Urknalltheorien: Von Sekunde 0 bis 400.000 Jahre danach

Die Entwicklung des Universums ist ein faszinierendes und komplexes Feld der Astrophysik.

Die Urknalltheorien erforschen die Entwicklung des Universums ab dem Moment des Urknalls, also ab Sekunde 0, bis zu etwa 300.000 bis 400.000 Jahre später, in denen sich die ersten stabilen Atomstrukturen formierten und das All seine Undurchsichtigkeit verlor.

Diese Forschungen werden ergänzt durch Untersuchungen zur kosmischen Hintergrundstrahlung, die direkte Einblicke in die frühesten Phasen des Universums ermöglicht und dessen Expansion seitdem nachzeichnet.

Dieser Artikel bietet einen tiefen Einblick in die Urknalltheorien, die diese frühen Phasen des Universums beschreiben.

Die Anfänge der kosmischen Zeit: Vom Urknall bis zur Atomformation

Die Urknalltheorien bieten Erklärungen für die Ausdehnung und den aktuellen Zustand des Universums. Zwei Hauptströmungen der Kosmologie prägen das Verständnis des Urknalls:

• Während die sog. Quanten-Kosmologen der Auffassung sind, vor dem Urknall könne es bereits etwas gegeben haben, müsse es aber nicht,
• gehen die klassischen Kosmologen (bislang) davon aus, dass das Universum durch einen singulären Urknall entstanden ist und es davor nichts gegeben hat.

Die Theorie des Big Bounce

Im Jahr 2004 revolutionierte Martin Bojowald, ein Physiker aus Jülich und nun Professor an der Pennsylvania State University, das Verständnis der Zeit vor dem “Urknall”.

Durch die Anwendung der Schleifen-Quantengravitation enthüllte Bojowald Einsichten in eine Ära, in der die Zeit rückwärts lief, Raumdimensionen invertiert waren, und ein Universum, das sich bis zu einem Punkt maximaler Verdichtung zusammenzog, bevor es sich erneut ausdehnte.

Seine – recht umstrittene – Theorie vom „Big Bounce“ (englisch Großer Aufsprung) ist eine einfache Variante der möglichen Erweiterungen des Universums zurück vor den Urknall, sodass der „Urknall“ nur ein Übergang zu unserem jetzigen Universum gewesen wäre: Also ein „Big Bounce“ statt eines „Big Bang“.

Das Konzept eines ewigen kosmischen Zyklus, in dem sich das Universum expandiert und kontrahiert, ist in der wissenschaftlichen Gemeinschaft seit Langem bekannt. Traditionell wurden diese Theorien allerdings als überholt und unvereinbar mit der aktuellen Forschung in Physik und Kosmologie angesehen.

Neuere Entwicklungen haben jedoch zu einem Umdenken geführt. Die traditionelle Urknalltheorie, obwohl weitgehend akzeptiert, lässt bestimmte Rätsel ungelöst. Diese offenen Fragen haben zu einem wiederauflebenden Interesse am Konzept des „Big Bounce“ geführt. Diese Theorie postuliert einen zyklischen Prozess, in dem das Ende eines Universums nahtlos in die Entstehung eines neuen mündet, was eine alternative Perspektive auf die kosmische Evolution und deren unendliche Zyklen bietet.

Gemäß dieser Theorie existierte vor unserem aktuellen Universum ein anderes, das sich in einem Zustand ständiger Verdichtung befand und schließlich in einen singulären Punkt kollabierte. Aus diesem Punkt heraus expandierte dann das Universum, das wir heute kennen.

Die Analogie eines sich auf- und abblähenden Luftballons illustriert treffend die Dynamik des Universums gemäß dem „Big Bounce“-Modell. Hierbei zieht sich das Universum wie ein entleerender Ballon zusammen, bis seine Strukturen so dicht aneinander liegen, dass sie ineinander übergehen. 

Was einst das Innere war, kehrt sich nach außen. Ein solcher Moment des Umschlags führt zur plötzlichen Expansion, ähnlich dem Zurückprallen der Ballonhaut, wodurch das Universum erneut an Volumen gewinnt.Beweise für diese Theorie sind bislang nicht direkt beobachtbar, doch die mathematischen Modelle, insbesondere die von Martin Bojowald und anderer Forscher, öffnen die Tür zur Vorstellung eines vorherigen Universums. Diese Überlegungen erweitern unser Verständnis darüber, dass das Universum möglicherweise in einem endlosen Zyklus von Expansion und Kontraktion verharrt, einem ewigen Prozess des Ausdehnens und Schrumpfens. Diese Hypothese bietet eine faszinierende Perspektive auf die potenziell zyklische Natur unserer kosmischen Geschichte.

Wurmlöcher und der Ursprung des Urknalls

Quantenkosmologen und Stringtheoretiker erweitern das Verständnis des Universums, indem sie auch die Zeit vor dem Urknall erforschen. Ihre Arbeit ermöglicht Einblicke in bisher unzugängliche Epochen und stellt traditionelle Annahmen über den Beginn des Kosmos in Frage.

Eine Theorie besagt, dass – als Umkehrung des Urknalls – ein Schwarzes Loch und ein „Weißes Loch“ zusammen ein „Wurmloch“ bilden können und dass der Urknall aus einem Weißen Loch hervorgegangen sein könnte.

Für Science-Fiction-Fans dienen „Wurmlöcher“ in Filmen oft als kosmische Brücken, die entfernte Universumsteile verbinden und somit Überlichtreisen umgehen, die physikalisch unmöglich sind. 

In „Star Trek“ aus den 1960ern verwendet die Enterprise unter Captain Kirk Wurmlöcher routinemäßig zur schnellen Raumüberbrückung. Während ihre vielfältige Crew unbekannte Phänomene erforscht, blieb die Realität der Wurmlöcher rein hypothetisch.

Doch neueste wissenschaftliche Ansätze widersprechen nicht länger ihrer Existenz. Einsteins Relativitätstheorie von 1916 erlaubt theoretisch Wurmlöcher neben Schwarzen Löchern, deren Realität inzwischen bewiesen ist – etwa durch die Nobelprämierte Forschung von Reinhard Genzel 2020.

Jüngst legten Forscher wie Jose Luis Blázquez-Salcedo ein Modell vor, das mikroskopische Wurmlöcher für möglich hält, ohne auf exotische Materie zurückzugreifen. Ihre Arbeiten kombinieren Relativitäts- und Quantentheorie und deuten an, dass zumindest Elementarteilchen Wurmlöcher durchqueren könnten. 

Doch bis zur Anwendbarkeit auf Raumschiffe bleibt es ein langer Weg, und die vollständige Erkundung anderer Universen dürfte ein unerreichtes Ziel bleiben.Weshalb es dann überhaupt zum Urknall kam und was genau in dieser Zeit passierte, darüber wird noch heftig spekuliert.

So kann die Astrophysik zwar die wesentlichen Merkmale einer Entwicklung von z.B. Sternen, Galaxien oder Universen erklären, nicht aber deren Entstehung. Wissenschaftler verschiedener Disziplinen bemühen sich weltweit um das Verständnis des Ursprungs unseres Universums.

Sie streben danach, das Konzept des „Null-Punkts“ zu erläutern oder die Möglichkeit zu erforschen, dass ein solcher Anfangspunkt in der Form, wie wir ihn uns vorstellen, möglicherweise nicht existierte.

Multiversum und Megaversum: Unser Universum im größeren Kontext

Sehr viel populärer als die Theorie vom „Big Bounce“ (englisch Großer Aufsprung) sind deshalb Ideen rund um ein Multiversum oder Megaversum, nach denen unser Universum nicht isoliert, sondern ein winziger Teil eines Multi- oder Megaversums ist, in welchem ständig Universen entstehen oder wieder vergehen.

