Wir untersuchen in der folgenden physikalisch-philosophischen Analyse grundlegende Problemstellungen der Kosmologie. Zur Beschreibung der Dynamik unseres Kosmos wurde zunächst das Urknall-Modell favorisiert, welches jedoch später eine Reihe von Weiterentwicklungen erfuhr. Grundlegende Fragen, welche auch eine philosophische Analyse erfordern sind z.B.: Gab es einen Urknall? Gab es Etwas vor dem Urknall (etwa ein Vorläuferuniversum)? Kann man überhaupt eine erste Ursache und einen ersten Anstoß zugrunde legen? Ist das Universum aus dem „Nichts“, einem Quantenvakuum entstanden? Stimmt die Inflationstheorie? Sind Raum und Zeit erst mit dem Urknall entstanden? Wird sich unser Kosmos immer weiter ausdehnen und Stimmt die Aussage der allgemeinen Weltexpansion? Ist das Universum in Raum und Zeit endlich oder unendlich? Gibt es eine endliche oder eine unendliche Anzahl von Universen bzw. von kosmischen Systemen?
Wir werden uns mit den Problemen der Urknall-Theorie (Horizontproblem, Flachheitsproblem, Singularitätsproblem usw.) auseinandersetzen und fragen, ob das Inflationsmodell ein realer Lösungsvorschlag ist. Weiterhin wollen wir die ebenfalls oft diskutierte Frage aufwerfen, ob es noch weitere Rotverschiebungseffekte kosmologischer Art geben kann und ob der homogene Anfangszustand für unseren Kosmos nur ein relativer Anfangszustand ist, deren Entstehung aber den Urknall nicht erfordert.
Weitere Fragen hängen mit Horizonten im Universum und mit auftretenden Paradoxien, mit Hierarchien und Strukturbildungen im Universum, mit der Quantenkosmologie, mit allgemeinen Feldtheorien, mit der Quantentheorie und der Elementarteilchentheorie, mit exotischen Materieformen, mit der Dunklen Materie und der Dunklen Energie, der String- und der M-Theorie und der in diversen Theorien auftretenden Unendlichkeitsproblematik zusammen. Auch auf diese und weitere Probleme möchten wir eingehen und wir wollen versuchen auf viele der grundlegenden Fragen eine Antwort zu finden.Wir werden bei dieser Analyse auf die folgenden kosmologischen Modelle eingehen: Urknallmodell, expandierende und periodische Kosmen, de-Sitter-Kosmos, Einstein-Kosmos, Lemaître-Universum, Einstein-de-Sitter-Kosmos, Steady-State-Modell, dynamische Weltmodelle ohne Urknall, Modell mit Vorgängeruniversum, Modell mit unendlich vielen Kosmen, Modelle mit Strukturbildungen und Hierarchien, Modelle mit Inflation, Modelle auf der Basis der Quantenkosmologie, Modelle auf der Basis einer höheren Raumgeometrie.
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
1 Das Urknallmodell und die Probleme mit dem Urknall
1.1 Kosmos, Weltall, Universum, Multiversum und die Welt als Ganzes
1.2 Über die Suche nach dem Anfang von Allem 8 Gibt es Urmaterie, einen Urzustand, Urteilchen, eine Urkraft, den Urknall?
1.3 Argumente für und gegen die Urknall-Theorie
1.4 Sind unsere Vorstellungen über den Kosmos zutreffend?
1.5 Gravitations- und photometrisches Paradoxon, Horizonte, Horizontproblem und Inflationskosmos
1.6 Das Singularitätsproblem (Kein Urknall? Keine Schwarzen Löcher?)
2 Eigenbewegungen und Hierarchien im Universum
3 Strukturbildungen und Unendlichkeit des Weltalls
4 Elementarteilchenphysik und Kosmologie
4.1 Das frühe Universum, Relikte und thermodynamisches Gleichgewicht
4.2 Wechselwirkungen, exotische Teilchen, Strukturen und Dunkle Materie
5 Allgemeine Feldtheorien und Geometriesierung der Physik
6 Weltmodelle mit einer kosmologischen Konstante und Modelle ohne Singularität
6.1 Horizonte, Überlichtgeschwindigkeiten und Korrekturen
6.2 Erweiterte Weltmodelle ohne Urknall und allgemeine Feldtheorie
7 Gibt es weitere kosmologische Rotverschiebungseffekte?, Hubble-Parameter
8 Das heutige Bild von unserem Universum
8.1 Diskussion moderner Weltmodelle
9 Zur Quantenkosmologie
10 Ist das Weltall endlich oder unendlich? Setzen sich Hierarchien fort?
11 Warum ist die Welt so wie sie ist und so fein abgestimmt?
12 Quantenfeldtheorien, String- und M-Theorie und Unendlichkeitsproblem
13 Wie kann ein geeignetes Weltmodell formuliert werden?
14 Wären Gravitationswellen aus der Frühphase ein Beweis für den Urknall?
15 Kosmische Inflation und Weltanschauung
Literatur
Einleitung
Wir untersuchen in der folgenden physikalisch-philosophischen Analyse grundlegende Problemstellungen der Kosmologie, also Fragen, welche mit der Entstehung und Entwicklung des Universums zusammenhängen.
Zur Beschreibung der Dynamik unseres Kosmos wurde zunächst das Urknall-Modell favorisiert, welches aber später diverse Weiterentwicklungen und Verbesserungen erfuhr. Inzwischen sind eine Reihe kosmologischer Modelle entwickelt worden, welche z.B. auch Strukturbildungsprozesse berücksichtigen und Singularitäten vermeiden. Grundlegende Fragen, welche insbesondere auch eine philosophische Analyse erfordern und die immer wieder auftauchen und diskutiert werden sind z.B. Gab es einen Urknall? Gab es Etwas vor dem Urknall (etwa ein Vorläuferuniversum)? Kann man überhaupt eine erste Ursache und einen ersten Anstoß zugrunde legen? Ist das Universum aus dem „Nichts“, einem Quantenvakuum entstanden? Stimmt die Inflationstheorie? Sind Gravitationswellen aus der Frühphase ein Beweis dafür? Sind Raum und Zeit erst mit dem Urknall entstanden? Wird sich unser Kosmos immer weiter ausdehnen und stimmt die Aussage der allgemeinen Weltexpansion? Ist das Universum in Raum und Zeit endlich oder unendlich? Gibt es eine endliche oder eine unendliche Anzahl von Universen bzw. von kosmischen Systemen? Können sich Hierarchien immer weiter fortsetzen?
Wir werden uns mit den Problemen der Urknall-Theorie (Horizontproblem, Flachheitsproblem, Singularitätsproblem usw.) auseinandersetzen und fragen, ob das Inflationsmodell ein realer Lösungsvorschlag ist. Weiterhin wollen wir die ebenfalls oft diskutierte Frage aufwerfen, ob es noch weitere Rotverschiebungseffekte kosmologischer Art geben kann und ob der homogene Anfangszustand für unseren Kosmos nur ein relativer Anfangszustand ist, deren Entstehung aber den Urknall nicht erfordert.
Weitere Fragen hängen mit Horizonten im Universum und mit auftretenden Paradoxien, mit Hierarchien und Strukturbildungen im Universum, mit Problemen bei der Ausarbeitung neuer Theorien, mit der Quantenkosmologie, mit allgemeinen Feldtheorien, mit der Quantentheorie und der Elementarteilchentheorie, mit exotischen Materieformen, mit der Dunklen Materie und der Dunklen Energie, der String- und der M-Theorie, der Anwendung des Konzeptes der „Summe über alle Geschichten“ und der in diversen Theorien auftretenden Unendlichkeitsproblematik zusammen.
