Wo genau hat eigentlich der Urknall stattgefunden? - Ausdehnung ohne Zentrum: Was der Urknall wirklich beschreibt | Fakten zum Einschlafen - Das Universum

0:04 Willkommen bei Fakten zum Einschlafen. Das Universum. Das gängigste Bild vom Urknall ist das einer grellen Detonation in der Dunkelheit, ein Blitz an einem Punkt, dann Trümmer, die in den leeren Raum hinausrasen. Doch dieses vertaute Bild ist nicht nur eine harmlose Vereinfachung, es verhindert das Verständnis dessen, was Kosmologen tatsächlich meinen. Der Urknall war keine Explosion an einem bestimmten Ort, sondern ein früher Zustand des Raumes selbst, der überall gleichzeitig heißer und dichter war. Diese Episode untersucht, warum das Modell des heißen Urknalls keinen Beobachtungspunkt außerhalb des Geschehens und kein ausgezeichnetes Zentrum voraussetzt. Anhand von Analogien wie dem Rosinenbrot. Und der Oberfläche eines Ballons

1:03 wird verdeutlicht, wie sich der Raum selbst ausdehnen kann, ohne in etwas hineinzuwachsen. Wir betrachten die entscheidende Unterscheidung zwischen dem beobachtbaren Universum und dem gesamten Kosmos sowie die physikalischen Belege, insbesondere den kosmischen Mikrowellenhintergrund, der aus allen Richtungen zu uns gelangt. Manche Fragen klingen einfach, bis man versucht, sie zu beantworten.

1:29 Kürzlich fragte ich mich, warum wir uns den Urknall so schwer als etwas anderes, als eine Explosion vorstellen können. Mir wurde klar, dass unser Alltagserfahrungssinn uns hier im Weg steht. Ich wollte verstehen, wie genau die Ausdehnung des Raumes funktioniert und warum das Wissen darüber unser Bild vom Kosmos viel faszinierender macht, als es jede einfache Detonation jemals könnte. Der Urknall war keine Explosion an einem Punkt im Raum. Er war ein Zustand des Raumes selbst. Heißer, dichter, überall. Und das gängigste Bild, das wir davon in uns tragen, hindert uns daran zu verstehen, was Kosmologen tatsächlich wissen. Stellen Sie sich eine grelle Detonation in der Dunkelheit vor. Ein Blitz an einem Punkt,

2:23 dann Trümmer, die in den leeren, schwarzen Raum hinausrasen. Sie beobachten von außen aus sicherer Entfernung. Und Sie können das Zentrum sehen, wo alles begann. Das ist das Bild, das die meisten Menschen vom Urknall in sich tragen. Es erscheint in Dokumentationen, in Animationen, im Wort Knall selbst. Und es ist still und vollständig falsch.

2:53 Nicht in einem kleinen Detail falsch. Falsch auf eine Weise, die verhindert zu verstehen, was Kosmologen tatsächlich meinen, wenn sie sagen, das Universum sei einmal heißer, und dichter gewesen als heute. Das Bild einer Explosion setzt drei Dinge voraus, die das Modell des heißen Urknalls nicht voraussetzt. Es setzt einen Raum voraus, der bereits da ist und darauf wartet, gefüllt zu werden. Es setzt einen Beobachtungspunkt außerhalb des Geschehens voraus. Und es setzt ein ausgezeichnetes Zentrum voraus, einen einzigartigen Ort, an dem alles begann. Nimmt man diese Annahmen weg, wird der Gegenstand seltsamer und interessanter, als das vertraute Bild erlaubt. Das Modell des heißen Urknalls beschreibt etwas anderes. Es

3:48 beschreibt einen frühen Zustand, in dem das beobachtbare Universum viel heißer und dichter war als jetzt. In diesem Zustand nahmen die Abstände zwischen ungebundenen Regionen anschließend zu, weil sich der Raum selbst ausdehnte. Das ist keine Materie, die durch einen bereits vorhandenen Behälter explodiert. Das sind Raum und sein Inhalt, die sich gemeinsam verändern. Um zu verstehen, warum das wichtig ist, betrachten wir, was eine Explosion tatsächlich ist. Bei einer Explosion bewegt sich Materie von einem zentralen Punkt aus durch den Raum nach außen. Der Raum ist bereits da. Die Bruchstücke bewegen sich durch ihn hindurch.

