Geschichte der Urknalltheorie - History of the Big Bang theory

Nach dem Urknallmodell expandierte das Universum aus einem extrem dichten und heißen Zustand und dehnt sich bis heute weiter aus. Eine gängige Analogie erklärt, dass sich der Weltraum selbst ausdehnt und Galaxien mit sich trägt, wie Flecken auf einem sich aufblasenden Ballon. Das obige Grafikschema ist das Konzept eines Künstlers, das die Ausdehnung eines Teils eines flachen Universums veranschaulicht.

Die Geschichte der Urknalltheorie begann mit der Entwicklung des Urknalls aus Beobachtungen und theoretischen Überlegungen. Ein Großteil der theoretischen Arbeiten in der Kosmologie umfasst heute Erweiterungen und Verfeinerungen des grundlegenden Urknallmodells. Die Theorie selbst wurde ursprünglich vom belgischen katholischen Priester, Mathematiker, Astronomen und Physikprofessor Georges Lemaître formalisiert .

Philosophie und mittelalterlicher zeitlicher Finitismus

In der mittelalterlichen Philosophie gab es viele Debatten darüber, ob das Universum eine endliche oder unendliche Vergangenheit hatte (siehe Zeitlicher Finitismus ). Die Philosophie von Aristoteles vertrat die Ansicht, dass das Universum eine unendliche Vergangenheit hatte, was mittelalterlichen jüdischen und islamischen Philosophen Probleme bereitete , die nicht in der Lage waren, die aristotelische Vorstellung vom Ewigen mit der abrahamitischen Sicht der Schöpfung in Einklang zu bringen . Als Ergebnis wurden unter anderem von John Philoponus , Al-Kindi , Saadia Gaon , Al-Ghazali und Immanuel Kant eine Vielzahl logischer Argumente für das Universum mit einer endlichen Vergangenheit entwickelt .

In seiner 1225 erschienenen Abhandlung De Luce ( Über das Licht ) erforschte der englische Theologe Robert Grosseteste die Natur der Materie und des Kosmos. Er beschrieb die Geburt des Universums in einer Explosion und die Kristallisation von Materie, um Sterne und Planeten in einer Reihe verschachtelter Kugeln um die Erde zu bilden. De Luce ist der erste Versuch, Himmel und Erde mit einem einzigen Satz physikalischer Gesetze zu beschreiben.

1610 nutzte Johannes Kepler den dunklen Nachthimmel, um für ein endliches Universum zu argumentieren. Siebenundsiebzig Jahre später beschrieb Isaac Newton großräumige Bewegungen im gesamten Universum.

Die Beschreibung eines Universums, das sich zyklisch ausdehnt und zusammenzieht, wurde erstmals in einem 1791 von Erasmus Darwin veröffentlichten Gedicht vorgelegt . Edgar Allan Poe präsentierte ein ähnliches zyklisches System in seinem 1848 erschienenen Essay mit dem Titel Eureka: A Prose Poem ; es ist offensichtlich kein wissenschaftliches Werk, aber Poe versuchte, ausgehend von metaphysischen Prinzipien, das Universum mit zeitgenössischen physikalischen und mentalen Erkenntnissen zu erklären. Von der wissenschaftlichen Gemeinschaft ignoriert und von Literaturkritikern oft missverstanden, wurden seine wissenschaftlichen Implikationen in jüngster Zeit neu bewertet.

Laut Poe war der Anfangszustand der Materie ein einzelnes "Primordial Particle". "Divine Volition", die sich als abstoßende Kraft manifestierte, zerlegte das Urteilchen in Atome. Atome verteilen sich gleichmäßig im Raum, bis die abstoßende Kraft aufhört und die Anziehung als Reaktion auftritt: Dann beginnt die Materie, sich zu Sternen und Sternensystemen zu verklumpen, während das materielle Universum durch die Schwerkraft wieder zusammengezogen wird, schließlich kollabiert und schließlich in die Welt zurückkehrt Primordial Particle Stage, um den Prozess der Abstoßung und Anziehung erneut zu beginnen. Dieser Teil von Eureka beschreibt ein sich entwickelndes Newtonsches Universum, das eine Reihe von Eigenschaften mit relativistischen Modellen teilt, und aus diesem Grund nimmt Poe einige Themen der modernen Kosmologie vorweg.

