Zum Abschluss dieser Einführung werden wir uns verschie­denen ungelösten Proble­men der Physik zuwenden. Einige davon sind theoretischer Natur, weil die bestehenden Theorien nicht in der Lage sind, ein beobachtetes Phänomen oder das Ergebnis eines Experiments zu erklären. Wieder andere sind experimen­teller Natur, weil es schwierig ist, durch ein Experiment eine bestimmte Theorie zu über­prüfen oder ein bestimmtes Phänomen mit größerer Genauigkeit zu erforschen.

Die „Kosmologie” beschäftigt sich mit dem Ursprung, der Entwicklung und der grund­legenden Struktur des Universums als Ganzem und ist ein Teilgebiet der Astronomie, welches in enger Beziehung zur Astrophysik steht.

Die „Allgemeine Relativitäts­theorie (ART)” beschreibt die Wechsel­wirkung zwischen Materie sowie Raum und Zeit. Sie deutet Gravitation als geometrische Eigen­schaft der gekrümmten 4-dimensionalen Raumzeit. Die mathematische Beschreibung der Raumzeit und ihrer Krümmung erfolgt mit den Methoden der Differential­geometrie. Im Standard­modell der Kosmologie (SdK) wird ange­nommen, dass die Isotropie und Homogenität des Kosmos Gültigkeit hat, und dass die Relativitäts­theorie zutreffend ist.^[1] Das Standard­modell wird zum einen gestützt durch die Hubble-Expansion, die kosmische Hintergrund­strahlung und die primordiale Nukleo­synthese. Unter letzterem versteht man die Entstehung der ersten Elemente.^[1] Ander­seits wirft das Standard­modell Fragen auf, wie das Horizont­problem, das flache Universum, das Vorhanden­sein von magne­tischen Monopolen, Inhomo­genitäten im Universum, die Baryonen­asymmetrie, die Annahme einer Dunklen Materie bzw. Dunklen Energie. Außerdem gibt es beim Zeitpunkt t = 0 eine nicht behebbare Singularität.^[1]

Bei der „kosmologischen Inflation” geht man kurz nach dem Urknall von einer raschen Expansion des Univer­sums aus. Je nachdem welche Annahmen man zugrunde legt, begann diese Expansion zwischen 10⁻⁴³s, was der Plank-Zeit entspricht, und 10⁻³⁵s. Die Expansion soll zwi­schen 10⁻³³s und 10⁻³⁰s angedauert haben. Die genaue Zeitspanne lässt sich aber bis heute nicht genau nachweisen. Genauso unerklär­lich ist das postulierte Inflations­feld. Unklar ist ebenfalls, ob die Inflation durch quanten­mechanische Fluktuationen hervorgerufen wurde.

Mit der inflationären exponen­tiellen Expansion versucht man sich auch das Horizont­problem zu erklären. Denn während einer sehr kurzen Phase der Inflation müsste sich die Raum­zeit schneller ausgedehnt haben als das Licht. Mittels der Inflation versucht man auch das flache Universum zu beschreiben. Gemäß der Inflation würde die Krümmung des Universums immer weiter abflachen, bis schließlich ein euklidischer Raum entstehen würde.^[1]

Als „Horizontproblem” wird die Tatsache bezeichnet, das weit entfernte Regionen des Universums, die nicht miteinander in Kontakt stehen, trotz der großen Distanz die gleichen physika­lischen Eigenschaften aufweisen.

Bei der Annahme des Inflations­modells gibt es aller­dings ein paar Probleme. Denn eine beschleunigte Phase der Inflation klingt zwar für einige plausibel, aber sie wider­spricht den heutigen Beobachtungen. Ein Universum ohne Inflation ist für andere Wissen­schaftler plausibler als mit. Des Weiteren gilt zu berück­sichtigen, wenn die Inflation einmal begonnen hat, hört sie aufgrund von Quanten­fluktuationen nie wieder auf. So entsteht ein Meer von inflationär expandierendem Raum, in die kleine Inseln aus heißer Materie und Strahlung eingebettet sind.^[2]

Eine plausible Alternative dagegen wäre die Veränder­lichkeit der Licht­geschwindig­keit als Funktion von Raum und Zeit. In einem gekrümmten 4-dimensionalen Raum, wie ihn die Relativitäts­theorie zu beschreiben versucht, lassen sich derartige Fluktua­tionen erklären. Wir werden in nach­folgenden Kapiteln näher darauf eingehen.