Ein schwindelerregender Ansatz: Das von uns beobachtbare Universum, dessen Ausdehnung auf etwa 13,8 Milliarden Lichtjahre geschätzt wird, könnte in Wirklichkeit nur ein Bruchteil eines unvorstellbar größeren kosmischen Gefüges sein.

Das Fazit der Forscher ist aber bisher so klar wie ernüchternd: Obwohl die Idee faszinierend ist, bleibt sie bislang hochgradig theoretisch. Es besteht die Möglichkeit, dass das Konzept des Multiversums aufgrund seiner Natur über die Grenzen unserer derzeitigen wissenschaftlichen Methoden hinaus nicht empirisch beweisbar ist und somit möglicherweise ewig im Reich der Hypothesen verweilt.

Der Urknall und die Entstehung von Raum und Zeit

Folgen wir den klassischen Kosmologen, so ist das Universum durch einen singulären „Urknall“ entstanden. Er war der Anfang von allem und erst von da an können wir von „Raum“ und „Zeit“ sprechen. Vor dem Urknall hat es nichts gegeben.

Als allgemein gültig wird heute angenommen, dass sich die komplette Masse des Universums von heute 10⁵³ Kilogramm beim „Urknall“ in einem einzigen unendlich kleinen „Ur-Punkt“, d.h. in einer Singularität, befand.

Obwohl wir uns grundsätzlich nur dann etwas vorstellen können, wenn es sich in einem großen, ihn umgebenden Raum befindet, muss das nicht so sein; und so war dieser kleine Punkt nirgend worin eingebettet.

Die Singularität wird fromal durch eine rückläufige Analyse der Expansion des Kosmos bis zu jenem kritischen Moment hergeleitet, wo Materie- und Energiekonzentrationen ins Unendliche steigen:

• Die Mathematiker lassen zur Betrachtung der Anfangssituation des Universums den Radius des Universums gegen Null gehen und erhält damit eine Singularität, d.h. einen unendlich gegen Null strebenden Bruch. Mathematisch bedeutet dies: Das dreidimensionale, stark gekrümmte, kompakte, punktförmige Universum war einfach da!
• Die Physiker sehen die Anfangssituation des Universums und des Urknalls dagegen als den Beginn einer Struktur, die die kleinste Informationseinheit sowie die kleinste kausal sinnvolle Länge und Zeiteinheit hat, und den daraus folgenden Herleitungen.

Daher stellt der Urknall nicht eine Explosion innerhalb eines vorbestehenden Raumes dar, sondern den Beginn, aus einer anfänglichen Singularität heraus, von 

• Raum
• Zeit und 
• Materie

in ihrer Gesamtheit.

Wegbereiter der Urknall-Theorien

Die Idee des Urknalls war es, dass das Universum auseinanderfliegen musste, da es am Anfang zu klein, heiß, dicht und kompakt war.

Der Anfang von Raum und Zeit muss sich in einem unvorstellbaren Chaos abgespielt haben. Die Naturgesetze galten noch nicht, auch Kräfte wie Gravitation oder Kernkraft gab es noch nicht; stattdessen trieb eine Art Urkraft den 10³² Grad heißen Brei auseinander.

Aus dem „Ur-Punkt“ heraus begann daher bei extrem hoher Temperatur die Entwicklung des Universums, das sich seitdem ausdehnt und abkühlt und dessen Expansion weiter anhält. 

Aber wenn uns tiefer in das Reich des Mikrokosmos vorwagen, erreichen die Grenzen der modernen Physik schließlich einen Punkt, an dem bekannte und bewährte Naturgesetze nicht mehr anwendbar sind. 

Dieser Grenzbereich, der in den ersten Momenten nach dem Urknall (zwischen 0 bis 10⁻⁴⁴ Sekunden) liegt und dessen minimale Größenordnungen fast unvorstellbar klein sind, wird als „Planck-Ära“ bezeichnet.

Für diese erste Phase des Universums verbleibt daher die minimale zeitliche Lücke, die der Physik nicht zugänglich ist. Allerdings gehen unsere heutigen Kenntnisse der Physik schon sehr nah an die kleinste physikalisch sinnvolle Zeitangabe, die sog. „Planck-Zeit“, nämlich bis 10^-44 Sekunden an den „Null-Punkt“ heran. Erst mit dem Überschreiten der Planck-Zeit nach dem Urknall setzt die Physik ein, wie wir sie verstehen und erklären können.

„Väter der Urknall-Theorien“ waren

• Robert Grossetestes
• James Bradley
• Edwin Powell Hubble
• Georges Lemaître
• Albert Einstein
• Arthur Eddington
• Stephen Hawking
• Brian P. Schmidt
• Adam Riess und
• Saul Perlmutter.

Die Theorien, die sie sich erdacht, sind ein außerordentlich komplexes Gedankengebäude von Hypothesen. Es handelt von Dingen, die noch fremdartiger sind, als viele unfassbare Phänomene des Universums, für die sich mitunter nur schwer Worte finden lassen.

Robert Grossetestes und seine Grundidee eines Urknalls (*vor 1170; †09.10.1253)

Schon im Jahr 1225 hat der englische Theologe, Philosoph und Bischof von Lincoln Robert Grossetestes in seinem Werk „De luce“ (Über das Licht) die Grundidee eines Urknalls vorweggenommen.

James Bradley und sein Nachweis der Eigenbewegung der Erde gegenüber der Fixsternsphäre, der Bewegung der Erde um die Sonne sowie der Lichtgeschwindigkeit als die absolute Tempogrenze im Universum (*03.03.1693; †13.07.1762)

Im Jahr 1729 konnte dann der englische Geistliche und Astronom James Bradley (*03.03.1693; †13.07.1762) erstmals die Eigenbewegung der Erde gegenüber der Fixsternsphäre und die Bewegung der Erde um die Sonne nachweisen.

Ferner konnte er die Lichtgeschwindigkeit als die absolute Tempogrenze im Universum darstellen: Die Lichtgeschwindigkeit beträgt ziemlich genau 1 Milliarde Kilometer in der Stunde!

Andererseits legt das Licht im Vakkuum innerhalb des 299.792.485ten Teils einer Sekunde 1 Meter, genauer 1 Pariser Urmeter, zurück. Mit der Annäherung der Bewegungsgeschwindigkeit eines Objekts an die Lichtgeschwindigkeit steigt der benötigte Energieaufwand für die zusätzliche Beschleunigung exponentiell.

Dies liegt daran, dass die kinetische Energie eines sich beschleunigenden Körpers drastisch zunimmt, je näher seine Geschwindigkeit an die Lichtgeschwindigkeit heranreicht, was einen überproportionalen Anstieg zur Folge hat.

Daher gilt für alle Träumereien der Raumfahrt zu fernen Planeten: Nichts im Universum ist schneller als Licht!

Selbst Änderungen der Gravitation und die dabei entstehenden Gravitationswellen bewegen sich „nur“ mit Lichtgeschwindigkeit fort. Auch einem noch so gut konstruierten Raumschiff wird es daher niemals möglich sein, die Lichtgeschwindigkeit zu durchbrechen – wenn es diese überhaupt erreichen kann.

Edwin Hubble und seine Beschreibung der Spiralgalaxien, der Expansion des Weltalls und der Hubble-Konstante als eine der fundamentalen Größen der galaktischen Kosmologie zur Beschreibung der gegenwärtigen Expansion des Universums (*20.11.1889; †28.09.1953)

Edwin Hubble (*20.11.1889; †28.09.1953), nach dem auch das bekannte Teleskop benannt ist, war ein US-amerikanischer Astronom und der erste, der entdeckt hat, dass es nicht nur unsere Galaxie, die Milchstraße, sondern auch noch andere Galaxien gibt.

Er klassifizierte die Spiralgalaxien, befasste sich mit der Expansion des Weltalls und entdeckte die Hubble-Konstante als eine der fundamentalen Größen der galaktischen Kosmologie zur Beschreibung der gegenwärtigen Expansion des Universums.