4:36 Jemand, der weit genug entfernt steht, kann auf das Zentrum zeigen und sagen, dort hat es begonnen. Der Urknall ist nicht so. Es gibt kein weit genug entfernt in diesem Sinne, denn der Raum selbst ist Teil dessen, was sich verändert. Wie kann Ausdehnung dann ohne Zentrum geschehen? Die übliche Analogie ist ein Laib -Rosinenbrot, der im Ofen aufgeht. Die Rosinen sind Galaxien oder Galaxienhaufen.

5:08 Der Teig ist der Raum. Während der Teig sich ausdehnt, sieht jede Rosine, wie benachbarte Rosinen sich entfernen. Eine Rosine in der Mitte und eine Rosine nahe am Rand beobachten dasselbe Muster. Weiter entfernte Rosinen entfernen sich schneller. Keine Rosine nimmt eine einzigartig zentrale Position ein. Diese Analogie hilft, aber sie hat Glänzen. Der Teig dehnt sich in den umgebenden Ofen aus und wir können draußen stehen und zusehen. Das echte Universum bietet keine umgebende Küche. Das Rosinenbrotbild legt außerdem einen endlichen Leib mit Rändern nahe, was der Realität entsprechen kann oder auch nicht.

5:59 Gewöhnliche Gegenstände liefern keine perfekten Analogien für expandierende Raumzeit. Sie sind Tötzschsteine zum Verständnis. Keine Nachbildungen dessen, was Kosmologen beschreiben. Eine andere gängige Analogie verwendet die Oberfläche eines Ballons. Auf die Oberfläche gezeichnete Punkte stellen Galaxien dar. Wenn der Ballon sich aufbläht, sieht jeder Punkt, wie andere Punkte sich entfernen.

6:27 Das Zentrum des Ballons liegt vollständig außerhalb der zweidimensionalen Oberfläche. Es ist kein Ort innerhalb der Flächenwelt. Wenn wir uns unser dreidimensionales Universum als Oberfläche eines schierdimensionalen Ballons vorstellen, dann gibt es kein Zentrum in unserem Raum, von dem aus sich alles ausgedehnt hat. Das ist nur eine mathematische Analogie. Keine Behauptung über tatsächliche zusätzliche Dimensionen. Die Analogie bricht zusammen, wenn wir uns den Ballon in einem Zimmer schwebend vorstellen, denn das führt den bereits vorhandenen Raum wieder ein, den wir doch gerade ausschließen wollen. Die entscheidende Unterscheidung ist hier die zwischen dem gesamten Universum und dem beobachtbaren Universum. Das

7:17 beobachtbare Universum ist der Bereich, aus dem Licht seit der frühen heißen Phase Zeit hatte, uns zu erreichen. Sein Radius beträgt heute ungefähr 46 Milliarden Lichtjahre. Das Universum selbst, der ganze Kosmos, könnte größer sein. Es könnte unendlich sein. Aktuelle Messungen der räumlichen Krümmung sind mit einer flachen Geometrie vereinbar und ein flaches Universum kann unendlich sein.

