Die ersten Sekunden nach dem Urknall – Die Geburt von Raum und Zeit

0:00 Herzlich Willkommen zu einer neuen Folge von Schlafreise durch das Universum, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Wenn dir unser Podcast gefällt, freuen wir uns sehr über eine Bewertung, da uns dies hilft, weitere spannende Folgen zu produzieren. Heute Nacht reisen wir nicht zu einem fernen Ort im Universum, wir reisen nicht zu einem fernen Moment wir reisen zurück weiter zurück, als du es dir je vorgestellt hast zurück vor alle Sterne, vor alle Galaxien. Und vor alle Planeten zurück zu dem Moment, in dem das Universum selbst begann.

0:34 Zu dem Moment, in dem Raum und Zeit entstanden, zu den ersten Sekunden nach dem Urknall. Stell dir vor, du Schwebst nicht im Weltraum, denn den gibt es in diesem Moment noch nicht, du Schwebst im nichts, das gar kein Nichts ist, sondern ein Zustand, den wir mit unserer Sprache eigentlich kaum beschreiben können. Du bist Zeuge des Anfangs aller Dinge also. Lass uns dies gemeinsam beobachten, um diese Reise überhaupt antreten zu können, müssen wir zunächst verstehen, was der Urknall war und was er nicht war, denn der Begriff selbst ist relativ missverständlich. Der Urknall war keine Explosion in einem leeren Raum wie etwa eine Bombe, die in einem Vakuum detoniert, es gab keinen Raum, in dem die Explosion stattfand,

1:21 der Urknall war die Entstehung des Raumes selbst. Er war der Beginn von Zeit, Materie, Energie und allem, was je existieren würde. Es gab kein davor, weil eben die Zeit erst mit dem Urknall begann, es gab kein draußen, weil Raum erst mit dem Urknall entstand, das ist erst mal schwer zu fassen, unser Geist ist ja eben geformt durch die Alltagserfahrung, also durch alles, was wir kennen, und es gibt nach unserem Verständnis immer ein vorher und ein außerhalb. Doch beim Urknall gibt's das eben beides nicht. Die Frage, was vor dem Urknall war, ist nach unserem derzeitigen physikalischen Verständnis so wenig sinnvoll wie die Frage, was südlich der Südpols liegt. Der Urknall ereignete sich vor

2:07 etwa 13,8 Milliarden Jahren, diese Zahl wurde mit bemerkenswerter Präzision aus verschiedenen Beobachtungen bestimmt und. Unter anderem aus den Temperaturschwankungen der kosmischen Hintergrundstrahlung, die das Weltraumteleskop Planck zwischen 2009 und 2013 mit bislang unerreichter Genauigkeit kartiert hat.

2:28 Doch gehen wir nun wirklich zurück, Schritt für Schritt und Moment für Moment in den ersten Augenblicken des Universums herrschten Temperaturen und dichten, die alles übersteigen, was wir uns vorstellen können. In der sogenannten Planck Ära, dem allerersten Augenblick des Universums, war das gesamte Universum auf einen Punkt zusammengepresst, der unvorstellbar klein war, kleiner als ein Proton, kleiner als jedes Atom. Die Planck Zeit, die kleinste sinnvolle beschreibbare Zeiteinheit der Physik, beträgt etwa 10 hoch -43 Sekunden, das ist eine Dezimalzahl mit 43 Nullen nach dem Komma, bevor die erste 1 erscheint.

3:09 Was in dieser Zeit geschah, bleibt uns weitestgehend verborgen. Unsere heutige Physik, sowohl die allgemeine Relativitätstheorie als auch die Quantenmechanik, versagen in diesem extremen Bereich, es ist die Grenze unseres Wissens, eine ehrliche Grenze und der die Wissenschaft sagt, bis hierher verstehen wir die Welt und danach beginnt das völlig Unbekannte.