Wissenschaftliche Entwicklungen des frühen 20. Jahrhunderts

In den 1910er Jahren stellten Vesto Slipher und später Carl Wilhelm Wirtz aus Beobachtungen fest, dass sich die meisten Spiralnebel (jetzt korrekt als Spiralgalaxien bezeichnet ) von der Erde zurückzogen. Slipher untersuchte mit Spektroskopie die Rotationsperioden von Planeten, die Zusammensetzung planetarischer Atmosphären und beobachtete als erster die Radialgeschwindigkeiten von Galaxien. Wirtz beobachtete eine systematische Rotverschiebung von Nebeln, die im Sinne einer Kosmologie, in der das Universum mehr oder weniger gleichmäßig mit Sternen und Nebeln gefüllt ist, schwer zu interpretieren war. Sie waren sich der kosmologischen Implikationen nicht bewusst, auch nicht, dass die vermeintlichen Nebel tatsächlich Galaxien außerhalb unserer eigenen Milchstraße waren .

Auch in diesem Jahrzehnt, Albert Einstein ‚s Theorie der allgemeinen Relativitäts gefunden wurde keine zugeben statische kosmologische Lösungen , da die Grundannahmen der Kosmologie in der beschriebenen Big Bang theoretische Untermauerung . Das Universum (dh die Raum-Zeit-Metrik) wurde durch einen metrischen Tensor beschrieben , der sich entweder ausdehnte oder schrumpfte (dh nicht konstant oder invariant war). Dieses Ergebnis, das aus einer Auswertung der Feldgleichungen der Allgemeinen Theorie stammt, veranlasste Einstein zunächst selbst zu der Annahme, dass seine Formulierung der Feldgleichungen der Allgemeinen Theorie fehlerhaft sein könnte, und versuchte, dies durch Hinzufügen einer kosmologischen Konstante zu korrigieren . Diese Konstante würde der Beschreibung der Raumzeit durch die allgemeine Theorie einen invarianten metrischen Tensor für das Gefüge von Raum/Existenz wiederherstellen. Der erste Mensch, der die allgemeine Relativitätstheorie ohne die stabilisierende kosmologische Konstante ernsthaft auf die Kosmologie anwendete, war Alexander Friedmann . Friedmann abgeleitet , um die Erweiterung-Universum Lösung der allgemeinen Relativitätstheorie Feldgleichungen in 1922. 1924 ist Friedmann Papiere enthalten „ über die möglichkeit einer Welt mit KONSTANTERs negativen Krümmung des Raum “ ( über die Möglichkeit einer Welt mit konstanter negativer Krümmung ) , die von dem Berlin veröffentlicht wurde Academy of Sciences am 7. Januar 1924. Friedmanns Gleichungen beschreiben das Friedmann-Lemaitre-Robertson-Walker- Universum.

1927 schlug der belgische katholische Priester Georges Lemaitre ein Expansionsmodell für das Universum vor, um die beobachteten Rotverschiebungen von Spiralnebeln zu erklären, und berechnete das Hubble-Gesetz . Er stützte seine Theorie auf die Arbeit von Einstein und De Sitter und leitete unabhängig Friedmanns Gleichungen für ein expandierendes Universum ab. Auch die Rotverschiebungen selbst waren nicht konstant, sondern variierten in einer Weise, die zu dem Schluss führte, dass es eine eindeutige Beziehung zwischen dem Ausmaß der Rotverschiebung der Nebel und ihrer Entfernung von den Beobachtern gab.

