Universum

Das Wort Universum stammt vom altfranzösischen Wort Univers, das vom lateinischen Wort universum abstammt. Das lateinische Wort wurde von Cicero und späteren lateinischen Autoren in vielen der gleichen Bedeutungen verwendet wie das moderne englische Wort.

Eine andere Interpretation (Art der Interpretation) von unvorsum ist "alles drehte sich wie eins" oder "alles drehte sich um eins". Dies bezieht sich auf ein frühes griechisches Modell des Universums. In diesem Modell befand sich alle Materie in rotierenden, auf die Erde zentrierten Sphären; nach Aristoteles war die Rotation der äußersten Sphäre für die Bewegung und Veränderung von allem im Inneren verantwortlich. Für die Griechen war es selbstverständlich, dass die Erde stationär war und der Himmel sich um die Erde drehte, weil sorgfältige astronomische und physikalische Messungen (wie das Foucaultsche Pendel) erforderlich sind, um das Gegenteil zu beweisen.

Der unter den altgriechischen Philosophen seit Pythagoras am weitesten verbreitete Begriff für "Universum" war το παν (Das All), definiert als alle Materie (το ολον) und der gesamte Raum (το κενον).

Weiteste Bedeutung

Die weiteste Wortbedeutung des Universums findet sich in De divisione naturae des mittelalterlichen Philosophen Johannes Scotus Eriugena, der es als einfach alles definierte: alles, was existiert, und alles, was nicht existiert.

Zeit wird in Eriugenas Definition nicht berücksichtigt; seine Definition umfasst daher alles, was existiert, existiert hat und existieren wird, sowie alles, was nicht existiert, niemals existiert hat und niemals existieren wird. Diese allumfassende Definition wurde von den meisten späteren Philosophen nicht übernommen, aber etwas Ähnliches findet sich in der Quantenphysik.

Definition als Realität

Normalerweise wird das Universum für alles gehalten, was existiert, existiert hat und existieren wird. Diese Definition besagt, dass das Universum aus zwei Elementen besteht: Raum und Zeit, die zusammen als Raumzeit oder Vakuum bekannt sind; und Materie und verschiedene Formen von Energie und Impuls, die die Raumzeit besetzen. Die beiden Arten von Elementen verhalten sich nach physikalischen Gesetzen, in denen wir beschreiben, wie die Elemente interagieren.

Eine ähnliche Definition des Begriffs Universum ist alles, was zu einem einzigen Zeitpunkt existiert, wie z.B. die Gegenwart oder der Beginn der Zeit, wie in dem Satz "Das Universum hatte die Größe 0".

In Aristoteles' Buch Die Physik teilte Aristoteles το παν (alles) in drei annähernd analoge Elemente ein: Materie (der Stoff, aus dem das Universum besteht), Form (die Anordnung dieser Materie im Raum) und Veränderung (wie Materie erzeugt, zerstört oder in ihren Eigenschaften verändert wird, und ähnlich, wie die Form verändert wird). Physikalische Gesetze waren die Regeln, die die Eigenschaften der Materie, die Form und ihre Veränderungen regeln. Spätere Philosophen wie Lukrez, Averroes, Avicenna und Baruch Spinoza änderten oder verfeinerten diese Einteilungen. Zum Beispiel haben Averroes und Spinoza aktive Prinzipien, die das Universum regieren und auf passive Elemente wirken.

Raum-Zeit-Definitionen

Es ist möglich, Raum-Zeiten zu bilden, die jeweils existieren, aber nicht in der Lage sind, sich zu berühren, zu bewegen oder zu verändern (miteinander zu interagieren). Eine einfache Art und Weise, sich dies vorzustellen, ist eine Gruppe von separaten Seifenblasen, in der Menschen, die auf einer Seifenblase leben, nicht mit denen auf anderen Seifenblasen interagieren können. Nach einer gemeinsamen Terminologie wird jede "Seifenblase" der Raumzeit als ein Universum bezeichnet, während unsere besondere Raumzeit als das Universum bezeichnet wird, so wie wir unseren Mond als Mond bezeichnen. Die gesamte Ansammlung dieser getrennten Raumzeiten wird als das Multiversum bezeichnet. Im Prinzip können die anderen, nicht miteinander verbundenen Universen andere Dimensionalitäten und Topologien der Raumzeit, andere Formen von Materie und Energie sowie andere physikalische Gesetze und physikalische Konstanten haben, obwohl solche Möglichkeiten Spekulationen sind.