Auch auf diese und weitere Probleme möchten wir eingehen und wir wollen versuchen auf viele der grundlegenden Fragen eine Antwort zu finden.
Wir werden bei dieser Analyse auf die folgenden kosmologischen Modelle eingehen: Modelle mit Urknall und Endknall, expandierende und periodische Kosmen, de-Sitter-Kosmos, Einstein-Kosmos, Lemaître-Universum, Einstein-de-Sitter-Kosmos, Steady-State-Modell, dynamische Weltmodelle ohne Urknall, Modell mit Vorgängeruniversum und einem Umschwung, Modell mit unendlich vielen Kosmen, Modelle mit Strukturbildungen und Hierarchien, Modelle mit Inflation, Modelle auf der Basis der Quantenkosmologie, Modelle auf der Basis höherer Dimensionszahlen und auf der Basis einer höheren Raumgeometrie.
Aufgrund des Singularitätsproblems und aufgrund des Auftretens von Quanteneffekten bei hohen Massedichten und starken Gravitationsfeldern wurde auch die Existenz Schwarzer Löcher in Frage gestellt. Aufgrund einer Reihe von Problemen mit dem Urknall-Modell haben bereits viele maßgebende Forscher von diesem Modell Abstand genommen (zumindest von der klassischen Modellvariante) und sie haben weiterhin erkannt, dass man sich nicht nur auf unser Universum beschränken kann und dass die Möglichkeit besteht, dass Universen immer wieder neu entstehen.
So sind z.B. von S.Hawking, N.Turok und A. Linde immer weitere, neue und verbesserte Weltmodelle vorgeschlagen worden.
1 Das Urknallmodell und die Probleme mit dem Urknall
Zunächst wollen wir die Grundzüge des Urknallmodells (Standardmodell) für die Entstehung des Universums darlegen und anschließend verschiedene Probleme und Erweiterungen dieses Modells bzw. Neuerungen (alternative Modelle) diskutieren.
Die beobachtbare kosmologische Rotverschiebung und die 3K-Hintergrundstrahlung, welche den Kosmos gleichmäßig erfüllt, führten auf die Idee eines heißen Beginns, eines Urknalls und eines sich ausdehnenden Universums. Hiernach wäre zum Anfang die gesamte Materie quasi in einem Punkt konzentriert (Urknall-Singularität). Man setzte damit voraus, dass es sozusagen einen „Anfang für Alles“ in dieser Form gab. Druck, Temperatur und Dichte dieses Urzustandes waren unvorstellbar hoch. Danach setzte ein Urknall, eine Urexplosion ein. Der Raum dehnte sich aus, wobei Druck, Temperatur und Dichte immer weiter abnahmen. Der ursprünglich vorhandene Strahlungskosmos ging in den Staubkosmos über, es konnten sich Galaxien und weitere Materiestrukturen bilden. Aufgrund der Expansion des Universums entfernen sich die Galaxien wie Punkte auf der Oberfläche einer sich ausdehnenden Kugel. Im Großen wird der Kosmos dabei als homogen und isotrop angenommen.
Dieses Modell wurde augenscheinlich nicht nur durch die Beobachtung gestützt, sondern auch die Einsteinschen Feldgleichungen ließen, angewandt auf den Kosmos, dynamische Lösungen zu. Danach sind aber neben expandierenden Kosmen auch kontrahierende oder oszillierende Kosmen möglich, in denen sich Expansions- und Kontraktionsphasen abwechseln. Verfolgt man aber die Entwicklung bis zum Zeitpunkt t=0 zurück, so kommt man unweigerlich zu der schon erwähnten Urknall-Singularität (welche aber in modernen Theorien vermieden wird). Die Frage, was denn vor dem Urknall war, stellte sich davon ausgehend, erst einmal nicht, da ja „Alles“ mit dem Urknall angefangen haben soll. Das heißt, dass danach auch Raum und Zeit erst mit dem Urknall entstanden sind.
Soweit passt doch alles zusammen oder doch nicht? Es wäre ja trotzdem legitim danach zu fragen, welche Ursachen denn dieser überdichte Urzustand hat, von dem ausgegangen wird. Wenn wir nämlich davon ausgehen, dass Alles seine materiellen Ursachen haben muss und stets die Ursache der entsprechenden Wirkung zeitlich vorausgeht, so wird auch dem angenommenen Urzustand wieder ein Zustand zeitlich vorausgehen und diesem „Ururzustand“ wiederum usw.
Das heißt aber, dass es letztlich keinen „absoluten“ Urzustand geben wird, sondern es wird immer nur relative Anfangszustände geben. Da aber diese Zustände zwangsläufig mit Raum und Zeit verbunden sind (Raum, Zeit und Materie können nur im Zusammenhang existieren), können dann Raum und Zeit auch nicht erst mit dem Urknall entstanden sein. Aber auch um die Urknall-Singularität herum, musste danach ein Raum existieren, welcher nicht ohne Materie sein kann und um diesen Raum wiederrum usw., sodass sich weder räumlich noch zeitlich ein absoluter Abschluss erreichen lässt.
Offenbar gibt es somit die Variante über die Urknall-Singularität sowohl räumlich wie zeitlich „hinauszublicken“. Dies kann aber das Standardmodell (Urknallmodell) nicht mehr erfassen. In der Nähe der Urknall-Singularität wird das Urknallmodell äußerst problematisch, da dann physikalische Größen, wie Temperatur, Dichte und Expansionsgeschwindigkeit und auch die Hubble-Zahl gegen unendlich gehen und längst Quanteneffekte, wie etwa die Teilchenentstehung aus dem Vakuum, die Oberhand gewinnen, sodass wir mit den
Einsteinschen Feldgleichungen an eine Grenze gelangen. Aber sollten Quanteneffekte nicht auch schon ohne eine Urknall-Singularität in Betracht gezogen werden und müssen wir unbedingt einen „extrem konzentrierten Beginn für Alles“ voraussetzen oder mit Notwendigkeit folgern? Kann es sich nicht um einen ausgedehnteren, moderateren, relativen Beginn für ein größeres kosmisches System handeln, dass wir Universum oder Kosmos nennen und welches in einem unendlichen All enthalten ist?
Auf jeden Fall sehen wir, dass wir mehr als nur die allgemeine Relativitätstheorie, nämlich auch die Quantentheorie, Strukturbildungstheorien, die Elementarteilchentheorie und auch philosophische Betrachtungen heranziehen müssen, um diese Frage zu beantworten. Jedenfalls lässt die Einsteinsche Theorie expandierende und kontrahierende Kosmen zu und wir gelangen nicht zu einem Widerspruch, wenn wir sehr viele oder sogar unendlich viele solcher Kosmen annehmen.
Es gibt nach unseren Überlegungen Probleme mit dem Urknallmodell, wenn wir eine UrknallSingularität annehmen, wenn wir nur einen, isolierten Kosmos betrachten und wenn wir die Grenzen der Einstein-Theorie und den Einbezug der Quantenmechanik nicht beachten. Wir möchten noch auf eine weitere Problematik hinweisen, welche wir als „Geschwindigkeitsund Rotverschiebungsproblem“ bezeichnen möchten.
