Nach Tausenden von Jahren der Erforschung des Universums kamen Wissenschaftler endlich auf die Idee eines Urknalls.

Einleitung: Die moderne Astronomie geht davon aus, dass das Universum, in dem wir leben, durch einen Urknall entstanden ist und sich 13,8 Milliarden Jahre nach der Explosion immer noch ausdehnt. Wie stellen Astronomen fest, dass das Universum aus dem Urknall entstanden ist? Wie haben wir entdeckt, dass sich das Universum ausdehnt?

Auf diesem Bild des Hubble-Weltraumteleskops sind viele weit entfernte Galaxien zu sehen, von denen einige nur 600 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind.

Wir wissen, dass das Universum die Summe aller Zeit, aller Räume und aller Himmelskörper ist, einschließlich unserer Erde. Das Universum ist so riesig und wir Menschen sind nur winzige Lebewesen, die darin leben.

Das Universum in den Augen der Alten

Was das Universum betrifft, verspürten die Menschen seit der Antike ein starkes Verlangen, etwas darüber zu erfahren. Wie sieht unser Universum aus?

Während der späten Östlichen Han-Dynastie lebte in China ein großer Gelehrter namens Zhang Heng. Er vertrat die Ansicht, dass „der Himmelskörper rund wie eine Kugel ist und die Erde wie das Eigelb eines Eis, isoliert im Himmel.“ Dies bedeutet, dass der Himmel rund ist und die Erde wie das Eigelb eines Eis allein in der Mitte des Himmels liegt. Zhang Hengs Ansicht wurde später „Hun Tian-Theorie“ genannt und stellt eine einfache und klare Sicht des Universums dar, die die alten Chinesen vertraten.

Auch im antiken Griechenland im Westen legten Gelehrte ihre Ansichten über das Universum dar. Pythagoras beispielsweise lebte im 6. Jahrhundert v. Chr., etwa zur gleichen Zeit wie Konfuzius. Pythagoras glaubte, dass alle Himmelskörper im Universum sowie die Erde, auf der wir leben, kugelförmig sind und dass die Kugel die vollkommenste Form ist.

Hubbles Entdeckung: Galaxien entfernen sich von uns

In der Neuzeit haben sich wissenschaftlich-logisches Denken und Forschungsmethoden weiterentwickelt und das Verständnis des Universums ist in das wissenschaftliche Zeitalter eingetreten. Der größte Beitrag zur modernen kosmologischen Theorie wurde vom amerikanischen Astronomen Edwin Hubble geleistet.

Der amerikanische Astronom Edwin Hubble

Hubble wurde in Missouri, USA, geboren, derselben Heimatstadt wie der Schriftsteller Mark Twain. Während seiner Highschool-Zeit war Hubble ein hervorragender Schüler in den Fächern und im Sport. Zu Hubbles 8. Geburtstag schenkte ihm sein Großvater ein astronomisches Teleskop. Hubble verbrachte die ganze Nacht damit, im Hinterhof seines Hauses die Sterne zu beobachten. Von da an interessierte er sich sehr für Astronomie.

Später studierte er Astronomie und Mathematik an der Universität von Chicago und ging nach England, um Jura zu studieren. Nach seiner Rückkehr in die Vereinigten Staaten begann er seine berufliche Laufbahn in der Astronomie.

Im Jahr 1919 erreichte Hubble das Mount-Wilson-Observatorium in Kalifornien. Hier begann er, Galaxien außerhalb der Milchstraße, auch extragalaktische Galaxien genannt, zu untersuchen, wobei er sich auf das Phänomen der spektralen Rotverschiebung dieser Galaxien konzentrierte.

Was ist ein Spektrum?

Ich frage mich, ob Sie jemals einen Regenbogen am Himmel gesehen haben? Tatsächlich ist dies das Spektrum des Sonnenlichts. Wenn ein Strahl weißen Lichts durch ein Glasprisma fällt, kann er auch ein buntes Spektrum aus Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Lila erzeugen. Das Studium der Spektren von Himmelskörpern ist für Astronomen eine sehr wichtige Methode, da durch das Studium der Spektren von Himmelskörpern viele wichtige Informationen über den Himmelskörper gewonnen werden können.

Sonnenspektrum

Bevor Hubble seine Arbeit am Mount Wilson Observatory aufnahm, untersuchten viele Astronomen die Spektren von Himmelskörpern wie Sternen und extragalaktischen Galaxien. Darunter sind Wissenschaftler wie Schrieffer. Im Jahr 1922 stellten Slipher und seine Kollegen nach langen und sorgfältigen Beobachtungen fest, dass sich die Spektren von 36 von 41 Galaxien in Richtung Rot verschoben hatten.