Beobachtbare Realität

Nach einer noch restriktiveren Definition ist das Universum alles innerhalb unserer verbundenen Raumzeit, was eine Chance haben könnte, mit uns zu interagieren und umgekehrt.

Nach der allgemeinen Vorstellung der Relativitätstheorie können einige Regionen des Raums aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit und der ständigen Ausdehnung des Raums selbst zu Lebzeiten des Universums niemals mit unseren interagieren. Zum Beispiel könnten von der Erde gesendete Funksprüche einige Regionen des Weltraums nie erreichen, selbst wenn das Universum für immer existieren würde; der Raum könnte sich schneller ausdehnen, als das Licht ihn durchqueren kann.

Es ist hervorzuheben, dass diese weit entfernten Regionen des Weltraums genauso wie wir als existierend und Teil der Realität betrachtet werden; dennoch können wir niemals mit ihnen interagieren, auch nicht im Prinzip. Die räumliche Region, innerhalb der wir wirken und beeinflusst werden können, wird als das beobachtbare Universum bezeichnet.

Streng genommen hängt das beobachtbare Universum vom Standort des Beobachters ab. Durch Reisen kann ein Beobachter mit einer größeren Region der Raumzeit in Berührung kommen als ein Beobachter, der still steht, so dass das beobachtbare Universum für den ersteren größer ist als für den letzteren. Dennoch kann es vorkommen, dass selbst der schnellste Reisende nicht in der Lage ist, mit dem gesamten Raum zu interagieren. Typischerweise bedeutet das "beobachtbare Universum" das Universum, das von unserem Aussichtspunkt in der Milchstraßengalaxie aus gesehen wird.

Das Universum ist riesig und möglicherweise unendlich groß. Die Materie, die man sehen kann, ist über einen Raum von mindestens 93 Milliarden Lichtjahren verteilt. Zum Vergleich: Der Durchmesser einer typischen Galaxie beträgt nur 30.000 Lichtjahre, und die typische Entfernung zwischen zwei benachbarten Galaxien beträgt nur 3 Millionen Lichtjahre. Zum Beispiel hat unsere Milchstraßengalaxie einen Durchmesser von etwa 100.000 Lichtjahren, und unsere nächste Schwestergalaxie, die Andromeda-Galaxie, ist etwa 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt. Das beobachtbare Universum enthält mehr als 2 Billionen (¹⁰¹²⁾ Galaxien und insgesamt bis zu schätzungsweise 1×1024 Sterne (mehr Sterne als alle Sandkörner des Planeten Erde).

Typische Galaxien reichen von Zwerggalaxien mit nur zehn Millionen (¹⁰⁷) Sternen bis hin zu Riesen mit einer Billion (¹⁰¹²⁾ Sternen, die alle das Massenzentrum der Galaxie umkreisen. Eine sehr grobe Schätzung aus diesen Zahlen würde also vermuten lassen, dass es im beobachtbaren Universum etwa eine Sextillion (¹⁰²¹⁾ Sterne gibt; obwohl eine Studie von Astronomen der Australian National University aus dem Jahr 2003 eine Zahl von 70 Sextillionen (7 x ¹⁰²²) ergab.

Die sichtbare Materie ist über das gesamte Universum verteilt, wenn sie über Entfernungen von mehr als 300 Millionen Lichtjahren gemittelt wird. Auf kleineren Längenskalen wird jedoch beobachtet, dass die Materie "Klumpen" bildet, viele Atome zu Sternen verdichtet werden, die meisten Sterne zu Galaxien, die meisten Galaxien zu Galaxiengruppen und -haufen und schließlich die größten Strukturen wie die Große Galaxienwand.