Das Licht von Galaxien in sehr großen Entfernungen sehen wir stark rotverschoben. Dieser Effekt wird nach dem Urknallmodell als kosmologische Rotverschiebung interpretiert und es werden daraus hohe Fluchtgeschwindigkeiten der Galaxien abgeleitet, wobei die kosmische Fluchtgeschwindigkeit in einem offenen Universum auch Überlichtgeschwindigkeit (theoretisch) erlangen kann. Man kann begründen, dass dies im Einklang mit bestimmten kosmologischen Modellen steht. Da wir aber mit dem Blick auf sehr ferne Galaxien, auch sehr weit in die Vergangenheit sehen (wegen der begrenzten Geschwindigkeit des Lichtes), würde dies bedeuten, dass sich die Galaxien, zu dieser Zeit, mit hoher Geschwindigkeit voneinander entfernten. Es ist jedoch fraglich, ob diese Rotverschiebung lediglich dynamische Ursachen hat, denn bei großen Entfernungen, ist es wegen der extrem langen Lichtlaufzeiten, nicht ausgeschlossen, dass sich eine schwache Langzeitwechselwirkung der Photonen mit der kosmischen Materie bemerkbar machte, welche damit eine entfernungsabhängige Rotverschiebung verursacht. Alternative Erklärungen für die 3K- Hintergrundstrahlung und die kosmologische Rotverschiebung wurden immer wieder diskutiert und wieder verworfen, doch sollten wir weitere Varianten (welche den Urknall nicht benötigen) weiterhin untersuchen. Wir kommen nun noch zu zwei bekannten Problemen im Zusammenhang mit dem Urknallmodell, dem Flachheits- und dem Horizontproblem. Statt aufgrund dieser gravierenden Probleme vom Urknallmodell Abstand zu nehmen, wurde das Inflationsmodell vorgeschlagen.
Man berechnete, dass etwa zum Zeitpunkt der Entkopplung von Materie und Strahlung viele Bereiche voneinander unabhängig waren. (Außerdem hätten sich sehr kleine Dichteschwankungen unter dem Einfluss der Gravitation verstärken müssen.) Damit wäre aber die Isotropie der 3K-Hintergrundstrahlung mit dem Urknallmodell nicht zu erklären, weil diese Isotropie eine kausale Verknüpfung der Bereiche in der Frühzeit voraussetzt (Horizontproblem).
Aus der Isotropie der Hintergrundstrahlung folgt, dass das Universum in der Frühzeit unwahrscheinlich homogen gewesen sein muss. Die Massedichte war fast gleich der kritischen Massedichte und das Universum war extrem flach. Auch hierfür liefert das kosmologische Standardmodell keine Erklärung (Flachheitsproblem), denn es gibt danach keinen glättenden Mechanismus. Eine Lösung dieser Probleme lieferte zunächst das Inflationsmodell. In einer extremen Frühzeit war danach die Vakuumenergie dominierend, so dass eine beschleunigte Expansion des Universums (exponentielle Expansion, Inflation) stattfand. Aus einem kleinen, homogenen, kausal verbundenen Gebiet, kann dabei in sehr kurzer Zeit, ein um viele Zehnerpotenzen größeres Gebiet entstehen, das ebenfalls homogen, aber kausal nicht verbunden ist. Dieses Gebiet wäre dann der extrem flache und homogene Anfangszustand, der sich auf den heute sichtbaren Bereich ausgedehnt hat2.
Wir bekommen hiermit aber ein weiteres Problem. Wir betrachten hier nämlich Zeiten, die sehr nahe am Urknall liegen (t s). Die Zeiten und Ausdehnungen in der Anfangsphase entsprechen somit Größenordnungen, welche in der Quantentheorie und der Quantenfeldtheorie von Bedeutung sind. Quanteneffekte sind also nicht mehr zu vernachlässigen. Es ist damit nicht plausibel, dass wir für ein gesamtes Universum auf einen einzelnen, überdichten Bereich (Ursprung) zurückrechnen müssen. Vielmehr können wir für einzelne Teilchen und Quanten Entstehungsursachen in einer Anfangsphase haben z.B. Teilchenentstehung aus dem Vakuum, wenn z.B. elektromagnetische Felder stark genug waren. Somit kann ein sehr weit ausgedehnter Anfangszustand unter bestimmten physikalischen Bedingungen entstehen, der aber auch nicht als absoluter Anfang aufzufassen ist. Hiermit meinen wir, dass es in einem unendlichen Weltall als Ganzes noch weitere, unendlich viele Anfangszustände dieser und anderer Art für weitere Universen oder kosmische Systeme gibt und auch der Anfangszustand unseres Universums seine Ursachen hat usw. Daher wollen wir uns auf die folgenden Begriffe einigen.
1.1 Kosmos, Weltall, Universum, Multiversum und die Welt als Ganzes
Die Begriffe Kosmos, Weltall, Weltraum und Universum werden oft im gleichen Sinne gebraucht, nämlich zur Charakterisierung einer Gesamtheit kosmischer Systeme, wie z.B. Galaxien, Galaxienhaufen und Superhaufen. Unter einem Multiversum wird eine Gesamtheit von Universen verstanden.
Unter einem Kosmos oder einem Universum wollen wir (wie es meist auch aufgefasst wird) ein endliches kosmisches System (z.B. unser Kosmos oder unser Universum) verstehen, welches sich i.a. dynamisch verhält (expandiert oder auch kontrahieren kann). Unter einem Weltall oder Welt als Ganzes oder einem Multiversum verstehen wir hingegen eine nicht notwendigerweise endliche Gesamtheit von kosmischen Systemen mit einem hierarchischen Aufbau.
Unter dem Kosmos wollen wir in erster Linie unseren Kosmos verstehen, wobei es nicht ausgeschlossen ist, dass es viele verschiedene Kosmen und höhere kosmische Systeme wie Gruppen von Kosmen und Gruppen davon usw. in höheren Hierarchiestufen gibt. Allgemein sprechen wir dann von endlichen kosmischen Systemen, welche im unendlichen Weltall eingebettet sind.
1.2 Über die Suche nach dem Anfang von Allem
Gibt es Urmaterie, einen Urzustand, Urteilchen, eine Urkraft, den Urknall?
In den obigen Begriffen drückt sich das Bestreben aus, eine einzige, erste Ursache für „Alles“ was uns umgibt, für ein Universum zu finden, ja alle Erscheinungen auf eine Ursache (die oft auch noch extrem klein und komprimiert sein soll) zurückzuführen. Von unserer Alltagserfahrung ausgehend, dass jedes materielle Objekt seinen Anfang und sein Ende in Raum und Zeit hat, sagt man, dass auch insgesamt, d.h. unser Universum und alle materiellen Systeme, die uns umgeben, irgendwann mal einen gemeinsamen Anfang gehabt haben und irgendwann einmal enden werden.
Doch stimmt diese Aussage oder handelt es sich eigentlich um eine unaufhörliche Suche nach dem Anfang von „Allem“, weil es einen solchen absoluten Anfang gar nicht geben kann? Wenn ausgesagt wird, dass es sinnlos ist, danach zu fragen, was vor dem Urknall war und wenn man meint, dass Raum und Zeit auch erst mit dem Urknall entstanden sind, so würde dies bedeuten, dass vor dem Urknall gar keine Materie vorhanden war und dass auch in der Umgebung dieses Anfangszustandes gar keine bewegte Materie vorhanden war.
