Techniklexikon

Urknall

Relativitätstheorie und GravitationAstronomie und Astrophysik, nach heutigen kosmologischen Theorien der Beginn des Universums aus einem singulären Zustand mit unendlich hoher Temperatur und Dichte heraus. Der Urknalltheorie bildet die mögliche Erklärung für die heute beobachtbare Expansion des Universums: Wird das von der Expansion der Raumzeit getragene Auseinanderdriften der Galaxien in die Vergangenheit extrapoliert, so folgt, dass die Ausdehnung des Universums vor endlicher Zeit Null gewesen sein muss.

Die Hypothese eines Urknall entstand zunächst aus theoretischen Überlegungen heraus. Willem de Sitter hatte bei der Untersuchung der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie herausgefunden, dass es für ein leeres Universum nicht-stationäre Lösungen des Raum-Zeit-Kontinuums gibt und sich der Kosmos somit auch ausdehnen könnte. Aleksandr Friedman löste die Feldgleichungen zwischen 1922 und 1924 für ein homogen mit Materie angefülltes Universum und kam zu demselben Schluss. Georges Lemaître stellte 1927 die Hypothese auf, dass das Universum im Falle einer Expansion aus einem Punkt, einem Uratom, heraus entstanden sein muss. Die Arbeiten wurden zunächst kaum beachtet. Ihre Bedeutung wurde erst erkannt, als Edwin P. Hubble 1929 auf diesen Überlegungen aufbauend herausfand, dass fast alle Galaxien voneinander fortstreben und die Fluchtgeschwindigkeit linear mit der Entfernung zunimmt (Hubble-Fluss). Damit lag es für viele Kosmologen nahe, dass die Galaxienflucht ein sichtbares Merkmal der Expansion des Universums ist. In den 1940er Jahren griff G. Gamow den Gedanken auf und folgerte, dass ein Rest des extrem heissen Urplasmas in Form eines Strahlungshintergrunds noch heute vorhanden sein sollte.

Die Urknalltheorie wurde jedoch noch lange bestritten. Erst die Entdeckung im Jahr 1965, dass tatsächlich eine solche kosmische Hintergrundstrahlung existiert, bewirkte die Anerkennung der Urknall-Hypothese und des Modells eines expandierenden Friedmann-Lemaître-Kosmos (kosmologische Modelle) gegenüber konkurrierenden Modellen, wie etwa der Steady-State-Theorie, die keine überzeugende Erklärung der Hintergrundstrahlung liefern konnte.

Als weiteres wichtiges Beobachtungsindiz für die Urknalltheorie wird ausserdem die heutige Elementhäufigkeit angesehen. Sie lässt sich damit erklären, dass imUrknall fast ausschliesslich Wasserstoff und Helium entstanden sind und die schwereren Elemente erst später in nuklearen Reaktionen im Innern der Sterne gebildet wurden.

Seit Anfang der 70er Jahre des 20.Jh. wird an grossen Beschleunigeranlagen wie bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt und dem CERN in Genf intensiv an den theoretischen Hintergründen und dem experimentellen Nachweis gearbeitet, ein solches Quark-Gluon-Plasma (siehe Abb.), wie es wenige milliardstel Sekunden nach dem Urknall vorhanden gewesen sein muss, durch extremes Zusammenquetschen und Erhitzen von Materie zu erzeugen. In den letzten Jahren, so scheint es, sind die Forschungen am CERN diesem Ziel ein gutes Stück näher gekommen. Im Jahr 2000 sollen Experimente am Schwerionenbeschleuniger RHIC am Brookhaven National Laboratory und 2005 am neuen LHC in Genf diese, bisher nur indirekten, Nachweise bestätigen: Man hofft, dass mit den dann möglichen hohen Energien ein direkter Nachweis eines solchen Plasmas möglich wird.

Die Urknalltheorie impliziert ein expandierendes Universum. Wie sich die Welt weiter entwickeln wird (ewige Expansion oder Kontraktion), ist eine Frage des Weltmodells. Um alle Aspekte der Urknalltheorie mit den heutigen Beobachtungen in Einklang zu bringen, wurde 1981 die Theorie der Inflation entwickelt.

Heute ist der Begriff des heissen Urknalls ein wesentlicher Teil des Standardmodells der Kosmologie. Durch die Weiterentwicklung der Hochenergie-Teilchenphysik (Standardmodell der Elementarteilchen) wird das Verständnis der Physik des frühen Universums ab ca.10^-12 s nach dem Urknall als gesichert angesehen. S. Hawking und R. Penrose bewiesen eine Reihe von Theoremen, die besagen, dass Raumzeit-Singularitäten unter sehr allgemeinen Voraussetzungen unvermeidbar sind.

Urknall: Simulation eines Quark-Gluons-Plasmas, wie es kurz nach dem Urknall (ca. 10 Mikrosekunden) geherrscht haben muss. Am CERN in Genf gelang 2000 vermutlich erstmals der indirekte Nachweis eines bei der Kollision von Bleiatomkernen erzeugten Plasmas.