Georges Edouard Lemaître als eigentlicher Begründer der „Urknall-Theorie“ (*17.07.1894; †20.06.1966)

Als eigentlicher Begründer der „Urknall-Theorie“ gilt schließlich der belgische Theologe, katholische Priester und Astrophysiker Georges Edouard Lemaître (*17.07.1894; †20.06.1966), der die Beobachtungsdaten von Edwin Hubble im Sinne der Schöpfungsgeschichte der katholischen Kirche zu interpretieren versuchte.

1931 hat er für den heißen Anfangszustand des Universums den Begriff „Primordiales Atom“ oder „Ur-Atom“ geprägt. Das Konzept des Ur-Atoms umfasst die Vorstellung, dass sämtliche Materie, die aktuell im Universum existiert, einst in einem extrem verdichteten Zustand existierte, so dicht, dass Licht nicht entweichen konnte. Später erhielt diese Theorie von Kritikern die Bezeichnung „Urknalltheorie“ oder „Big Bang“, einen Namen, der ironisch gemeint war, aber sich dennoch durchsetzte.

– Auf einer Tagung im November 1951 nahm die Päpstliche Akademie der Wissenschaften tatsächlich Lemaîtres Theorie an. In einer abschließenden Rede erklärte Papst Pius XII. (1876-1958), dass der durch den Urknall zeitlich bestimmbare Beginn des Universums aus einer göttlichen Schöpfung hervorgegangen sei.

Albert Einstein (*14.03.1879; †18.04.1955)

Der nächste, der nach Isaac Newton (*25.12.1642; †20.03.1726) unser Weltbild der Physik und der physikalischen Zusammenhänge tiefgreifend revolutioniert hat, war Albert Einstein (*14.03.1879; †18.04.1955).

Allerdings sah er zunächst nicht wie ein besonders vielversprechender Kandidat dafür aus. Denn er vermasselte seine Aufnahmeprüfungen für die Universität und begann zunächst, in einem Patentamt zu arbeiten. Dann aber erkannte er, dass Innovation für die akademische Arbeit unerlässlich ist und er ließ sich auf Dinge ein, die noch niemand erforscht hatte. Und so machte er nebenbei mit seiner physikalischen Forschung Ernst und veröffentlichte 1905 einen Bericht, der die Welt komplett verändern sollte.

Ihm wurde 1921 der Nobelpreis für Physik verliehen, als Anerkennung „für seine Beiträge zur theoretischen Physik und insbesondere für die Entdeckung des photoelektrischen Effekts“.

Er gilt als der berühmteste Physiker aller Zeiten, obwohl er wohl immer zu den bescheidensten Wissenschaftsstars aller Zeiten gehören wird: 1952, 3 Jahre vor seinem Tod, schrieb er: „Ich habe keine besondere Begabung, sondern bin nur leidenschaftlich neugierig.“ Noch heute verbindet ihn sein fröhliches Motto mit den Trends und Technologien in der Start-up-Welt:

„Mehr als die Vergangenheit interessiert mich die Zukunft, denn in ihr gedenke ich zu leben.“

Albert Einstein
Quelle: Wikipedia

Gemeinsam mit Sir Arthur Stanley Eddington, dem ersten Kosmologen, dem die Modellierung des inneren Aufbaus von Sternen gelang, lehnte er zunächst die „Urknall-Theorie“ von Georges Lemaître ab.

Erst nach Jahrzehnten konnte Lemaître Einstein von der Richtigkeit seiner Theorie überzeugen. Albert Einstein hat sodann mit seinen „Relativitätstheorien“ zur Struktur von Materie, Raum und Zeit sowie zum Wesen der Gravitation das zuvor geltende newtonsche Weltbild maßgeblich verändert und dazu beigetragen, wie wir das Universum heute verstehen.

Am 27. September 1905 publizierte Albert Einstein seine geniale Arbeit „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“, die seine „Spezielle Relativitätstheorie“ (kurz SRT) enthält. 1916 veröffentlichte er dann seine „Allgemeine Relativitätstheorie“, mit der er das Weltbild der Physik tiefgreifend veränderte.

Obwohl die Namen ähnlich klingen, unterscheiden sich die Spezielle und die Allgemeine Relativitätstheorie grundlegend:

• Einsteins Spezielle Relativitätstheorie (SRT) zeigt auf, dass Raum und Zeit sowie physikalische Eigenschaften wie Energie sich relativ zur Geschwindigkeit eines Beobachters, insbesondere nahe der Lichtgeschwindigkeit, verändern. Ganz kurz gefasst besagt diese Theorie, dass die Lichtgeschwindigkeit immer konstant ist. Auch wenn ein Beobachter sich unterschiedlich schnell bewegt, die Lichtgeschwindigkeit bleibt gleich. Das bedeutet: Wenn jemand sich sehr schnell bewegt, dann wird für ihn die Zeit langsamer.
• Mit der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) revolutionierte Einstein das Verständnis von Gravitation. Er stellte dar, wie Materie und Energie die Struktur von Raum und Zeit beeinflussen, indem sie eine Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit erzeugen. Mit ihr lassen sich erklären:
  – der Urknall
  – das Alter und die stetige Ausdehnung des Universums und
  – die sichtbare und Dunkle Materie (Schwarzen Löcher) des Universums.

Bei seinen Theorien ging Einstein im Wesentlichen von 2 Annahmen aus:

• dem Relativitätsprinzip, dem zufolge die Naturgesetze für alle Beobachter dieselbe Form haben und es unmöglich ist, einen bevorzugten oder absoluten Bewegungszustand irgendeines Beobachters oder Objekts festzustellen, sowie
• der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit mit der Konsequenz, dass sich Materie im Vakuum niemals schneller als Licht durch den Raum bewegen kann.

Einsteins „Spezielle Relativitätstheorie“ (SRT) und seine berühmteste Formel der Wissenschaftsgeschichte: E = mc²

Bereits als Kinder haben wir aus der biblischen Schöpfungsgeschichte gelernt, dass als erstes das Licht und mit ihm der erste Tag erschaffen wurde.

Auch in der naturwissenschaftlichen Schöpfungsgeschichte stand am Anfang der Zeit Licht, als sich ein Feuerball aus Licht und Materie zum Universum formte.

Albert Einstein erkannte 1905, dass auf dem tiefsten Niveau des Universums alles aus Licht und Energie besteht.

In seiner „Speziellen Relativitätstheorie“ wies er zudem nach, dass die Zeit relativ ist. Dies ist eine Idee, die für die meisten Menschen ziemlich schwer zu begreifen ist, weil sie unseren alltäglichen Erfahrungen widerspricht. Eine Sekunde dauert nun mal eine Sekunde, egal, was wir mit der Uhr anstellen.

Trotzdem hatte Einstein recht und seine Theorie hatte riesigen Einfluss auf das Verständnis von Licht, Schwerkraft und dem Universum selbst. Im Rahmen seiner Speziellen Relativitätstheorie definierte er das Naturgesetz, dass Energie und Masse eines Körpers im Vakuum äquivalent sind. Er hielt diese Erkenntnis in der berühmtesten Formel der Wissenschaftsgeschichte fest:

E = mc².

Diese Formel bedeutet, dass die Energie „E“ gleichzusetzen ist mit der Masse „m“ multipliziert mit dem der Lichtgeschwindigkeit „c“ zum Quadrat, oder dass die Masse und die Ruheenergie eines Objekts zueinander proportional sind.

Jede Masse ist auch gleichzeitig Energie und jede Energie ist auch Masse.

Im Prinzip gibt es für diese Gleichung noch eine andere Variante, nämlich: E = hv. Dabei steht das „h“ für die sog. Plank-Konstante, die Licht in Energie übersetzt, und der griechische Buchstabe „v“ („nü“) für die Frequenz von Licht. Dies ist die einfachste Gleichung der Quantentheorie, deren Begründer der deutsche Physiker Max Planck (*23.04.1858; †04.10.1947) war.