Wir wissen, dass das Siebenfarbenspektrum aus Rot, Orange, Gelb, Grün, Cyan, Blau und Violett besteht und dass diese Reihenfolge festgelegt ist. Licht ist eine elektromagnetische Welle und elektromagnetische Wellen haben eine bestimmte Wellenlänge. Von den sieben Lichtfarben hat rotes Licht die längste und violettes Licht die kürzeste Wellenlänge. Wenn die Wellenlänge einer Absorptionslinie im Spektrum eines Himmelskörpers länger wird, bedeutet dies, dass sie sich in Richtung des roten Lichts bewegt hat. Dies wird als Rotverschiebung bezeichnet. Umgekehrt bedeutet eine kürzere Wellenlänge einer Absorptionslinie, dass sie sich in Richtung des violetten Lichts bewegt hat. Man spricht dann von einer Violettverschiebung.

Warum also wird das Licht von Himmelskörpern rotverschoben?

Wissenschaftler wissen seit langem, dass Licht- und Schallwellen eine besondere Eigenschaft haben: Wenn sich die Licht- oder Schallquelle vom Beobachter entfernt, wird die Wellenlänge der Licht- und Schallwellen länger, was bedeutet, dass eine Rotverschiebung auftritt. Umgekehrt wird die Wellenlänge der Licht- bzw. Schallwellen kürzer, wenn sich die Licht- bzw. Schallquelle auf den Beobachter zubewegt, was bedeutet, dass eine Blauverschiebung auftritt. Bereits Mitte des 18. Jahrhunderts untersuchte der österreichische Wissenschaftler Doppler dieses Phänomen, das später als „Doppler-Effekt“ bezeichnet wurde.

Tatsächlich kann der Doppler-Effekt im täglichen Leben beobachtet werden. Wenn ein Polizeiauto oder ein Krankenwagen mit heulenden Sirenen an Ihnen vorbeirast, ist die Tonhöhe des Geräusches, das Sie hören, anders. Dies ist das Ergebnis des Doppler-Effekts. Im täglichen Leben kann man, wenn man aufmerksam beobachtet, viele besondere und interessante Dinge entdecken oder erleben.

Slipher und seine Kollegen kombinierten die entdeckte spektrale Rotverschiebung der Galaxien mit dem Doppler-Effekt und stellten fest, dass sich 36 der 41 Galaxien mit spektraler Rotverschiebung von uns wegbewegen, das heißt, sie entfernen sich immer weiter von uns.

Basierend auf der Arbeit von Slipher und anderen beobachteten Hubble und seine Assistenten weiterhin sorgfältig die Spektren von Galaxien mithilfe eines großen astronomischen Teleskops am Mount Wilson Observatory. Sie stellten fest, dass fast alle weit entfernten Galaxien eine spektrale Rotverschiebung aufwiesen, und zwar mit zunehmender Entfernung, desto größer die Rotverschiebung. Dieses Ergebnis ist beispiellos und ziemlich erstaunlich.

Bis 1929 entdeckte Hubble durch die Analyse von mehr als 20 Galaxien, deren Entfernungen bekannt waren, dass zwischen der Rotverschiebung des Galaxienspektrums und ihrer Entfernung eine sehr regelmäßige proportionale Beziehung besteht, die durch eine einfache mathematische Formel ausgedrückt werden kann. Diese Beziehung wird heute als Hubble-Gesetz bezeichnet.

Was bedeutet es, dass sich weit entfernte Galaxien von uns entfernen? Hubble und seine Kollegen erkannten, dass unser Universum nicht stabil und unveränderlich ist. Es könnte sein, dass sie immer größer wird und die Entfernungen zwischen den Galaxien immer größer werden. Das Universum dehnt sich aus, wie ein aufgeblasener Ballon!

Die Veröffentlichung des Hubble-Gesetzes ermöglichte es den Menschen, die Expansion des Universums zu verstehen. Das Hubble-Gesetz gilt als Eckpfeiler der modernen kosmologischen Theorie. Hubble ist aufgrund seiner Entdeckung des Hubble-Gesetzes und einer Reihe wichtiger Beiträge auch als „der größte Astronom des 20. Jahrhunderts“ bekannt.

Das expandierende Universum wirft neue Fragen auf

Welche neuen Probleme sind nach der Etablierung der Theorie der kosmischen Expansion aufgetreten? Viele Wissenschaftler fragen sich natürlich, wo diese Expansion begann. Was wäre, wenn wir diese Erweiterung „zurückdrehen“ und sehen, was passiert? Diese Methode wird „Backtracking“ genannt.