3:31 Nach der Planck Ära bereits nach diesem winzigen Bruchteil der ersten Sekunde trat das Universum eine Phase ein, die Kosmolog innen als die große vereinheitlichungs Ära bezeichnen. In dieser Phase waren alle fundamentalen Kräfte der Natur, also die starke Kernkraft, die schwache Kernkraft, die elektromagnetische Kraft und möglicherweise auch die Gravitation zu einer einzigen Urkraft vereint, die Temperatur lag bei über 10 hoch 32 Kelvin, die. Das ist eine 1 mit 32 Nullen in Grad, eine Temperatur, für die es kein menschliches Bild gibt, keine Analogie aus dem Alltag, keinen Vergleich, der ihr wirklich gerecht werden würde. Dann in einem Bruchteil der ersten Sekunde, geschah etwas Entscheidendes, das Universum

4:19 begann, sich rasend schnell auszudehnen, nicht nur schnell, sondern exponentiell. In einem Zeitraum von etwa 10 hoch -36 bis 10 hoch -32 Sekunden nach dem Urknall dehnte sich das Universum um einen Faktor aus, der mindestens 10 hoch 26 beträgt also eine 1 mit 260. Manche Berechnungen gehen sogar von noch gewaltigeren Faktoren aus. Diesen Prozess nennen Physikerinnen die kosmische Inflation.

4:51 Und die Theorie dazu wurde 1980 vom amerikanischen Physiker allen gut entwickelt. Was bedeutet das nun in der Praxis? Es bedeutet, dass ein winziger subatomarer Bereich des frühen Universums innerhalb eines Wimperschlages zu etwas ausgedehnt wurde, das größer war als das heute beobachtbare Universum.

5:15 Die Quantenfluktuation, also winzige Schwankungen in der Energiedichte, die im Subatomaren entstanden, wurden durch die Inflation auf kosmische Skalen aufgeblasen. Diese Schwankungen sind der Ursprung aller großräumigen Strukturen im heutigen Universum der Galaxien, der Galaxienhaufen und auch der kosmischen Filamente, die Leisten Flüstertöne der Quantenmechanik wurden durch die Inflation in das laute Gerüst des Kosmos eingeschrieben, die.

5:45 Nach dieser Inflation verlangsamte sich die Ausdehnung und das Universum war erfüllt von einem heißen, dichten Plasma. Hier lohnt es sich, einen Moment innezuhalten und über die Theorie der kosmischen Inflation selbst nachzudenken. Ursprünglich wurde sie entwickelt, um 3 scheinbar unabhängige Rätsel der Kosmologie zu lösen, das Erste ist das sogenannte Horizont Problem, das. Warum sieht die kosmische Hintergrundstrahlung, die aus völlig verschiedenen Richtungen des Himmels zu uns gelangt, so gleichmäßig aus Regionen des frühen Universums, die eigentlich zu weit voneinander entfernt waren, um um jemals miteinander in Kontakt getreten zu sein, haben dennoch nahezu identische Temperaturen.

6:29 Die Inflation löst dieses Rätsel, indem sie erklärt, dass all diese Regionen ursprünglich in einem engen Kontakt standen und erst durch die explosive Ausdehnung auseinandergerissen wurden. Das zweite Rätsel ist das Flachheitsproblem die Geometrie des Universums ist, soweit wir messen können, nahezu perfekt flach in einem expandierenden Universum ist das äußerst unwahrscheinlich, das.

6:54 Es sei denn, die anfängliche Expansionsrate war mit extremer Präzision eingestellt. Die Inflation liefert eine natürliche Erklärung, eine extrem schnelle Ausdehnung glättet jede anfängliche Krümmung genauso wie die Oberfläche eines Luftballons, der aufgeblasen wird, flach erscheint, wenn er eben groß genug wird.

7:14 Das dritte Rätsel ist das monopolproblem Theorien der Teilchenphysik sagen voraus, dass im frühen Universum exotische Teilchen. Namens magnetische Monopole entstanden sein müssten. Doch wir beobachten diese nicht. Die Inflation verdünnt ihre Dichte auf ein Maß, das die Beobachtung praktisch unmöglich macht. 3.