In den kleinsten Dimensionen, z.B. in Atomen, kann Energie in Form von Licht immer nur in bestimmten Energieeinheiten, den sog. Lichtquanten, abgegeben bzw. aufgenommen werden.

Licht ist also auch Energie und je höher die Frequenz, desto höher die Energie. Materie und Licht sind Energien und können ineinander umgewandelt werden.

Einstein fand heraus, dass sich Licht bei hohen Energien manchmal wie ein Teilchen verhält. Dann sprechen wir von Photonen, kurzen Wellenpaketen, in denen das Licht weiterhin schwingt, die aber wie kleine Lichtpäckchen durch den Raum schwirren.

Die sog. Masse-Energie-Äquivalenz ebnete theoretisch den Weg für die Atomkraftnutzung. Jedoch, entgegen einem populären Missverständnis, war diese Prinzip bei der Konstruktion der Atombombe und dem Fortschritt in der Kernenergietechnologie eher von sekundärer Bedeutung.

In Disziplinen wie der Kernphysik, der Elementarteilchenphysik und der Astrophysik wird die Äquivalenz von Masse und Energie besonders deutlich. So ist die Masse von Atomkernen aufgrund der bei ihrer Entstehung freigesetzten Bindungsenergie geringfügig geringer – etwa 1 % kleiner – als die Summe der Massen ihrer ungebundenen Bausteine.

Durch Annihilation eines Teilchens mit seinem Antiteilchen kann sogar die gesamte in der Masse der Teilchen steckende Energie in Strahlungsenergie umgewandelt werden.

Der umgekehrte Prozess zur Annihilation ist die Paarerzeugung, bei der aus Energie, wie beispielsweise einem Photon, das im Feld eines schweren Kerns interagiert, ein Teilchen-Antiteilchen-Paar (ein Elektron und ein Positron) entsteht.

Die experimentelle Bestätigung der relativistischen Energie-Impuls-Relation durch zahlreiche Experimente zeigt die Präzision und fundamentale Bedeutung dieser Beziehung in der physikalischen Forschung auf.

Die experimentelle Bestätigung der relativistischen Energie-Impuls-Relation durch eine Vielzahl von Versuchen unterstreicht deren Präzision und Bedeutung in der physikalischen Forschung. 

Während Einstein von 1907 bis 1915 intensiv über die Natur der Gravitation nachdachte, kam er zu dem bahnbrechenden Schluss, dass Gravitation, weit entfernt von einer Kraft im herkömmlichen Sinne, eigentlich eine Manifestation der Raumzeit-Struktur ist. 

Materie beeinflusst die Beschaffenheit des Raums, indem sie ihn krümmt, was dazu führt, dass sich andere Objekte und sogar Licht in diesem gekrümmten Raum bewegen müssen. 

Einstein formulierte diese Zusammenhänge in seinen „Feldgleichungen der Gravitation“, welche die Beziehung zwischen Masse (und Energie) und der Krümmung von Raum und Zeit darlegen. 

Ein anschauliches Beispiel für dieses Phänomen ist die Bewegung des Mondes um die Erde, die durch die gegenseitige Verzerrung des Raums durch ihre Massen erklärt wird, ähnlich schweren Objekten, die eine elastische Membran verformen. 

Diese grundlegende Eigenschaft der Gravitation wirkt universell, sowohl im kosmischen Maßstab als auch im Alltagsleben, beispielsweise beim Fallen eines Glases auf den Boden.

Einsteins „Allgemeine Relativitätstheorie“ (ART) und sein Konzept der Raumzeit

Seit Isaac Newton (*25.12.1642; †20.03.1726) war bekannt, dass es die Gravitation gibt und welchen Gesetzen sie folgt. 

Albert Einstein löste das Rätsel der Gravitation mit seiner „Allgemeinen Relativitätstheorie.“ Diese Theorie stellt einen Meilenstein in der Physik dar, indem sie zeigt, dass Massen Raum und Zeit kümmen und dadurch Gravitationskräfte entstehen.

Einstein begann darüber nachzudenken, als er einen Dachdecker vom Dach fallen sah. 

Da seine Spezielle Relativitätstheorie die Gravitation nicht umfassend erklären konnte, entwickelte Albert Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie weiter. 

1917 führte er daher das Konzept der Raumzeit ein. Dabei können wir uns die Raumzeit etwa wie eine gespannte Gummifolie vorstellen. Wenn wir auf eine solche Folie einen Stein legen, dann dellt sie sich an dieser Stelle etwas ein. Genau das machen schwere Objekte wie z.B. die Sonne mit der Raumzeit.

Wenn wir jetzt eine kleine Murmel um den Stein auf der Folie kreisen lassen, wird sie nach und nach immer mehr vom Stein angezogen: Die Anziehungskraft ist also nichts anderes als eine Auswirkung einer Krümmung in der Raumzeit!

Gemäß der Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Schwerkraft nicht als traditionelle Kraft verstanden, sondern resultiert aus der gekrümmten Geometrie von 

• Raum und 
• Zeit. 

Materie verursacht diese Krümmungen, und sowohl Licht als auch Körper bewegen sich entlang dieser gebogenen Pfade. Ein markantes Beispiel hierfür ist die Lichtablenkung nahe massereicher Objekte wie der Sonne, wo Lichtstrahlen der Raumkrümmung folgen.

Die Feldgleichungen Einsteins, die das Herzstück dieser Theorie bilden, können mit oder ohne Einbeziehung der kosmologischen Konstante formuliert werden. In einem Universum, das durch diese Gleichungen ohne kosmologische Konstante beschrieben wird, ist ein statischer Zustand nicht möglich; das Universum muss sich zwangsläufig ausdehnen oder zusammenziehen, was wesentliche Einsichten in die Dynamik des Kosmos bietet.

Als Einstein ursprünglich seine Theorie formulierte, ging er von einem statischen, unveränderlichen Universum aus. Diese Annahme führte ihn dazu, die kosmologische Konstante einzuführen, um die Gravitationswirkungen auszugleichen und ein gleichbleibendes Universum zu ermöglichen. 

Spätere Beobachtungen und Forschungen zeigten jedoch, dass das Universum sich tatsächlich ausdehnt, was Einstein dazu veranlasste, seine frühere Ansicht zu revidieren.

Die kosmologische Konstante, üblicherweise mit dem griechischen Buchstaben Lambda (Λάμδα, Λ) abgekürzt, ist eine zentrale physikalische Konstante in den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein. 

Diese Konstante spielt eine Schlüsselrolle in der Beschreibung der Dynamik des Universums, indem sie eine Repulsivkraft darstellt, die der Anziehungskraft der Gravitation entgegenwirkt und die Ausdehnung des Raums beeinflusst.

Als Edwin Hubble die Ausdehnung des Universums durch die Beobachtung sich entfernender Galaxien aufzeigte und Alexander Friedmann (1922, 1924) sowie Georges Lemaître (1927) unabhängig expandierende Lösungen zu Einsteins Feldgleichungen fanden, revidierte Einstein seine Position zur kosmologischen Konstante. Er distanzierte sich von diesem Konzept und nannte es später angeblich als „die größte Eselei meines Lebens.“

Die Überprüfung der kosmologischen Konstanten zog sich bis in die frühen 1930er Jahre hin. 

Ursprünglich wurde angenommen, dass ihr Wert null sei, doch neuere Studien deuten auf einen kleinen, positiven Wert hin. Heute wird die kosmologische Konstante nicht mehr lediglich als ein Bestandteil von Einsteins Relativitätstheorie gesehen, sondern als konstante Energiedichte des Vakuums, ein Aspekt, der in der modernen Kosmologie als Dunkle Energie bekannt ist. Moderne Messungen legen nahe, dass etwa 70 % der Energiedichte im Universum auf die kosmologische Konstante oder Dunkle Energie zurückzuführen sind.