Die gegenwärtige Gesamtdichte des Universums ist sehr gering, etwa 9,9 × ^10-30 Gramm pro Kubikzentimeter. Diese Massenenergie scheint zu 73% aus dunkler Energie, 23% kalter dunkler Materie und 4% gewöhnlicher Materie zu bestehen. Die Dichte der Atome beträgt etwa ein einzelnes Wasserstoffatom pro vier Kubikmeter Volumen. Die Eigenschaften der dunklen Energie und der dunklen Materie sind nicht bekannt. Dunkle Materie verlangsamt die Expansion des Universums. Dunkle Energie beschleunigt die Ausdehnung des Universums.

Das Universum ist alt und verändert sich. Die beste gute Schätzung für das Alter des Universums ist 13,798±0,037 Milliarden Jahre alt, basierend auf dem, was man von der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung gesehen hat. Unabhängige Schätzungen (basierend auf Messungen wie der radioaktiven Datierung) stimmen überein, obwohl sie weniger genau sind und zwischen 11-20 Milliarden Jahren und 13-15 Milliarden Jahren liegen.

Das Universum war in seiner Geschichte nicht zu allen Zeiten dasselbe. Dies ist der Grund dafür, dass erdgebundene Menschen das Licht einer 30 Milliarden Lichtjahre entfernten Galaxie sehen können, selbst wenn dieses Licht nur 13 Milliarden Jahre lang gereist ist; der Raum zwischen ihnen hat sich erweitert. Diese Ausdehnung steht im Einklang mit der Beobachtung, dass das Licht von weit entfernten Galaxien rotverschoben wurde; die ausgesandten Photonen wurden während ihrer Reise auf längere Wellenlängen und eine niedrigere Frequenz gedehnt. Die Geschwindigkeit dieser räumlichen Ausdehnung beschleunigt sich, basierend auf Studien von Supernovae vom Typ Ia und anderen Daten.

Die relativen Mengen der verschiedenen chemischen Elemente - insbesondere der leichtesten Atome wie Wasserstoff, Deuterium und Helium - scheinen im gesamten Universum und in der gesamten uns bekannten Geschichte des Universums identisch zu sein. Das Universum scheint viel mehr Materie als Antimaterie zu besitzen. Das Universum scheint keine elektrische Nettoladung zu besitzen. Die Schwerkraft ist die dominierende Wechselwirkung in kosmologischen Entfernungen. Das Universum scheint auch keinen Nettoimpuls oder Drehimpuls zu haben. Die Abwesenheit von Netto-Ladung und -Drehimpuls wird erwartet, wenn das Universum endlich ist.

Das Universum scheint ein glattes Raum-Zeit-Kontinuum zu haben, das aus drei räumlichen und einer zeitlichen (Zeit-)Dimension besteht. Im Durchschnitt ist der Raum sehr nahezu flach (nahe der Nullkrümmung), was bedeutet, dass die euklidische Geometrie im größten Teil des Universums mit hoher Genauigkeit experimentell wahr ist. Das Universum kann jedoch mehr Dimensionen haben, und seine Raumzeit kann eine mehrfach verbundene globale Topologie aufweisen.

Das Universum hat überall die gleichen physikalischen Gesetze und physikalischen Konstanten. Nach dem vorherrschenden Standardmodell der Physik besteht die gesamte Materie aus drei Generationen von Leptonen und Quarks, die beide Fermionen sind. Diese Elementarteilchen wechselwirken über höchstens drei fundamentale Wechselwirkungen: die elektroschwache Wechselwirkung, zu der der Elektromagnetismus und die schwache Kernkraft gehören; die starke Kernkraft, die durch die Quantenchromodynamik beschrieben wird; und die Gravitation, die derzeit am besten durch die Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben wird.