Doch können wir wirklich Alles auf eine erste Ursache zurückführen und kann Materie aus dem „Nichts“ entstehen? Da die Naturwissenschaften immer nur begrenzte Systeme untersuchen können, wird die Beantwortung dieser Frage im Wesentlichen eine Aufgabe der Philosophie sein. Eng mit dieser Fragestellung ist auch die Frage nach einer allumfassenden Theorie oder die Frage nach einer Weltformel verbunden. Verschiedene spezielle Materieformen, Teilchen und Felder wurden immer wieder als Kandidaten für eine erste Ursache ausgewählt. Waren am Anfang bestimmte Formen von Materie und Antimaterie vorhanden und verschob sich dann das Verhältnis zu Gunsten der Materie? Gab es einen Urzustand mit einer extrem hohen Dichte und Temperatur, einen Urknall? Waren etwa schon Schwarze Löcher, bestimmte Urteilchen oder Urfelder am Anfang vorhanden oder bestimmte zunächst das Vakuum das Geschehen und entstand Alles letztlich aus dem Vakuum? Aus unseren obigen Überlegungen folgern wir: Wenn es eine erste Ursache für alle Materie gab, dann muss nur dieser Zustand zunächst vorhanden gewesen sein und davor überhaupt keine Materie. Doch ist dies überhaupt möglich?
Wenn wir irgendwelche spezielle Teilchen oder Zustände an den Anfang setzen und dies nicht einfach so hinnehmen, so müsste man sich ja trotzdem nach den Ursachen für diese Materieformen fragen. Wir wissen aber, dass jedes Teilchen, jeder spezielle Zustand usw. ebenfalls seine Ursachen haben wird. So kann ein Teilchen aus Elementarteilchenreaktionen, durch Zerfall oder aus Strahlung entstehen. Fragen wir nun erneut nach den Ursachen dieser Materieformen, so werden wir wieder materielle Ursachen dafür finden usw. Das bedeutet aber, dass sich diese Kausalkette niemals abschließen lässt. Jede Ursache einer Wirkung lässt sich selbst wieder als Wirkung auffassen, welche ein oder mehrere Ursachen hat. Hieraus ergibt sich ein hierarchischer Aufbau von Kausalitätsbeziehungen, der niemals endet. Wenn dem aber so ist, so muss doch die Materie unerschöpflich sein und einen ersten, absoluten Anfang für alle materiellen Erscheinungen und Objekte kann es überhaupt nicht gegeben haben.
Jeder von uns wird sich schon die Frage gestellt haben, woher denn die gesamte, uns umgebende Vielfalt, die schon erkannten Materieformen und die noch nicht erkannten Strukturen stammen, woher denn unser Kosmos stammt usw. Gab es einen ersten, absoluten Anfang für alle Objekte und Erscheinungen? Gab es einen ersten Anstoß und gibt es ein Ende für Alles? Wenn man nun annimmt, dass es einen solchen ersten Anfang gab, so bedeutet dies also, dass dann keine Materieformen mehr davor vorhanden gewesen sind, welche zu diesem Anfang führten. Nehmen wir jedoch an, dass es keinen absoluten Anfang gibt, so bedeutet dies schließlich, dass die Materie in ihrer unendlichen Ausdehnung und Unerschöpflichkeit schon immer vorhanden war und auch immer weiter existieren wird, denn jeder Anfang und jedes Ende wäre dann nur ein relativer Anfang und ein relatives Ende.
Das bedeutet dann weiter, dass die Materie nicht (aus einer ersten Ursache) erschaffen worden ist und auch ihre Bewegung nicht. Es spielen sich also lediglich ständig Bewegungen, Veränderungen, Umwandlungen usw. in der unendlichen Materie ab und die Materie existiert aus sich selbst heraus.
Was ist aber richtig? Zunächst scheint es trivial, dass aus einem „Absoluten Nichts“ (einer absoluten Leere) keinerlei Materie entstehen kann. Die Entstehung von Teilchen aus dem Vakuum bedeutet ebenfalls keinerlei Entstehung aus einem Nichts. Aber wir wissen genauso, dass bei den verschiedensten Reaktionen, Zerfällen, Wechselwirkungen und Umwandlungen jeglicher materieller Objekte keinerlei Nichts entstehen kann, auch dann, wenn wir dies immer weiter fortsetzen würden. Jedoch entstehen dann immer weitere, neue Materieformen.
Wir halten damit fest, dass aus dem Nichts niemals Materie entstehen kann, aber Materie auch niemals zu Nichts vergehen kann. Damit ist es einsichtig, dass es lediglich die sich in Raum und Zeit bewegende Materie geben kann (Raum und Zeit sind aber als Existenzformen der Materie zu verstehen). Diese Aussage können wir auch mit dem Erhaltungssatz von Masse und Energie einwandfrei bestätigen, denn Energie geht danach nie verloren, sondern es gibt nur die Umwandlung einer Energie- und Bewegungsform in eine andere Energie- und Bewegungsform. Der Energiewert oder die physikalische Arbeit drückt gerade das Quantum dieser Umwandlungsfähigkeit aus. Aber auch die Zurückverfolgung von Kausalitätsketten bringt uns zur Einsicht, dass die unendliche Materie vorhanden ist. Denn jede Ursache lässt sich wieder als Wirkung auffassen, welche wiederum ein oder mehrere Ursachen hat und so lässt sich das immer weiter zurückverfolgen, also gibt es keine erste Ursache (siehe oben).
Weiterhin ist es wegen der Heisenbergschen Unschärferelation niemals möglich, dass der Wert eines Feldes und seine Änderungsrate gleichzeitig zu Null werden. Das bedeutet ebenfalls, dass es nirgendwo ein „Absolutes Nichts“ geben kann und dies heißt, dass selbst im Vakuum unendlich viele Teilchen (virtuelle Teilchen) enthalten sind (S. Hawking). Auch durch einen unaufhörlichen Teilungsprozess erreichen wir kein „Nichts“, ob wir ihn nur mathematisch abstrakt betrachten oder wie oben, unter Berücksichtigung der Materiestrukturen, Wechselwirkungen und Umwandlungen. Aber auch durch die Verschmelzung gleich großer Mengen von Materie und Antimaterie (die Antimaterie zählt ebenfalls unter dem philosophischen Materiebegriff) entsteht kein Nichts, sondern es entsteht Strahlung bestimmter Energie und die Energie ist der Masse äquivalent und auch den Strahlungsquanten kommt eine Bewegungsmasse zu. Weiterhin lässt sich auch kein absoluter Ausgleich von Gegensätzen oder eine absolute Abschirmung von aller Materie erreichen. Auch Felder sind natürlich bestimmte Materieformen, welche Träger von Energie sind. Aber auch der Feldenergie lässt sich eine Feldmasse zuordnen und die Felder kann man quantisieren (bestehen aus Feldquanten).
Die Suche nach dem Anfang von Allem bringt uns hiermit zu der Einsicht, dass es keinen ersten Anfang für Alles gibt und zur weiteren Einsicht, dass die sich verändernde Materie unendlich in Raum und Zeit existiert.
