Einführung
Seit jeher haben die Menschen den Ursprung des Universums in Frage gestellt. In dem Bestreben, den Ursprung des Universums zu klären, haben Wissenschaftler einige Theorien aufgestellt. Die Urknalltheorie ist eine der Theorien, die den Ursprung, die Entwicklung und das Wesen des Universums erklären. Die Theorie stützt sich auf physikalische Gesetze und kosmische Kräfte, um den Ursprung, die Entwicklung und die Beschaffenheit des Universums zu erklären. Die Urknalltheorie geht davon aus, dass das Universum durch eine gewaltige Explosion einer Masse von Atomen entstanden ist. Die gewaltige Explosion erzeugte eine explosive Kraft, die die Materie mit unvorstellbarer Geschwindigkeit vorantrieb und zur Ausdehnung der Materie in Galaxien führte. Georges Lemaitre und Edwin Hubble sind zwei Entdecker der Urknalltheorie, die bemerkenswerte Beobachtungen gemacht haben, dass das Universum aus der kosmischen Expansion hervorgegangen ist, weil die Galaxien vom Zentrum des Universums wegdriften (Bortz, 2014). Die Urknalltheorie ist in der wissenschaftlichen Welt sehr plausibel, da physikalische Gesetze und kosmische Kräfte die Expansion der Materie und das Auseinanderdriften der Galaxien im Universum unterstützen. In diesem Aufsatz werden daher die Annahmen und wissenschaftlichen Beweise untersucht, die die Urknalltheorie stützen.
Annahmen und Beweise für die Urknalltheorie
Eine der Annahmen, die der Urknalltheorie zugrunde liegen, ist die Annahme der kosmologischen Singularität. Diese Annahme ist sehr wichtig für die Erklärung des Ursprungs und der Entwicklung des Universums nach den Grundsätzen der Urknalltheorie. Mit der Annahme der kosmologischen Singularität geht die Urknalltheorie davon aus, dass Materie, kosmische Kräfte und physikalische Gesetze zu einem endlichen Zeitpunkt in der Vergangenheit vor der Explosion und Ausdehnung des Universums entstanden sind (Tillery, Enger, & Ross, 2012). Die kosmologische Singularität bildet die Grundlage der Urknalltheorie, weil sie davon ausgeht, dass die Materie zu einem endlichen Zeitpunkt entstanden ist. Die Entwicklung der Materie von einem endlichen Zeitpunkt an führte zur kosmologischen Singularität, in der eine gewaltige Explosion stattfand und die Entstehung der kosmischen Kräfte und physikalischen Gesetze auslöste. Die Wissenschaftler haben physikalische Gesetze formuliert und kosmische Kräfte identifiziert, die die kosmologische Singularität vorhersagen können. Die Hauptannahme der Urknalltheorie ist daher, dass die Materie bereits vor der massiven Explosion existierte.
Bei der Erklärung der Ausdehnung des Universums geht die Urknalltheorie davon aus, dass die Ausdehnung in einem bestimmten, homogenen Raum stattfindet. Im Wesentlichen hat die Explosion der Materie einen Raum geschaffen, der sich mit der Zeit ausdehnt. Die expandierende Materie, die aus der Explosion hervorging, dehnt sich nicht aus, um einen Raum auszufüllen, sondern sie dehnt sich innerhalb des expandierenden Raums aus, wobei sich Galaxien, Objekte und andere Körper proportional bewegen können (Tillery, Enger, & Ross, 2012). Das Relativitätsgesetz erklärt die Ausdehnung des Raums in Form von metrischen Einheiten der Raumzeit. Die Metrik definiert die Abstände zwischen benachbarten Galaxien, Objekten oder anderen Körpern, die sich im Raum befinden. Das Koordinatendiagramm kann die Entfernungen von Galaxien, Objekten und anderen Körpern so veranschaulichen, dass ihre relativen Positionen die Raumzeit angeben. Da der sich ausdehnende Raum homogen ist, behält die Expansionsrate die Koordinaten der sich bewegenden Punkte bei, so dass der Koordinatenabstand proportional zum sich ausdehnenden Raum bleibt. Die Annahme des sich ausdehnenden Raums ist daher von zentraler Bedeutung für die Urknalltheorie, da sie die Beschaffenheit des Raums beschreibt, in dem die Explosion stattfand und sich zum Universum ausdehnte.
