Urknall

Den Beginn des Alls vor rund 13,8 Milliarden Jahren - und damit unserer heutigen materiellen Welt darf man sich nicht als eine Art Explosion in einem bereits bestehenden Raum vorgestellen. Der derzeitigen Vorstellung nach gab es vor dem Urknall weder Raum, Zeit noch Materie. All das wurde im Moment des Urknalls, gleichsam als Schöpfungsakt, neu geschaffen. Die Materie bzw. Energie entstand daher nach heutiger Auffassung aus dem "Nichts". Die Frage nach der Entstehung des Alls hat damit die gleiche philosophische, religiöse und weltanschauliche Brisanz wie die Frage nach der Entstehung und dem Sinn des Lebens bzw. nach der Existenz von Gott.

An dieser Stelle sollen aber philosophische und religiöse Aspekte unberücksichtigt bleiben. Wir wollen uns - aus sicherlich verständlichen Gründen - darauf beschränken, das derzeitige Wissen über die Entstehung und die Entwicklung des Alls auch für den Laien verständlich darzustellen. Es sei aber erwähnt, dass die hier dargestellten Entwicklung des Alls unter Astronomen, Physikern oder Astrophysikern nicht unumstritten ist. Das letzte Wort ist auf diesem spannnden Wissensgebiet sicherlich noch lange nicht gesprochen! Bei dem Versuchen am Large Hadron Collider (LHC) der internationalen Forschungseinrichtung CERN sollen Zustände, wie sie kurz nach dem Urknall bestanden, simuliert werden.

Urknall

Die Frage was vorher war, kann, zumindest zur Zeit, nur mit der Aussage "Es war Nichts" beantwortet werden und diese Aussage übersteigt eindeutig das Vorstellungsvermögen des Menschen
Die Entstehung von Raum, Zeit und Materie spielte sich, unseren Zeitmaßstab zugrunde gelegt, ab einer Zeit von etwa 10-43 Sekunden ab. Was zur Zeit "Null" war, ist nicht oder zumindest derzeit nicht zu beantworten. Im Folgenden wird die Entwicklung ab diesem Zeitpunkt bis zu einer Zeit von etwa 13,8 Milliarden Jahren, also der jetzigen Zeit, vorgestellt. Man schätzt, dass die Masse am Anfang rund 1094 g/cm3 = 1097 kg/m3 betrug, bei der unvorstellbaren Temperatur von 1032 Kelvin (K), wobei 0 K, der absolute Nullpunkt der Temperatur, also rund -273° C sind.
Die folgenden vier Basiskräfte waren am Beginn noch in einer Art Urkraft vereint. Bis sich als erste der Kräfte die Gravitationskraft sozusagen verselbstständigte und damit den Verlauf der Entwicklung des Ur-Universums entscheident mit beeinflusste:

  • Gravitationskraft
    die Gravitationskraft ist die Kraft, die alle Massen, egal wie groß oder klein sie auch sein mögen, aufeinader ausüben. Die Wirkung der allumfassenden Gravitationskraft soll Newton mit seinem berühmten fallenden Apfel anschaulich beschrieben haben.
  • Elektromagnetische Kraft
    diese Kraft spielt bei allen elektrischen und magnetischen Prozessen eine wichtige Rolle. Bekannt ist sicherlich jedem die Kraft, die zwei Ladungen aufeinander ausüben oder die Wirkung des Magnetfeldes der Erde auf eine Magnetnadel.
  • Kernkraft (starke Wechselwirkung)
    diese Kraft spielt beispielsweise im Atomkern zwischen den Neutronen und Protronen eine Rolle, sie hat daher eine Reichweite, die sich nur im atomaren Bereich bemerkbar macht bzw. wirsam ist.
  • Kraft der schwachen Wechselwirkung
    diese Kraft spielt nur bei dem so genannten Betazerfall, also dem Zerfall von Neutronen und Protonen, eine Rolle