Ein Nichtvorhandensein ist dabei also stets nur ein Nichtvorhandensein bestimmter materieller Objekte, aber niemals ein absolutes Nichtvorhandensein, es ist also immer unendlich viel Materie vorhanden. Auch die Ruhe ist nicht absolut, es ist stets nur eine Ruhe in Bezug auf ein bestimmtes Bezugssystem, denn Bewegung ist immer in irgendwelchen Formen vorhanden. Wir leben also nicht in einer Welt (auch Welt als Ganzes), die aus dem Nichts entstand und wieder zu fast Nichts vergeht, sondern in einer stets veränderlichen und unendlichen Welt.
Wie wir hier aber an einigen Beispielen deutlich gesehen haben, hängen diese allgemeinen philosophischen Aussagen sehr eng mit physikalischen Gesetzmäßigkeiten zusammen, sodass wir von einer Wechselbeziehung zwischen Physik und Philosophie sprechen müssen. Wie wir aber später sehen, ist der Sachverhalt nicht ganz so einfach, da mit der Betrachtung von Unendlichkeiten Paradoxien auftreten. Deshalb muss man die Unendlichkeiten stets im dialektischen Zusammenhang mit den Endlichkeiten sehen (Es geht also streng genommen gar nicht um die Frage „Endlich oder Unendlich“). Wir werden auf diese Problematik noch ausführlich eingehen. Da es nirgendwo ein „ Absolutes Nichts “ geben kann, wie wir soeben begründeten, müssen wir folgern, dass die sich ständig verändernde Materie in ihrer Unersch ö pflichkeit und Unendlichkeit bereits vorliegt, also ohne in irgendeiner Weise aus dem Nichts oder einem bevorzugten Anfang erschaffen worden zu sein. Deshalb werden wir zwar immer wieder neue und tiefere Ursachen für die verschiedensten Prozesse finden, aber wir werden keine Ursache für Alles finden. Wir können damit bestimmte Vorstellungen von den endlichen Dingen in unserer Welt nicht auf das Weltall übertragen. Von einem endlichen System wissen wir, dass es einen Anfang und ein Ende in Raum und Zeit hat, dies trifft natürlich für ein unendliches System, mithin für das Weltall als Ganzes nicht zu. Allein aus diesen philosophisch-physikalischen Betrachtungen können wir einige Erkenntnisse für die Kosmologie ableiten. Es folgt nämlich daraus, dass unser Kosmos nicht der einzige Kosmos sein kann, sondern das es eine unendliche Anzahl von (endlichen) kosmischen Systemen geben muss. Mithin können wir auch keinen Beginn für Alles auszeichnen und die Entstehung und Entwicklung unseres Kosmos ist nur ein Entstehungsprozess unter unendlich vielen Prozessen im unendlichen Weltall. Weiterhin folgern wir daraus, dass Raum und Zeit ebenfalls (da mit der unendlichen, sich bewegenden Materie stets verknüpft) nicht erst mit einem (vermeintlichen) Urknall entstanden sind, sondern stets vorhanden waren. Weiterhin wäre ein Beginn für ein Universum und die nachfolgende Expansion, dann auch kein Beginn für Alles (und auch kein Beginn für Raum und Zeit), sondern nur ein Entstehungsprozess unter unendlich vielen Entstehungsprozessen, mithin also kein Urknall im bisher verstandenen Sinne. Aber auch wenn wir nur unseren beobachtbaren Kosmos betrachten, ist ein Urknall, aufgrund einer Vielzahl von Problemen (z.B. Singularitätsproblematik), wohl niemals in dieser Form eingetreten.
(Singularitäten werden zwar heute vermieden, doch ist die Zurückführung eines relativ großräumigen Anfangszustandes auf ein verschwindend kleines Gebiet ebenfalls problematisch)
Man kann deshalb lediglich von einem (relativen) Anfangszustand für unseren Kosmos oder für bestimmte kosmische Systeme sprechen. Jedes der unendlich vielen kosmischen Systeme in einem unendlichen und sich stets wandelbaren Multiversum ist also endlich in Raum und Zeit. Wir folgern auch aus der Unerschöpflichkeit der Materie, dass man in keiner Richtung einen absoluten Abschluss erreichen kann. Dies begründet gleichzeitig einen Erkenntnisoptimismus, denn dies sagt aus, dass sich auch die Erkenntnisgewinnung (auf jedem Gebiet) immer weiter fortsetzen kann.
1.3 Argumente für und gegen die Urknall-Theorie
Wir wollen im Folgenden einige wichtige Argumente, welche für die Urknall-Theorie sprechen, denjenigen Argumenten gegenüberstellen, welche dagegen sprechen. Anschließend setzen wir uns konkret mit diesen Fragestellungen auseinander.
Für die Urknalltheorie wird angeführt:
-Das Universum hat sich entwickelt und rechnet man diese Entwicklung bis zu einem Anfang zurück, so kommt man zu einem Urknall. Eine Singularität wird heute aber in vielen Modellen vermieden.
-Die kosmologische Rotverschiebung zeigt, dass das Universum expandiert und folglich mit einem Urknall begonnen hat, eine andere Erklärung für diese Rotverschiebung käme nicht in Frage (alle Wellenlängen werden nämlich gleichermaßen erfasst).
-Die homogene und isotrope 3K-Hintergrundstrahlung zeigt, dass das Universum zum Anfang einen sehr homogenen Anfangszustand hatte und dieser ist aus dem Urknall ableitbar, wenn man noch eine Inflation einfügt.
-Mit dem Urknallmodell lassen sich Entwicklungsprozesse für das Universum beschreiben, Paradoxien (z.B. das Gravitationsparadoxon) lösen und das Auftreten von Horizonten im Universum verstehen.
-Die anfängliche beschleunigte Expansion löst das Flachheits- und das Horizontproblem und die heutige beschleunigte Expansion kann mit Hilfe der Dunklen Energie erklärt werden.
Gegen die Urknalltheorie spricht:
-Eine Singularität bzw. Dichten, Drücke, Temperaturen, Expansionsgeschwindigkeiten, die extrem groß werden bzw. gegen unendlich gehen sind unrealistisch bzw. sehr unwahrscheinlich.
-Deshalb ist auch die Inflation nicht zu akzeptieren, auch aus dem Grund, weil man Ausdehnungsgeschwindigkeiten für den Raum (es gibt keinen leeren Raum) weit über der Lichtgeschwindigkeit zum Anfang annimmt und ein extrem kleines Ursprungsgebiet hat, aus dem man weiter einen extrem homogenen Anfangszustand folgert.
-Es ist nicht Alles (auch nicht ein Universum) auf eine einzige, wesentliche Ursache zurückzuführen.
-Das Horizont- und das Flachheitsproblem treten bei der Urknalltheorie weiterhin auf, weil sich die Inflation nicht als plausibel erweist.
-Die Anzahl der heute vorhandenen Nukleonen kann keinesfalls mit dem Urknall-Modell erklärt werden (riesige Diskrepanzen zwischen Theorie und Beobachtung).
-Bestimmte Relikte (Neutrino- und Gravitationshintergrundstrahlung) konnten nicht beobachtet werden.
-Strukturbildungsprozesse im Großen und Inhomogenitäten im Hubble-Fluss lassen sich nur bedingt mit der Urknall-Theorie vereinbaren.
-Es treten im Zusammenhang mit der Urknall-Theorie gewisse Alterskonflikte auf.
-Die Frage des Gesamtzusammenhangs (Welt als Ganzes) und die Frage nach dem davor (was war vor dem Urknall) wird mit dem Urknallmodell nicht beantwortet bzw. ignoriert.