1929 lieferte Edwin Hubble eine umfassende Beobachtungsgrundlage für Lemaitres Theorie. Hubbles experimentelle Beobachtungen ergaben, dass Galaxien relativ zur Erde und allen anderen beobachteten Körpern mit Geschwindigkeiten (berechnet aus ihren beobachteten Rotverschiebungen) in jede Richtung zurückweichen, die direkt proportional zu ihrer Entfernung von der Erde und voneinander sind. 1929 formulierten Hubble und Milton Humason das empirische Rotverschiebungs-Entfernungsgesetz von Galaxien, das heute als Hubble-Gesetz bekannt ist und das, sobald die Rotverschiebung als Maß für die Rezessionsgeschwindigkeit interpretiert wird, mit den Lösungen von Einsteins Allgemeinen Relativitätsgleichungen für eine homogene, isotrop expandierender Raum. Die isotrope Natur der Expansion war ein direkter Beweis dafür, dass sich der Raum (das Gefüge der Existenz) selbst ausdehnte, nicht die Körper im Raum, die sich einfach weiter nach außen und auseinander bewegten, in eine unendlich größere, vorher existierende leere Leere. Es war diese Interpretation, die zum Konzept des expandierenden Universums führte. Das Gesetz besagt, dass je größer der Abstand zwischen zwei Galaxien ist, desto größer ist ihre relative Trennungsgeschwindigkeit. 1929 entdeckte Edwin Hubble , dass sich der größte Teil des Universums ausdehnte und sich von allem anderen entfernte. Wenn sich alles von allem entfernt, sollte man denken, dass alles einmal näher zusammen war. Die logische Schlussfolgerung ist, dass irgendwann alle Materie an einem einzigen Punkt mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern begann, bevor sie nach außen explodierte. Es war so heiß, dass es Hunderttausende von Jahren nur aus roher Energie bestand, bevor sich die Materie bilden konnte. Was auch immer geschah, es musste eine unergründliche Kraft entfesseln, da sich das Universum nach Milliarden von Jahren immer noch ausdehnt. Die Theorie, die er entwickelt hat, um zu erklären, was er gefunden hat, wird als Urknalltheorie bezeichnet.

Im Jahr 1931 schlug Lemaître in seinem „ hypothèse de l'atom primitif “ (Hypothese des Uratom) , dass das Universum mit der „Explosion“ des „Ur - begann Atom “ - was später den Urknall genannt wurde. Lemaître betrachtete zunächst kosmische Strahlung als Überbleibsel des Ereignisses, obwohl heute bekannt ist, dass sie aus der lokalen Galaxie stammt . Lemaitre musste bis kurz vor seinem Tod warten, um von der Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu erfahren , der Reststrahlung einer dichten und heißen Phase im frühen Universum.

Urknalltheorie vs. Steady-State-Theorie

Das Hubble-Gesetz hatte vorgeschlagen, dass sich das Universum ausdehnt, was dem kosmologischen Prinzip widerspricht, wonach das Universum, wenn es auf ausreichend großen Entfernungsskalen betrachtet wird, keine bevorzugten Richtungen oder bevorzugten Orte hat. Hubbles Idee ermöglichte es, zwei gegensätzliche Hypothesen aufzustellen. Einer war Lemaîtres Big Bang, der von George Gamow befürwortet und entwickelt wurde . Das andere Modell war Fred Hoyle ‚s Steady State Theorie , in denen neue Materie geschaffen werden würde , wie die Galaxien voneinander weg bewegt. In diesem Modell ist das Universum zu jedem Zeitpunkt ungefähr gleich. Es war eigentlich Hoyle, die den Namen Lemaître Theorie geprägt, die sich auf sie als „dieses‚big bang‘Idee“ während einer Radiosendung am 28. März 1949 auf der BBC Dritten Programm . Es wird allgemein berichtet, dass Hoyle, der ein alternatives kosmologisches „ Steady-State “-Modell befürwortete , dies als abwertend beabsichtigte, aber Hoyle bestritt dies ausdrücklich und sagte, es sei nur ein markantes Bild, das den Unterschied zwischen den beiden Modellen hervorheben soll. Hoyle wiederholte den Begriff Anfang 1950 in weiteren Sendungen im Rahmen einer Reihe von fünf Vorträgen mit dem Titel The Nature of The Universe . Der Text jedes Vortrags wurde eine Woche nach der Ausstrahlung in The Listener veröffentlicht , das erste Mal, dass der Begriff "Urknall" in gedruckter Form auftauchte. Als sich die Beweise für das Urknallmodell vermehrten und der Konsens weit verbreitet wurde, gab Hoyle selbst, wenn auch etwas widerstrebend, dies zu, indem er ein neues kosmologisches Modell formulierte, das andere Wissenschaftler später als "Steady Bang" bezeichneten.