Anfang und Ende

Der Beginn des Alls, ab der wir eine Aussage machen können, begann, wie erwähnt, etwa bei einer Zeit von etwa 10-43 Sekunden, also eins geteilt durch eine 1 mit 43 Nullen. Über alles, was voher geschah, lassen sich keine Aussagen machen. Der Urknall war aber keine Explosion, wie oben bereits erwähnt, sondern die Entstehung - wenn man will die Schöpfung - von Zeit, Raum und Energie bzw. Materie.
Die derzeitige Vorstellung der meisten Kosmologen neigt mittlerweile aufgrund der neuesten Erkenntnisse dazu, dass sich das All immer weiter ausdehnt. Aufgrund der so genannten "dunklen Energie" sogar immer schneller. Im Grenzfall wird sich dann die endliche Materie unseres Alls in einen unendlichen Raum ausdehnen und damit nach einer unendlichen Zeit praktisch verschwinden. Dabei ist interessant, dass Galaxien zusammen bleiben und sich die Sterne nicht voneinander entfernen.
Der Einfluss der dunklen Materie war am Anfang des Alls von Bedeutung, während mit zunehmendem Volumen des Alls die dunkle Energie als Volumenenergie immer einflussreicher wurde. Es ist nicht mit Sicherheit bekannt, woraus beide jeweils bestehen. Bei der dunklen Materie sind es möglicherweise bestimmte Arten von Neutrinos. Etwa 68%  des Alls besteht aus der dunklen Energie, 27% aus dunkler Materie und nur 5% aus bekannter Materie bzw. Energie. Es sei erwähnt, dass Energie und Materie nach Einstein verschiedene Formen Desselben sind und sich sowohl ineinander umrechnen lassen und sich ineinander umwandeln (können).

Das "inflationäre Universum"

Im Verlauf des "Alterns" nach dem Urknall begann die Temperatur der Masse bzw. Energie dieses "Ur-Universums" zu sinken und zwar nach einer Zeit von etwa 10- 36 Sekunden auf 1027 Kelvin. Außerdem erreichte dieses bereits als Universum bezeichnete Anfangsgebilde, mit einer ursprünglichen Größe weit unter dem eines Protons, in einer Zeitspanne zwischen 10- 35 und 10- 33 Sekunden eine makroskopische Größe von ca. 0,10 m bis zu 1 m. Der Begriff inflationäres Universum rührt daher, dass sich dieses Ur-Universum innerhalb der dargestellten, sehr kurzen Zeit extrem ausgedehnt hat und zwar um einen Faktor bis zu 1050.

Entstehung von Quarks

Nach mehr als 10-33 Sekunden war die Temperatur auf die nach heutigen Maßstab immer noch riesigen Wert von 1025 K abgesunken. Es bildeten sich Quarks und Anti-Quarks, die Bausteine der schweren Teilchen wie z. B. Neutronen und Protonen. Wegen dieser immer noch sehr hohen Temperatur und der extrem kurzen Abstände zwischen den entstandenen Teilchen konnten sich noch keine länger bestehenden oder sogar stabile Protonen oder Neutronen bilden. Es bildete sich ein so genanntes Quark-Gluon-Plasma.Die ebenfalls zu den schweren Teilchen gehörenden so genannten X-Bosonen zerfielen und wurden nicht mehr neu gebildet, da die Temperatur für eine Neubildung aus der bestehendenStrahlung nicht mehr hoch genug war.
Bei einer Zeit von 10-15 s konnte die Temperatur jedoch kurzzeitig so stark ansteigen, dass noch einmal schwere Teilchen wie die X-Bosonen entstehen konnten, die aber bald wieder zerfielen, da die Temperatur sehr schnell wieder abnahm.

Die vier Basiskräfte

Nach einer Zeit von rund 10-12 s war die Temperatur auf etwa 1016 K gesunken. Zu dieser Zeit hatten sich alle vier Basiskräfte (s. oben) aus der vorher bestehenden Urkraft als eigenständige Kräfte entwickelt. Allmählich begannen die heutigen Naturgesetze zu gelten.

Entstehung von Hadronen

Nach einer Zeit von 10-6, also einer Millionstel Sekunde, hatte sich das Universum auf eine Temperatur von 1013 K abgekühlt. Diese Temperatur war aber immer noch ungleich höher als beispielsweise die heutige Temperatur im Inneren von Sonnen. Bei diesen Bedingungen konnten Quarks nicht mehr als ungebundene Teilchen existieren. Sie bildeten Hadronen. Mit weiter abnehmender Temperatur wurden aber die schwereren Hadronen instabil und nur noch Protonen und Neutronen mit ihren Antiteilchen konnten durch ständige Neubildung weiter bestehen. Beim Zerfall von Protonen und Neutronen entstand eine große Zahl von Neutrinos (beim Zerfall des Protons) und Antineutrinos (beim Zerfall des Neutrons).

Hadronen
Unter Hadronen versteht man alle Teilchen, die sich aus Quarks zusammensetzen. Dies sind die Baryonen (schwere Teilchen) wie das Proton und Neuton sowie Mesonen (mittelschwere Teilchen) wie z. B. die μ-Mesonen oder π-Mesonen. Dabei setzen sich die Baryonen aus drei Quarks bzw. die Antibaryonen aus drei Antiquarks zusammen. Die Mesonen dagegen aus zwei Quarks - einem Quark und einem Antiquark.
Die drei Quarks, aus denen das Proton besteht sind 1 d (= down) und 2 u (= up) Quarks. Die Ruhemasse eines Protons beträgt rund 1,6726 · 10-27 kg bzw., in Energieeinheiten ausgedrückt, rund 938,271 998 MeV (Millionen Elektronenvolt)
Das Neutron besteht aus zwei d- und einem u-Quark, mit der etwas höheren Ruhemasse als das Proton von rund 1,6749 · 10-27 kg bzw. - in Energieeinheiten ausgedrückt - von rund 939,565330 MeV.