-Mit dem Urknallmodell wird meist nur ein Kosmos angenommen, der nur expandiert und der nur aus einer Ursache heraus erklärt wird, was sich als problematisch erweist.
-Die kosmologische Rotverschiebung kann durchaus noch weitere Ursachen haben und der homogene Anfangszustand braucht nicht an einen Urknall gekoppelt werden.
-Die Auflösung der Paradoxien (siehe oben) benötigen nicht zwingend einen Urknall.
-Es gibt stabile Lösungen der Feldgleichungen für den Kosmos unter Berücksichtigung der Vakuumenergie usw. welche einen Urknall nicht voraussetzen.
1.4 Sind unsere Vorstellungen über den Kosmos zutreffend?
Aufgrund der zahlreichen Probleme mit dem Urknallmodell bzw. auch mit abgewandelten und neuen Modellen und unserer physikalisch-philosophischen Überlegungen, müssen wir bestimmte Folgerungen der Kosmologie kritisch betrachten und erneut überdenken. Im Folgenden seien einige grundsätzliche Problemkreise aufgeführt.
Polarisierung
Man muss es als kritisch betrachten, wenn man nur einen Kosmos, mit nur einem Ursprung, der nur expandiert, der zudem homogen und isotrop (im Großen ja annehmbar) ist, einen extrem homogenen Anfangszustand hat, wobei man meist nur eine spezielle Ursache (Feld, Teilchen, Vakuum, Schwarze Löcher usw.) sieht usw. Man kann nicht Alles auf eine Ursache zurückführen, vielmehr ist die Materie in ihrer Unerschöpflichkeit zu verstehen. Auch wenn man nur unseren Kosmos betrachtet, ist eine solche strenge Polarisierung problematisch . Statt von einer einzigen, zentralen und absoluten Entstehung des Kosmos zu sprechen wollen wir begründen, dass es unendliche viele, dezentrale, relative Entstehungsursachen für die kosmischen Systeme (z.B. ein Universum) gibt.
Isoliertheit
Man darf unseren Kosmos nicht isoliert von weiteren kosmischen Systemen sehen. Man muss ihn i.a. eingebettet in einem unendlichen Weltall mit unendlich vielen kosmischen Systemen betrachten, wobei das einzelne kosmische System (z.B. ein weiterer Kosmos) einen Anfang und ein Ende in Raum und Zeit hat, jedoch nicht das unendliche Weltall (Welt als Ganzes), welches unendlich in Raum und Zeit ist (Materie, Bewegung, Raum und Zeit sind nicht voneinander zu trennen). Wir werden diesen Aspekt noch genauer begründen.
Rotverschiebung
Für die beobachtete Rotverschiebung sind unserer Meinung nach weitere Rotverschiebungseffekte zu berücksichtigen. Hierbei kann man eine Unterteilung in geschwindigkeitsabhängige (Dynamik des Kosmos, Eigenbewegungen) und geschwindigkeitsunabhängige Rotverschiebungseffekte (gravitative, wahrscheinlich auch weitere rein wegabhängige Rotverschiebungen) vornehmen. Diese Effekte würden zu weiteren Korrekturen der Galaxiengeschwindigkeiten führen.
Singularität
Die Berücksichtigung einer Vakuumenergie (kosmologische Konstante, Dunkle Energie), zusätzlicher Felder (Skalarfelder), die Berücksichtigung von Quanteneffekten usw. zeigen, dass eine Singularität nicht auftreten kann und in der Theorie vermieden werden muss (unendliche physikalische Größen können in der Realität nicht auftreten).
Inflation
Die Inflationstheorie löst das Singularitätsproblem nicht und kann auch die obigen Fragen nicht klären. Das Flachheitsproblem und das Horizontproblem müssen daher mit einem Modell ohne Urknall gelöst werden. Ein elektroschwaches Vakuum lässt das Universum im dreizehnten Teil einer Mikrosekunde um den Faktor 10 hoch 100 expandieren, ein GUTVakuum noch 10 hoch 26 -mal schneller. Im Bruchteil einer Sekunde wäre damit eine Region von der Größe eines Atoms, auf ein Volumen aufgebläht worden, welche das gesamte beobachtbare Universum um ein Vielfaches übertrifft.
Fast aus dem Nichts entstand danach also sofort (mit einer Geschwindigkeit weit über der Lichtgeschwindigkeit) mehr als alles Sichtbare. Dies ist unserer Meinung nach sehr unwahrscheinlich, auch wenn wir hier nur die Ausdehnung des Raumes betrachten, selbst dann, wenn man argumentiert, dass die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Raumes über der Lichtgeschwindigkeit liegen darf. Aber wir müssen dabei beachten, dass der Raum nicht leer sein kann und selbst, wenn er nur mit dem Vakuum angefüllt gewesen wäre, würde der Raum noch aus unendlich vielen Teilchen bestehen, wie man mit Hilfe der Quantenfeldtheorie und der Unbestimmtheitsrelation begründen kann. Die Argumentation, dass sich ja nicht die Materie, sondern lediglich der Raum ausdehnt (und dieser Ausdehnungsgeschwindigkeit keine Grenzen gesetzt sind) ist also nicht korrekt, denn es gibt keinen Raum ohne Materie. Der physikalische Raum im Kosmos wird i.a. durch mehrere Komponenten bestimmt (wie wir noch ausführen). Der physikalische Raum besteht also selbst aus bestimmten Materieformen, welche z.B. Bedingungen in unserem Universum festlegen und ist keinesfalls Etwas, was außerhalb jeglicher Materie liegt. Philosophisch hätten wir auch wie folgt argumentieren können: Materie, Bewegung, Raum und Zeit existieren stets im Zusammenhang und Raum und Zeit sind nur Existenzformen der sich stets bewegenden Materie.
1.5 Gravitations- und photometrisches Paradoxon, Horizonte, Horizontproblem und Inflationskosmos
Wenn wir in den Kosmos schauen, so blicken wir in die Vergangenheit, denn das Licht hat eine endliche Geschwindigkeit. Je weiter wir in den Kosmos schauen, desto weiter blicken wir in die Vergangenheit, wir sehen die Materiezustände, wie sie früher waren. Einen Stern, den wir in einer sehr großen Entfernung sehen, kann möglicherweise heute schon gar nicht mehr existieren. Eine Galaxie, welche wir in einer sehr großen Entfernung wahrnehmen, bewegt sich heute möglicherweise in einer ganz anderen Form und hat heute ein ganz anderes Aussehen usw. Der Blick in die Vergangenheit zeigt uns, dass sich die kosmischen Systeme und das Universum entwickelt haben. Von einem fast homogenen Anfangszustand der kosmischen Materie in einem weiträumigen Gebiet (wobei man einen großen Anteil Dunkler Materie annimmt) ausgehend, konnten sich nach und nach kosmische Strukturen bilden, wobei ein hierarchischer Aufbau entstand. Die ersten Galaxien waren kleiner, hatten noch unregelmäßige Formen und sie bilden schneller neue Sterne.