1950 bis 1990er Jahre

Vergleich der Vorhersagen des Standard-Urknallmodells mit experimentellen Messungen. Das Leistungsspektrum der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlungsanisotropie ist als Winkelskala (oder Multipolmoment ) aufgetragen (oben).

Von etwa 1950 bis 1965 war die Unterstützung für diese Theorien gleichmäßig verteilt, mit einem leichten Ungleichgewicht aufgrund der Tatsache, dass die Urknalltheorie sowohl die Bildung als auch die beobachteten Häufigkeiten von Wasserstoff und Helium erklären konnte, während der stationäre Zustand erklären konnte, wie sie gebildet wurden, aber nicht, warum sie die beobachteten Häufigkeiten haben sollten. Allerdings begannen die Beobachtungen, die Idee zu unterstützen, dass sich das Universum aus einem heißen, dichten Zustand entwickelt hat. Es wurde beobachtet, dass Objekte wie Quasare und Radiogalaxien in großen Entfernungen (also in der fernen Vergangenheit) viel häufiger vorkommen als im nahen Universum, während der Steady State voraussagte, dass sich die durchschnittlichen Eigenschaften des Universums mit der Zeit nicht ändern sollten. Darüber hinaus galt die Entdeckung der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung im Jahr 1964 als Todesstoß des Steady State, obwohl diese Vorhersage nur qualitativ war und die genaue Temperatur des CMB nicht vorhersagen konnte. (Die wichtigste Urknallvorhersage ist das Schwarzkörperspektrum des CMB, das erst 1990 mit COBE mit hoher Genauigkeit gemessen wurde). Nach einigen Neuformulierungen gilt der Urknall als die beste Theorie über den Ursprung und die Entwicklung des Kosmos. Vor den späten 1960er Jahren dachten viele Kosmologen, dass die unendlich dichte und physikalisch paradoxe Singularität zu Beginn von Friedmanns kosmologischem Modell vermieden werden könnte, indem man ein Universum berücksichtigte, das sich vor dem Eintritt in den heißen dichten Zustand zusammenzog und sich wieder ausdehnte. Dies wurde als formalisierte Richard Tolman ‚s oszillierenden Universum . In den sechziger Jahren demonstrierten Stephen Hawking und andere, dass diese Idee nicht umsetzbar ist und die Singularität ein wesentliches Merkmal der durch Einsteins Gravitation beschriebenen Physik ist. Dies führte dazu, dass die Mehrheit der Kosmologen die Vorstellung akzeptierte, dass das Universum, wie es derzeit von der Physik der Allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird, ein endliches Alter hat. Aufgrund des Fehlens einer Theorie der Quantengravitation gibt es jedoch keine Möglichkeit zu sagen, ob die Singularität ein tatsächlicher Ursprungspunkt des Universums ist oder ob die physikalischen Prozesse, die das Regime bestimmen, dazu führen, dass das Universum tatsächlich ewigen Charakter hat.

