Universum (v. lat. universus "gesamt"; v. unus und versus "zu einem gekehrt"), auch Kosmos, Welt, Weltraum, a) die Gesamtheit aller Dinge, b) der Raum, in dem alle materiellen Objekte existieren.

Mit der Erforschung und Beschreibung des Universums befasst sich die ►Astronomie. Was außerhalb des Universums liegt und ob es überhaupt ein 'Außerhalb' gibt, lässt sich durch Beobachtung allein nicht entscheiden. Dagegen kann man durchaus untersuchen, wie sich das Universum entwickelt hat und wie sein weiteres Schicksal verlaufen wird. Hinweise geben die Beobachtung der Himmelsobjekte und der Hintergrundstrahlung, einer Mikrowellenstrahlung, die vom ►Urknall herrührt und gleichmäßig das ganze Universum erfüllt. Die Beobachtungen deuten auf folgendes hin:

Das Universum dehnt sich immer schneller aus. Die Rotverschiebung des Sternenlichts lässt sich nur dadurch erklären, dass sich die Entfernung zwischen allen Galaxien ständig vergrößert. Dies geschieht nicht, wie man anfangs glaubte, durch ein Auseinanderfliegen der Galaxien seit dem Urknall. Vielmehr treibt die sogenannte ►Dunkle Energie - ein Term in der ►Entfernungsformel, dessen physikalische Natur noch ungeklärt ist - das Raumgefüge selbst auseinander, und zwar nicht gleichmäßig, sondern mit wachsender Geschwindigkeit.
      Die Ausdehnung aller Entfernungen bedeutet nicht, dass sich damit auch alle Atome, Planeten, Sonnen und Galaxien gleichermaßen ausdehnen würden. Eine solche Expansion könnten wir gar nicht feststellen, da sich ja alle Maßstäbe zugleich mit ausdehnen würden. Doch die Größe von ►Atomen und ihr Abstand voneinander sind durch Naturkonstanten festgelegt. Auch Sie selbst wachsen daher nicht mit dem Universum und können einen etwa zunehmenden Bauchumfang nicht mit der Dunklen Energie entschuldigen. Galaxien werden durch die Schwerkraft zusammengehalten und widerstehen der Expansion. Galaxienhaufen hingegen, die nur schwach durch Schwerkraft gebunden sind, spüren bereits den Ausdehnungseffekt. Durch die Ausdehnung verringert sich ständig die Materie-Dichte im Universum. Im Moment enthält das Universum im Mittel etwa ein Atom pro Kubikmeter.

Das Universum ist 13,7 Milliarden Jahre alt. Auf diesen Zahlenwert kommt man mit unterschiedlichen Meßmethoden. Wenn man die gegenwärtige Rotverschiebung entfernter Galaxien zurückrechnet, erhält man einen Zeitpunkt, an dem die Dichte des Universums maximal gewesen sein muss. Kurz danach müssen die ersten schweren Elemente im Universum entstanden sein, deren Isotopenverhältnis sich durch den radioaktiven Zerfall seitdem geändert hat und ebenfalls zur Ermittlung des Alters des Universums dienen kann.  Auch die gegenwärtige Temperatur der Hintergrundstrahlung passt in dieses Bild: Der ►Urknall als Geburt des Universums ereignete sich vor etwa 13,7 Milliarden Jahren*.

Das Universum ist homogen und isotrop. Das ist eine vornehme Ausdruckweise dafür, dass es an allen Orten und in allen Richtungen mehr oder weniger gleich aussieht. Die Erde nimmt keine Sonderstellung ein. Darauf deuten zumindest alle Beobachtungen der Materieverteilung im Universum hin. Verdoppelt man die Entfernungsauflösung eines Fernrohrs, sieht man etwa achtmal mehr Galaxien - genau wie zu erwarten ist, wenn die Galaxien im Raum gleichmäßig verteilt sind. Auch die kosmische Hintergrundstrahlung ist extrem gleichmäßig. Diese Gleichmäßigkeit lässt sich nur durch eine extrem schnelle Ausdehnung des Raums - die sogenannte Inflation - kurz nach dem ►Urknall erklären.

