Das Universum ist so groß, dass wir es uns nicht vorstellen können, aber wie klein wäre es, wenn es auf die Dichte eines Neutronensterns komprimiert würde?

Dieser Artikel basiert auf der Beantwortung ähnlicher Fragen von Internetnutzern:

Dies ist eine Frage, die zum Nachdenken anregt. Basierend auf bekannten wissenschaftlichen Erkenntnissen können Sie dies mit einer einfachen Berechnung herausfinden.

Zuerst müssen wir die Größe des Universums bestimmen. Wenn wir die Größe des Universums nicht kennen, können wir solche Fragen nicht beantworten. Da es in der wissenschaftlichen Gemeinschaft jedoch keinen Konsens über die Größe des Universums gibt, können wir nur eine grobe Schätzung auf Grundlage bestehender Theorien vornehmen.

In der Vergangenheit hielt Newtons Ära an der absoluten Sicht des Universums fest, die besagte, dass das Universum statisch, grenzenlos, ohne Anfang oder Ende sei. Dies machte es unmöglich, die Größe des Universums zu bestimmen. Wie könnte man berechnen, wie groß das Universum wäre, wenn die Kerne und Elektronen aller Atome im Universum dicht beieinander lägen, ohne dass Lücken entstanden wären?

Die moderne Kosmologie geht davon aus, dass das Universum dynamisch ist und Raum und Zeit relativ sind. Es entstand durch den Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren. Nach 13,8 Milliarden Jahren der Expansion hat sich das Universum von einer unendlich kleinen Singularität zu einer sehr großen ausgedehnt, aber wir wissen nicht, auf welche Größe es sich ausgedehnt hat. Wir wissen nur, dass der beobachtbare Bereich des Universums einen Durchmesser von etwa 93 Milliarden Lichtjahren hat. Jenseits dieses Bereichs befindet sich ein nicht beobachtbares Universum, dessen Größe unbekannt ist.

Die Urknalltheorie ist zum Standardmodell der modernen Kosmologie geworden, da alle wissenschaftlichen Beobachtungen und Entdeckungen seit der Einführung des Modells mit dessen Erwartungen übereinstimmten. Wenn wir diese Frage beantworten, werden wir daher diesen Universumsumfang für die Berechnung verwenden.

Da wir nun den Bereich des beobachtbaren Universums kennen, müssen wir auch verstehen, wie viel Masse in diesem Bereich enthalten ist. Auch die Masse des beobachtbaren Universums ist eine Schätzung. Auf Grundlage einiger Daten aus kosmischen Beobachtungen der letzten Jahre gehen manche Menschen davon aus, dass es im beobachtbaren Universum mindestens eine Billion Galaxien wie die Milchstraße gibt. Die Milchstraße hat etwa 200 Milliarden Sonnenmassen und die Masse der Sonne beträgt etwa 2*10^30kg. Daher beträgt die Masse des Universums ungefähr:

(2*10^30)*(2*10^11)*(1*10^12)=4*10^53kg

Ein anderer Algorithmus basiert auf der durchschnittlichen Dichte des Universums. In Einsteins Feldgleichung gab es am Anfang eine kosmologische Konstante λ. Später stellte Einstein auf Grundlage der Beobachtungen des Hubble fest, dass diese Konstante nach der Ausdehnung des Universums aufgehoben wurde. Doch später entdeckte die wissenschaftliche Gemeinschaft, dass diese Konstante sehr wichtig war, und berechnete daraus die Dichte des Universums. Sie kam auf den Wert 1, d. h., in einem Kubikmeter Raum befindet sich nur ein Teilchen, und die Masse eines Protons beträgt etwa 1,67*10^-27 kg.