In den 1970er und 1980er Jahren akzeptierten die meisten Kosmologen den Urknall, aber es blieben mehrere Rätsel, darunter die Nichtentdeckung von Anisotropien im CMB und gelegentliche Beobachtungen, die auf Abweichungen von einem Schwarzkörperspektrum hindeuteten; daher wurde die Theorie nicht sehr stark bestätigt.

ab 1990

Sehr große Fortschritte in der Big Bang - Kosmologie wurden in den 1990er Jahren und Anfang des 21. Jahrhunderts, als Folge der großen Fortschritte in der aus Teleskop - Technologie in Kombination mit großen Mengen von Satellitendaten, wie COBE , das Hubble Weltraumteleskop und WMAP .

Im Jahr 1990 zeigten Messungen des COBE- Satelliten, dass das Spektrum des CMB mit sehr hoher Genauigkeit einem schwarzen Körper von 2,725 K entspricht ; Abweichungen überschreiten nicht 2 Teile in100 000 . Dies zeigte, dass frühere Behauptungen über spektrale Abweichungen falsch waren und bewies im Wesentlichen, dass das Universum in der Vergangenheit heiß und dicht war, da kein anderer bekannter Mechanismus einen schwarzen Körper mit so hoher Genauigkeit erzeugen kann. Weitere Beobachtungen von COBE im Jahr 1992 entdeckten die sehr kleinen Anisotropien der CMB auf großen Skalen, ungefähr wie von Urknallmodellen mit Dunkler Materie vorhergesagt . Von da an wurden Modelle einer nicht standardmäßigen Kosmologie ohne irgendeine Form des Urknalls in den Mainstream-Astronomiezeitschriften sehr selten.

1998 zeigten Messungen entfernter Supernovae, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt, und dies wurde durch andere Beobachtungen einschließlich bodengestützter CMB-Beobachtungen und Rotverschiebungsdurchmusterungen großer Galaxien gestützt. In den Jahren 1999–2000 zeigten die ballongestützten CMB-Beobachtungen von Boomerang und Maxima, dass die Geometrie des Universums nahezu flach ist, dann schätzte die 2dFGRS -Rotverschiebungsdurchmusterung der Galaxie 2001 die mittlere Materiedichte auf etwa 25–30 Prozent der kritischen Dichte.

Von 2001 bis 2010 machte die WMAP-Sonde der NASA mit Hilfe der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung sehr detaillierte Bilder des Universums. Die Bilder können so interpretiert werden, dass das Universum 13,7 Milliarden Jahre alt ist (innerhalb eines Prozentfehlers) und dass das Lambda-CDM-Modell und die Inflationstheorie korrekt sind. Keine andere kosmologische Theorie kann bisher ein so breites Spektrum beobachteter Parameter erklären, vom Verhältnis der elementaren Häufigkeiten im frühen Universum über die Struktur des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, die beobachtete höhere Häufigkeit aktiver galaktischer Kerne im frühen Universum bis hin zu den beobachteten Massen von Galaxienhaufen .

In den Jahren 2013 und 2015 veröffentlichte die ESA- Raumsonde Planck noch detailliertere Bilder des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, die eine Übereinstimmung mit dem Lambda-CDM-Modell mit noch höherer Genauigkeit zeigten .

Ein Großteil der aktuellen Arbeiten in der Kosmologie umfasst das Verständnis der Galaxienbildung im Kontext des Urknalls, das Verständnis der Ereignisse in den frühesten Zeiten nach dem Urknall und die Vereinbarkeit von Beobachtungen mit der grundlegenden Theorie. Kosmologen berechnen weiterhin viele Parameter des Urknalls mit einer neuen Genauigkeit und führen detailliertere Beobachtungen durch, von denen erhofft wird, dass sie Hinweise auf die Natur der Dunklen Energie und der Dunklen Materie geben und die Allgemeine Relativitätstheorie an kosmische Waage.

Siehe auch

Verweise

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