Obwohl die kosmologische Konstante nach der Entdeckung der universellen Expansion an wissenschaftlicher Priorität verlor, erlebte sie ein Revival im Zuge der Bemühungen, eine einheitliche Theorie aller Naturkräfte zu entwickeln, die durch Quantenfeldtheorien beschrieben werden. 

Vakuumfluktuationen in diesen Theorien suggerieren eine sehr hohe kosmologische Konstante, ein Dilemma, das als das “Problem der kosmologischen Konstante” bekannt ist und bis heute ungelöst bleibt. 

In Theorien, die auf Supersymmetrie setzen, könnten sich die Beiträge der Fermionen und Bosonen in den Vakuumfluktuationen theoretisch ausgleichen, allerdings ist diese Symmetrie in der realen Welt gebrochen.

Ein neuer Ansatz zum Verständnis der kosmologischen Konstante basiert auf der Theorie des inflationären Universums, die eine positive kosmologische Konstante plausibel macht.

Die Ursache für die beschleunigte Expansion des Universums bleibt bisher unklar. Diese Fragestellung inspirierte James Peebles (Kanada/USA) im Jahr 1984 dazu, Einsteins ursprünglich verworfene Idee der kosmologischen Konstante wieder aufzugreifen, die heute als „Dunkle Energie“ bekannt ist. 

Für seine bahnbrechenden Beiträge zur kosmologischen Forschung erhielt Peebles 2019 die Hälfte des Physik-Nobelpreises.

Seit 1998 erlebt die kosmologische Konstante eine wissenschaftliche Renaissance. Seit dem Urknall vor etwa 13,79 Milliarden Jahren expandiert das Universum stetig, was dazu führt, dass das von entfernten Himmelskörpern kommende Licht im Laufe seiner Reise zur Erde rotverschoben wird. 

Astronomen nutzen diese Rotverschiebung, um die Reisedauer des Lichts zu bestimmen. Die Analyse der Helligkeit und Rotverschiebung von Supernovae des Typs Ia zeigt, dass die Expansion des Universums sich beschleunigt. 

Diese beschleunigte Ausdehnung lässt sich effektiv durch die kosmologische Konstante erklären und ist ein zentraler Bestandteil des Lambda-CDM-Modells, dem Standardmodell der Kosmologie.

Inzwischen wurde die Allgemeinen Relativitätstheorie in zahlreichen Tests experimentell bestätigt.

Einsteins „Allgemeine Relativitätstheorie“ (ART) und sein Konzept der Raumzeit

Seit Isaac Newton (*25.12.1642; †20.03.1726) war bekannt, dass es die Gravitation gibt und welchen Gesetzen sie folgt. Warum dies so ist, erklärte dann Albert Einstein mit seiner – noch komplizierteren – „Allgemeinen Relativitätstheorie“, mit der er die Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurückführte, die unter anderem durch die beteiligten Massen verursacht wird.

Einstein begann darüber nachzudenken, als er einen Dachdecker vom Dach fallen sah. Denn bisher konnte er die Gravitation mit seiner Speziellen Relativitätstheorie nicht ausreichend erklären.

1917 führte er daher das Konzept der Raumzeit ein. Dabei können wir uns die Raumzeit etwa wie eine gespannte Gummifolie vorstellen. Wenn wir auf eine solche Folie einen Stein legen, dann dellt sie sich an dieser Stelle etwas ein. Genau das machen schwere Objekte wie z.B. die Sonne mit der Raumzeit.

Wenn wir jetzt eine kleine Murmel um den Stein auf der Folie kreisen lassen, wird sie nach und nach immer mehr vom Stein angezogen: Die Anziehungskraft ist also nichts anderes als eine Auswirkung einer Krümmung in der Raumzeit!

Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Schwerkraft also keine Kraft im üblichen Sinn, sondern eine Folge der verkrümmten Geometrie von

• Raum und
• Zeit.

Jede Art von Materie krümmt den Raum um sich herum, und andere Körper sowie Lichtstrahlen müssen diesen Verbiegungen folgen. Deshalb wird durch die Verkrümmung der Raumzeit auch das Licht messbar abgelenkt, wenn sein Weg an einer großen Masse – wie etwa an der Sonne – vorbeiführt: Wenn die große Masse der Sonne den sie umgebenden Raum krümmt, dann folgt auch ein Lichtstrahl dieser Krümmung.

Die einsteinschen Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie lassen sich mit oder ohne kosmologische Konstante formulieren. Allerdings kann ein materieerfülltes Universum, dessen Entwicklung durch Gleichungen ohne die Konstante beschrieben wird, nicht statisch sein, sondern muss notwendigerweise expandieren oder kollabieren.

Als Einstein seine Gleichungen aufstellte, verstand er das Universum jedoch als statisch und unveränderlich. – Damals wußte er noch nicht, dass das Universum nicht statisch ist und auch nicht allein aus unserer Milchstraße besteht, sondern ständig und zunehmend rascher expandiert.

Damit die Gleichungen mit Materie ein statisches Universum beschreiben (und nicht ein aufgrund der gravitativen Anziehung kollabierendes), führte Einstein die kosmologische Konstante in einer Ad-hoc-Hypothese ein.

Die kosmologische Konstante (gewöhnlich abgekürzt durch das große griechische Lambda (Λάμδα, Λ) ist eine physikalische Konstante in Albert Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie, welche die Gravitationskraft als geometrische Krümmung der Raumzeit beschreibt.

Sie wirkt (falls sie positiv ist) wie eine der gravitativen Anziehung entgegengesetzte „Expansions-Kraft“. Allerdings ist diese statische Lösung instabil, und kleinste Abweichungen von der idealen Materieverteilung lassen das Universum doch wieder je nach Vorzeichen der Störung kollabieren oder expandieren.

Als dann Edwin Hubble die Expansion des Universums anhand der Galaxienflucht entdeckte und außerdem Alexander Alexandrowitsch Friedmann (1922, 1924) und Georges Lemaître (1927) kosmologische expandierende Lösungen der Feldgleichungen entdeckten, verwarf Einstein die Idee der kosmologischen Konstante und bezeichnete diese angeblich als die „größte Eselei meines Lebens“.

Die Aufgabe der kosmologischen Konstanten geschah allerdings nicht sofort, sondern setzte sich erst Anfang der 1930er Jahre durch.

Während in der Physik lange Zeit die Meinung vorherrschte, dass der Wert der kosmologischen Konstante null sei, kommen jüngste Beobachtungen zu einem sehr kleinen, positiven Wert.

Die kosmologische Konstante wird heute nicht mehr als Parameter der allgemeinen Relativitätstheorie (wie von Einstein eingeführt) interpretiert, sondern als die zeitlich konstante Energiedichte des Vakuums: Die Verallgemeinerung der kosmologischen Konstante auf zeitlich variable Energiedichten dieser Art wird als Dunkle Energie bezeichnet.

Aus einer Reihe verschiedener Beobachtungen wird der Wert der kosmologischen Konstante heute abgeschätzt, das heißt etwa 70 % der Energiedichte im Universum liegt in Form der kosmologischen Konstante oder Dunkler Energie vor.

Nachdem die kosmologische Konstante durch die Entdeckung der Expansion des Weltalls an Bedeutung verloren hatte, war sie eher von akademischem Interesse.

Sie gewann wieder an Bedeutung durch Versuche, eine vereinheitlichte Theorie aller Naturkräfte aufzustellen. Diese werden durch Quantenfeldtheorien beschrieben, und die Vakuumfluktuationen der Felder dieser Quantenfeldtheorien würden einen um viele Größenordnungen zu hohen Beitrag zur kosmologischen Konstante liefern.