7:36 Probleme eine elegante Lösung die kosmische Inflation ist nicht bewiesen, aber sie ist die am besten unterstützte Erklärung, die wir haben und. Und sie hat konkrete Vorhersagen gemacht, die durch Beobachtungen wie zum Beispiel durch die Feinstruktur der kosmischen Hintergrundstrahlung bestätigt wurden. Elektronen, Quarks, Gloren, Photonen, Neutrinos und viele andere Teilchen existierten in einem brodelnden, undurchdringlichen Gemisch.

8:06 In dieser Phase konnte Licht nicht frei durch den Raum reisen, es wurde sofort wieder absorbiert und gestreut. Das Universum war undurchsichtig wie ein dichter Nebel, durch den kein Blick dringen kann. Jetzt sind wir immer noch in der ersten Sekunde nach dem Urknall, es klingt unglaublich, aber in dieser ersten Sekunde passierten bereits so viele fundamentale Dinge, dass wir Stunden brauchen würden, um sie vollständig hier zu erklären. In den ersten Bruchteilen dieser Sekunde trennten sich die fundamentalen Kräfte voneinander, die Gravitation löste sich zuerst ab in.

8:44 Dann trennte sich die starke Kernkraft von der Elektroschwachen Kraft und schließlich spaltete sich die elektroschwache Kraft in die elektromagnetischen Kräfte und die schwache Kernkraft. Jede dieser Trennungen veränderte das Universum grundlegend und hinterließ physikalische Spuren, die wir heute noch messen können.

9:04 Etwa eine Zehntausendstelsekunde nach dem Urknall, als die Temperatur auf etwa 10 Billionen Grad gesunken war, vollzog sich einer der wichtigsten Übergänge in der Geschichte des Universums. Der Quark hadronenübergang bis zu diesem Moment existierten die Bausteine, die Materie, die Quarks als freie Teilchen in einem sogenannten Quark gluon Plasma, danach wurden sie eingefangen und zu Hadronen gebunden. 10 Teilchen, aus denen später Protonen und Neutronen bestehen, jedes Proton und jedes Neutron, das heute in deinem Körper steckt, entstand in dieser frühen Epoche des Universums dann in der ersten Sekunde, spielt sich noch etwas ab, das bis heute eine der tiefsten Offensten Fragen der Physik darstellt. In den ersten Momenten des

9:54 Universums entstanden Materie und Antimaterie in nahezu gleichen Mengen. Für jedes Teilchen Materie gab es ein entsprechendes Teilchen. Antimaterie wenn Materie auf Antimaterie trifft, vernichten sie sich gegenseitig in einem Blitz aus reiner Energie wäre die Symmetrie zwischen Materie und Antimaterie vollkommen gewesen, hätte sich alles gegenseitig ausgelöscht, es gäbe keine Atome, keine Sterne, keine Planeten, kein Leben, nur Energie, doch irgendetwas war ein kleines bisschen asymmetrisch.

10:30 Auf etwa eine Milliarde Teilchen Antimaterie kamen eine Milliarde und ein Teilchen. Materie. Diese winzige Asymmetrie, die Physikerinnen als Bariogenese bezeichnen, ist der Grund, warum wir existieren. Der Überschuss von einem Materie Teilchen auf eine Milliarde blieb übrig, nachdem sich alles andere gegenseitig vernichtet hatte. Aus diesem Überrest entstand alles was wir kennen Sterne. Galaxien, Planeten, Menschen.

11:01 Wir sind also das Überbleibsel einer Asymmetrie, die kleiner war als ein Prozent von einem Prozent, von einem Prozent. Die Frage, warum diese Asymmetrie existiert, warum das Universum überhaupt Materie bevorzugte, ist eine der tiefsten ungelösten Fragen der Physik. Der sowjetische Physiker Andrij Sacharow hat.

11:22 Formulierte 1967 3 Bedingungen, die erfüllt sein müssen, damit im Universum mehr Materie als Antimaterie entstehen kann. Diese 3 Sacharow Bedingungen umfassen eine Verletzung der Baryonenzahlerhaltung, eine Verletzung bestimmter Symmetrien der Physik sowie einen Zustand des thermischen Ungleichgewichts. Alle 3 Bedingungen waren im frühen Universum erfüllt, aber der genaue Mechanismus.