Leptonen

Nach einer Zeit von rund 10-4 Sekunden war die Temperatur weiter auf etwa 1012 K abgesunken. Aufgrund dieser immer noch extrem hohen Temperaturen fanden viele Stoßprozesse zwischen den Teilchen und insbesonders zwischen Protonen und Neutronen mit ihren Antiteilchen statt, was unter der Enstehung von Strahlung zur Vernichtung von Teilchen und Antiteilchen führte. Es kam jedoch zu einem Ungleichgewicht zwischen Teilchen und Antiteilchen von etwa 1 zu 1 Milliarde. Bei dem massiven Zerfall von Protonen und Neutronen hatten sich riesige Mengen an Leptonen wie das Neutrino und das Antineutrino gebildet. Während dieser Zeit sank die Dichte auf etwa 1013g/cm3 = 1016kg/m3, ein noch immer immens hoher Wert.
Nach einer Zeit von rund 1 Sekunde nach dem Urknall war die Temperatur weiter auf 1010 K gesunken. Das führte dazu, dass sich die beiden Antiteilchen, das Elektron und das Positron, ebenfalls in Vernichtungsstrahlung auflösten. Aber auch hier ergab sich eine gewisse Asymmetrie, sodass sich ein Überschuss von etwa 1 Milliardstel an Elektronen ergab.
Nach etwa einer Sekunde war damit die Bildung der Bausteine der Materie, aus der sich auch heute noch das gesamte All zusammensetzt, mehr oder weniger vollendet.
Es sei erwähnt, dass die Vernichtungsstrahlung von Positronen und Elektronen, z. B. in der Medizin bei der PET (Positronen-Emissions-Tomografie), Verwendung findet. Die Positronen entstammen dabei dem Zerfall von Radionukliden, in denen ein Proton in ein Neutron sowie ein Positron und Neutrino zerfällt. Derartige Strahler sind u. a. Sauerstoff 15 oder Fluor 18. Die Vernichtungsstrahlung beim Zusammentreffen von Positron und Elektron besteht aus zwei Gammastrahlen, die in einem Winkel von 180° zueinander und mit einer Energie von jeweils 511 keV davonfliegen und mittels Detektoren und der Elektronik des PET-Geräts gemessen werden

Bildung von schweren Atomen

Etwa 10 Sekunden nach der fiktiven Zeit Null hatte sich eine Temperatur von etwa 109 K, also 1 Milliarde Kelvin eingestellt. Diese Temperatur führte zur Fusion (Kernfusion), also der Vereinigung von Protonen und Neutronen zu Atomkernen. Diese wiederum bildeten durch weitere Fusionsprozesse Helium-4-Atomkerne, Deuterium (mittelschwerer Wasserstoff) sowie Spuren von Helium-3-, Lithium-, und Beryllium-Atomkernen. Etwa 75% der zu diesem Zeitpunkt existierenden Teilchen bildeten Protonen.
In den ältesten Sternen im Kosmos findet sich heute noch genau diese Zusammensetzung. Etwa nach fünf Minuten hatten die Dichte der Materie und ihre Temperatur soweit abgenommen, dass die Entstehung von "schweren" Atomkernen zum Erliegen kam.
Wichtig ist es, darauf hinzuweisen, dass die Temperatur noch immer so hoch war, dass die Materie als Plasma vorlag. Unter einem Plasma versteht man Materie aus freien Atomkernenund Elektronen. Außerdem gab es in diesem Frühuniversum noch einen hohen Anteil an Strahlungsenergie.
Nach Einsteins berühmter Gleichung E = m · c2, kann sich Materie in Strahlung und Strahlung in Materie verwandeln. Der erste Prozess ist bei der Vernichtung von Antiteilchen und Teilchen in Strahlung bekannt (z. B. Elektron und Positron). Der zweite Prozess entsteht z. B. bei der so genannten Paarbildung. In diesem Fall verwandelt sich Gammastrahlung mit einer Energie von mehr als 1.22 MeV in der Nähe eines Atomkerns in ein Elektron und sein Antiteilchen, das Positron.
Der Anteil der Strahlungsenergie des Universums nahm infolge der ständigen Temperaturabnahme allmählich ab, u. a. dadurch, dass sich Strahlung in Materie umwandelte. Nach ca. 10.000 Jahren hatte der Materieanteil den Strahlungsanteil an der gesamten vorhandenen Energie überflügelt.