Wir können uns zum Beispiel vorstellen, dass, wenn wir in der Zeit zurückgehen könnten, das expandierende Universum vor einer bestimmten Zeit kleiner gewesen wäre als heute. Wenn wir noch weiter zurückgehen, wäre das Universum sogar noch kleiner. Wenn wir so weiter zurückgehen, wird der Moment kommen, in dem sich das Universum auf einen kleinen Punkt zurückzieht. Aus der Perspektive des logischen Denkens ist eine solche Denkweise sicherlich zulässig.

Dann stellen sich weitere Fragen. Wenn das früheste Universum ein winziger Punkt war, warum begann es dann, sich endlos auszudehnen?

Daher dachten einige Wissenschaftler natürlich, dass dieser kleine Punkt des Universums explodiert sein könnte, bevor das Universum begann, sich auszudehnen, und dass das Universum nach der Explosion begonnen haben könnte, sich auszudehnen!

Obwohl diese Idee logisch erscheint, ist sie auch bizarr.

Können wir durch diese einfache Rückwärtsdenkweise eine Theorie über den Urknall aufstellen? Natürlich nicht, denn wissenschaftliche Forschung ist alles andere als einfach, unkompliziert und umfangreich.

Schematische Darstellung des Urknalls

Die Geburt der Urknalltheorie

Es gab einen belgischen Wissenschaftler namens Lemaître. Nach seinem Universitätsabschluss besuchte und studierte er an Universitäten in Großbritannien und den USA. Während seines Aufenthalts in den USA erfuhr er von der Arbeit von Wissenschaftlern wie Hubble zur Rotverschiebung der Spektren extragalaktischer Galaxien. Lemaître hatte auch eine andere Identität als Priester der christlichen Kirche.

Im Jahr 1927 gelangte er zu einem Ergebnis auf Grundlage von Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie, das zeigte, dass sich das Universum ausdehnt. Im Jahr 1931 wies Lemaître außerdem darauf hin, dass das Universum mit einem winzigen Punkt begann, der alle Materie enthielt. Er nannte diesen Punkt das „primitive Atom“. Später explodierte das „Uratom“ und bildete das heutige Universum.

Im Jahr 1924, also etwas früher als Lemaître, veröffentlichte auch der in Russland geborene Mathematiker Friedmann ein mathematisches Ergebnis, das er aus der Berechnung von Einsteins allgemeinen Relativitätsgleichungen gewonnen hatte. Dieses Ergebnis wies ebenso wie das Ergebnis von Lemaître darauf hin, dass sich das Universum ausdehnt.

Der belgische Wissenschaftler Mettler

Allerdings konnte damals nicht jeder die Ansicht von Lemaître und seinen Kollegen akzeptieren, dass sich das Universum nach der Explosion an einem kleinen Punkt auszudehnen begann.

Der berühmte britische Astronom Hoyle beispielsweise leistete einst große Beiträge zur Erforschung der Energiequellen von Sternen (wie der Sonne), ist jedoch ein Anhänger des „Steady-State“-Universums. Obwohl er Hubbles Beobachtungen der Rotverschiebung von Galaxienspektren nicht leugnen kann, glaubt er, dass diese „kosmische Expansion“ möglicherweise nur in einer kleinen Ecke des Universums stattfindet, die der Mensch beobachten kann. Das Universum ist so groß, dass es sich an anderen Stellen nicht unbedingt „ausdehnt“.

Einmal sagte Hoyle in einer Wissenschaftssendung der BBC sarkastisch, dass er mit der Idee des Urknalls eigentlich nicht einverstanden sei. Er verwendete das englische Wort „BigBang“. Von da an wurde der Begriff „Urknall“ populär und entwickelte sich zu einem neuen Modewort. Das Lustige ist, dass dieser Name von Hoyle stammt, der gegen die Urknalltheorie war!

Obwohl die Beobachtungen des Hubble und anderer zur Rotverschiebung der Galaxienspektren diese Theorie unterstützen und auch die mathematischen Lösungen von Lemaître und Friedmann für Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie ihre Unterstützung finden, ist die Urknalltheorie für die Menschen immer noch schwer zu akzeptieren und zu verstehen, weil sie zu unglaublich ist. Doch was später geschah, führte dazu, dass immer mehr Menschen die Urknalltheorie akzeptierten.

