Frage von sukuum, 50

Wie kann man die Gravitationslosigkeit am entstehungspunkt des Universums erklären?

einem schwarzenloch entkommt nichteinmal licht. wie kann sich das was dort war dann ausdehnen?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von uteausmuenchen, Community-Experte für Universum, 22

Hallo sukuum,

leider haben viele Menschen eine falsche Vorstellung davon, was mit dem Begriff "Urknall" eigentlich gemeint ist - nicht zuletzt deshalb, weil das in Dokumentationen im Fernsehen oft falsch dargestellt wird.

Mit dem heißen, dichten Anfangszustand beim Urknall ist NICHT gemeint, dass beim Urknall alle Materie des heutigen beobachtbaren Universums an einem bestimmten Ort des heutigen Universums konzentriert war.

Das Modell meint, dass der Raum selbst, den das heutige beobachtbare Universum einnimmt, damals winzig klein war - aber mit demselben Energieinhalt: Alles, was wir heute im Universum beobachten, war auch damals schon drin. Nur war der zur Verfügung stehende Raum winzig klein.

Entsprechend hoch sind Energiedichte und Temperatur. Das Universum beginnt deshalb strahlungsdominiert und mit vereinheitlichten Kräften - die heutigen 4 Grundkräfte der Physik sind noch nicht "ausgefroren". Fast alle heutigen Modelle gehen von dieser sogenannten "Großen Vereinheitlichung" der 4 Grundkräfte (starke Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung, elektromagnetische Wechselwirkung und Gravitation) im ganz jungen Universum aus. Darunter verstehen Physiker, dass die 4 fundamentalen
Kraftarten im extrem heißen, jungen Universum nicht unterscheidbar
waren. Es gab praktisch nur eine einzige Art von Wechselwirkung.

Möglicherweise hat sich das Universum in den ersten Sekundenbruchteilen
in einer extrem kurzen inflationären Phase extrem schnell ausgedehnt.
Direkte experimentelle Belege für diese Inflation gibt es nicht, das
Inflationsmodell erklärt aber sehr zwanglos gleich mehrere Punkte des
Urknalls.

Eine mögliche Erklärung (ich hoffe, es kommt rüber, dass wir hier in einem Bereich der rein spekulativen Hypothesen sind) liefert das vor wenigen Jahren entdeckte Higgs-Boson und der dazu gehörige "Higgs-Mechanismus" der Teilchenphysik.

Dazu muss ich etwas ausholen, denn das geht schon in die Tiefen der Elementarteilchenphysik...

Sehr wahrscheinlich weißt Du, dass Atome aus Atomkernen und Elektronenhüllen bestehen. Dass in den Atomkernen Protonen und Neutronen sitzen. Und vielleicht hast Du schon einmal gehört, dass diese Protonen und Neutronen selber keine Elementarteilchen sind, sondern ihrerseits aus Quarks aufgebaut sind.

Insgesamt kennen Physiker heute 12 Elementarteilchen, die untereinander mit den oben erwähnten 4 fundamentalen Arten von Kräften miteinander wechselwirken. Diese 12 Teilchen und die dazugehörigen 4 Arten von Kräften nennen Physiker "Standardmodell der Teilchenphysik".

Mit diesem Standardmodell kann man sehr viele Beobachtungen im Universum erklären. Es hat in der Vergangenheit sehr genaue Vorhersagen gemacht
(zum Beispiel, welche Teilchen man noch entdecken wird) und alle diese
Vorhersagen haben gepasst. Physiker haben deshalb gute Gründe davon
auszugehen, dass das Standardmodell so falsch nicht ist.

So. Nun hatte das Standardmodell aber ein Problem: Im Standardmodell gibt es keine Ruhemasse der beobachteten Teilchen. Physiker hatten aber gemessen, dass sie eine Ruhemasse haben. (Obacht: Es geht hier wirklcih nur um die Ruhemasse der Elementarteilchen. Aber nicht um Deine Masse, meine oder die von sonst einem makroskopischen Gegenstand. Der weitaus größte Anteil unserer Masse kommt aus der Bindungsenergie der Moleküle in uns, nicht aus der Summe der Ruhemassen unserer Elementarteilchen.)

Als Lösung für dieses Problem hat Peter Higgs (und unabhängig von ihm François Englert) vorgeschlagen, man könnte annehmen, dass es überall im Kosmos eine Art Feld gibt, mit dem die Teilchen wechselwirken. Und durch diese Wechselwirkung werden die Teilchen beeinflusst - und diesen Einfluss sehen wir als Ruhemasse der Teilchen. Ein Teilchen ist schwerer, wenn es mehr vom Higgsfeld beeinflusst ist - und leichter, wenn es das Higgsfeld kaum spürt.

