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
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