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Kosmologie

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Die Kosmologie (griechisch κοσμολογία – die Lehre der Welt) beschäftigt sich mit dem Ursprung und der Entwicklung des Universums (Kosmos) als Ganzem und ist damit ein Teilgebiet der Philosophie und der Physik.

Die physikalische Kosmologie versucht, das Universum mittels physikalischer Gesetzmäßigkeiten zu beschreiben. Dabei ist besonders die heute beobachtete, ungleichmäßige Verteilung der Galaxien im Universum zu verstehen. Haufenbildung mit großen Leerräumen (Voids) dazwischen führt dazu, dass man von einem "klumpigen" Universum spricht. Die größte bisher entdeckte Struktur, die Große Mauer, ist ca. 500 Mio. Lichtjahre lang.

Weiterhin muss eine umfassende Kosmologie die Kosmische Hintergrundstrahlung, die Expansion des Universums und die Häufigkeit der Elemente im Universum zusammenfassend beschreiben.

Standardmodell

Das Standardmodell der Kosmologie ist die heute anerkannte kosmologische Theorie, die viele beobachtete Phänomene zufriedenstellend beschreibt. Darin wird von einem sehr heißen und dichten Frühzustand des Universums (Urknall, englisch Big Bang) ausgegangen. Das Modell bestätigt die folgenden drei Beobachtungen:

  1. Häufigkeit der Elemente: In der primordialen Nukleosynthese (englisch Big Bang Nucleosynthesis) kurz nach dem Urknall (10-2 s) war das Universum so heiß, dass Materie in Quarks und Gluonen aufgelöst war. Durch die Expansion und Abkühlung des Universums entstanden Protonen und Neutronen. Nach ca. 1 Sekunde verschmolzen aus Protonen und Neutronen die Kerne leichter Elemente (Deuterium, 3He, 4He, 7Li). Der Prozess endet nach etwa 3 min. Es wurden also die relativen Häufigkeiten der Elemente vor der Bildung der ersten Sterne festgelegt.
  2. Kosmische Hintergrundstrahlung (engl. cosmic microwave background radiation CMBR): 1946 von George Gamow postuliert, wurde sie 1964 durch Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson entdeckt - mit einer mittleren Temperatur von 2,73 Kelvin. Die Hintergrundstrahlung stammt aus der Zeit ca. 300.000 Jahre nach dem Urknall als das Universum etwa 1/1000 seiner heutigen Größe hatte. Das ist auch der Zeitpunkt an dem das Weltall transparent wurde, vorher bestand es aus undurchsichtigem ionisiertem Gas. Messungen durch COBE, BALOON, MAP.
  3. Expansion des Universums: Edwin Hubble konnte 1929 die Expansion des Weltalls nachweisen, da Galaxien mit wachsender Entfernung eine zunehmende Rotverschiebung in den Spektrallinien zeigen (Dopplereffekt). Proportionalitätsfaktor ist die Hubble-Konstante H, deren Wert bei 71 (+/-4) km/s Mpc-1 angenommen wird (Stand 2004). H ist eigentlich keine Konstante, sondern verändert sich mit der Zeit - invers proportional zum Alter des Universums. Wir stehen auch nicht im Mittelpunkt der Expansion - der Raum selbst dehnt sich überall gleichmäßig aus (isotropes Universum). Durch Zurückrechnen der Expansion kann man das Alter des Universums (Hubble-Zeit) bestimmen: Ist die Hubble-Konstante korrekt, so liegt es bei etwa 13,7 Milliarden Jahren. Auch aufgrund der bisher von der Sonde MAP gewonnenen Daten geht man inzwischen von einem offenen, also beschleunigt expandierenden Universum mit einem Alter von 13,7 Mrd. Jahren aus.

Die einzelnen Phasen der Expansion sind unter Urknall beschrieben. Nach dem Standardmodell der Kosmologie ergibt sich grob folgender Ablauf:

Wichtige Instrumente zur Erforschung des Universums werden heute von Satelliten und Raumsonden getragen: Das Hubble-Weltraumteleskop, ROSAT, Hipparcos und MAP.

