Universalität der Naturgesetze
Die Annahme universeller Naturgesetze ist unabdingbar für eine Beschreibung des gesamten Universums. Alle bisherigen astronomischen Beobachtungen weisen auch auf eine Allgemeingültigkeit der Naturgesetze hin.
Aus dieser Universalität der Naturgesetze folgt, dass sich die Entwicklung des Universums mittels der allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben lässt, welche die derzeit mehrheitlich anerkannte Theorie der Gravitation und Raumzeit ist. Dabei ist allerdings zu beachten, dass die allgemeine Relativitätstheorie nicht mit den Theorien der Quantenphysik vereinbar ist. Da bei sehr großer Materiedichte und damit sehr großer Raumzeitkrümmung Quanteneffekte zu erwarten sind, unterliegt daher die Beschreibung des frühen Universums Einschränkungen. Der Punkt des Urknalls selbst und eine sehr kurze, darauf folgende Zeitspanne von einer Planck-Zeit ist mit den derzeitigen Theorien nicht beschreibbar, und der Begriff „Urknall“ kann als Bezeichnung für diesen unverstandenen Teil verstanden werden.
Die Annahme universeller Naturgesetze ist unabdingbar für eine Beschreibung des gesamten Universums. Alle bisherigen astronomischen Beobachtungen weisen auch auf eine Allgemeingültigkeit der Naturgesetze hin.
Aus dieser Universalität der Naturgesetze folgt, dass sich die Entwicklung des Universums mittels der allgemeinen Relativitätstheorie beschreiben lässt, welche die derzeit mehrheitlich anerkannte Theorie der Gravitation und Raumzeit ist. Dabei ist allerdings zu beachten, dass die allgemeine Relativitätstheorie nicht mit den Theorien der Quantenphysik vereinbar ist. Da bei sehr großer Materiedichte und damit sehr großer Raumzeitkrümmung Quanteneffekte zu erwarten sind, unterliegt daher die Beschreibung des frühen Universums Einschränkungen. Der Punkt des Urknalls selbst und eine sehr kurze, darauf folgende Zeitspanne von einer Planck-Zeit ist mit den derzeitigen Theorien nicht beschreibbar, und der Begriff „Urknall“ kann als Bezeichnung für diesen unverstandenen Teil verstanden werden.
Das Wort Universum (von lateinisch universus „gesamt“, von
unus und versus „in eins gekehrt“) bezeichnet in der Physik die zu einem
gegebenen Zeitpunkt vorgefundene Anordnung aller nach physikalischen Gesetzmäßigkeiten
organisierten Materie und Energie, angefangen bei den elementaren Teilchen bis
hin zu den großräumigen Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen.
Die heute allgemein anerkannte Theorie zur Beschreibung der großräumigen Struktur des Universums ist die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein. Auch die Quantenphysik hat wichtige Beiträge zum Verständnis speziell des frühen Universums geliefert, in dem die Dichte und Temperatur sehr hoch waren und viele Prozesse unter Beteiligung von Elementarteilchen abliefen (Astroteilchenphysik). Wahrscheinlich wird ein erweitertes Verständnis des Universums erst erreicht, wenn die Physik eine Theorie entwirft, die die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik vereint. Diese wird T.O.E. (Theory Of Everything) oder auch Weltformel genannt. In dieser Theorie der Quantengravitation sollen die vier Grundkräfte der Physik (elektromagnetische Kraft, Gravitation, starke und schwache Kernkraft) einheitlich erklärt werden. Schon Albert Einstein hat sich viele Jahre um die Aufstellung einer solchen allumfassenden Theorie bemüht – ohne Erfolg. Zudem waren in seinem Konzept die starke und schwache Wechselwirkung nicht enthalten, so dass seine Suche nach der Weltformel auch von daher – weil unvollständig – zum Scheitern verurteilt war. Erst in den 1960er Jahren standen die mathematischen Voraussetzungen für die Entwicklung einer Vereinigungstheorie zur Verfügung, womit die Suche der Physiker nach diesem großen einheitlichen Bild der Welt begann.