Das Universum ist flach. Der Raum ist nicht gekrümmt, sondern entspricht einer Euklidischen Geometrie**: Parallelen schneiden sich erst im Unendlichen. Letzteres lässt sich aus den gemessenen periodischen Unregelmäßigkeiten in der Hintergrundstrahlung folgern, die von Schwingungen in Plasmawolken kurz nach dem Urknall herrühren. Krümmungen des Raums gibt es nur örtlich in der Nähe von Massen.

Das Universum ist wahrscheinlich unendlich groß. In manchen populärwissenschaftlichen Büchern findet man Angaben zwischen 13,7 und 46 Milliarden Lichtjahren zum Radius des Universums. Im ersten Fall wurde das Alter mit der Größe des Universums verwechselt, im zweiten Fall der beobachtbare Bereich mit dem ganzen Universum.
      Etwa 13,7 Milliarden Lichtjahre betrüge der Radius des Universums dann, wenn es als Punkt begonnen und sich seitdem an den Rändern konstant mit Lichtgeschwindigkeit ausgedehnt hätte. Jedoch war sein Anfang weder punktförmig, noch ist die Ausdehnung des Raumes durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. 46 Milliarden Lichtjahre beträgt der Radius des Hubble-Volumens, des potentiell beobachtbaren Teils des Universums. Er lässt sich aus der ►Rotverschiebung der Hintergrundstrahlung berechnen. Hinter dem Hubble-Volumen beginnt der Teil des Universums, der prinzipiell für uns nicht mehr beobachtbar ist.
      Wenn das Universum flach, also nicht gekrümmt ist, nicht begrenzt und auch nicht mit sich selbst verbunden, ist es unendlich groß***. Im Moment weisen alle Beobachtungen darauf hin. Man kann allerdings nicht ausschließen, dass das Universum eine extrem schwache Krümmung hat, so gering, dass wir sie in unserem beobachtbaren Bereich nicht feststellen können. In diesem Falle wäre das Universum zwar sehr groß, doch nicht unendlich. Es gibt jedoch aus den astronomischen Beobachtungen bisher keinen Grund, eine bestimmte endliche Größe des Universums anzunehmen.

Das Universum besteht weitgehend aus unbekannter und unsichtbarer Materie. Normale Materie in Sonnensystemen, kosmischem Staub und interstellarem Gas macht nur 4% der Masse des Universums aus. Über ein Viertel des Universums besteht aus einer noch unbekannten Dunklen Materie. Die Dunkle Materie macht sich nur durch ihre Schwerkraft bemerkbar und wurde durch Messung von Umlaufgeschwindigkeiten von Sternen in rotierenden Galaxien entdeckt. Sterne rotieren weit schneller um ihre galaktischen Zentren, als durch die normale Materie der Galaxien erklärbar wäre.
       Die noch rätselhaftere Dunkle Energie wurde postuliert, um die Euklidische Geometrie des Universums und zugleich seine beschleunigte Ausdehnung zu erklären. Diese Dunkle Energie macht fast drei Viertel - etwa 73% - des Universums aus. Im Gegensatz zur Dunklen Materie hat Dunkle Energie eine negative Schwerkraft. Denkbar ist natürlich auch, dass stattdessen ein noch unbekanntes Naturgesetz bei großen Entfernungen die Schwerkraft zu einer abstoßenden Kraft macht.

Das Universum ist diskret. Damit ist nicht seine Verschwiegenheit gemeint, sondern die Nichtkontinuität von Teilcheneigenschaften wie Energie und Drehimpuls. Die Quantentheorie besagt, dass diese Eigenschaften nicht beliebige Werte annehmen, sondern sich nur in diskreten Schritten verändern können. Daher ist die Anzahl der Möglichkeiten, wie ein Bereich des Universums aussehen und sich entwickeln kann, zwar sehr groß, aber nicht unendlich. Sie hängt von dem Durchmesser und der Temperatur dieses Bereiches ab. Im beobachtbaren Teil des Universums ergeben sich bei einer Maximaltemperatur von 108 Grad etwa 2 hoch 10115 verschiedene mögliche Zustände. In einem unendlichen oder zumindest ausreichend großen Universum folgt daraus zwangsläufig die Existenz von Parallelwelten.