Was die Zukunft unseres Universums angeht, gibt es die verschiedensten Szenarien.

Einige Wissenschaftler halten eine ewige Expansion für möglich. Das Universum würde dement­sprechend unbegrenzt expandieren, ohne dass sich die Expansion relevant beschleunigt oder vermindert. Andere halten einen „Big Freeze” für möglich. Darunter versteht man einen plötz­lichen Übergang von der Expansion in einen stationären Zustand.

Wieder andere sprechen von einem „Big Rip”. Darunter versteht man eine immer stärker zunehmende und schließlich extrem ansteigende Entstehung neuen Raums. In diesem neuen Raum entfernen sich alle Objekte immer schneller voneinander, bis sie nicht mehr miteinander in Wechsel­wirkung treten können.

Dann gibt es noch die Vertreter des „Big Crunch”. Nach deren Vorstellung würde die Expansion des Universums irgend­wann enden und schließlich umschlagen in ein sich beschleuni­gendes Zusammen­ziehen. Und dann ist noch die Rede von dem „Big Bounce”. Nach einem Zusammen­ziehen auf einen sehr kleinen Durchmesser würde eine erneute Expansion erfolgen.

Man beobachtet im Universum ein großes Über­gewicht der Materie gegen­über der Antimaterie. Die „Baryonen­asymmetrie” ist eines der wichtigsten noch nicht verstandenen Phänomene der Teilchen­physik, die nicht durch das Standard­modell erklärt werden kann. Warum gibt es scheinbar so viel mehr Materie als Antimaterie?

Ein Erklärungs­versuch ist, sich das Universum bestehend aus räumlich getrennten Gebieten vorzu­stellen. In diesen getrennten Gebieten über­wiegt entweder die baryonische oder aber die anti­baryonische Materie. Aus diesem Grund untersucht man die auf der Erde eintref­fende kosmische Strahlung. Würde man zum Beispiel nur einen einzigen Anti­kohlenstoff­kern finden, würde das die Existenz von Anti­materie beweisen. Denn Kohlen­stoff konnte nach bisherigem Verständnis beim Urknall nicht gebildet werden. Bisher verliefen aber alle Nachweis­versuche negativ.^[3]

Gegen diese getrennten Gebiete spricht allerdings, dass in den Grenz­bereichen zwischen der Materie und der Anti­materie extrem energie­reiche Photonen entstehen müssten, resultierend aus der gegen­seitigen Vernichtung von Materie und Anti­materie. Das konnte bisher auch nicht beobachtet werden.^[4]

Die „Kosmologische Konstante” ist eine physikalische Konstante, die ursprünglich von Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitäts­theorie (ART) eingeführt wurde. Diese wird heute aber nicht mehr als Parameter der ART inter­pretiert, sondern als die zeitlich konstante Energie­dichte des Vakuums. Da ergibt sich aller­dings die Frage, warum verursacht die Nullpunkt­energie des Vakuums keine so große Kosmolo­gische Konstante, wie das durch die Quantenfeld­theorien nahegelegt wird?^[5]

Die Existenz „dunkler Materie” wird in der Kosmologie zur Erklärung einiger Gravitations­wirkungen auf sichtbare Materie postuliert. Man versteht darunter auch nicht sichtbare Materie, die mit dem Licht nicht wechselwirkt.

Einige Wissen­schaftler halten ihre Existenz für möglich, weil sich derzeit nur so die Geschwindig­keit von Sternen um das Zentrum ihrer Galaxie und die Bewegung von Galaxie­haufen erklären lassen. Aber woraus besteht Dunkle Materie? Das konnte bisher keiner glaubhaft nach­weisen. Möglicher­weise weisen die Phänomene nicht auf eine Form von Materie hin, sondern auf die Notwendig­keit einer Erweiterung der Theorie der Gravitation. In den nach­folgenden Kapiteln werden wir sehen, dass Dunkle Materie nicht zwingend notwendig ist, um die Beobachtungen zu erklären. Insofern gibt es eine verblüffend einfache Alternative zur Gravitation.

