Wissenschaftliche Zeitmaschine | Wie kam es zum „Urknall“?

Am 1. April 1948 schlug Gamow die Urknalltheorie vor.

Am 1. April 1948 veröffentlichte Physical Review, eine international renommierte Physikzeitschrift, einen Artikel des russisch-amerikanischen Physikers Gamow mit dem Titel „Der Ursprung der chemischen Elemente“. In diesem Artikel legte Gamow die Urknalltheorie erstmals systematisch dar. Die Theorie besagt, dass das Universum aus einem „Urfeuerball“ mit extrem hoher Temperatur und hoher Dichte entstand und einen Prozess durchlief, bei dem sich seine Dichte allmählich von dicht zu dünn und von heiß zu kalt veränderte. Dieser Prozess geht mit der kontinuierlichen Expansion des Universums einher und ist in den frühen Stadien besonders heftig, ähnlich einer beispiellosen Explosion, daher der Name „Urknall-Universum-Modell“.

Die Entstehung der Urknalltheorie ist untrennbar mit den herausragenden Beiträgen dreier Wissenschaftler verbunden: Lemaître, Hubble und Gamow. Im Jahr 1924 bestätigte Hubble die Existenz extragalaktischer Galaxien und schlug darüber hinaus das Hubble-Gesetz vor; 1932 schlug Lemaître die Hypothese vor, dass das „primitive Atom“ durch eine Explosion entstanden sei. bis Gamow 1948 diese Theoriereihe formal in die Urknalltheorie integrierte.

Das Phänomen der Galaxienrotverschiebung

Am 1. April 1948 veröffentlichte die amerikanische Zeitschrift Physical Review Gamows Artikel „The Origin of the Chemical Elements“, in dem er erstmals die Urknalltheorie darlegte. Die Theorie besagt, dass der Ursprung des heutigen Universums auf ein gewaltiges Explosionsereignis zurückzuführen ist.

Im Jahr 1910 führte der amerikanische Astronom Slipher am Lowell-Observatorium Galaxienbeobachtungen durch und stellte dabei zufällig fest, dass die Frequenz der Spektrallinie eines bestimmten Elements in einer bestimmten Galaxie niedriger war als die Frequenz der Spektrallinie desselben Elements auf der Erde. Dieses Phänomen wird „Rotverschiebung“ genannt. Nach weiteren Beobachtungen stellte er fest, dass viele Galaxien ein Rotverschiebungsphänomen aufwiesen, das durch den Dopplereffekt verursacht wurde, was darauf hindeutete, dass sich diese Galaxien mit extrem hoher Geschwindigkeit von der Erde wegbewegten. Slipher maß dann die Radialgeschwindigkeiten von mehr als vierzig Galaxien und stellte fest, dass die Geschwindigkeit viel höher war als die eines Düsenflugzeugs.

Im Jahr 1929 entdeckte der amerikanische Astronom Hubble, dass der Grad der Rotverschiebung einer Galaxie proportional zu ihrer Entfernung von der Erde ist: Je weiter die Galaxie entfernt ist, desto schneller entfernt sie sich, was darauf hindeutet, dass sich das Universum in einem Zustand der Expansion befindet.

Das Universum begann als „Urfeuerball“

Aufgrund des Phänomens der kosmischen Expansion müsste das Volumen des Universums zu einem früheren Zeitpunkt kleiner gewesen sein als heute. Wenn wir auf einen bestimmten Zeitpunkt in der Entstehung des Universums zurückblicken, müsste es sich um eine extrem kleine und extrem dichte Ansammlung von Materie gehandelt haben.

Im Jahr 1932 entwickelte der belgische Wissenschaftler Lemaître ein Modell der kosmischen Evolution, das auf der Theorie der kosmischen Expansion basierte: Alle Materie im Universum war ursprünglich in einer Einheit konzentriert, die als „Uratom“ oder „kosmisches Ei“ bezeichnet wurde. Durch die Explosion des kosmischen Eis wurde die Materie zerstreut, wodurch schließlich die heutige kosmische Struktur entstand und sich aus den Fragmenten Galaxien entwickelten. Diese Galaxien dehnen sich aufgrund einer gewaltigen Explosion vor Milliarden von Jahren weiterhin aus. Diese Ansicht wird als „Atommodell“ der Urknalltheorie bezeichnet.

Im Jahr 1948 kombinierte der Physiker Gamow sein Wissen über Kernphysik mit der Theorie der kosmischen Expansion und schlug das „primordiale Feuerballmodell“ des Urknalls vor. Das Modell weist darauf hin, dass der Anfangszustand des Universums ein mit Elementarteilchen gefüllter „Urfeuerball“ mit hoher Temperatur und hoher Dichte war. Als diese Teilchen Kernfusionsreaktionen durchliefen, lösten sie eine explosive Expansion aus und die verschiedenen Elemente, die bei diesem Prozess entstanden, verteilten sich und bildeten alle Arten von Materie, die es heute im Universum gibt.

Die Urknalltheorie erlebt eine neue Blütezeit

Die von Gamow vertretene Urknalltheorie verschwand allmählich aus der Öffentlichkeit, da es bei ihrem ersten Auftreten an direkten astronomischen Beobachtungsdaten mangelte, die sie hätten stützen können. Im Jahr 1965 erweckte jedoch ein unerwarteter wissenschaftlicher Durchbruch die Theorie zu neuem Leben.

Im Mai 1964 verwendeten zwei herausragende Wissenschaftler der Bell Labs in den USA, Penzias und Wilson, ein fortschrittliches Antennenempfangssystem, um präzise Messungen des Rauschens am Himmel durchzuführen. Bei einer Routinebeobachtung erfassten sie zufällig eine anormale Rauschstrahlung, deren Strahlungstemperatur stabil bei etwa 3,5 K lag. Egal wie sehr sie die Instrumente im Laufe des nächsten Jahres anpassten und optimierten, das Geräusch blieb ständig präsent und konnte nicht beseitigt werden. Was sie noch mehr überraschte, war die Tatsache, dass das Rauschen isotrop war, keine Korrelation mit jahreszeitlichen Veränderungen aufwies und eindeutig nicht von einer bekannten spezifischen Strahlungsquelle stammte.

Gerade als die beiden Wissenschaftler verwirrt waren, stießen sie Anfang 1965 zufällig auf eine theoretische Vorhersage des Physikprofessors Pierce von der Princeton University. Professor Pierbus vermutete, dass es noch Reste von Radiorauschen aus der Zeit des Urknalls bei der Entstehung des Universums gäbe. Nach eingehender Diskussion und Analyse kamen sie schließlich zu einem erstaunlichen Schluss: Was sie beobachtet hatten, war die mysteriöse kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung – die kosmische Hintergrundstrahlung von 3K.

Diese Schlussfolgerung wurde später von der Physikergemeinschaft allgemein anerkannt und bestätigt. Penzias und Wilson erzielten große Erfolge und wurden 1978 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Noch wichtiger ist jedoch, dass die Entdeckung der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung die Urknalltheorie empirisch stark untermauerte und ihr so ​​zu neuem Glanz verhalf, sodass sie zu einem der Eckpfeiler der modernen Kosmologie wurde.

Referenzquellen: Öffentliches WeChat-Konto von Modern Physics Knowledge, China Science Daily