Das Universum ist nicht zyklisch. Theoretisch könnte das Universum wie im klassischen Computerspiel 'Asteroids' auf allen Seiten mit sich selbst verbunden sein (aber nicht wie eine Kugel- oder Torusfläche, denn dann wäre die Raumgeometrie nicht flach). Wäre das Universum zyklisch und kleiner als ein Hubble-Volumen, so müssten wir beim Blick in verschiedene Richtungen die gleichen Himmelsobjekte als 'Spiegelbilder' sehen. Allerdings sähen wir diese von unterschiedlichen Seiten und wegen der endlichen Lichtgeschwindigkeit in unterschiedlichen Stadien ihrer Entwicklung - daher würde das nicht sofort auffallen.
      Astronomen haben in den letzten Jahren tatsächlich den Himmel nach solchen 'Spiegel-Galaxien' in verschiedenen Richtungen durchmustert, sind jedoch nicht fündig geworden. Daher nimmt man heutzutage an, dass das Universum nicht mit sich selbst verbunden ist. Auch zeitlich ist das Universum nicht zyklisch, denn die von der Dunklen Energie herrührende negative Schwerkraft treibt den Raum ständig weiter auseinander. Allerdings kennt man die Natur dieser Energie noch nicht, so dass alle Aussagen über die weitere Entwicklung des Universums mit etwas Vorsicht zu genießen sind.

Nur eins ist sicher: Das Universum wird enden.

Zeitalter und Ende des Universums

Keine Angst, noch ist es in seiner Jugendzeit. Doch diese wird nicht unendlich lange dauern. Weitere Zeitalter werden sich anschließen. Nach dem heutigen Stand der Erkenntnis wird die Geschichte des Universums folgendermaßen weitergehen:

Stellares Zeitalter. In diesem befinden wir uns heute. Das Universum ist angefüllt mit Wasserstoffgas, das vom ►Urknall herrührt. Aus dem Gas entstehen ständig neue Sterne. Die Lebenszeit eines Sterns geringer Masse kann bis zu 100 Milliarden Jahre betragen. Die meisten Sterne - wie unsere Sonne - sind allerdings schwerer und enden weit früher. In fünf Milliarden Jahren wird die Sonne ihren Wasserstoff verbraucht haben und sich zu einem roten Riesenstern aufblähen. Dies hat unter anderem das Verglühen der Erde zur Folge.
    Die Dunkle Energie treibt das Universum schneller und schneller auseinander und sorgt dafür, dass immer mehr Galaxien aus unserem Hubble-Volumen verschwinden. In 10 Billionen Jahren werden von uns aus nur noch die noch Sterne unserer lokalen Galaxiengruppe am Himmel sichtbar sein****. Das muss uns jedoch nicht weiter stören, denn in etwa 100 Billionen Jahren ist ohnehin der gesamte Wasserstoff im Universum verbraucht. Die letzten Sterne verlöschen. Dunkelheit breitet sich aus.

Zeitalter der Dunklen Sterne. Die Überreste der erloschenen Sterne - Neutronensterne und Zwergsterne - nehmen allmählich die Temperatur der Hintergrundstrahlung an, die bis dahin selbst bis auf den Bruchteil eines Grads über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt ist. Galaxien lösen sich langfristig in einzelne dunkle Sterne und Schwarze Löcher auf, die frei durch das lichtlose Universum treiben.