Die Existenz „dunkler Energie” wird als eine hypothetische Form der Energie postuliert. Anders können sich einige Wissen­schaftler heute die beobachtete beschleunigte Expansion des Universums nicht erklären. Doch warum ist die Energie­dichte der dunklen Energie von derselben Größen­ordnung wie die gegen­wärtige Materie­dichte? Zumal sich beide nach bisherigem Verständnis in der Zeit unter­schiedlich entwickelt haben müssten.

Das „Kopernikanische Prinzip” bedeutet, dass der Betrachter, in diesem Fall der Mensch, keine heraus­gehobene, optimale Stellung im Kosmos einnimmt, sondern nur eine typisch durch­schnittliche. Selbst große Strukturen des Mikrowellen-Himmels, die über 13 Mrd. Lichtjahre entfernt sind, scheinen sowohl mit der Bewegung als auch der Orientierung des Sonnen­systems übereinzustimmen.

Abb. Kugelförmiges Universum Ω₀ > 1
Hyperbolisches Universum Ω₀ < 1
Flaches Universum Ω₀ = 1
(© NASA JPL/CalTech)

Bei der Frage nach der Gestalt des Universums unter­scheidet man zwischen der lokalen und der globalen Geometrie. Die lokale Geometrie beschreibt ein leicht gekrümmtes Universum. Sie wird auch durch den Wert des Dichte­parameters Ω_₀ bzw. durch den Raumzeit-Krümmungs-Parameter k bestimmt.

Wenn Ω₀ > 1, dann spricht alles für ein „kugel­förmiges” Universum, weil die Energie­dichte des Universums größer ist als die kritische Energie­dichte. Die Krümmung der Raumzeit wäre zudem positiv k = 1.

Wenn Ω₀ < 1, dann spricht alles für ein „hyper­bolisches” Universum, weil die Energie­dichte des Universums kleiner ist als die kritische Energie­dichte. Die Krümmung der Raumzeit wäre zudem negativ k = −1.

Wenn Ω₀ = 1, dann spricht alles für ein „flaches” Universum, weil die Energie­dichte des Universums dann genauso groß wäre wie die kritische Energie­dichte. Es gäbe dann keine Krümmung der Raumzeit k = 0.

Im Allgemeinen sagt man, die lokale Geometrie bestimmt die globale Geometrie zwar nicht voll­ständig, aber sie schränkt ihre möglichen Ausprägungen ein. Da bei den beobacht­baren Größen­ordnungen die Krümmung nahezu bei Null liegt, scheint vieles für ein flaches Universum zu sprechen. Man darf allerdings nicht vergessen, dass die Krümmung des Raums sehr stark von den Ent­fernungen abhängt. Nur weil etwas lokal als kaum messbare Krümmung wahrgenommen wird, deutet das nicht zwangs­läufig auf ein flaches Universum hin.

Andererseits, schließt ein vermeintlich flaches Universum nicht aus, dass in einer 4-dimensionalen Geometrie, Raum und Zeit trotzdem gekrümmt sind. Wenn wir die gesamte Geometrie über­schauen könnten, würde sich uns womöglich ein völlig anderes Bild bieten, mit starken und weniger starken Krümmungen. Würden sich anderer­seits die Energie­dichten abwechseln, hätten wir sogar ein pulsierendes Universum, und das würde wiederum für eine gekrümmte Gestalt des Universums sprechen.

Quellen

[1] http://www.physik.uni-regensburg.de/forschung/...
KosmologieII.08.pdf S. 1-2, S. 15
[2] Paul J. Steinhardt: Kosmische Inflation auf dem Prüfstand,
Spektrum der Wissenschaft 8/11 - August 2011, Seite 40-48
[3] http://www.si-journal.de/index2.php?artikel=jg13/heft2/sij132-4.html
[4] http://www.amscimag.sigmaxi.org/4Lane/
ForeignPDF/2004-03Cline_Ger.pdf S. 35
[5] http://www.wissenschaft.de/home/-/
journal_content/56/12054/1164662/

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