Die Spezielle Relativitätstheorie gilt im gesamten Universum in lokalem Raum und Zeit. Ansonsten gilt die Allgemeine Relativitätstheorie. Es gibt keine Erklärung für die besonderen Werte, die physikalische Konstanten in unserem Universum zu haben scheinen, wie die Planck-Konstante h oder die Gravitationskonstante G. Es wurden mehrere Erhaltungssätze identifiziert, wie z.B. die Ladungserhaltung, die Impulserhaltung, die Drehimpulserhaltung und die Energieerhaltung.

Allgemeine Relativitätstheorie

Genaue Vorhersagen über die Vergangenheit und Zukunft des Universums erfordern eine genaue Gravitationstheorie. Die beste verfügbare Theorie ist die Allgemeine Relativitätstheorie von Albert Einstein, die bisher alle experimentellen Tests bestanden hat. Da jedoch keine rigorosen Experimente auf kosmologischen Längenskalen durchgeführt wurden, ist es denkbar, dass die Allgemeine Relativitätstheorie ungenau ist. Dennoch scheinen ihre Vorhersagen mit Beobachtungen übereinzustimmen, so dass es keinen Grund gibt, eine andere Theorie zu übernehmen.

Die Allgemeine Relativitätstheorie liefert einen Satz von zehn nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen für die Raumzeitmetrik (Einsteins Feldgleichungen), die aus der Verteilung von Masse-Energie und Impuls im Universum gelöst werden müssen. Da diese im genauen Detail unbekannt sind, basieren kosmologische Modelle auf dem kosmologischen Prinzip, das besagt, dass das Universum homogen und isotrop ist. Tatsächlich besagt dieses Prinzip, dass die Gravitationswirkungen der verschiedenen Galaxien, aus denen das Universum besteht, denen eines feinen, gleichmäßig im Universum verteilten Staubs mit der gleichen mittleren Dichte entsprechen. Die Annahme eines gleichförmigen Staubs macht es einfach, Einsteins Feldgleichungen zu lösen und die Vergangenheit und Zukunft des Universums auf kosmologischen Zeitskalen vorherzusagen.

Einsteins Feldgleichungen enthalten eine kosmologische Konstante (Lamda: Λ), die mit einer Energiedichte des leeren Raumes zusammenhängt. Abhängig von ihrem Vorzeichen kann die kosmologische Konstante die Expansion des Universums entweder verlangsamen (negativ Λ) oder beschleunigen (positiv Λ). Obwohl viele Wissenschaftler, darunter auch Einstein, spekuliert hatten, dass Λ gleich Null ist, haben jüngste astronomische Beobachtungen von Supernovae vom Typ Ia eine große Menge an dunkler Energie entdeckt, die die Expansion des Universums beschleunigt. Vorläufige Studien deuten darauf hin, dass diese dunkle Energie mit einer positiven Λ zusammenhängt, obwohl alternative Theorien noch nicht ausgeschlossen werden können.

Urknall-Modell

Das vorherrschende Urknallmodell ist für viele der oben beschriebenen experimentellen Beobachtungen verantwortlich, wie z.B. die Korrelation von Entfernung und Rotverschiebung von Galaxien, das universelle Verhältnis von Wasserstoff:Heliumatomen und der allgegenwärtige, isotrope Mikrowellenstrahlungshintergrund. Wie bereits erwähnt, ergibt sich die Rotverschiebung aus der metrischen Ausdehnung des Raumes; während sich der Raum selbst ausdehnt, nimmt die Wellenlänge eines durch den Raum wandernden Photons ebenfalls zu, wodurch seine Energie abnimmt. Je länger ein Photon unterwegs ist, desto mehr Ausdehnung hat es durchlaufen; daher sind ältere Photonen aus weiter entfernten Galaxien am stärksten rotverschoben. Die Bestimmung der Korrelation zwischen Entfernung und Rotverschiebung ist ein wichtiges Problem in der experimentellen physikalischen Kosmologie.

