Vom Urknall zu den Atomen

Vielleicht erinnern Sie sich nicht mehr genau, aber eines Tages forderte Ihr Mathematiklehrer Sie auf, einen Punkt in Ihr Heft zu zeichnen. Natürlich nicht an irgendeine beliebige Stelle, sondern an einen sorgfältig beschriebenen Ort. Es gab eine X-Achse (von links nach rechts) und eine Y-Achse (von unten nach oben). Auf denen zählten Sie ab: vielleicht waren es vier Kästchen nach rechts und zwei Kästchen nach oben. Sie nahmen Ihren Bleistift in die Hand und drückten einen Punkt auf das Papier. Genau hier beginnt unsere Reise durch die Geschichte der Welt.
Stellen Sie sich nun diesen winzigen Fleck vor und lassen alles Drumherum verschwinden: X- und Y-Achse, Matheheft und Mathelehrer, den Stift, sich selbst und sogar die Krümel aus schwarzem Graphit, die Sie aufgetragen haben. Lassen Sie nur dieses geometrische Objekt ohne Ausdehnung übrig und stellen Sie es sich als die Keimzelle unseres Universums vor. Die Astronomen nennen es Singularität. Dieser Punkt ist dabei weder ein Ort - denn es gibt keinen Raum um ihn herum - noch ein Moment, denn es fehlt ihm die Zeit.
Natürlich ahnen Sie längst, wo Sie und Ihr Mathematiklehrer in dieser Geschichte abgeblieben sind: Zusammen mit der gesamten übrigen Materie des Weltalls steckten Sie in diesem einen Punkt. Man kann Sie noch nicht erkennen, aber haben Sie Geduld. Alles beginnt mit dem, was im letzten Jahrhundert Big Bang oder zu Deutsch Urknall getauft wurde. 13,7 Milliarden Jahren später wird das Universum Sie hervorzaubern. Zunächst allerdings kamen die beiden oben beschriebenen Achsen zum Vorschein - dazu noch eine dritte - und so entstand der dreidimensionale Raum. Im gleichen Moment bekam dieser Raum noch einen Pfeil: die Zeit.

files/Bildungsexplosion/img/Expansion_des_Universums; Quelle NASA.jpgDie Geschichte unseres Universums beginnt also vor 13,7 Milliarden Jahren. Astronomen gelangen zu dieser Zahl, indem sie die Geschwindigkeit, mit der sich das Weltall ausdehnt, zurückverfolgen. So erreichen sie den Anfangsmoment, in dem die gesamte Materie an einem extrem heißen Punkt vereinigt war. Er gibt den fulminanten Startschuss für diese universale Biografie ab. Für das fundamentale Ereignis am Anfang der Welt fand der britische Astronom Fred Hoyle 1949 den Begriff Big Bang. Hoyle, der die Theorie eines expandierenden Weltalls paradoxerweise ablehnte, unterbreitete den Menschen damit einen aussprechbaren Namen für die Sekunden, in denen das Universum auf ganz und gar unvorstellbare Weise geboren wurde. Die Astrophysiker rümpfen bei dem Ausdruck „Knall“ zu Recht die Nase: ohne Luft kein Schall, ohne Schall kein Knall. Tun Sie also den Wissenschaftlern einen Gefallen und nennen Sie die ersten Momente des Universums nicht Knall oder Explosion, sondern sprechen Sie von „extrem beschleunigte Ausdehnung“!
Weil mit dem Urknall sowohl der Raum als auch die Zeit erst entstanden, verschiebt die ihn umgebende Theorie die Frage nach einem Davor oder Drumherum in den Bereich der wissenschaftlichen Spekulation - oder aber der Religion. Wir wissen, dass das Universum expandiert, weil sich Galaxien oder andere Himmelsobjekte umso schneller von uns weg bewegen, je weiter sie von der Erde entfernt sind. Nur scheinbar wird dadurch die Erde zum Mittelpunkt der Ausdehnung. Vielmehr vergrößert sich jeder Raum, der einen beliebigen Punkt des Weltalls umgibt - gleichsam von innen heraus.