Wenn wir auf dieser Grundlage die Masse des beobachtbaren Universums berechnen, erhalten wir:

Das Gesamtvolumen des beobachtbaren Universums beträgt ≈4/3*3,1416*[(4,65*10^10)^3]=4,2*10^32 Kubiklichtjahre

Umgerechnet in Kubikmeter ≈ (4,2*10^32)*(8,47*10^47)=3,56*10^80m^3

Die Gesamtmasse des beobachtbaren Universums ≈ (3,56*10^80m^3)*(1,67*10^-27)=5,95*10^53kg

Die Gesamtmasse des Universums, die sich aus diesen beiden Berechnungen ergibt, ist nahezu gleich. Im großen Maßstab des Universums kann jede Messung nur eine Annäherung sein und es ist schwierig, genaue Daten zu erhalten. Heute verwenden wir die von dieser Galaxie berechnete Gesamtmasse des Universums, die 4*10^53kg beträgt.

Diese Masse ist jedoch nur die Masse der sichtbaren Materie. Die moderne Forschung geht davon aus, dass 95,1 % der Masse und Energie des Universums aus dunkler Energie und dunkler Materie bestehen. Da die Wissenschaft diese heute nicht erkennen und auch keine genaue Antwort darauf geben kann, was sie sind, werden wir heute nicht darauf eingehen.

Lassen Sie uns nun über die Dichte von Atomen und Atomkernen sprechen. Tatsächlich ist der Wissenschaft schon seit langem bekannt, dass es im Universum Materie mit der Dichte von Atomkernen gibt. Dabei handelt es sich um Neutronensternmaterie, sogenannte neutronenentartete Materie. Diese Art von Material steht unter dem extremen Druck von 10^28 Atmosphären eines Neutronensterns. Die Elektronen außerhalb des Kerns des Materials werden vollständig zerquetscht, die Atome werden zerquetscht, die Elektronen werden in den Kern komprimiert und die negative Ladung der Elektronen wird durch die positive Ladung der Protonen neutralisiert, sodass Neutronen entstehen. Auf diese Weise ist der gesamte Planet wie ein Atomkern, der vollständig aus Neutronen besteht.

Wissenschaftliche Untersuchungen zeigen, dass die Dichte des Atomkerns etwa 10^17 kg/m^3 beträgt, was bedeutet, dass ein Kubikzentimeter 100 Millionen Tonnen enthält. Es wird allgemein angenommen, dass die Dichte von Neutronensternen im Bereich von 10^17~2*10^18kg/m^3 liegt, was bedeutet, dass 1 Kubikzentimeter 100 bis 2 Milliarden Tonnen erreicht. Man erkennt, dass die Dichte von Neutronensternen teilweise sogar größer ist als die von Atomkernen.

Alle uns umgebenden Stoffe bestehen aus Atomen. Die Dichte von Wasser beträgt nur 1 g/cm^3 (Gramm/Kubikzentimeter) und die Dichte von Gold beträgt nur 19,32 g/cm^3. Wenn die Dichte des Atomkerns so hoch ist, warum ist die Dichte gewöhnlicher Materie so gering? Dies liegt daran, dass das Atom eine äußere Hülle aus Elektronen hat. Elektronen sind sehr leicht, aber sie tragen den riesigen Raum des Atoms. Der Atomkern, der 99,96 % der Gesamtmasse des Atoms ausmacht, ist im Atomkern geschrumpft und nimmt nur ein Billionstel des Volumens ein.

Auf diese Weise können wir berechnen, dass bei einer 100-Billionen-fachen Komprimierung von Wasser eine Milliarde Tonnen pro Kubikzentimeter entstehen; und wenn Gold 100 Billionen Mal komprimiert wird, ergibt das 1,932 Milliarden Tonnen pro Kubikzentimeter. Tatsächlich sollte die Dichte des Atomkerns gleich sein. Wenn Wasser und Gold zu einem Atomkern komprimiert werden, sollte die Dichte gleich sein.

Daher beträgt die oben erwähnte Kerndichte 1*10^17kg/m^3 und das Volumen des Kerns beträgt nur ein Billionstel des Atoms. Diese Daten sind nur ungefähr und relativ, insbesondere das Verhältnis des Volumens des Kerns zum Atomvolumen, das von Atom zu Atom stark variiert.

