Urknall • James Trefil, Enzyklopädie "Zweihundert Gesetze des Universums"

Urknall

Astronomen verwenden den Begriff "Urknall" in zwei zusammenhängenden Begriffen. Dieser Begriff bezieht sich einerseits auf das Ereignis selbst, das die Geburt des Universums vor etwa 15 Milliarden Jahren markierte; auf der anderen Seite, das ganze Szenario seiner Entwicklung mit anschließender Expansion und Kühlung.

Das Konzept des Urknalls entstand mit der Entdeckung des Hubble-Gesetzes in den 1920er Jahren. Dieses Gesetz beschreibt mit einer einfachen Formel die Ergebnisse von Beobachtungen, nach denen sich das sichtbare Universum ausdehnt und Galaxien sich voneinander entfernen. Es ist daher nicht schwer, den Film mental "den Film zurückzurollen" und sich vorzustellen, dass das Universum im ursprünglichen Moment vor Milliarden von Jahren in einem Superzustand war. Dieses Bild der Dynamik des Universums wird durch zwei wichtige Tatsachen bestätigt.

Kosmischer Mikrowellenhintergrund

Im Jahr 1964 entdeckten die amerikanischen Physiker Arno Penzias und Robert Wilson, dass das Universum mit elektromagnetischer Strahlung im Mikrowellenfrequenzbereich gefüllt ist. Die nachfolgenden Messungen zeigten, dass dies eine charakteristische klassische Schwarzkörperstrahlung ist, die für Objekte mit einer Temperatur von etwa -270 ° C (3 K) charakteristisch ist, dh nur drei Grad über dem absoluten Nullpunkt.

Eine einfache Analogie wird Ihnen helfen, dieses Ergebnis zu interpretieren. Stellen Sie sich vor, Sie sitzen am Kamin und schauen auf die Glut. Während das Feuer hell brennt, erscheint die Glut gelb. Wenn die Flamme abklingt, verblassen die Kohlen zu Orange, dann dunkelrot. Wenn das Feuer fast ausgestorben ist, hören die Kohlen auf, sichtbare Strahlung auszustrahlen, aber indem Sie eine Hand zu ihnen bringen, werden Sie eine Hitze fühlen, die bedeutet, dass die Kohlen weiterhin Energie ausstrahlen, aber im Infrarotfrequenzbereich. Je kälter das Objekt, desto niedriger die von ihm ausgestrahlten Frequenzen und je länger die Wellenlänge (sehen Stefan-Boltzmann-Gesetz). Tatsächlich bestimmten Penzias und Wilson die Temperatur der "kosmischen Kohlen" des Universums, nachdem sie 15 Milliarden Jahre lang abgekühlt waren: Ihre Hintergrundstrahlung lag im Bereich der Mikrowellen-Radiofrequenzen.

Historisch hat diese Entdeckung die Entscheidung zugunsten der kosmologischen Theorie des Urknalls vorbestimmt. Andere Modelle des Universums (zum Beispiel die Theorie des stationären Universums) erlauben uns, die Tatsache der Expansion des Universums zu erklären, aber nicht die Anwesenheit eines kosmischen Mikrowellenhintergrundes.

Fülle von leichten Elementen

Das frühe Universum war sehr heiß.Selbst wenn Protonen und Neutronen während des Zusammenstoßes kombiniert wurden und schwerere Kerne bildeten, war die Zeit ihrer Existenz unbedeutend, weil der Kern bereits bei der nächsten Kollision mit einem anderen schweren und schnellen Teilchen wieder in elementare Komponenten fiel. Es stellt sich heraus, dass vom Moment des Urknalls an etwa drei Minuten verstreichen mussten, bevor das Universum abgekühlt war, so dass die Energie der Kollisionen etwas weicher wurde und die Elementarteilchen anfingen, stabile Kerne zu bilden. In der Geschichte des frühen Universums eröffnete sich damit ein Zeitfenster für die Bildung von Kernen leichter Elemente. Alle Kerne, die in den ersten drei Minuten gebildet wurden, zerfielen unvermeidlich; später begannen sich stabile Kerne zu bilden.