Doch es wird für uns nicht alles sichtbar, weil es in nichtstatischen Kosmen Ereignis- und/oder Teilchenhorizonte gibt. Aufgrund der Expansion des Kosmos und der vorhandenen Lichtlaufzeit wird es also Horizonte im Kosmos geben. So ist es nach dem Urknallmodell möglich, dass Signale bestimmte Weltgebiete nicht mehr erreichen, weil der Kosmos schneller expandiert, als sich das Licht ausbreitet. Ab einem bestimmten Horizont, dem Ereignishorizont, kann das Licht von bestimmten Weltpunkten den Beobachter nicht mehr erreichen. Aber das Licht von der Weltlinie des Beobachters erreicht diese Weltpunkte. Ab einem bestimmten Horizont, dem Teilchenhorizont, kann das Licht vom Beobachter bestimmte Weltpunkte nicht mehr erreichen. Aber das Licht von diesen Weltpunkten erreicht die Weltlinie des Beobachters.
Hinweis: Weltpunkte sind Punkte in der 4-dimensionalen Raum-Zeit Welt, die durch 4 Koordinaten (3 Raum und eine Zeitkoordinate) bestimmt sind. Sie werden auch als Ereignisse bezeichnet und eine Gesamtheit von Weltpunkten wird als Menge von Ereignissen bezeichnet. Eine Bewegung in der 4-dimensionalen Raum-Zeit Welt wird durch eine Weltlinie veranschaulicht.
Im Zusammenhang mit bestimmten Vorstellungen über den Kosmos sind gewisse Paradoxien (Widersprüchlichkeiten) aufgetaucht, die wir jetzt etwas näher betrachten. Das Gravitationsparadoxon von Seelinger besagt nun das Folgende:
In einem unendlichen und homogenen Weltall muss die Wechselwirkungsenergie eines beliebigen Körpers mit allen anderen Massen des Weltalls unendlich sein, während die dieser Wechselwirkung entsprechende Kraft unbestimmt bleibt.
Beschreibt man aber auf der Basis der allgemeinen Relativitätstheorie einen expandierenden Kosmos, so zeigt sich, dass man damit dieses Paradoxon lösen kann. Dieses Problem lässt sich aber auch mit der Annahme oder mit der zusätzlichen Annahme eines hierarchischen Aufbaus des Kosmos lösen.
Ein zweites Paradoxon ist das photometrische Paradoxon von Olbers: Wenn im unendlichen Weltall die Sterne gleichmäßig verstreut sind und im Mittel etwa die gleiche Strahlungsenergie abgeben, so müssen sie, unabhängig davon, ob sie in Galaxien gruppiert sind oder nicht, die ganze Himmelssphäre mit ihren Scheiben bedecken. In welche Richtung wir unseren Blick auch wenden, würde er doch mit Sicherheit auf einen Stern stoßen. Der Nachthimmel müsste hell sein.
Die Lösung dieses Paradoxons geschieht nun mit der von uns bereits zitierten Erkenntnis: In nichtstatischen Weltmodellen gibt es Ereignis- bzw. Teilchenhorizonte. Der Nachthimmel ist deshalb nicht hell, weil uns das Licht von den Galaxien, die hinter dem Horizont liegen, nicht erreicht. Im Laufe der Zeit werden zwar immer mehr Sterne sichtbar werden, deren Licht uns heute noch nicht erreicht hat, andererseits verlöschen auch wieder Sterne. Es sei noch erwähnt, dass auch die Idee vom hierarchischen Aufbau des Weltalls das photometrische Paradoxon löst.
Man kann davon ausgehen, dass das Weltall (als Gesamtheit einer möglicherweise unendlichen Zahl von Teilsystemen) einen hierarchischen Aufbau besitzt. Dies würde nämlich ebenfalls die angesprochenen Paradoxien auflösen bzw. zu ihrer Lösung beitragen. Die Sterne sind nicht gleichmäßig verteilt, sie bilden Gruppen und Haufen aus Duzenden und Hunderten von Mitgliedern. Diese Ansammlungen schließen sich zu Superhaufen und Galaxien zusammen. Die Hierarchien könnten sich immer weiter fortsetzen (Galaxiengruppen, Galaxienhaufen und Superhaufen usw.).
Mit dem Urknallmodell gab es verschiedene Probleme, eines davon, das Horizontproblem soll im Folgenden nochmals kurz erläutert werden. Betrachtet man die Ausdehnung beobachtbarer Gebiete in der Vergangenheit und vergleicht dies mit der Entfernung, welche ein Lichtsignal von der Singularität aus durchmessen haben kann, so erhält man ein Maß für die kausal nicht verbundenen Gebiete in der Vergangenheit. Hier ergibt sich jedoch eine zu große Zahl, so dass die Isotropie der 3K- Hintergrundstrahlung nicht erklärbar ist, weil ja die nicht zusammenhängenden Gebiete nichts voneinander "wissen" können. Deshalb ist das Modell des Inflationskosmos entwickelt worden. Innerhalb der ersten[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] s soll sich danach der Kosmos um einen Faktor von [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten](bei Erreichen von Geschwindigkeiten, welche viel größer als die Lichtgeschwindigkeit sind) ausgedehnt haben. Dies wird durch eine große Vakuumdichte in der Frühzeit begründet. Man spricht bei dieser exponentiellen Expansion von einer Inflation des Kosmos. Durch die Inflation entsteht aus einem kleinen, homogenen, kausal-verbundenen Gebiet schlagartig ein sehr viel größeres Gebiet, nämlich der extrem homogene Anfangszustand des Kosmos, der sich dann weiter ausdehnte.
Kritik an der Inflationstheorie: Nach unserer Vorstellung, dass es keinen absoluten Anfang für Alles gab und das auch unser Kosmos im unendlichen All mit weiteren (andersartigen) kosmischen Systemen keinen bevorzugten Anfang haben kann, würde auch keine alleinige Auszeichnung der Vakuumenergie in Frage kommen (als eine erste Ursache oder als das absolut Maßgebende am Anfang). Darüber hinaus ist mit der Inflationstheorie das Singularitätsproblem nicht gelöst. Dieses deutet aber darauf hin, dass die allgemeine Relativitätstheorie, in einem singularitätsnahen Bereich, nicht mehr anwendbar ist. Das Flachheitsproblem (Homogenität des Kosmos in großen Bereichen, was mit dem Urknallmodell nicht erklärbar ist), das Horizontproblem und das Problem mit dem Weltalter (Weltalter zu klein) weisen damit auf prinzipielle Mängel des Urknallmodells hin. Das Inflationsmodell stellt eine Möglichkeit dar, diese kosmologischen Probleme zu vermeiden (wirft aber auch neue Probleme auf z.B. die Frage, wie eben die obigen Extremzustände hinreichend begründet werden können). Wegen obiger Überlegungen ist aber ein anderer Weg einzuschlagen, nämlich vom Urknallmodell abzurücken. Dann müssen wir aber auch die Homogenität des Kosmos im Großen und die Isotropie der 3K-Hintergrundstrahlung auf eine andere Art und Weise erklären.
1.6 Das Singularitätsproblem (Kein Urknall? Keine Schwarzen Löcher?)
Im Zusammenhang mit dem Urknallmodell tritt eine mathematische Punktsingularität auf. Diese Singularität ist aber keine echte physikalische Singularität, eine solche Singularität kann es nicht geben.