Der Witz ist aber: Wenn man diese schöne Idee mit dem Higgs-Feld in die Gleichungen für das Standardmodell hineinsteckt, dann spucken die hinten zwar Masse aus, ja, aber eben noch was: Das Higgs-Teilchen, das man endlich nach langer Suche am CERN nachgewiesen werden. Was wieder bedeutet, dass das alles so falsch wohl nicht ist, sonst hätte man dieses Teilchen nicht gefunden.

Was hat jetzt das Higgsfeld mit dem Urknall zu tun?

Dieses Higgs-Feld, das den Teilchen seine Ruhemasse gibt, das hat eine merkwürdige Eigenschaft: Wenn man Energie hineinsteckt (wenn es angeregt ist), hat es den Wert Null - es verschwindet also sein Einfluss auf die Elementarteilchen.

Im extrem heißen, dichten Universum unmittelbar nach dem Urknall ist das Higgsfeld in so einem angeregten Zustand ist. Es kann dann den Teilchen nicht ihre Masse geben. Die Teilchen - auch die sogenannten Austauschteilchen - sind dann alle masselos und von da her nicht zu unterscheiden. Das Higgsfeld liefert damit eine (mögliche!!) Erklärung für die Vereinheitlichung der 4 Grundkräfte beim Urknall.

Und eben auch für die Inflation: Beim Abkühlen in den allerersten Sekundenbruchteilen (wir reden um die Zeit, als das Universum etwa 10^-35 Sekunden alt ist) wechselt das Higgsfeld vom angeregten Zustand in den Grundzustand. Bei diesem Wechsel gibt es einen extrem kurzen Moment, in dem es sich in einem instabilen Zustand befindet, einem "falschen Zustand".

Vergleichbar ist so ein falscher Zustand mit unterkühltem Wasser: sehr reines Wasser kann man unter Null Grad abkühlen und es bleibt noch flüssig. Weil die Anordnung zu Eiskristallen erst mal irgendwo "losgehen" muss im Wasser. Das passsiert meist an "Kristallisationskeimen", Verunreinigungen oder Luftbläschen. Fehlen die, bleibt Wasser erst mal beim Abkühlen unter den Gefrierpunkt noch flüssig, obwohl das für diese Temperatur eigentlich der falsche Zustand ist. Bei der geringsten Erschütterung gefriert unterkühltes Wasser dann schlagartig, weil es durch diese Störung "losgehen" kann.

Ähnlich braucht das Higgsfeld einen Moment, um vom Wert Null in den angeregten Zustand überzugehen, den es im heutigen Universum hat. Das Higgsfeld kommt also beim Abkühlen des Universums kurzzeitig in einen falschen, instabilen Zustand. Und der liefert dann in den Gleichungen einen enormen negativen (also einen abstoßenden) Druck. Dieser negative Druck treibt den Raum auseinander. In den rund 10^-35 Sekunden, die das Higgsfeld dem Modell nach braucht, um den Zustand zu wechseln, kann es den Raum auf das 10^50fache auseinandertreiben.

Für den Fall, dass das etwas zu schnell ging: Florian Freistetter hat das einmal in seinem Podcast "Sternengeschichten" recht schön erklärt (auch wenn sich die BICEP2-Experimente nicht als der Nachweis dieser Phase herausgestellt haben, wie man zum Zeitpunkt der Aufnahme noch hoffte)

Grüße

Kommentar von NutzlosAlpha ,

Bindungsenergie der Moleküle? Oder meinst du nicht eher die Bindungsenergie zwischen den Quarks in den Nukleonen?

Kommentar von uteausmuenchen ,

Richtig, da hab' ich mich vertan. Danke für die Korrektur!!

Antwort
von Goku99, 27

Ich schätze hier nur:
Ich denke beim Urknall wurde die ganze Materie in alle Richtungen geschleudert.
Und da es im Vakuum nichts gibt was die Materie stoppen könnte bewegt sie sich einfach immer weiter auseinander.

Kommentar von sukuum ,

aber das was zu begin da war ist zimlich schwer gewesen. zb die sonne verliert durch das "verbrennen" masse und wird sich nach einer theorie bis zum mars ausdehen, da sie die gravitation nicht erzeugen kann um sich zu halten. in 5 mrd jahren meine ich. und wieder zusammenfallen.

Antwort
von Ifosil, 18

Über diese Frage können wir nur spekulieren, richtige Antworten darauf gibt es wohl nicht. 
Deine Frage solltest du an Experten für dieses Thema stellen und damit meine ich nicht Leute im Internet. 

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