Die Kosmologie, ein Teilgebiet sowohl der Physik als auch der heutigen Philosophie der Naturwissenschaften, befasst sich mit dem Studium des Universums und versucht Eigenschaften des Universums wie beispielsweise die Frage nach der Feinabstimmung der Naturkonstanten zu beantworten.
Gegenwärtige astronomische Beobachtungsdaten erlauben es nicht, das Universum von einem euklidischen Universum zu unterscheiden. Die bisher gemessene Energiedichte des Universums liegt also so nahe an der kritischen Dichte, dass die experimentellen Fehler es nicht ermöglichen, zwischen den drei grundlegenden Fällen zu unterscheiden.
Dunkle Energie beeinflusst weiterhin die Expansionseigenschaften des Universums. So führt ein großer Anteil von Dunkler Energie dazu, dass ein sphärisches Universum nicht in sich zusammenstürzt, oder ein flaches Universum immer weiter beschleunigt. Bestimmte Formen der Dunklen Energie können sogar dazu führen, dass das Universum lokal schneller als Lichtgeschwindigkeit expandiert und so in einem Big Rip auseinandergerissen wird, da keine Wechselwirkungen zwischen Teilchen mehr stattfinden können.
Die heute allgemein anerkannte Theorie zur Beschreibung der großräumigen Struktur des Universums ist die allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein. Auch die Quantenphysik hat wichtige Beiträge zum Verständnis speziell des frühen Universums geliefert, in dem die Dichte und Temperatur sehr hoch waren und viele Prozesse unter Beteiligung von Elementarteilchen abliefen (Astroteilchenphysik). Wahrscheinlich wird ein erweitertes Verständnis des Universums erst erreicht, wenn die Physik eine Theorie entwirft, die die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenphysik vereint. Diese wird T.O.E. (Theory Of Everything) oder auch Weltformel genannt. In dieser Theorie der Quantengravitation sollen die vier Grundkräfte der Physik (elektromagnetische Kraft, Gravitation, starke und schwache Kernkraft) einheitlich erklärt werden. Schon Albert Einstein hat sich viele Jahre um die Aufstellung einer solchen allumfassenden Theorie bemüht – ohne Erfolg. Zudem waren in seinem Konzept die starke und schwache Wechselwirkung nicht enthalten, so dass seine Suche nach der Weltformel auch von daher – weil unvollständig – zum Scheitern verurteilt war. Erst in den 1960er Jahren standen die mathematischen Voraussetzungen für die Entwicklung einer Vereinigungstheorie zur Verfügung, womit die Suche der Physiker nach diesem großen einheitlichen Bild der Welt begann.
Die Kosmologie, ein Teilgebiet sowohl der Physik als auch der heutigen Philosophie der Naturwissenschaften, befasst sich mit dem Studium des Universums und versucht Eigenschaften des Universums wie beispielsweise die Frage nach der Feinabstimmung der Naturkonstanten zu beantworten.
Gegenwärtige astronomische Beobachtungsdaten erlauben es nicht, das Universum von einem euklidischen Universum zu unterscheiden. Die bisher gemessene Energiedichte des Universums liegt also so nahe an der kritischen Dichte, dass die experimentellen Fehler es nicht ermöglichen, zwischen den drei grundlegenden Fällen zu unterscheiden.
Dunkle Energie beeinflusst weiterhin die Expansionseigenschaften des Universums. So führt ein großer Anteil von Dunkler Energie dazu, dass ein sphärisches Universum nicht in sich zusammenstürzt, oder ein flaches Universum immer weiter beschleunigt. Bestimmte Formen der Dunklen Energie können sogar dazu führen, dass das Universum lokal schneller als Lichtgeschwindigkeit expandiert und so in einem Big Rip auseinandergerissen wird, da keine Wechselwirkungen zwischen Teilchen mehr stattfinden können.
"Der Urknall war nicht der Anfang"
Der Physiker Martin Bojowald hat in die Zeit vor dem Urknall geblickt - mit Hilfe der Mathematik.