Da die Urknalltheorie das Auftreten von Explosionen und die Ausdehnung der Materie in der Raumzeit erklärt, geht sie davon aus, dass es Horizonte gibt, die die Grenzen der Vergangenheit und der Zukunft markieren. Die Annahme der Horizonte besagt, dass die Ereignisse der Urknalltheorie endliche Eigenschaften haben, wie Geschwindigkeit, Licht, Temperatur, Druck und Dichte, um nur einige zu nennen. Die Annahme der Horizonte impliziert, dass einige Ereignisse im Universum nicht nachvollziehbar sind, weil sie ihre endliche Raumzeit erreicht haben könnten, bevor der Mensch ihre Existenz wahrgenommen hat. Diese Annahme gibt der Urknalltheorie daher den Spielraum, die Existenz von Galaxien und Objekten vorherzusagen, die ihre Lebenszeit im Universum ausgeschöpft haben (Bortz, 2014). Der vergangene Horizont veranschaulicht die Existenz der am weitesten entfernten Objekte, die beobachtbar sind. Im Gegensatz dazu veranschaulicht der Zukunftshorizont die Existenz der am weitesten entfernten Objekte, die mit Hilfe physikalischer Gesetze und kosmischer Kräfte vorhersagbar sind. Somit bleiben der vergangene und der zukünftige Horizont bloße Annahmen, da sie nicht überprüfbar sind.
Bei der Erläuterung der Urknalltheorie verwendete Edwin Hubble die Rotverschiebung des Lichts als zwingenden Beweis. Der Beweis ist überzeugend, weil Astronomen die Rotverschiebung des Lichts, das Galaxien aussenden, feststellen können (Rhee, 2013). Grundsätzlich bedeutet Rotverschiebung, dass Beobachter auf der Erdoberfläche unterschiedliche Frequenzen des Lichts wahrnehmen, das Galaxien im Universum aufgrund der unterschiedlichen Entfernungen aussenden. Während der Explosion brachte die Explosionskraft verschiedene Galaxien, Objekte und andere Körper dazu, sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit zu bewegen. Da die sich bewegenden Körper mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten wandern, erfahren die Lichter, die sie aussenden, den Dopplereffekt. Im Wesentlichen ist der Dopplereffekt die Änderung der Frequenz einer Welle in Abhängigkeit von der Entfernung des Beobachters. In diesem Fall ändert sich die Frequenz des von den Galaxien ausgesandten Lichts in Abhängigkeit von der Entfernung der Galaxien von der Erdoberfläche. Die Beobachtung von Galaxien im Weltraum zeigt, dass weit entfernte Galaxien Licht mit einer größeren Wellenlänge aussenden als nahe Galaxien. Diese Beobachtung zeigt sich in der Rotverschiebung des von fernen Galaxien ausgestrahlten Lichts.
Abbildung 1 und Abbildung 2 zeigen die Rotverschiebung des Lichts einer weit entfernten Galaxie relativ zur Sonne (Rhee, 2013).
Edwin Hubble formulierte das Gesetz, das die Bestimmung der Rotverschiebung ermöglicht. Das Hubble-Gesetz besagt, dass die Rezessionsgeschwindigkeit einer Galaxie direkt proportional zu ihrer Bewegungsentfernung ist (Rhee, 2013). Im Wesentlichen lautet die Formel v = Hd, wobei v die Rezessionsgeschwindigkeit, d die Entfernung und H die Hubble-Konstante ist. Rezessionsgeschwindigkeiten und Entfernungen von Galaxien stehen in einem linearen Verhältnis, wobei die Steigung die Hubble-Konstante ist. Da die Entfernung von der Sonne zur Erde bekannt ist, bietet die Leuchtkraft von Galaxien im Verhältnis zur Sonne eine Möglichkeit zur Abschätzung von Entfernungen (Rhee, 2013). Die Parallaxe hilft bei der Abschätzung von Entfernungen auf der Grundlage der relativen Leuchtkraft von Galaxien im Raum. Bei der Bestimmung von Geschwindigkeiten sind die Wellenlängen und Frequenzen von Lichtern von Bedeutung, da sie das Ausmaß der Rotverschiebung im Verhältnis zur Geschwindigkeit bekannter Körper im Universum angeben. Daher ist das Hubble-Gesetz ein wesentlicher Bestandteil der Erklärung der Urknalltheorie, da es auch überzeugende Beweise liefert. Die Existenz der mathematischen Formel, die die Existenz der Rotverschiebung bestimmt, unterstützt das Auftreten der Urknalltheorie.