Die Restwärme des Urknalls

Von 1946 bis 1948 untersuchte der gebürtige Russe Professor Gamow von der University of Washington (USA) unter Anleitung seiner Studenten Alfred und Hermann die Entstehung der Elemente im Universum. Gleichzeitig schlugen sie die Urknalltheorie des Universums vor . Sie glaubten, dass die Temperatur des Universums am Anfang sehr hoch war und es nur Atomkerne und Elektronen gab. Als die Temperatur allmählich sank, bildeten sich nach und nach Atome verschiedener Elemente.

Sie kamen außerdem zu dem Berechnungsergebnis, dass im heutigen Universum zwar noch Restwärme aus dem Urknall vorhanden sein sollte, die Temperatur jedoch bereits sehr niedrig ist, vermutlich bei etwa 5 Grad absoluter Nullpunkt.

Was ist absolute Temperatur

Wenn wir in der Wettervorhersage hören, wird die Temperatur in Grad Celsius angegeben. Null Grad Celsius ist definiert als die Temperatur einer Mischung aus Wasser und Eis unter normalen Umständen. Aber bei der absoluten Temperatur entsprechen 0 Grad minus 273,15 Grad Celsius, auch absoluter Nullpunkt genannt. Dies ist eine sehr niedrige Temperatur, so niedrig, dass die Moleküle und Atome aller Substanzen aufhören, sich zu bewegen.

Gamow und seine Kollegen berechneten, dass die Temperatur der Restwärme des Urknalls 5 Grad absoluter Nullpunkt betrug, also 5 Grad höher als der absolute Nullpunkt, der tatsächlich bei etwa minus 268 Grad Celsius liegt. Ihre Vorhersage erregte jedoch lange Zeit nicht die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler.

Etwa 20 Jahre später ereignete sich eine weitere dramatische Geschichte. Im Jahr 1964 untersuchten zwei Wissenschaftler der Bell Telephone Laboratories in den USA, Penzias und Wilson, das Problem der Interferenzen von Kommunikationssystemen durch Rauschsignale aus dem Himmel. Sie verwendeten eine neu entwickelte großformatige Winkelantenne.

Die große Hornantenne von Bell Labs

Eines Tages entdeckten Penzias und Wilson ein seltsames Störsignal. Egal welche Maßnahmen zur Störungsbekämpfung ergriffen wurden, das Signal war weiterhin vorhanden. Sie dachten zunächst, dass mit der Antenne selbst etwas nicht stimmte, überprüften die Antenne sorgfältig und reinigten sie sogar vom Taubenkot, doch das Signal war immer noch vorhanden.

Darüber hinaus erscheint das Signal unabhängig von der Richtung, in die die Antenne am Himmel zeigt. Das bedeutet, dass es nicht von der Erde oder einem Ort in Erdnähe kommt, sondern aus sehr weit entfernten Weiten des Weltraums.

Kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, beobachtet vom Planck-Teleskop

Später machten Penzias und Wilson die Angelegenheit öffentlich. Als Wissenschaftler, die das Universum erforschen, davon erfuhren, wurde ihnen plötzlich klar: Es stellte sich heraus, dass es sich bei diesem sogenannten Interferenzsignal um die Restwärme nach dem Urknall handelte, die Gamow und seine Studenten vor über 20 Jahren vorhergesagt hatten! Nach sorgfältigen Messungen stellten Penzias und Wilson fest, dass die Signaltemperatur absolut 2,7 Grad betrug.

Das von Penzias und Wilson erzielte Ergebnis war nur geringfügig niedriger als das, was Gamow und seine Kollegen vorhergesagt hatten. Dieses Signal durchdringt das gesamte Universum und wird heute als „kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung“ bezeichnet.

Diese Entdeckung wurde später als eine der „Vier großen Entdeckungen“ der Astronomie der 1960er Jahre bezeichnet. Penzias und Wilson erhielten 1978 den Nobelpreis für Physik und wurden zu weltbekannten Wissenschaftlern.

Wenn in der Wissenschaft eine Theorie etwas richtig vorhersagen oder prognostizieren kann, was noch niemand weiß, wird sie von den Menschen leichter akzeptiert und als wissenschaftliche Theorie anerkannt.

Genau dies ist bei der Urknalltheorie der Fall. Diese Annahme wird nicht nur durch Beobachtungsdaten zur Rotverschiebung der Spektren ferner Galaxien und die mathematischen Ergebnisse von Einsteins Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie gestützt, sondern sagt auch die Existenz der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung voraus. Seitdem glauben immer mehr Menschen, dass das Universum tatsächlich mit einem Urknall begann! Spätere, präzisere Beobachtungen untermauerten die Urknalltheorie.