11:50 Der die beobachtete Asymmetrie erzeugte, ist noch immer Gegenstand aktiver Forschung bei den größten Teilchenbeschleunigern der Welt am CERN in Genf, dem größten wissenschaftlichen Instrument, das die Menschheit je gebaut hat, versuchen Physikerinnen bis heute, Bedingungen des frühen Universums im Labor Maßstab nachzubilden und die Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie besser zu verstehen.

12:16 Der Teilchenbeschleuniger beschleunigt Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit und lässt sie aufeinanderprallen. Bei diesen Kollisionen entstehen für winzige Bruchteile von Sekunden Zustände, die dem frühen Universum ähneln. Das Universum ist bereits unvollstellbar weit expandiert, es kühlt sich ab und der nächste große Akt beginnt zwischen etwa einer Sekunde und 3 Minuten nach dem Urknall fand die sogenannte Urknall Nukleosynthese statt. In diesem Zeitfenster war das Universum heiß genug, um Kernfusionsreaktionen zu ermöglichen, aber kühl genug, dass die gebildeten Kerne nicht sofort wieder zerfallen. In diesen wenigen Minuten entstanden die leichten Atomkerne Wasserstoff, Helium 4,

13:00 Helium 3, Deuterium und winzige Spuren von Lithium und Beryllium. Das Verhältnis dieser früh entstandenen Elemente ist bis heute im Universum messbar und stimmt sehr gut mit den Vorhersagen des Standardmodells der Kosmologie überein, etwa 75% der gesamten normalen Materie im Universum besteht bis heute aus Wasserstoff und etwa 25 aus Helium alles, was schwerer ist als Helium, wurde später in den Sternen erzeugt, die. Wir gleiten weiter durch die Zeit. Das Universum dehnt sich nun aus, kühlt sich ab und bleibt zunächst undurchsichtig.

13:38 Für rund 380000 Jahre nach dem Urknall war der gesamte Kosmos ein leuchtendes opakes Plasma Licht konnte sich nicht frei bewegen, dann, nach diesen 83000 Jahren, sank die Temperatur auf etwa 3000 Kelvin ab. In diesem Moment konnten Elektronen und Protonen sich erstmals zu stabilen Wasserstoffatomen verbinden. Dieser Übergang wird die Rekombination genannt, obwohl er streng genommen die erste Verbindung war und nicht eine Wiederverbindung mit diesem Moment wurde das Universum schlagartig durchsichtig, Licht konnte zum ersten Mal frei durch den Raum reisen, dieses Licht der Rekombination ist noch heute zu beobachten.

14:22 Es ist die kosmische Hintergrundstrahlung, die 1964 von Arno Pentias und Robert Wilson zufällig entdeckt wurde, als sie ein erstmal störendes Rauschen in ihrer Radioantenne nicht loswerden konnten. Für diese Entdeckung erhielten beide 1978 den Nobelpreis für Physik, die kosmische Hintergrundstrahlung ist ein Bild des Universums, das 380000 Jahre nach dem Urknall entstand. Es ist das älteste Licht, das wir je empfangen können, und es trägt die Fingerabdrücke der ersten Augenblicke des Universums in sich.

14:56 Diese Strahlung ist also wirklich ein extrem spannendes Thema, zu dem wir auch eine Folge gemacht haben, die ich gerne in der Beschreibung für euch verlinke. Nach der Rekombination begann das sogenannte Dunkle Zeitalter des Universums, es gab eben noch keine Sterne und auch noch keine Galaxien, der Kosmos war dunkel, aber nicht leer.

15:18 Die Materie verteilte sich langsam unter dem Einfluss der Schwerkraft in den Strukturen, die durch die inflationäre Quantenfluktuation vorgezeichnet worden waren. Dichteren Bereichen strömte Materie zu, sie wurde weiter dichter und zogen mehr Materie an und wurden noch Dichter, nach etwa 150 bis 200000000 Jahren nach dem Urknall entzündeten sich die ersten Sterne der Kosmosgeschichte diese ersten Sterne. Die Astronom innen als Population 3 Sterne bezeichnen, waren außerordentlich massereich, vielleicht hundertmal so schwer wie unsere Sonne und extrem hell. Deshalb lebten diese nur wenige Millionen Jahre, bevor sie in gewaltigen Explosionen als Supernovae vergingen, aber in ihrem kurzen Leben erzeugten sie

16:06 schwere Elemente durch Kernfusion und schleuderten sie bei ihrem Tod in den Weltraum. Damit begann die chemische Anreicherung des Universums. Die ersten Sterne der ersten Generation legten die Grundlage für alles, was danach kam. Nach dem Ende des dunklen Zeitalters mit der Entstehung der ersten Sterne und Galexien begann das Universum eine Phase, die Astronom innen als Reionisierung bezeichnen.