Wenn also das gesamte Universum zu einem dicht gepackten Atomkern würde, wie groß wäre es? Tatsächlich ist das gesamte Universum unglaublich leer, mit einer durchschnittlichen Dichte von nur 1,67*10^-27kg/m^3, was bedeutet, dass die durchschnittliche Masse pro Kubikmeter nur 167 Milliardstel Kilogramm beträgt, was leerer ist als jedes höchste Vakuum, das wir kennen oder erzeugen. Wie groß ist also das Volumen, nachdem die Gesamtmasse des beobachtbaren Universums von 4*10^53 kg auf atomare Dichte komprimiert wurde?

Einfache Rechnung: 4*10^53/1*10^17=4*10^36m^3, das sind etwa 4 Billionen Billionen Billionen Kubikmeter.

Jeder Kubikkilometer entspricht 1 Milliarde Kubikmeter, daher beträgt das Volumen der Atomkerne des beobachtbaren Universums: 4*10^36/1*10^9=4*10^27/km^3 oder 400 Billionen Billionen Kubikkilometer; jedes Kubiklichtjahr entspricht etwa 8,47*10^38km^3, und dieses Universum ist nur 4,72*10^-12 Kubiklichtjahre groß, also ein Billionstel eines Kubiklichtjahres.

Das beobachtbare Universum dieser Kerndichte ist sehr klein. Es muss nicht mehr in Lichtjahren gemessen werden. Gemessen in Kilometern oder astronomischen Einheiten AE beträgt der Kugelradius dieses beobachtbaren Universums nur etwa 985 Millionen Kilometer, weniger als 5,6 AE (1 AE sind etwa 150 Millionen Kilometer). Die durchschnittliche Entfernung von Jupiter zur Sonne beträgt etwa 779 Millionen Kilometer, und die durchschnittliche Entfernung von Saturn zur Sonne beträgt etwa 1,43 Milliarden Kilometer. Daher ist dieses hinsichtlich der Kerndichte beobachtbare Universum nur eine Kugel mit einem Radius zwischen Sonne, Jupiter und Saturn.

Man kann erkennen, dass das Universum, wenn es zu einem Neutronenstern wird, nur eine Kugel mit einem Radius von weniger als einer Milliarde Kilometer sein wird.

Diese Vorstellung ist nicht völlig abwegig, es könnte durchaus der Zustand am Ende des Universums sein. Das moderne Standardmodell des Universums geht davon aus, dass das Universum von klein nach groß gewachsen ist. Zu Beginn handelte es sich um eine Singularität, deren Volumen nicht messbar war und die im Verhältnis zu einer Kugel von 1 Milliarde Kilometern völlig vernachlässigbar war. Die moderne Theorie der Schwarzen Löcher geht davon aus, dass die gesamte Masse eines Schwarzen Lochs in der Singularität in seinem Kern existiert. Daher ist die Dichte eines Neutronensterns im Vergleich zu der eines Schwarzen Lochs winzig.

Es gibt eine Theorie über die Bestimmung des Universums, die besagt, dass, wenn sich das Universum bis zu einem kritischen Punkt ausdehnt, die Expansionskraft und die Kontraktionskraft ein Gleichgewicht bilden und dann die Schwerkraft dominiert und die Kontraktion des Universums verursacht. Mit zunehmender Kontraktion kommt es schließlich zu einem Kollapstrend und es kommt unweigerlich zur Phase der Kerndichte, also zur Neutronensternphase.

Unter dem enormen Massendruck des Universums wird diese Phase nur sehr kurz sein und es wird augenblicklich zu einem schwarzen Loch kollabieren, das Universum wird in die Singularität zurückkehren, Zeit und Raum werden enden und das Universum, wie wir es jetzt kennen, wird verschwinden.

Es gibt viele Theorien über das Schicksal des Universums, und dies ist nur eine davon. Unabhängig von der Theorie wird das Universum noch mindestens zehn Milliarden Jahre existieren, während das Sonnensystem nur fünf Milliarden Jahre überdauern wird. Niemand kann vorhersagen, wie viele Jahre der Mensch existieren kann. Heute diskutieren wir dieses Thema, um Ihnen einige grundlegende Erkenntnisse über das Universum zu vermitteln. Vielen Dank fürs Lesen und herzlich willkommen zur Diskussion.

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