Nichtstandardmodell

Die Steady-State-Theorie (Gleichgewichtstheorie) wurde 1949 durch Fred Hoyle, Thomas Gold und anderen als Alternative zur Urknall-Theorie entwickelt. Während den 1950er und 1960er Jahren wurde diese Theorie von den meisten Kosmologen als führende Theorie akzeptiert. Die Zahl der Anhänger ging später zurück und heutzutage wird sie als 'Nicht-Standard-Theorie' betrachtet. Eine davon abgeleitete Variante davon ist die 'Quasi-steady-state-Theorie', die von mehreren kleineren 'Urknallen' ausgeht, die während einer bestimmten Zeit eingetreten seien.

Die 'Steady-State-Theorie' wurde aufgrund von Berechnungen postuliert, die zeigten, dass ein statisches Universum unmöglich unter der Annahme der allgemeinen Relativitätstheorie ist. Zudem zeigten Beobachtungen von Edwin Hubble, dass das Universum expandiert. Die Theorie postuliert nun, dass das Universum sein Aussehen nicht ändert, obwohl es größer wird. Damit dies klappt, muss Materie neu gebildet werden, um die durchschnittliche Dichte gleich zu halten. Da die Menge der neu zu bildenden Materie klein ist (nur einige hundert Wasserstoffatome pro Jahr in der Milchstraße), ist es kein Problem, dass die Neubildung von Materie nicht direkt beobachtet werden kann. Obwohl diese Theorie das Postulat verletzt, dass die Menge der Materie konstant bleibt, hatte sie einige attraktive Eigenschaften. Die wohl herausstechenste war, dass es unter dieser Theorie nicht nötig ist, dass das Universum einen Anfang hat.

Schwierigkeiten, diese Theorie weiter aufrechtzuerhalten, begannen in den späteren 60er Jahren. Beobachtungen zeigten, dass sich das Universum in der Tat ändert: Quasare und Radiogalaxien (radio galaxies) wurden nur in weit entfernten Galaxien gefunden. Halton Arp interpretierte die vorliegenden Daten seit den 1960er Jahren anders und gab an, dass es Quasare auch im nahe liegenden Virgo cluster gäbe.

Der Niedergang der Steady-State-Theorie wurde beschleunigt durch die Entdeckung der kosmischen Hintergrundstrahlung, welche von der Urknall-Theorie vorausgesagt worden war.

Im Jahr 2004 wird die Urknalltheorie von der Mehrheit der Astronomen akzeptiert als beste Annäherung an eine Beschreibung des Ursprungs des Universums. In den meisten Publikationen über Astrophysik wird sie implizit vorausgesetzt. Gleichzeitig jedoch - nach der unerwarteten Beobachtung eines sich beschleunigt ausbreitenden Universums in den späten 1990er Jahren - sind Anstrengungen im Gange, eine 'Quasi-steady-state-Theorie' zu entwickeln. In dieser wird die Materie nicht mit einem großen Urknall, sondern mit einer Folge von mehreren kleineren erschaffen.

Geschichte der Kosmologie

Anfänge und Ptolemäisches Weltbild

Erste Aufzeichnungen von mythischen Kosmologien sind aus China (I Ging, Buch der Wandlungen, das in seinen Ursprüngen möglicherweiseaus bis ins 3. Jahrtausend vor Chr. zurückgeht), aus Babylon (Enuma Elish) und der vorionischen Zeit (Theogonie des Hesiod) bekannt. Die babylonischen Mythen - welche vermutlich auf ältere sumerische Mythen zurückgehen und ihrerseits wieder Vorlage für die biblische Genesis sein dürften - und Himmelsbeobachtungen haben wahrscheinlich auch die spätere griechischen kosmologischen Weltentwürfe beeinflusst und sind damit Ausgangspunkt der abendländischen bzw. der heutigen wissenschaftlichen Kosmologie.

Während die frühen Kosmologien noch weitgehend mythischen Charakter hatten, began bei den griechschen Denkern Thales von Milet, vor allem aber bei Anaximander (6. Jhd. v. Chr.), der Prozess der Rationalisierung. Waren frühere mythologische Kosmologien rein beschreibend, ohne nach kausalen Zusammenhängen zu suchen, so entwarf Anaximander erstmals ein rationales Weltbild welches auf gesetzesmäßigen kausalen Zusammenhängen basierte, und in dem die Himmelobjekte keine Götter mehr waren, sondern physikalischer Natur. In die gleiche Richtung gingen die kosmologischen Entwürfe der Atomisten Demokrit, Anaxagoras.