16:34 Das intensive ultraviolette Licht der massereichen ersten Sterne isolierte den neutralen Wasserstoff im interstellaren Raum erneut. Also es trennte die Elektronen wieder von den Wasserstoffatomen. Das Universum, das kurz nach der Rekombination durchsichtig geworden war, wurde durch diesen Prozess in gewisser Weise nochmal umgestaltet. Die Re ionisierung war ein globaler Prozess, der das gesamte Universum umfasste und vor etwa 900000000 bis einer Milliarde Jahren nach dem Urknall weitgehend abgeschlossen war.

17:09 Das James Webb Teleskop, das 2021 gestartet wurde und seit 2022 wissenschaftliche Daten liefert, blickt tief in die kosmische Geschichte zurück. Es hat Galaxien beobachtet, die nur wenige 100000000 Jahre nach dem Urknall existierten und liefert damit wertvolle Einblicke in das Zeitalter der Reionisierung und die frühe Galaxienentwicklung einige dieser frühen Galaxien überraschten die Forschungsgemeinschaft. Sie sind größer und strukturierter als die gängigen Modelle.

17:40 Vorhersagen das James Webb Teleskop zeigt uns, dass das frühe Universum möglicherweise noch schneller Struktur bildete, als wir dachten und verfeinert damit unser Bild vom kosmischen Erwachen nach dem dunklen Zeitalter, also dem Beginn, aus dem nichts die ersten Teilchen, dann die ersten Atome, die ersten Sterne. Es ist eine Geschichte von atemberaubender Konsequenz, Schritt für Schritt, Augenblick für Augenblick entfaltet sich aus einer winzigen Asymmetrie und einem heißen, dichten Anfangszustand alles, was existiert und in diesem alles nach 13,8 Milliarden Jahren kosmischer Geschichte liegt. Ein kleiner blauer Planet, dritte Position um einen mittelgroßen Stern in einer der äußeren Spiralarme, einer ganz gewöhnlichen, um mir zu sagen,

18:28 langweiligen Galaxie. Auf diesem Planeten wuchsen aus den einfachsten Molekülen Lebewesen heran, aus den Lebewesen wurden denkende Wesen und diese denkenden Wesen stellen sich irgendwann die Frage, woher alles kommt. Die Atome in deinem Körper, das Eisen in deinem Blut, das Kalzium in deinen Knochen, der Sauerstoff in deinen Lungen, sie alle wurden in Sternen geschmiedet, die Milliarden Jahre vor unserer Sonne existierten und vergingen.

18:57 Der Kohlenstoff, aus dem deine DNA bestand, entstand in sterbenden Sternen und wurde durch Supernovae in das all geschleudert. Du bist wortwörtlich ein Kind des Urknalls, eine direkte Linie verbindet den ersten Augenblick des Universums mit diesem Moment, in dem du hier liegst, atmest und zuhörst, wenn man das versteht, wenn man diese kosmische Verbindung wirklich spürt, dann bekommt der kleine blaue Planet auf dem Beleben eine ganz andere Bedeutung.

19:26 Er ist eben nicht selbstverständlich. Er ist das Ergebnis von 13,8 Milliarden Jahren Entwicklung von unzähligen zusammenpassenden kosmischen Ereignissen, die alle genauso stattfinden mussten, wie sie es nun mal haben, damit das Leben hier möglich wurde. Die Erde ist bislang das einzige Mal, dass das Universum sich selbst beim Denken beobachtet, das ist ein kleines Wunder, eigentlich das größte Wunder, dass wir kennen.