7:50 Es kann auch endlich sein mit einer nicht trivialen Topologie in sich selbst verschlungen auf Weisen, die wir noch nicht entdeckt haben. Die Kosmologie hat noch nicht beklärt, welche Möglichkeit zutrifft. Das ist für den Urknall wichtig, denn wenn der Haum heute unendlich ist, könnte er auch während der frühen heißen Phase räumlich unendlich gewesen sein. Jede Region wäre jeder benachbarten Region näher gewesen, als vergleichbare Regionen es heute sind. Aber es hätte kein Außen gegeben, das alles umfasst. Es hätte keinen Rand gegeben, von dem aus man es betrachten könnte. Es hätte keinen einzelnen Punkt gegeben, an dem alles zusammengepackt war. Das beobachtbare Universum, der Teil, den wir sehen können, war einmal auf

8:41 ein weit kleineres, heißeres Volumen zusammengedrängt. Das gesamte Universum, wenn es unendlich ist, war ebenfalls überall dichter und heißer, nicht auf einen Punkt zusammengepresst. Jeder Beobachter kann den Urknall als an seinem eigenen Ortgeschehen betrachten. Das ist keine dichterische Freiheit. Es folgt aus der Physik. Die Materie, die heute die Erde bildet, die Materie in fernen Galaxien, die spärlichen Teilchen in leeren intergalaktischen Regionen, all das ist aus jenem gemeinsamen frühen kosmischen Zustand hervorgegangen. Die Bedingungen, die wir den heißen Urknall nennen, herrschten überall. wohin wir zurückverfolgen können. Wenn wir auf den kosmischen Mikrowellenhintergrund blicken, sehen wir Licht, das zum letzten Mal

9:33 mit Materiewechsel wirkte, etwa 380 .0 Jahre nach jener frühen heißen Phase. Es erreicht uns aus allen Richtungen, nicht von einem einzelnen Punkt, denn jede Richtung war einmal Teil desselben heißen, dichten Mediums. Der kosmische Mikrowellenhintergrund selbst ist der entscheidende Beleg für dieses Bild. Er ist ein nahezu gleichförmiges Bad aus Mikrowellenstrahlung mit einer Temperatur von etwa 2 ,7 Kelvin. Das sind nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt. Seine Existenz wurde vorhergesagt, bevor er gefunden wurde. Seine Entdeckung im Jahr 1965 durch Arno Penzias und Robert Wilson bei Bell Labs verwandelte die Kosmologie von Spekulation in eine Präzisionswissenschaft.

10:27 Der Hintergrund ist nahezu gleichförmig über den Himmel verteilt, mit Temperaturschwankungen von etwa einem Teil in 100 .0. Diese winzigen Abweichungen sind die Keime aller kosmischen Struktur. Sie sind die Keime von Galaxien, Galaxienhaufen und den gewaltigen Filamenten und Leerräumen, die die großräumige Architektur des Kosmos bilden.

10:50 Die Photonen, die wir als kosmischen Mikrowellenhintergrund empfangen. sind ungefähr 13 ,8 Milliarden Jahre lang gereist. Aber die Regionen, die sie ausgesandt haben, sind heute etwa 46 Milliarden Lichtjahre entfernt, denn der Raum hat sich während ihrer Reise ausgedehnt. Das ist keine Bewegung durch den Raum im gewöhnlichen Sinne. Es ist die Dehnung des Raumes selbst, die auch die Wellenlänge des Lichts mitdehnt. Die Rotverschiebung ferner Galaxien folgt demselben Muster. Diese Beobachtung zeigt, dass ihr Licht zu längeren, röteren Wellenlängen verschoben ist. Edwin Hubblers Messungen dieser Beziehung aus dem Jahr 1929, aufbauend auf früheren theoretischen Arbeiten von Georges Lemaitre, zeigten, dass fernere Galaxien schneller zurückweichen.

11:47 Genau das sagt eine gleichförmige Ausdehnung voraus. Es ist nicht das, was eine Explosion von einem Zentrum aus erzeugen würde, denn bei einer Explosion bewegen sich Trümmer nahe am Zentrum langsam, während Trümmer weit vom Zentrum entfernt sich schnell bewegen. Im expandierenden Universum ist das Muster anders. Jeder Beobachter sieht dasselbe Hubbelgesetz mit einer Fluchtgeschwindigkeit proportional zur Entfernung in alle Richtungen.