Wir haben es immer mit endlichen Systemen in Raum und Zeit zu tun und es wird stets bedingungsabhängige (endliche) Grenzen und Konstanten geben. Ein Objekt (System) endlicher Größe, unter endlichen physikalischen Bedingungen, kann auch nur durch endliche physikalische Größen beschrieben werden, obwohl wir unendlich viele Teilchen in diesem Objekt annehmen wollen. Die Ursache dafür, ist der hierarchische Aufbau der Materie und eines jeden Systems. Dies ist also die Ursache dafür, dass sich Wirkungen zwar aufaddieren können, aber Selbige nicht unendlich groß werden, entweder weil sie immer schwächer werden oder sich Wirkungen und Gegenwirkungen ganz oder teilweise aufheben. Mit anderen Worten: Man muss in den physikalischen Theorien solche Singularitäten vermeiden. Treten sie aber dennoch in einer Theorie auf, so deutet dies darauf hin, dass man hierbei im Grenzbereich dieser Theorie ist. Dies ist auch die Situation der Einstein-Theorie, wenn man Lösungen der Einsteinschen Gravitationsfeldgleichungen betrachtet. Weltmodelle oder Modelle von Schwarzen Löchern, welche auf Singularitäten führen, sind also zu vermeiden. Dies ist aber nur möglich, indem man den Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie überschreitet, da innerhalb dieser Theorie dieses Problem nicht lösbar ist, wie S. Hawking und R. Penrose bewiesen haben. Auf der einen Seite kann man hierbei zu allgemeinen Feldtheorien höherer Dimension (z.B. 5-dimensionale Theorien) übergehen, welche auf zusätzliche Skalarfelder führen können. Weiterhin ist versucht worden Quanteneffekte mit einzubeziehen, welche sich bei hohen Massedichten oder starken Änderungen des Gravitationsfeldes bemerkbar machen. Zum Beispiel können bei hohen Massedichten neue Teilchen entstehen oder auch Teilchen aus dem Vakuum entstehen, welche den Innendruck vergrößern und eine weitere Verdichtung aufhalten. Es ist bei Vorhandensein einer sehr hohen Massedichte nicht ausgeschlossen, dass ein beliebiges Objekt zerstrahlt, denn immer, wenn man sehr nahe an Grenzbereiche herankommt, treten Qualitätsveränderungen auf11. Ist der Entartungsdruck der Elektronen überwunden, so kann sich ein Neutronenstern bilden. Es ist aber aus den zuvor genannten Gründen nicht notwendig zu folgern, dass ein Stern unaufhaltsam in sich zusammenfällt und ein Schwarzes Loch bildet, wenn der Entartungsdruck der Neutronen überwunden wird. Zahlreiche Quanteneffekte, Umwandlungseffekte und zusätzliche Felder und schließlich grundsätzlich auch der hierarchische Strukturaufbau der Materie selbst, verhindern also eine physikalische Singularität.
Zusammenfassend erkennen wir, dass wir aufgrund des Singularitätsproblems und wahrscheinlich weiterer Rotverschiebungseffekte, welche wir zusätzlich zu berücksichtigen haben, sowohl das Urknallmodell als auch die allgemeine Expansion des Kosmos kritisch zu betrachten haben. Nun hat man diese Probleme weitgehend erkannt und stellt kosmologische Modelle auf, worin eine Urknall-Singularität vermieden wird. Man folgert aber stattdessen oft singularitätsnahe Zustände, was aber wiederrum neue Probleme aufwirft.
2 Eigenbewegungen und Hierarchien im Universum
Die Eigenbewegung der Quelle und des Empfängers führen ebenfalls zu Rotverschiebungen, welche der kosmologischen Rotverschiebung überlagert sind. Die Eigenbewegung unseres Beobachtungsstandpunktes, welche sich durch den Doppler-Effekt in der Hintergrundstrahlung bestimmen lässt (etwa 400km/s), ergibt sich aus der Bewegung der Erde um die Sonne (30km/s), der Bewegung unserer Sonne innerhalb der Milchstraße (230km/s) und aus der Bewegung der Milchstraße (etwa 500-600 km/s). Bei der Auswertung der Rotverschiebungs-Abstands-Relation kann die Eigenbewegung nur für sehr große Entfernungen (etwa größer als 3 Milliarden Lichtjahren) vernachlässigt werden2. Wenn wir den gesamten, bislang bekannten, hierarchischen Aufbau des Universums betrachten, so ergibt sich im Großen eine Bild aus Sternen, Sternhaufen, Galaxien, Untergruppen aus Galaxien, Galaxiengruppen, Galaxienhaufen, Gruppen davon und Galaxiensuperhaufen. Es gibt neben der allgemeinen Expansion des Kosmos auch zahlreiche Strukturbildungsprozesse, Rotations- und Umlaufbewegungen der kosmischen Systeme, sowie ein Zubewegen von kosmischen Systemen auf Schwerezentren anderer kosmischer Systeme. Die Milchstraße ist eine zweiarmige Balkenspiralgalaxie, welche einige Hundert Milliarden Sterne und große Mengen interstellarer Materie enthält. In ihr befindet sich auch unser Sonnensystem. In den Spiralarmen sind große Mengen Wasserstoff (H-II-Gebiete), die Sternentstehungsgebiete der Galaxis. Umgeben ist die Milchstraße von einem kugelförmigen galaktischen Halo, der u.a. Sterne, Kugelsternhaufen und große Mengen Dunkler Materie enthält. Im Zentrum der Galaxie befindet sich ein Schwarzes Loch. Das Alter der Milchstraße wurde anhand der Kugelsternhaufen mit etwa 13,6 Milliarden Jahren bestimmt. Damit wird die Entstehung der Milchstraße auf die Frühzeit des Universums datiert.
Die Milchstraße wiederrum gehört zur Lokalen Gruppe. Die Milchstraße und die Andromeda- Galaxie sind die beiden größten Galaxien der Lokalen Gruppe. Die Andromeda-Galaxie und die Milchstraße bewegen sich mit einer Geschwindigkeit von 120 km/s aufeinander zu. Die Lokale Gruppe besteht aus mehreren Untergruppen, wobei wir hier die Milchstraßen- Untergruppe (umfasst mindestens 27 Galaxien) mit der Milchstraße und ihre Satellitengalaxien und die Andromeda-Untergruppe (umfasst mindestens 37 Galaxien) und ihre Satellitengalaxien hervorheben wollen. Die Lokale Gruppe und die benachbarten Galaxiengruppen liegen zwischen dem Virgo-Galaxienhaufen und dem Fornax- Galaxienhaufen. Der Virgo-Galaxienhaufen (mit ca. 2000 Galaxien) bildet das gravitative Zentrum des Virgo-Superhaufens. Der Virgo-Superhaufen enthält 100-200 Galaxienhaufen. Die Milchstraße bewegt sich zusammen mit der Lokalen Gruppe mit etwa 200km/s auf das Zentrum des Virgo-Haufens zu. Diese Bewegung ist der allgemeinen Expansion des Universums überlagert. Der Virgo-Superhaufen bewegt sich mit ca. 600 km/s in Richtung des Hydra-Centaurus-Superhaufens. Der Hydra-Centaurus-Superhaufen setzt sich aus der Centaurus-Untergruppe, bestehend aus dem Centaurus-Galaxienhaufen und weiterer Galaxienhaufen und der Hydra-Untergruppe, welche den Hydra-Galaxienhaufen enthält, zusammen. In Richtung des Centaurus-Superhaufens (der Centaurus-Untergruppe), in einer Entfernung von ca. 650 Millionen Lichtjahren, liegt der Shapley-Superhaufen.
- Quote paper
- Torsten Döbbecke (Author), 2014, Probleme der Kosmologie und Weltmodelle, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/273145
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