Dies ist jedoch die primäre Bildung von Kernen (der sog Nukleosynthese) in einem frühen Stadium der Expansion des Universums dauerte sehr kurz. Bald nach den ersten drei Minuten waren die Teilchen so weit voneinander entfernt, dass die Kollisionen zwischen ihnen extrem selten wurden, und dies markierte die Schließung des Fensters der Kernsynthese. In dieser kurzen Periode der primären Nukleosynthese wurde Deuterium als Folge von Proton-Neutronen-Stößen gebildet (ein schweres Wasserstoffisotop mit einem Proton und einemein Neutron im Kern), Helium-3 (zwei Protonen und ein Neutron), Helium-4 (zwei Protonen und zwei Neutronen) und, in kleinen Mengen, Lithium-7 (drei Protonen und vier Neutronen). Alle schwereren Elemente entstehen später – während der Entstehung von Sternen (sehen Die Entwicklung der Sterne).

Die Urknall-Theorie erlaubt uns, die Temperatur des frühen Universums und die Häufigkeit von Teilchenkollisionen in ihm zu bestimmen. Als eine Konsequenz können wir das Verhältnis der Anzahl verschiedener Kerne von leichten Elementen auf der primären Stufe der Entwicklung des Universums berechnen. Vergleicht man diese Vorhersagen mit dem tatsächlich beobachteten Verhältnis von Lichtelementen (korrigiert um ihre Bildung in Sternen), finden wir eine eindrucksvolle Übereinstimmung zwischen Theorie und Beobachtungen. Meiner Meinung nach ist dies der beste Beweis für die Urknallhypothese.

Zusätzlich zu den beiden obigen Beweisen (Mikrowellenhintergrund und das Verhältnis von Lichtelementen)sehen Das inflationäre Stadium der Expansion des Universums zeigte, dass die Verschmelzung der Urknall-Kosmologie mit der modernen Elementarteilchen-Theorie viele grundlegende Fragen der Struktur des Universums löst. Natürlich bleiben die Probleme bestehen: Wir können die Ursache der Entstehung des Universums nicht erklären; es ist uns auch nicht klar, ob die gegenwärtigen physikalischen Gesetze im Augenblick ihrer Entstehung gehandelt haben.Aber überzeugende Argumente für die Urknalltheorie haben sich bisher mehr als genug angesammelt.

Siehe auch:

1842Doppler-Effekt
1968String-Theorie
1990er JahreKosmisches Dreieck
XXI Jahrhundert. ?Universelle Theorien

Arno Allan PENZIAS, Robert Woodrow WILSON (WILSON)
Arno Allan Penzias, p. 1933
Robert Woodrow Wilson, p. 1936

Arno Allan Penzias (auf dem Foto rechts) und Robert Woodrow Wilson (auf dem Foto links) sind amerikanische Physiker, die die CMB-Strahlung entdeckten.

Geboren in München, wanderte Penzias 1940 mit seinen Eltern in die USA aus. Wilson wurde in Houston (USA) geboren. Beide begannen Anfang der 1960er Jahre in Bell Labs in Holmdale, New Jersey, zu arbeiten. Im Jahr 1963 wurden sie damit beauftragt, die Art von Radio-Lärm herauszufinden, der den Funkverkehr beeinträchtigt. Unter Hinweis auf eine Reihe wahrscheinlicher Ursachen (bis hin zur Kontamination der Antenne mit Taubenkot) kamen sie zu dem Schluss, dass die Quelle für stabiles Hintergrundrauschen außerhalb unserer Galaxie liegt. Mit anderen Worten, es war der kosmische Strahlungshintergrund, der von theoretischen Astrophysikern vorhergesagt wurde, einschließlich Robert Dick, Jim Peebles und George Gamov. Für ihre Entdeckung erhielten Penzias und Wilson 1978 den Nobelpreis für Physik.


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