte er seine berühmte Abhandlung Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie („Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie“), die seine Drei Bewegungsgesetze . Diese Gesetze besagten:

  1. Bei Betrachtung in einem Trägheitsbezugssystem bleibt ein Objekt entweder in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter, es sei denn, es wird von einer externen Kraft beeinflusst.
  2. Die Vektorsumme der äußeren Kräfte (F) auf einen Gegenstand ist gleich der Masse (m)dieses Objekts multipliziert mit dem Beschleunigungsvektor (a) des Objekts. In mathematischer Form wird dies ausgedrückt als: F=mzu
  3. Wenn ein Körper eine Kraft auf einen zweiten Körper ausübt, übt der zweite Körper gleichzeitig eine Kraft gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung auf den ersten Körper aus.

Animiertes Diagramm, das den Abstand der Planeten des Sonnensystems, die ungewöhnlich eng beieinander liegenden Umlaufbahnen von sechs der am weitesten entfernten KBOs und den möglichen „Planeten 9“ zeigt. Bildnachweis: Caltech/nagualdesign

Zusammen beschrieben diese Gesetze die Beziehung zwischen einem Objekt, den darauf einwirkenden Kräften und der resultierenden Bewegung und legten damit die Grundlage für die klassische Mechanik. Die Gesetze ermöglichten es Newton auch, die Masse jedes Planeten zu berechnen, die Abflachung der Erde an den Polen und die Ausbuchtung am Äquator zu berechnen und wie die Anziehungskraft von Sonne und Mond die Gezeiten der Erde erzeugt.

Seine kalkülähnliche Methode der geometrischen Analyse war auch in der Lage, die Schallgeschwindigkeit in Luft (basierend auf Boyles Gesetz ), die Präzession der Tagundnachtgleichen – die er als Folge der Anziehungskraft des Mondes auf die Erde zeigte – und bestimmen die Bahnen der Kometen. Dieser Band würde tiefgreifende Auswirkungen auf die Wissenschaften haben, deren Prinzipien für die folgenden 200 Jahre kanonisch bleiben.

Eine weitere bedeutende Entdeckung fand 1755 statt, als Immanuel Kant vorschlug, die Milchstraße sei eine große Ansammlung von Sternen, die durch die gegenseitige Gravitation zusammengehalten werden. Genau wie das Sonnensystem würde sich diese Ansammlung von Sternen drehen und als Scheibe abgeflacht sein, in die das Sonnensystem eingebettet wäre.

Der Astronom William Herschel versuchte 1785, die Form der Milchstraße tatsächlich zu kartieren, wusste jedoch nicht, dass große Teile der Galaxie von Gas und Staub verdeckt sind, was ihre wahre Form verbirgt. Der nächste große Sprung in der Erforschung des Universums und seiner Gesetze erfolgte erst im 20. Jahrhundert mit der Entwicklung von Einsteins Theorien über die Spezielle und Allgemeine Relativitätstheorie .

Einsteins bahnbrechende Theorien über Raum und Zeit (zusammengefasst einfach alsE=mc²) waren zum Teil das Ergebnis seiner Versuche, die Newtonschen Gesetze der Mechanik mit den Gesetzen des Elektromagnetismus (gekennzeichnet durch Maxwell-Gleichungen und der Lorentzkraftgesetz ). Schließlich würde Einstein die Inkonsistenz zwischen diesen beiden Feldern auflösen, indem er in seinem Artikel von 1905 die Spezielle Relativitätstheorie vorschlug:Zur Elektrodynamik bewegter Körper'.

Grundsätzlich besagt diese Theorie, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Trägheitsbezugssystemen gleich ist. Dies brach mit dem zuvor vertretenen Konsens, dass Licht, das sich durch ein sich bewegendes Medium bewegt, von diesem mitgeschleppt würde, was bedeutete, dass die Lichtgeschwindigkeit die Summe seiner Geschwindigkeit istdurchein Medium plus die Geschwindigkeitvondieses Mittel. Diese Theorie führte zu mehreren Problemen, die sich vor Einsteins Theorie als unüberwindbar erwiesen.

Die Spezielle Relativitätstheorie brachte nicht nur die Maxwellschen Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus mit den Gesetzen der Mechanik in Einklang, sondern vereinfachte auch die mathematischen Berechnungen, indem sie auf überflüssige Erklärungen anderer Wissenschaftler verzichtete. Es machte auch die Existenz eines Mediums, entsprechend der direkt beobachteten Lichtgeschwindigkeit, völlig überflüssig und erklärte die beobachteten Aberrationen.