Hintergrundstrahlung

Nach einer Zeit von ca. 400.000 Jahren hatte sich das Universum auf etwa 3.000 Kelvin abgekühlt, also auf Teperaturen, die geringer waren als sie z. B. auf der Oberfläche unserer Sonne mit ca. 8.000 K herrschen. Jetzt konnten sich stabile Atome bilden, also Atomkerne mit ihren Elektronen in der Hülle. Da die Wechselwirkung von Photonen, also Licht mit den existierenden Atomen, sehr viel geringer war als vorher die mit den Teilchen des Plasmas, konnte sich Licht neben anderer elektromagnetischer Strahlung wesentlich ungestörter ausbreiten. Ein damals lebender Beobachter hätte das All als "durchsichtig" erlebt, was es vorher nicht war.
Im Laufe der weiteren Expansion nahm die Wellenlänge der Hintergrundstrahlung, bedingt durch die Rotverschiebung, zu. Sie ist als Hintergrund-Strahlung bekannt und noch heute messbar. Diese Strahlung hat eine Energie, die einer Temperatur von 2,73 K entspricht. Von der intensiven Erforschung dieser Strahlung stammen zahlreiche Erkenntnisse über die Entstehung unseres Alls.
Die so genannte Rotverschiebung entsteht dadurch, dass sich die Frequenz (f) und damit die Wellenlänge (λ) von Objekten, die sich von uns entfernen verändern; und zwar so, dass die Frequenz abnimmt und die Wellenlänge nach der Gleichung c = f · λ entsprechend zunimmt. Das c in der Gleichung steht für die Lichtgeschwindigkeit ( im Vakuum = 299.792,5 km/s)

Sternentstehung, Galaxien

Sehr vereinfacht dargestellt enstanden die Sterne aus interstellaren Gasen (Staub), die sich unter dem Einfluss der Schwerkraft stark verdichteten und dann zu Sonnen bzw. Sternen wurden. Der Prozess der Entstehung von Sternen findet auch heute noch statt. Die Ursache dafür ist, dass Sterne nach ihrem "Tod", der in Abhängigkeit von ihrer Masse sie zu Roten, Riesen, Supernovae, Neutronensternen oder Schwarzen Löchern werden lässt. Dabei werden ungeheure Energien frei, die zur Bildung von Atomen mit einer höheren Ordnungszahl, wie z.B. Eisen führen kann.  Außerdem führen die abgesprengten Gas- und Staubwolken in denen sich derartige Elemente befinden zur Bildung neuer Sterne.
Galaxien sind die größten Objekte im All. Die bekannteste Galaxie ist ohne Zweifel unsere Milchstraße, die zu den Spiralgalaxien gerechnet wird. Eine weitere bekannte Galaxie ist die Andromedagalaxie, die rund 2 Mio. Lichtjahre von uns entfernt ist.  Andromeda wird in einigen Milliarden Jahren mit unserer Milchstraße kollidieren. Die Galaxien entstanden aus kleineren Sternzusammenballungen, die sich über die Zeit zu immer größeren Einheiten zusammenschlossen. Näheres zu den Galaxien finden Sie unter Galaxien und Schwarze Löcher

Unser Sonnensystem

Vor etwa 5 Milliarden Jahren begann sich am Rande unserer Galaxi eine Gas- bzw. Staubwolke, die mit Material aus Supernovaexplosionen vermischt war zu verdichten. Hieraus bildete sich unser Sonnensystem. Unsere Erde gibt es etwa seit 4,5 Milliarden Jahren, die Sonne seit etwa 5 Milliarden Jahren. 
Die Temperatur im Inneren der Sonne von ca. 16 Mio. Grad reicht über Fusionsprozesse nur für die Erzeugung von Helium aus Wasserstoff aus. Aufgrund der Frauenhofer-Linien aber lässt sich beweisen, dass aber auch Elemente mit einer höheren Ordnungszahl in der Sonne vorhanden sind. So benötigt man z.B. zur Erzeugung von Eisen Temperaturen von mehreren Milliarden Grad.

Dieser "scheinbare" Widerspruch lässt sich dadurch erklären, dass diese Substanzen in Roten Riesen, Supernovae oder zuzammenstoßenden Neutronensternen entstanden sind und von dort in die Weiten des Alls geschleudert wurden. Die Sonne und ihre Planeten entstanden bekanntlich aus interstellarem Gas- und Staubwolken - und damit konnten die erwähnten Elemente einschließlich des Golds von außen in die Sonne und ihre Planeten kommen. Die Temperaturen zweier zusammen stoßender Neutronensterne erreicht z.B. den unvorstellbaren Wert von etwa 1 Billion Grad - auf diese Weise konnte auch Gold entstehen.
Eine detaillierte Darstellung finden Sie unter