Andere experimentelle Beobachtungen lassen sich durch die Kombination der Gesamtausdehnung des Weltraums mit der Kern- und Atomphysik erklären. Bei der Ausdehnung des Universums nimmt die Energiedichte der elektromagnetischen Strahlung schneller ab als die der Materie, da die Energie eines Photons mit seiner Wellenlänge abnimmt. Obwohl also die Energiedichte des Universums heute von der Materie dominiert wird, wurde sie früher von der Strahlung dominiert; poetisch gesprochen, war alles Licht. Als sich das Universum ausdehnte, nahm seine Energiedichte ab und es wurde kühler; dabei konnten sich die Elementarteilchen der Materie stabil zu immer größeren Kombinationen verbinden. So bildeten sich zu Beginn des von der Materie dominierten Zeitalters stabile Protonen und Neutronen, die sich dann zu Atomkernen vereinigten. Zu diesem Zeitpunkt war die Materie im Universum hauptsächlich ein heißes, dichtes Plasma aus negativen Elektronen, neutralen Neutrinos und positiven Kernen. Kernreaktionen zwischen den Kernen führten zu den heutigen Häufigkeiten der leichteren Kerne, insbesondere Wasserstoff, Deuterium und Helium. Schließlich verbanden sich die Elektronen und Kerne zu stabilen Atomen, die für die meisten Wellenlängen der Strahlung durchlässig sind; zu diesem Zeitpunkt entkoppelte sich die Strahlung von der Materie und bildete den allgegenwärtigen, isotropen Hintergrund der heute beobachteten Mikrowellenstrahlung.

Andere Beobachtungen werden von der bekannten Physik nicht eindeutig beantwortet. Nach der vorherrschenden Theorie war bei der Entstehung des Universums ein leichtes Ungleichgewicht von Materie gegenüber Antimaterie vorhanden oder entwickelte sich sehr kurz danach. Obwohl sich Materie und Antimaterie größtenteils gegenseitig auslöschten und dabei Photonen produzierten, überlebte ein kleiner Rest an Materie, so dass das heutige, von Materie dominierte Universum entstand.

Mehrere Indizien deuten auch darauf hin, dass eine rasche kosmische Inflation des Universums sehr früh in seiner Geschichte stattfand (etwa 10-35 Sekunden nach seiner Entstehung). Jüngste Beobachtungen deuten auch darauf hin, dass die kosmologische Konstante (Λ) nicht Null ist und dass der Netto-Massenenergiegehalt des Universums von einer dunklen Energie und dunkler Materie dominiert wird, die wissenschaftlich nicht charakterisiert wurden. Sie unterscheiden sich in ihrer Gravitationswirkung. Dunkle Materie gravitiert wie gewöhnliche Materie und verlangsamt somit die Expansion des Universums; im Gegensatz dazu dient die Dunkle Energie dazu, die Expansion des Universums zu beschleunigen.

Einige Leute glauben, dass es mehr als ein Universum gibt. Sie glauben, dass es eine Reihe von Universen gibt, die als das Multiversum bezeichnet werden. Per Definition gibt es keine Möglichkeit, dass etwas in einem Universum etwas in einem anderen Universum beeinflusst. Das Multiversum ist noch keine wissenschaftliche Idee, weil es keine Möglichkeit gibt, es zu testen. Eine Idee, die nicht getestet werden kann oder nicht auf Logik beruht, ist keine Wissenschaft. Es ist also nicht bekannt, ob das Multiversum eine wissenschaftliche Idee ist.

Die Zukunft des Universums ist ein Rätsel. Es gibt jedoch einige Theorien, die sich auf die möglichen Formen des Universums stützen:

• Wenn das Universum eine geschlossene Kugel ist, wird es aufhören zu expandieren. Das Universum wird das Gegenteil davon tun und zu einer Singularität für einen weiteren Urknall werden.
• Wenn das Universum eine geöffnete Kugel ist, wird es die Expansion beschleunigen. Nach 22.000.000.000.000 (22 Milliarden) Jahren wird das Universum mit der Kraft zerreißen.
• Wenn das Universum flach ist, wird es sich für immer ausdehnen. Alle Sterne werden dafür ihre Energie verlieren und zu einem Zwergstern werden. Nach einem Googoljahr werden auch die Schwarzen Löcher verschwunden sein.