Dies wird als Problem der kosmologischen Konstante bezeichnet, das bis heute ungelöst ist. Beispielsweise haben heute vielfach favorisierte Theorien mit Supersymmetrie den Vorteil, dass sich zwar die Beiträge der Fermionen und Bosonen in den Vakuumfluktuationen zur kosmologischen Konstante bei exakter Supersymmetrie aufheben, die Symmetrie ist aber in der Natur gebrochen.

Ein weiterer Ansatzpunkt zum Verständnis der kosmologischen Konstante liegt in der Theorie vom inflationären Universum.

Diese kann gut durch eine positive kosmologische Konstante erklärt werden. Bisher weiß niemand, was für die zunehmende Expansion des Universums verantwortlich sein könnte.

Dies veranlasste James Peebles (Kanada/USA) 1984 zu seiner vielleicht größten wissenschaftlichen Leistung und einem radikalen Schritt: Er rehabilitierte Einsteins „Eselei“ und führte die ursprünglich von Albert Einstein ersonnene sog. kosmologische Konstante wieder ein, die heute unter dem Namen „Dunkle Energie“ bekannt ist.

Im Jahr 2019 erhielt James Peebles für seine grundlegenden Erkenntnisse zur Entwicklung des Universums die eine Hälfte des Physik-Nobelpreises.

Ab 1998 hat die kosmologische Konstante dann eine Renaissance erlebt: Seit dem Urknall vor 13,79 Milliarden Jahren dehnt sich das Universum aus – und mit ihm das Licht, das von fernen Himmelsobjekten zur Erde gelangt. Dadurch vergrößert sich die Wellenlänge der Strahlung, sie wird „rotverschoben“.

Aus dieser Rotverschiebung können Astronomen ermitteln, wie lange das Licht unterwegs war. Zudem kann man anhand der Helligkeit bzw. Rotverschiebung von fernen Supernovae vom Typ Ia kann man feststellen, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt.

Diese beschleunigte Expansion lässt sich sehr gut mit einer kosmologischen Konstante beschreiben und ist Bestandteil des erfolgreichen Lambda-CDM-Modells, des Standardmodells der Kosmologie.

Inzwischen wurde die Allgemeinen Relativitätstheorie in zahlreichen Tests experimentell bestätigt.

Einsteins „Theorie der Gravitationswellen“

Im Zuge seiner Forschungen zur „Allgemeinen Relativitätstheorie“ gelangte Albert Einstein 1916 zu der Erkenntnis, dass Gravitationswellen – also Schwingungen in der Raumzeit – existieren müssten, falls seine Theorie zutrifft. 

Diese Wellen entstehen, wenn massereiche Objekte wie Sterne beschleunigt werden, wobei ihre Intensität mit der Masse und der Beschleunigung zunimmt.

Gravitationswellen breiten sich mit der Geschwindigkeit des Lichts aus und haben die Fähigkeit, den Raum zu stauchen und zu strecken. Dabei verursachen sie auch Verzerrungen in der vierdimensionalen Struktur der Raumzeit.

Jede Masse beeinflusst durch ihre Anwesenheit die Struktur des Raumes, indem sie ihn krümmt. Diese Krümmung übt eine Gravitationswirkung auf andere Massen aus, ähnlich einer unsichtbaren Anziehungskraft. Zur Veranschaulichung lässt sich dieser Effekt mit den Wellen auf einem See vergleichen, die entstehen, wenn ein Stein hineingeworfen wird.

Einstein selbst visualisierte den Raum wie ein straff gespanntes Gummituch, auf dem schwere Kugeln Dellen formen. Diese Dellen beeinflussen die Bewegung anderer Objekte auf dem Tuch, ähnlich wie ein Tennisball auf einem Trampolin anders rollt, wenn eine schwere Bowlingkugel das Trampolin einbeult.

Wie Wellen, die sich auf der Oberfläche des Gummituchs ausbreiten, bewegen sich Himmelskörper in den durch die Gravitation erzeugten Vertiefungen. Trifft eine Gravitationswelle auf, verändert sie kurzzeitig die räumlichen Abstände, sodass die Form eines Objekts vorübergehend zwischen verschiedenen Zuständen – etwa von einem Rugbyball zu einer Kugel – oszillieren kann.

In seiner Allgemeinen Relativitätstheorie postulierte Einstein auch, dass die Bahnen von Himmelskörpern sich allmählich um den Punkt drehen, den sie umkreisen. Dieses Phänomen ist auf die elliptische Natur der Umlaufbahnen zurückzuführen, die dazu führt, dass sich die Ellipsenform bei jedem Umlauf leicht verschiebt und eine rosettenartige Figur entsteht. 

Diese schrittweise Verschiebung der Bahn wird als Periheldrehung bezeichnet und bestätigt die komplexen Vorhersagen der Relativitätstheorie bezüglich der Raumzeit-Krümmung durch Massen.

Im Gegensatz dazu prognostizierte die Newtonsche Gravitationstheorie eine stetig elliptische Umlaufbahn. Der von Einstein erkannte minimale Effekt wurde zuerst beim Planeten Merkur festgestellt, der sich um die Sonne dreht und wurde im April 2020 auch durch die Bewegung eines Sterns um das Schwarze Loch Sagittarius (Sgr) A* im Zentrum der Milchstraße bestätigt.

Es wird angenommen, dass Gravitationswellen bereits beim Urknall entstanden sind und seither nahezu ungehindert das Universum durchziehen. 

Diese Wellen tragen einzigartige Informationen über die Anfänge des Universums, die auf keine andere Weise zugänglich sind. Auf der Erde sorgt die Gravitation dafür, dass Objekte zu Boden fallen, sofern sie nicht aufgehalten werden. Im Sonnensystem steuert die Schwerkraft die Umlaufbahnen von Planeten, Kometen und Satelliten. Dies spielt ebenso eine entscheidende Rolle bei der Dynamik von Schwarzen Löchern.

Doch Einstein selbst zweifelte daran, dass seine theoretischen Vorhersagen über Gravitationswellen jemals empirisch belegt werden könnten. Wie Recht Einstein mit seiner Voraussage gehabt hat, zeigte sich am 14.09.2015, als erstmals der sensationelle Nachweis der Gravitationswellen von zwei zu einem größeren schwarzen Loch verschmelzenden schwarzen Löchern „GW150914“ gelungen ist.

– Heutzutage integrieren Kosmologen und Teilchenphysiker Einsteins Theorien der Speziellen und Allgemeinen Relativität routinemäßig in ihre tägliche Forschungsarbeit.Für Laien mögen Einsteins Relativitätstheorien abstrakt erscheinen, doch sie sind allgegenwärtig im Alltag – beispielsweise in Navigationssystemen. Systeme wie GPS, die täglich von Autofahrern und Wanderern genutzt werden, könnten ohne die Prinzipien der Relativitätstheorie nicht präzise funktionieren. Die exakte Positionsbestimmung durch GPS basiert auf sehr genauen Zeitmessungen, die nur korrekt sind, wenn Zeit als Teil der vierdimensionalen Raumzeit betrachtet wird.

Die Untersuchung der Richtigkeit der Relativitätstheorie

Bislang hat sich die Relativitätstheorie mehr als 100 Jahre stets bewährt und sie gilt zwar als richtig. Jedoch gibt es theoretische Gründe, die ihr Grenzen auferlegen.

Im Mikrokosmos gelten die Gesetze der Quantenphysik, und bis heute ist es nicht gelungen, die Relativitäts- mit der Quantentheorie unter einen Hut zu bringen. Im Mikrokosmos kann die Relativitätstheorie nicht stimmen. Einige Wissenschaftler wollen ihre Grenzen daher am Ereignishorizont von Schwarzen Löchern aufspüren. Andere versuchen das mit der Messung von Gravitationswellen, die bei extremen Vorgängen wie der Fusion von Schwarzen Löchern entstehen.