Zwischen 1907 und 1911 begann Einstein darüber nachzudenken, wie die Spezielle Relativitätstheorie auf Schwerkraftfelder angewendet werden könnte – was später als Allgemeine Relativitätstheorie bekannt wurde. Dies gipfelte 1911 in den Veröffentlichungen von  'Über den Einfluss der Gravitation auf die Lichtausbreitung“, in dem er voraussagte, dass die Zeit relativ zum Beobachter ist und von seiner Position innerhalb eines Schwerefelds abhängt.

Er entwickelte auch das, was als bekannt ist Äquivalenzprinzip , die besagt, dass die gravitative Masse mit der trägen Masse identisch ist. Einstein sagte auch das Phänomen der gravitativen Zeitdilatation voraus – bei der zwei Beobachter, die sich in unterschiedlichen Abständen von einer gravitierenden Masse befinden, einen Unterschied in der Zeitdauer zwischen zwei Ereignissen wahrnehmen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis seiner Theorien war die Existenz von Schwarzen Löchern und einem sich ausdehnenden Universum.

1915, wenige Monate nachdem Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte, fand der deutsche Physiker und Astronom Karl Schwarzschild eine Lösung für die Einstein-Feldgleichungen, die das Gravitationsfeld eines Punktes und einer kugelförmigen Masse beschreiben. Diese Lösung, jetzt als bezeichnet Schwarzschildradius , beschreibt einen Punkt, an dem die Masse einer Kugel so komprimiert wird, dass die Fluchtgeschwindigkeit aus der Oberfläche der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

1931 berechnete der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar mithilfe der Speziellen Relativitätstheorie, dass ein nicht rotierender Körper aus elektronenentarteter Materie oberhalb einer bestimmten Grenzmasse in sich zusammenbrechen würde. 1939 stimmten Robert Oppenheimer und andere Chandrasekhars Analyse zu und behaupteten, dass Neutronensterne oberhalb einer vorgeschriebenen Grenze zu Schwarzen Löchern kollabieren würden.

Eine weitere Folge der Allgemeinen Relativitätstheorie war die Vorhersage, dass sich das Universum entweder in einem Zustand der Expansion oder Kontraktion befand. 1929 bestätigte Edwin Hubble, dass ersteres der Fall war. Zu dieser Zeit schien dies Einsteins Theorie einer kosmologischen Konstanten zu widerlegen, einer Kraft, die „die Schwerkraft zurückhielt“, um sicherzustellen, dass die Verteilung der Materie im Universum über die Zeit gleichmäßig blieb.

Dazu demonstrierte Edwin Hubble anhand von Rotverschiebungsmessungen, dass sich Galaxien von der Milchstraße wegbewegten. Darüber hinaus zeigte er, dass die Galaxien, die weiter von der Erde entfernt waren, schneller zu verschwinden schienen – ein Phänomen, das als . bekannt wurde Hubbles Gesetz . Hubble versuchte, den Wert des Expansionsfaktors einzuschränken – er schätzte ihn auf 500 km/s pro Megaparsec Raum (der inzwischen überarbeitet wurde).

Und dann, im Jahr 1931, formulierte Georges Lemaitre, ein belgischer Physiker und römisch-katholischer Priester, eine Idee, aus der die Urknalltheorie . Nachdem er unabhängig bestätigt hatte, dass sich das Universum in einem Expansionszustand befand, schlug er vor, dass die aktuelle Expansion des Universums bedeutete, dass der Vater in die Vergangenheit zurückging, desto kleiner das Universum sein würde.

Mit anderen Worten, irgendwann in der Vergangenheit hätte sich die gesamte Masse des Universums auf einen einzigen Punkt konzentriert. Diese Entdeckungen lösten in den 1920er und 30er Jahren eine Debatte zwischen Physikern aus, wobei die Mehrheit dafür plädierte, dass sich das Universum in einem stationären Zustand (d. h Steady-State-Theorie ). In diesem Modell wird während der Expansion des Universums ständig neue Materie erzeugt, wodurch die Einheitlichkeit und Dichte der Materie im Laufe der Zeit erhalten bleibt.