Die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung durch Robert Wilson und Arno Penzias im Jahr 1965 stärkte die wissenschaftliche Position der Urknalltheorie. Die kosmische Hintergrundstrahlung geht davon aus, dass die Dichte des Universums aufgrund der Expansion des Raums nach der gewaltigen Explosion mit der Zeit abgenommen hat. Durch die Wechselwirkung von Materie und Licht im Universum entsteht die kosmische Strahlung, die das Wahrzeichen der Urknalltheorie ist. Rhee (2013) erklärt, dass der Urknall, d. h. die gewaltige Explosion, die sich am letzten Horizont der Raumzeit ereignete, die Hintergrundstrahlung in Form von Galaxien und Sternen hinterließ. Im Wesentlichen bietet die Hintergrundstrahlung ein primitives Bild des Raums unmittelbar nach dem Urknall. Rhee (2013) behauptet, dass das Spektrum der kosmischen Hintergrundstrahlung aufgrund der Expansion des Weltraums gemäß der Urknalltheorie eine Rotverschiebung erfahren hat. Die National Aeronautics and Space Administration (NASA) hat einen Satelliten gestartet, der die Existenz und das Muster der kosmischen Hintergrundstrahlung auf der ganzen Welt erfasst. Das Vorhandensein und die Schwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung auf dem gesamten Globus stützen somit die Urknalltheorie.
Die Urelemente Wasserstoff, Helium, Deuterium und Lithium sind nach der Erklärung der Urknalltheorie die am häufigsten vorkommenden Elemente im Universum. Diese Elemente sind Urelemente, weil sie Materie bildeten, die während des Urknalls existierte und sich in der Folge ausdehnte, um das Universum zu füllen. Canetti, Drewes und Shaposhnikov (2012) behaupten, dass der Urknall die Nukleosynthese von Helium, Deuterium und Lithium auslöste, als die primitive Atmosphäre abkühlte und die Existenz leichterer Atome ermöglichte. Somit bildeten die Helium- und Deuteriumhäufigkeiten im Universum die Grundlage für die Lichtemission der Körper im Universum. Rhee (2013) argumentiert, dass Helium und Deuterium in der Sonne im Überfluss vorhanden sind, weil sie brennen und enorme Hitze und Licht ausstrahlen, die die Erdoberfläche erreichen. Daher führte die Entdeckung dieser Urelemente in der Sonne zu ihrer Identifizierung im Universum und in den Sternen. Rhee (2013) gibt ein genaues Verhältnis der Urelemente an, indem er feststellt, dass “auf 10 000 Wasserstoffatome im Universum 975 Heliumatome, sechs Sauerstoffatome und ein Kohlenstoffatom kommen” (S. 48). Aus dieser Sicht unterstützt die Nukleosynthese der Urelemente die Urknalltheorie, die besagt, dass die gewaltige Explosion die Existenz der heutigen Häufigkeiten im Universum verursacht hat.