Gerne wird der Urknall mit einer Explosion verglichen. Sie werden gleich lernen, dass unser Universum in seinen ersten Lebensmomenten sehr viel schneller expandierte, als die Druckwelle eines Silvesterböllers. Niemand weiß, was sich im allerersten Sekundenbruchteil nach dem Urknall abspielte. In dieser nur 10-43 (eine Zahl aus einer Null, einem Komma, 42 weiteren Nullen und erst dann einer Eins) Sekunden dauernden Planck-Ära existierten die heute bekannten vier Naturkräfte, schwache und starke Kernkraft, Elektromagnetismus und Gravitation, noch nicht unabhängig voneinander. Darum können diese Kräfte, die das Gerüst unserer heutigen Physik darstellen, auch nicht zur Berechnung der damaligen Wirklichkeit herangezogen werden. Nach der Planck-Ära kam es zu einer gewaltigen Inflation, bei der sich das noch winzige Universum in kürzester Zeit, nämlich in 10-35 bis 10-30 Sekunden nach dem Urknall, um das etwa 1050 fache ausdehnte (eine Eins gefolgt von 50 Nullen). Mit dieser Ausdehnung verteilte sich die Energie auf einen größeren Raum. Die Energiedichte des Universums sank also, und mit ihr die Temperatur. Von den ungeheuren 1032 Grad Celsius der Planck-Ära fiel die Temperatur auf etwa 10 Milliarden Grad. In den der Inflation folgenden zwei bis drei Minuten fiel sie weiter bis auf 100 Millionen Grad ab und erlaubte Protonen und Neutronen zu den ersten Atomkernen zu fusionieren. Die beiden Kernbestandteile waren zuvor bei höherer Temperatur zusammen mit dem dritten Baustein unserer Materie, den Elektronen aus noch winzigeren Teilen und Strahlungsenergie entstanden. Atomwaffen und die Kernenergie zeigen, dass sich die in der Materie (z.B. in Urankernen) enthaltene Energie in Form von Druckwellen, Strahlung und Wärme freisetzen lässt -  die Natur wählte zunächst den umgekehrten Weg.

Drei Minuten nach dem Urknall reichte die Temperatur nicht mehr aus, um neue Atomkerne entstehen zu lassen. Die bestehenden Kerne aber nutzten die nächsten Jahrtausende, um im Universum aufzuräumen: Bei höheren Temperaturen binden sich Elektronen nicht an Kerne. Und in diesem als Plasma bezeichneten Gemisch kollidieren Lichtteilchen, die Photonen ständig mit anderen Teilchen, weshalb ein solches Plasma undurchsichtig ist. Doch nach dem weiteren Temperaturabfall (auf unter 4000 Grad) konnten die Atomkerne aus Neutronen und Protonen die Elektronen einfangen. Es entstanden die ersten nach außen neutralen Atome.  Sie gehorchen einem Bauplan aus dem bis heute alle Materie aufgebaut ist. Um eine Vorstellung von den ersten Minuten unseres Universums zu bekommen, brauchen Sie diesen Bildungskurzausflug in die Chemie:
Im Kern eines Atoms befinden sich die positiv geladenen Protonen und die etwa gleich schweren aber ungeladenen Neutronen. Auch wenn der Lehrer die Stirn runzelt: Stellen Sie sich Protonen, Neutronen und die anderen Teilchen ruhig wie kleine Kugeln vor, das ist ein guter Anfang. Den Kern umgeben in einer Hülle die sehr leichten und negativ geladenen Elektronen. Solange das Atom nach außen neutral ist, kommt auf jedes Proton ein Elektron. Im Vergleich zur dieser Elektronenhülle ist der Atomkern winzig, kompakt und schwer. Die Abstände der Elektronen vom Kern wurden am Anfang des 20. Jahrhunderts als Bahnen und später als Schalen beschrieben. Tatsächlich existiert das Elektron in einer geisterhaften Wolke von Aufenthaltsorten (sie werden als Orbitale bezeichnet), innerhalb derer man nicht genau sagen kann, wo es sich gerade befindet. Das Ganze ist ein wichtiges Thema der Quantenmechanik.
Als die Elektronen nach etwa 380.000 Jahren an die Atomkerne gebunden waren und den Photonen nicht mehr den Weg versperrten, erhielt das Universum eine neue Qualität: Es wurde durchsichtig.  

 

Kommentare

Ingo
|

Aha....

Hier einloggen oder registrieren, um einen Kommentar zu verfassen.