Nach dem Zweiten Weltkrieg spitzte sich die Debatte zwischen Befürwortern des Steady-State-Modells und Befürwortern der immer populärer werdenden Urknalltheorie zu. Schließlich begannen die Beobachtungsbeweise, den Urknall gegenüber dem Steady State zu begünstigen, was die Entdeckung und Bestätigung des CMB im Jahr 1965 einschloss. Seitdem haben Astronomen und Kosmologen versucht, theoretische Probleme zu lösen, die sich aus diesem Modell ergeben.

In den 1960er Jahren zum Beispiel Dunkle Materie (ursprünglich 1932 von Jan Oort vorgeschlagen) wurde als Erklärung für die scheinbare „fehlende Masse“ des Universums vorgeschlagen. Darüber hinaus eingereichte Arbeiten von Stephen Hawking und andere Physiker zeigten, dass Singularitäten eine unvermeidliche Anfangsbedingung der Allgemeinen Relativitätstheorie und ein Urknallmodell der Kosmologie sind.

1981 theoretisierte der Physiker Alan Guth eine Periode schneller kosmischer Expansion (auch bekannt als die „Inflation“-Epoche), die andere theoretische Probleme löste. In den 1990er Jahren kam auch der Aufstieg von Dunkle Energie als Versuch, noch offene Fragen in der Kosmologie zu lösen. Neben der Erklärung der fehlenden Masse des Universums (zusammen mit Dunkle Materie ) lieferte es auch eine Erklärung dafür, warum sich das Universum immer noch beschleunigt, und bot eine Lösung für Einsteins kosmologische Konstante.

Dank der Fortschritte bei Teleskopen, Satelliten und Computersimulationen wurden bei unserer Erforschung des Universums bedeutende Fortschritte erzielt. Diese haben es Astronomen und Kosmologen ermöglicht, weiter in das Universum zu blicken (und damit weiter in die Vergangenheit zurück zu blicken). Dies hat ihnen wiederum geholfen, sein wahres Alter besser zu verstehen und seine Materie-Energie-Dichte genauer zu berechnen.

Die Einführung von Weltraumteleskopen – wie dem Kosmischer Hintergrund-Explorer (COBE), die Hubble-Weltraumteleskop , Wilkinson Mikrowellen-Anisotropie-Sonde (WMAP) und die Planck-Observatorium – war auch von unschätzbarem Wert. Diese haben nicht nur tiefere Einblicke in den Kosmos ermöglicht, sondern es Astronomen ermöglicht, theoretische Modelle an Beobachtungen zu testen.

Illustration der Tiefe, mit der Hubble Galaxien in früheren Deep-Field-Initiativen abbildete, in Einheiten des Age of the Universe. Bildnachweis: NASA und A. Feild (STScI)

Zum Beispiel in Juni 2016 gab die NASA Ergebnisse bekannt, die darauf hindeuten, dass sich das Universum noch schneller ausdehnt als bisher angenommen. Basierend auf neuen Daten des Hubble-Weltraumteleskops (die dann mit Daten des WMAP und des Planck-Observatoriums verglichen wurden) schien die Hubble-Konstante 5 bis 9 % höher als erwartet zu sein.

Teleskope der nächsten Generation wie das James Webb Weltraumteleskop (JWST) und bodengestützte Teleskope wie das Extrem großes Teleskop (ELT) werden in den kommenden Jahren und Jahrzehnten voraussichtlich weitere Durchbrüche in unserem Verständnis des Universums ermöglichen.

Ohne Zweifel ist das Universum jenseits unserer Vorstellungskraft. Unsere besten Schätzungen sagen, dass es unergründlich groß ist, aber nach allem, was wir wissen, könnte es sehr gut bis ins Unendliche reichen. Darüber hinaus ist sein Alter menschlich kaum vorstellbar. Letztendlich ist unser Verständnis davon nichts weniger als das Ergebnis von Tausenden von Jahren ständigen und fortschreitenden Studiums.

Und trotzdem haben wir erst wirklich begonnen, an der Oberfläche des großen Rätsels zu kratzen, dass es das Universum ist. Vielleicht werden wir eines Tages in der Lage sein, bis an den Rand zu sehen (vorausgesetzt, es gibt einen) und in der Lage sein, die grundlegendsten Fragen darüber zu lösen, wie alle Dinge im Universum interagieren. Bis dahin können wir nur das, was wir nicht wissen, an dem messen, was wir tun, und weiter forschen!

Um Sie auf Ihrem Weg zu beschleunigen, haben wir hier eine Liste von Themen zusammengestellt, von denen wir hoffen, dass sie Ihnen Spaß macht und die Ihre Fragen beantwortet. Viel Glück bei Ihrer Erkundung!

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