Die Struktur und die Verteilung der Galaxien im Weltraum stehen im Einklang mit den Lehren der Urknalltheorie. Die Struktur des Universums zeigt, dass Planeten und andere Körper aufgrund der Zentrifugal- und Zentripetalkräfte eine ovale Struktur haben. Die Zentrifugalkraft bewirkt eine Ausbeulung in den äquatorialen Ebenen, während die Zentripetalkraft eine Abflachung in den polaren Ebenen bewirkt (Anderson, 2015). Darüber hinaus folgt die Struktur von Körpern im Weltraum einer gewissen Organisation, denn es gibt ein Muster der Dichte in der Struktur von Galaxien, Galaxienhaufen und großen Körpern. Die Anordnung der kosmischen Hintergrundstrahlung variiert in Abhängigkeit von der Temperatur und Dichte ihrer Quellen. Was die Verteilung der Körper im Raum betrifft, so zeigen die Beobachtungen des Universums, dass die Galaxien aus dem Urknall hervorgegangen sind. Die Merkmale der Rotverschiebung, die bei der Beobachtung von der Erde aus zu beobachten sind, zeigen deutlich die Verteilung der Körper. Die Verteilung bestätigt, dass der Big Bag eine explosive Kraft erzeugte, die Galaxien und andere Körper im Universum beschleunigte. Anderson (2015) argumentiert, dass die Entstehung von Sternen und Galaxien einem hierarchischen Muster folgt, bei dem sich zunächst kleinere Strukturen bilden, die später zu großen Strukturen zusammenwachsen. Daher bietet die Urknalltheorie eine plausible Erklärung für die Struktur und Verteilung von Körpern im Raum
Jüngste Entdeckungen haben gezeigt, dass es im Universum ursprüngliche Wolken gibt. Die Analyse der Spektren, die von weit entfernten Quasaren und Galaxien ausgehen, deutet darauf hin, dass das ursprüngliche Gas im Universum unberührte Wolken bildet. Vor dieser Entdeckung hatten die Astronomen festgestellt, dass Galaxien und Sterne Atome enthalten, die in der Regel leichter sind als die Urelemente wie Lithium, Deuterium und Wasserstoff. Canetti, Drewes und Shaposhnikov (2012) bestätigen daher, dass sich die Urwolken bildeten, als sich die leichteren Atome während des Urknalls vereinigten. Die Nukleosynthese des Urknalls sagte die Existenz solcher Wolken im Urraum vor der Expansion des Universums und der Entstehung von Körpern genau voraus. Anderson (2015) zeigt auf, dass die Urwolken entstehen, weil die Urmaterie aus neutralem Wasserstoff bestand. Die Existenz von Urwolken ist somit ein zwingender Beweis dafür, dass der Urknall tatsächlich in der Vergangenheit stattgefunden hat.
Schlussfolgerung
Die Urknalltheorie hat sich im Laufe der Zeit bewährt, weil sie überzeugende Beweise für den Ursprung, die Entwicklung und die Beschaffenheit des Universums liefert. Die Theorie beruht auf drei Annahmen, nämlich der kosmologischen Singularität, dem homogenen Expansionsraum und den unendlichen Horizonten. Diese Annahmen bilden den Hintergrund für die zwingenden Beweise, die das Auftreten des Urknalls belegen. Die Rotverschiebung des Lichts, die kosmische Hintergrundstrahlung, die Häufigkeit der Urelemente, die Struktur und Verteilung der Galaxien und die Existenz unberührter Wolken sind fünf Säulen, die die Urknalltheorie stützen. Die Analyse dieser Beweise zeigt, dass die Urknalltheorie für die moderne Welt immer noch relevant ist, da die Astronomen immer wieder neue Erkenntnisse zutage fördern.
Referenzen
Aunderson, R. (2015). Das kosmische Kompendium: The Big Bang and the Early Universe. London: Lulu Verlag.
Bortz, F. (2014). Die Urknalltheorie: Edwin Hubble und die Ursprünge des Universums. New York: The Rosen Publishing Group.
Canetti, L., Drewes, M., & Shaposhnikov, M. (2012). Materie und Antimaterie im Universum. New Journal of Physics, 14(1), 1-20.
National Aeronautics Space and Administration: The Big Bang. (2015). Web.
Rhee, G. (2013). Kosmische Morgendämmerung: Die Suche nach den ersten Sternen und Galaxien. New York: Springer Science.
Tillery, B., Enger, E., & Ross, F. (2012). Integrierte Wissenschaft. London: McGraw-Hill.