12:20 Weit hinausschauen. bedeutet weit zurückschauen. Wenn Astronomenteleskope auf ferne Galaxien richten, sehen sie jüngere Versionen dieser Regionen. Das liegt nicht daran, dass die Galaxien heute jung sind, sondern daran, dass das Licht Milliarden Jahre gebraucht hat, um uns zu erreichen. Die fernsten beobachtbaren Objekte erscheinen so, wie sie waren, als das Universum einen kleinen Bruchteil seines heutigen Alters hatte. Es gibt keine Richtung. in die man schauen könnte, um den Urknall zu finden. Es gibt keine leuchtende Hülle, die einen zentralen Geburtsort umgibt.

13:04 Der kosmische Mikrowellenhintergrund kommt aus allen Richtungen, weil er überall ausgesandt wurde vom gesamten heißen Medium, das damals das beobachtbare Universum erfüllte. Die Unterscheidung zwischen dem, was wir wissen, und dem, was ungewiss bleibt, sollte sorgfältig bewahrt werden. Die Belege stützen eindeutig ein heißes, dichtes, frühes Universum. Der kosmische Mikrowellenhintergrund, die Rotverschiebungsentfernungsbeziehung und die Häufigkeiten leichter Elemente stimmen alle mit bemerkenswerter Präzision mit den Vorhersagen des Modells, des heißen Urknalls, überein. Zu diesen leichten Elementen gehören Wasserstoff, Helium und Spuren von Lithium. Satellitenmissionen von Kobe über Wammab bis Planck haben den Mikrowellenhintergrund

13:55 mit zunehmender Detailgenauigkeit kartiert. Sie haben seine nahezu vollständige Gleichförmigkeit bestätigt und die winzigen Schwankungen vermessen, die Struktur entstehen ließen. Aber die Geometrie und die Ausdehnung des gesamten Kosmos bleiben offene Fragen. Ob der Raum endlich oder unendlich ist? Ob das gesamte Universum einen zeitlichen Anfang hatte oder sich unendlich weit in die Vergangenheit erstreckt. Ob eine frühere Phase wie die kosmische Inflation dem heißen Urknall vorausging. Das sind aktive Forschungsfragen, keine geklärten Schlussfolgerungen. Das Modell des heißen Urknalls beschreibt die Entwicklung des Universums aus einem sehr heißen, dichten, frühen Zustand. Es begründet für sich genommen

14:48 weder einen absoluten Anfang der Zeit, noch behauptet es, dass das gesamte Universum einmal auf einen einzelnen Punkt zusammengepresst war. Das Missverständnis einer Explosion an einem Ort ist nicht bloß eine populäre Vereinfachung. Es verzerrt das Verständnis dessen, was die Belege zeigen und was unbekannt bleibt. Es lässt Menschen fragen, wo ist es passiert?

15:15 Wenn die sinnvolle Frage lautet, wie war der Zustand von Raum und Materie überall dort, wohin wir zurückverfolgen können? Es lässt Menschen sich eine leuchtende Hülle oder einen zentralen Geburtsort vorstellen, während die tatsächliche Beobachtung ein gleichförmiges Bad uralten Lichts aus allen Richtungen ist. Es lässt Menschen glauben, Astronomen hätten eine Adresse im Raum gefunden, während sie tatsächlich einen Zustand rekonstruiert haben, der im gesamten beobachtbaren Kosmos herrschte.

15:49 Der Urknall war kein Ereignis an einer Adresse im Raum. Er war ein früher Zustand von Raum und Materie überall dort, wohin wir zurückverfolgen können. Jeder Beobachter kann ihn als hier geschehen betrachten, denn hier und überall war einmal Teil desselben heißen, dichten Mediums. Der Raum zwischen ungebundenen Regionen hat seitdem zugenommen.

16:14 Er hat Galaxien und Licht mit sich getragen. Er ist dabei abgekühlt und dünner geworden. Die Belege für dieses Bild sind stark. Die vollständige Gestalt und Ausdehnung des Kosmos jenseits dessen, was wir beobachten können, bleibt vorerst außerhalb unserer Reichweite.