Möglicherweise scheitert die Vereinigung von Quantentheorie und Relativitätstheorie schlicht am Geld. Wenn die benötigten Beschleuniger und Experimente zu teuer sind, wird man es nicht machen können. Überdies gibt es grundsätzliche Grenzen der Erkenntnis, die sich von der Wissenschaft nicht überwinden lassen.

Gleichwohl gilt: Schwarze Löcher, Gravitationswellen, Relativitätstheorie – das alles geht letztlich auf Albert Einstein zurück. Auf der Skala der fantastischen Leistungen des menschlichen Geistes steht er zweifelsohne ganz oben.

Doch von seinem Genius machen sich viele eine falsche Vorstellung. Einstein hat nicht einfach mal eben die allgemeine Relativitätstheorie aufgeschrieben. Im Gegenteil. Er hat 10 Jahre lang gekämpft, ist in falsche Richtungen gelaufen und musste erst einmal von anderen die richtige Mathematik lernen.

An der Vorhersage der Schwarzen Löcher und der Gravitationswellen war er weniger oder gar nicht beteiligt. Von Einstein stammt gleichsam nur der Überbau. Die konkreten Details haben dann andere geliefert.

Arthur Stanley Eddington und sein entscheidender Beitrag zur Durchsetzung der einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie sowie sein erstes echtes Modell der in Sternen ablaufenden Prozesse  (*28.12 1882; †22.11.1944)

Der britische Astrophysiker Sir Arthur Stanley Eddington (*28.12 1882; †22.11.1944) war ein Pionier in der Modellierung des inneren Aufbaus von Sternen. Sein Forschungsinteresse erstreckte sich auch auf die Dynamik von Sternbewegungen, die Anwendung der Relativitätstheorie in der Astronomie sowie auf die Philosophie der Naturwissenschaften.

Er gehörte zu den ersten Physikern, die ab 1915 die Bedeutung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie erkannten.

Eddington trug darüber auf dem Treffen der British Association for the Advancement of Science 1916 vor und schrieb 1923 sein Buch „Mathematical Theory of Relativity“ als eines der frühesten Lehrbücher.

Außerdem trug er entscheidend dazu bei, die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Ablenkung des Lichts nahe der Sonne weltweit durchzusetzen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein postuliert, dass eine so massive Entität wie die Sonne die Raumzeit um sich herum signifikant krümmt. Daher sollten Sterne, die aus irdischer Perspektive nahe der Sonne erscheinen, durch die Krümmung der Lichtstrahlen im Gravitationsfeld der Sonne leicht verschoben wirken. 

Um diesen Effekt zu beobachten, ist eine totale Sonnenfinsternis erforderlich, da Sterne nahe der hellen Sonne sonst optisch nicht sichtbar sind. Sir Arthur Eddington leitete 1919 eine Expedition nach Príncipe im Golf von Guinea in Westafrika, um während einer Sonnenfinsternis diese Lichtablenkung zu dokumentieren. Ein zusätzliches Team führte zeitgleich Beobachtungen in Sobral  (Ceará), Brasilien, durch. 

Trotz teilweiser Bewölkung gelangen Eddington Aufnahmen, die später als Bestätigung von Einsteins Theorie interpretiert wurden.

Bei der „Cambridge-Δ2-V-Club-Zusammenkunft“ präsentierte Eddington 1919 seine Ergebnisse, die Einsteins Theorie stützten, obwohl spätere Analysen aufzeigten, dass die Daten möglicherweise zu ungenau waren. 

Eddington trug auch maßgeblich zur Sternphysik bei, indem er das erste detaillierte Modell der Kernprozesse in Sternen entwickelte. 

Er postulierte, dass der Druck- und Temperaturanstieg im Inneren eines Sterns durch das Gleichgewicht zwischen Gravitations- und Strahlungsdruck einem Kollaps entgegenwirkt. Seine Überlegungen veröffentlichte er in „The Internal Constitution of Stars“ (1926), wo er auch die Masse-Leuchtkraft-Beziehung einführte. 

Die nach ihm benannte Eddington-Grenze definiert die maximale Leuchtkraft, die ein Stern im hydrostatischen Gleichgewicht erreichen kann.

In den 1930er-Jahren stand Eddington in einer kontroversen Debatte mit dem jungen Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar über die Massenobergrenze von Weißen Zwergen, eine Diskussion, die Chandrasekhars Umzug in die USA bewirkte. 

Chandrasekhar gewann später für seine Theorien, einschließlich der nach ihm benannten Chandrasekhar-Grenze, den Nobelpreis für Physik.

Stephen Hawking und sein Streben nach einer universellen „Weltformel“ („Theory of Everything“) (*08.01.1942; †14.03.2018)

Wie bereits beschrieben war die Beziehung zwischen der katholischen Kirche und den Wissenschaften seit jeher mehr als kompliziert und Jahrhunderte lang hat man man sich bekriegt.

Exakt 300 Jahre nach dem Tod von Galileo Galilei wurde der britische theoretische Physiker und Astrophysiker Stephen William Hawking am 08.01.1942 geboren (†14.03.2018). Er war einer der bedeutendsten theoretischen Physiker und bekanntesten Wissenschaftler des 20. Jh.s.

Durch eine degenerative Erkrankung seines motorischen Nervensystems (Amyotrophe Lateralsklerose – ALS) benötigte er seit seinem jungen Erwachsenenalter einen Rollstuhl. So lange es ihm möglich war, schrieb er mit den Fingern. Dann steuerte er viele Jahre den Cursor auf dem Computerbildschirm mit winzigen Wangenbewegungen. Als er auch das nicht mehr konnte, wählte er Buchstaben und Wörter allein durch Augenbewegungen aus, aber er konnte so nur noch 2 bis 3 Wörter pro Minute generieren. Für die verbale Kommunikation konnte Hawking seit 1985 nur noch mithilfe eines Sprachcomputers kommunizieren.

Allerdings konnte die schwere Krankheit seinem Geist nichts anhaben. Und so hat Hawking eindrucksvoll den Beweis dafür geliefert, dass ein menschliches Gehirn durch bloßes Nachdenken Wissen über das Universum generieren kann. Hawking verstarb am 14.03.2018 und seine Asche wurde in der Westminster Abbey in London zwischen den Gräbern der anderen Wissenschaftsgrößen Charles Darwin und Isaac Newton beigesetzt.

Keine Widrigkeit stand seinem Denken im Weg. Immer wieder hat Hawking sein Lebensziel betont:

„My goal is simple. It is the complete understanding of the universe, why it is as it is and why it exists at all.“

Er wollte den Ursprung des Universums erklären:

• warum es so ist, wie es ist, und
• warum es überhaupt existiert.

Stephen Hawkings Suche nach der universellen „Weltformel“ („Theory of Everything“), die die 4 Grundkräfte der Physik einheitlich erklären soll

Hierfür wollte er die universelle „Weltformel“ („Theory of Everything“) finden, die die 4 Grundkräfte der Physik einheitlich erklären soll, d.h. die 4 fundamentalen Wechselwirkungen, durch die physikalische Objekte (Körper, Felder, Teilchen, Systeme) auf verschiedenen Wegen einander beeinflussen können:

• Gravitation
• Elektromagnetismus
• schwache Wechselwirkung und
• starke Wechselwirkung.

Weder ihm noch anderen Wissenschaftlern ist es freilich bisher trotz aller Bemühungen gelungen, die beiden großen physikalischen Theorien der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik in einer Theorie der Quantengravitation zusammenzufassen.

Die Vereinigung der 2 zentralen Theoriegebäuden des Standardmodells der Elementarteilchenphysik und der Gravitation gilt heute nach wie vor als eine der größten Herausforderungen in der Physik.