Ende der Materie. Atomare Prozesse verwandeln die erloschenen Reste der Sterne und Planeten nach und nach in Eisen, das langlebigste Element. Doch auch Eisen hält nicht ewig. Durch den Protonenzerfall lösen sich die Eisenatome schließlich in einzelne Elementarteilchen auf. Innerhalb von 1037 Jahren hört die Materie, die wir kennen, auf zu existieren.****

Zeitalter der Schwarzen Löcher. Die einzigen verbliebenen Objekte im Universum sind die Schwarzen Löcher, die einst aus massiven Sternen entstanden sind. Aber auch diese unterliegen dem Verfall. Durch die Hawking-Strahlung verlieren sie ständig an Masse. Je massiver ein Schwarzes Loch ist, desto länger dauert dieser Prozess. Doch in 10100 Jahren ist auch das letzte Schwarze Loch vergangen.

Ende der Vergangenheit. Nach dem Verschwinden der Schwarzen Löcher ist im Universum nichts übrig als ein dünnes kaltes Gas von Neutrinos und Strahlungsteilchen, die aus der Hawking-Strahlung stammen. Die Temperatur nimmt weiter ab, während sich das Universum immer weiter ausdehnt. Das Gas ist überall völlig gleichförmig. In ihm gibt es keinerlei Spuren mehr von all den Dingen, die in früheren Zeiten einmal im Universum existiert haben. Die Entropie des Universums hat ihren Maximalwert erreicht. Die Vergangenheit ist für immer ausgelöscht.

Ende der Zeit. Schließlich hat sich das Universum soweit ausgedehnt, dass alle Teilchen voneinander durch Ereignishorizonte getrennt sind. Alle Wechselwirkungen haben aufgehört. Jedes Teilchen hat seine niedrigste von der Quantentheorie erlaubte Energie erreicht. Von nun an steht alles still. Es ist nicht mehr möglich, einen Zeitpunkt von einem anderen zu unterscheiden. Nach dem Erlöschen der Vergangenheit gibt es nun auch keine Zukunft mehr - nur noch Gegenwart. Das Ende der ►Zeit ist gekommen.

 

Weiter: Urknall

* Sachbücher geben zuweilen abweichende Werte für das Alter des Universums an, etwa 14,5 Milliarden Jahre. Diesmal ist's jedoch kein 'populärer Irrtum', sondern einfach Resultat verschiedener Berechnungsgrundlagen. Der Wert von 13,7 Milliarden Jahren ergibt sich aus der Rotverschiebung von Hintergrundstrahlung und fernen Supernovae. Die 14,5 Milliarden Jahre dagegen wurden aus dem Massenverhältnis von Uranisotopen errechnet, allerdings mit einer Ungenauigkeit von ca. 15%. Nach der Kartierung der Hintergrundstrahlung durch die Raumsonde Planck in 2007 werden wir das Alter des Universums vermutlich noch genauer kennen.

** Genauer gesagt einer so genannten Robertson-Walker-Metrik ohne Krümmung. Die Metrik ist ein Maß für Entfernungen im Raum und ergibt sich aus den Feldgleichungen der Relativitätstheorie. Sie beschreibt die räumliche und zeitliche Struktur des Universums. Die Robertson-Walker-Metrik, 1935 und 1936 von den beiden Physikern formuliert, beschreibt ein nichtrotierendes Universum.

*** Auf Internet-Diskussionsforen findet man häufig das Argument, das Universum könne nur endlich groß sein, wenn es sich ausdehnt. Denn wenn es schon unendlich groß wäre, gäbe es ja keinen Platz mehr, in den es hineinwachsen könne. Jedoch ist die Ausdehnung problemlos mit einem unendlichen Raum vereinbar. Stellen Sie sich vor, der Raum sei lückenlos mit unendlich vielen kleinen Gummiwürfeln ausgefüllt, die sich alle gleichmäßig dehnen. Damit dehnt sich auch der Raum, obwohl er bereits unendlich groß ist.

*** Im April 2007 haben die US-Physiker Lawrence Krauss und Robert Scherrer hierzu eine Berechnung veröffentlicht, die den Einfluss der Dunklen Energie auf die Expansion des künftigen Universums berücksichtigt.

Weblinks zum Thema

■ Das fast unendliche Universum. Grenzfragen der Kosmologie

 

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