Der Deutsche Martin Bojowald gilt trotz seines Alters von nur 36 Jahren als einer der wichtigsten Theoretischen Physiker. Mit seiner Theorie der Quantenschleifen-Gravitation versucht er die Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein zu verknüpfen. Bojowald hat als Erster mit mathematischen Methoden die Anfangsphase des heutigen Universums durchleuchtet und gezeigt, dass es schon vor dem Urknall ein Universum gegeben haben muss. Bojowald arbeitet an der Pennsylvania State University.
Wir können jetzt zum ersten Mal mathematische Gleichungen befragen, um zu erfahren, was vor dem Urknall gewesen sein könnte. Wir sehen zumindest, dass es auch vorher ein Universum gab und dass es schrumpfte. Es zog sich auf engsten Raum zusammen, kam dann in eine heiße und dichte Phase, bis die Raumzeit wieder anfing zu wachsen. Das Entscheidende ist, dass man überhaupt Gleichungen benutzen kann, um etwas vor dem Urknall auszurechnen. In der Allgemeinen Relativitätstheorie funktionierte das bislang überhaupt nicht. Wenn wir dort rückwärts durch die Zeit blickten, schrumpfte das Universum am Zeitpunkt Null zu einem einzelnen Punkt. Mathematisch gesprochen nennt man das eine Singularität. Hier brachen die Gleichungen zusammen, und die Physik ergab keinen Sinn mehr.
Der Urknall war nicht der Anfang des Universums, es existierte davor schon etwas. Im Übergang vom "Davor" zum "Jetzt" gab es eine Phase, in der die Materie stark konzentriert war. Die Eigenschaften dieser Phase kann man noch am Aufbau des Universums, an der Hintergrundstrahlung, den Sternen und Galaxien ablesen. Das Universum war aber nie in einem Punkt mit - physikalisch sinnloser - unendlich hoher Dichte konzentriert, wie die konventionelle Vorstellung vom Urknall besagt.
Der Physiker Martin Bojowald hat in die Zeit vor dem Urknall geblickt - mit Hilfe der Mathematik.
Der Deutsche Martin Bojowald gilt trotz seines Alters von nur 36 Jahren als einer der wichtigsten Theoretischen Physiker. Mit seiner Theorie der Quantenschleifen-Gravitation versucht er die Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein zu verknüpfen. Bojowald hat als Erster mit mathematischen Methoden die Anfangsphase des heutigen Universums durchleuchtet und gezeigt, dass es schon vor dem Urknall ein Universum gegeben haben muss. Bojowald arbeitet an der Pennsylvania State University.
Wir können jetzt zum ersten Mal mathematische Gleichungen befragen, um zu erfahren, was vor dem Urknall gewesen sein könnte. Wir sehen zumindest, dass es auch vorher ein Universum gab und dass es schrumpfte. Es zog sich auf engsten Raum zusammen, kam dann in eine heiße und dichte Phase, bis die Raumzeit wieder anfing zu wachsen. Das Entscheidende ist, dass man überhaupt Gleichungen benutzen kann, um etwas vor dem Urknall auszurechnen. In der Allgemeinen Relativitätstheorie funktionierte das bislang überhaupt nicht. Wenn wir dort rückwärts durch die Zeit blickten, schrumpfte das Universum am Zeitpunkt Null zu einem einzelnen Punkt. Mathematisch gesprochen nennt man das eine Singularität. Hier brachen die Gleichungen zusammen, und die Physik ergab keinen Sinn mehr.
Der Urknall war nicht der Anfang des Universums, es existierte davor schon etwas. Im Übergang vom "Davor" zum "Jetzt" gab es eine Phase, in der die Materie stark konzentriert war. Die Eigenschaften dieser Phase kann man noch am Aufbau des Universums, an der Hintergrundstrahlung, den Sternen und Galaxien ablesen. Das Universum war aber nie in einem Punkt mit - physikalisch sinnloser - unendlich hoher Dichte konzentriert, wie die konventionelle Vorstellung vom Urknall besagt.