Aber dies sind eben nur zwei Theorien, daneben gibt es noch eine ganze Reihe anderer Erklärungsmodelle. Wahrscheinlich wird ein solch erweitertes Verständnis des Universums erst erreicht, wenn die Physik eine besondere Quantentheorie der Gravitation erkennt.

Sein Forscherleben lang hat sich Hawking aber auch mit seinen wichtigsten Forschungsthemen befasst:

• der Theorie des Urknalls und
• den Schwarzen Löchern.

Bereits in seiner Doktorarbeit „Merkmale sich ausdehnender Universen“ („Properties of Expanding Universes“), die er 1966 an der britischen Cambridge University abschloss und bei der er beim Schreiben unterstützt werden musste, war es ihm gelungen, aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie die Existenz sog. Singularitäten im Raumzeitgefüge abzuleiten und daraus gemeinsam mit Roger Penrose zu berechnen, dass das Universum einen Anfang haben muss.

Nach seiner Ansicht war der Urknall eine solche Singularität: Bei der Geburt des Universums herrschte an einem Punkt eine unendlich hohe Energiedichte, Raum und Zeit waren hingegen „Null“.

Sodann konnte Hawking den Beweis dafür erbringen, dass die Zeit erst mit dem Big Bang in die Welt gekommen ist und es vor dem Urknall keine Zeit gegeben hat. Vor diesem Beweis hatte es auch in Fachkreisen noch viel Skepsis gegenüber der Urknall-Theorie gegeben. Dagegen hat sich heute der sog. Urknall („Big Bang“) als wissenschaftliche Theorie etabliert.

Stephen Hawkings Beweis der notwendigen Existenz von Singularitäten, seine quantenmechanische Interpretation der „Schwarzen Löcher“ und der kosmischen Hintergrundstrahlung

Bereits im Jahre 1783 spekulierte der englische Naturphilosoph John Michell über die Existenz von Objekten, die heute als Schwarze Löcher bekannt sind. Inspiriert von der Newtonschen Gravitationsphysik überlegte er, ob es Sterne geben könnte, deren massive Gravitationskräfte so stark sind, dass selbst Licht nicht entkommen kann. 

Diese hypothetischen Objekte könnten durch die gravitativen Einflüsse auf ihre leuchtenden Nachbarsterne indirekt nachweisbar sein.

Stephen Hawking erweiterte das Verständnis dieser Objekte durch seine Arbeit in der allgemeinen Relativitätstheorie und quantenmechanischen Interpretation. Er stellte 1974 die revolutionäre Theorie auf, dass Schwarze Löcher nicht nur Materie verschlucken, sondern aufgrund quantenmechanischer Effekte auch Materie abgeben und langsam verdampfen können – ein Vorgang, der später als  „Hawking-Strahlung“ bekannt wurde.

In den 1980er Jahren entwickelte Hawking gemeinsam mit James Hartle neue Ansätze in der Quantengravitation durch die sogenannte euklidische Pfadintegralformulierung. 

Auf der 17. „General Relativity“ Konferenz in Dublin 2004 diskutierte er Lösungen zum Problem des Informationsverlusts in Schwarzen Löchern, eine Debatte, die in der Fachwelt weiterhin kontrovers diskutiert wird.

Hawking argumentierte, dass durch eine Pfadintegral-Formulierung der Quantengravitation in komplexen Topologien ein Ausweg aus dem Problem des Informationsverlusts möglich sei. 

Sein weltweit bekanntes Buch „A Brief History of Time“ („Eine kurze Geschichte der Zeit“), veröffentlicht 1988, stellt tiefgehende Fragen über den Ursprung und die Beschaffenheit des Universums.

Anhand der Urknalltheorie hat er die Entstehung des Universums erklärt und seine Theorien zur Entstehung Schwarzer Löcher beschrieben. Dabei verzichtete er beinahe vollständig auf komplizierte Berechnungen, denn er wußte: „jede mathematische Formel in einem Buch halbiert die Verkaufszahl“.

Hawkings Plan ging auf: Sein populärwissenschaftliches Buch wurde in 40 Sprachen übersetzt und verkaufte sich mehr als 10 Mio. Mal. Das Buch befasst sich mit Fragen zur Kosmologie und beleuchtet dabei insbesondere die Rolle der Zeit. Es enthält Betrachtungen zum Urknall und versucht, Eigenschaften schwarzer Löcher mit Hilfe der Stringtheorie zu erklären.

Im Jahr 1981 präsentierte Stephen Hawking auf einer Kosmologiekonferenz im Vatikan seine revolutionäre Theorie, die besagt, dass das Universum keine Grenzen besitzt. In seinem Vortrag erläuterte er das Universum als ein selbstexistierendes Phänomen, das seiner Meinung nach keinen Schöpfergott erfordert:

„Wenn das Universum einen Anfang hatte, können wir von der Annahme ausgehen, dass es durch einen Schöpfer geschaffen worden sei. Doch wenn das Universum wirklich völlig in sich selbst abgeschlossen ist, wenn es wirklich keine Grenze und keinen Rand hat, dann hätte es auch weder einen Anfang noch ein Ende; es würde einfach sein. Wo wäre dann noch Raum für einen Schöpfer?“

Im September 2010 hat Stephen Hawking dann erstmals ausdrücklich das Weltall als ein Phänomen erklärt, das einfach vorhanden ist, sodass für die Entstehung des Universums kein Schöpfergott notwendig gewesen sei.

Obwohl Hawking Atheist war, hat Papst Franziskus ihn im November 2016 im Vatikan empfangen. Trotz dessen Äußerungen sah der Papst keinen Grund, dessen Mitgliedschaft in der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften aufzukündigen, in die er 1986 auf Lebenszeit berufen worden war. Vielmehr segnete er Hawking sogar und dankte ihm für sein „stetiges Engagement“ für die Akademie.

Doch kommen wir zurück zum Anfang und zum Konsens unter den Wissenschaftlern: Die Urknall-Modelle sind weitgehend anerkannt, wenn es darum geht, den heutigen Zustand des Universums zu erklären.

Sie liefern überzeugende Vorhersagen, die mit den Beobachtungen des Universums übereinstimmen. Die Frage, was vor dem Urknall existierte, bleibt jedoch unbeantwortet, und selbst die Existenz eines Multiversums würde das Mysterium des Vorherigen nicht klären.

Die zentrale Herausforderung besteht darin, Gravitation und Quantenphänomene in Einklang zu bringen.

Forscher arbeiten intensiv an der Theorie der Quantengravitation, um die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu vereinen. 

Zu den wichtigsten Vorhersagen der Urknall-Modelle gehören:

• die Expansion des Universums, 
• die Entkopplung von Materie und kosmischer Hintergrundstrahlung, 
• die Verteilung von Elementen wie Helium sowie
• die Erklärung der Temperaturfluktuationen der kosmischen Hintergrundstrahlung durch die kosmologische Störungstheorie.

Diese Theorien bieten auch ein Modell zur Entstehung großräumiger Strukturen wie Filamenten und Voids, welche die charakteristische Wabenstruktur des Universums bilden.

Bislang sind aber die großen Rätsel noch nicht gelöst,

• wodurch der Urknall überhaupt ausgelöst werden konnte,
• wodurch der Urknall tatsächlich ausgelöst worden ist,
• erst recht weiß niemand, ob sich bereits vor diesem Urknall etwas ereignet hat und was dies gewesen sein könnte und
• ob etwa die Schöpfungsgeschichte neu geschrieben werden muss.

Fazit: Das Unbekannte im Bekannten

Trotz der Fortschritte in der Astrophysik bleiben viele Fragen offen, insbesondere was den genauen Auslöser des Urknalls betrifft und was, wenn überhaupt, davor existierte. Die Suche nach einer umfassenden Theorie, die sowohl die Relativitätstheorie als auch die Quantenmechanik vereint, bleibt eine der größten Herausforderungen der modernen Wissenschaft.