Eine weitere wichtige Entwicklung war das erste historisch überlieferte System, in dem die Erde nicht im Zentrum stand und von kugelförmiger Gestalt war, das von Philolaos, einem Schüler von Pythagoras, im 5./4. Jhd. entworfen wurde.

Im Gegensatz dazu bedeutete die Kosmologie, die Platon (5/4.Jhd.v.Chr.) im Timaios entwarf, wieder einen Schritt zurück zu mythologischen Vorstellungen, indem er die Himmelsobjekte wieder als von personalen, mit Verstand ausgerüsteten göttliche Wesen annahm. Die Erde war in Platons Vorstellung eine Kugel, die seiner Vorstellung nach im Zentrum des Kosmos ruhte. Zwar drängte Platons Schüler Aristoteles in seiner Kosmologie die Auffassung Platons von der göttlichen Natur der Himmelsobjekte wieder zurück, ohne jedoch ganz zu einer rationalen Kosmologie zurückzukehren. Die Planeten und die Sonne selbst waren bei ihm keine göttlichen Wesen, deren Bewegungen wurden jedoch von einem "ersten unbewegten Beweger" hervorgerufen.

Eudoxos von Knidos entwarft Anfang des 4. Jahrhunderts ein Sphärenmodell, das von Kallippos weiterentwickelt wurde und erstmals die retrograden Schleifenbewegungen der Planeten beschreiben konnte und das sowohl Aristoteles als auch das Ptolemaische Weltbild beeinflussten. Messungen von Eratosthenes, der im 3. Jahrhundert v. Chr. den Umfang der Erde mit guter Genauigkeit bestimmte, und auch von Aristyllus und Timocharis zeigten jedoch Abweichungen der Planetenbewegungen von den nach Eudoxos' Methode berechneten Positionen. Apollonios von Perge entwickelte im 3. Jahrhundert v. Chr. eine Methode der Berechnung von Planetenbahnen mithilfe von Epizykeln, d.h. er ließ Kreisbewegungen der Planeten zu, deren Mittelpunkt selbst wieder auf einer Kreisbahn lag.

Neben den Pythagoreern, die ihre Kosmologie mit bewegter Erde weiterentwickelten, vertrat Heraklides (4. Jhd. v. Chr.) ein zwar geozenrisches Weltbild, gemäß dem sich die Erde aber erstmals in 24 Stunden einmal um die Achse drehte. Aristarch von Samos (3/2 Jhd.v.Chr) vertrat ein heliozentrisches Weltmodell, das sich allerdings nicht durchsetzen konnte, und weswegen er der Gottlosigkeit beschuldigt wurde.

Ptolemäus (2. Jhd. n. Chr.) beschrieb im Almagest, einem sehr umfangreichen Werk welches das Wissen seiner Zeit zusammenfasste, eine geozentrische Kosmologie, welche mit den meisten Beobachtungen seiner Zeit in Einklang zu bringen war und bis zur Durchsetzung des Kopernikanischen Weltbildes allgemein anerkannt wurde.

Die Kopernikanische Wende

Bereits im 15. Jahrhundert wurden durch Nikolaus von Kues (1401 - 1464) wichtige Gedanken der späteren Kosmologie vorweggenommen und das Ptolemäische Weltbild in Frage gestellt, indem er die Vorstellung eines begrenzten Universums, in dessen Mittelpunkt sich unbeweglich die Erde befindet, verwarf. Im Gegensatz dazu war das von Kopernikus 1543 in seiner Schrift "De revolutionibus orbium caelestium" beschriebene Universum endlich und durch eine materielle Fixsternsphäre begrenzt. Diese war allerdings nach Kopernikus Vorstellungen sehr gross, um das Fehlen einer Fixsternparallaxen zu erklären. Wichtig an dem kopernikanischen System war der Verlust der Sonderstellung der Erde und die Einführung eines heliozentrischen Weltalls mit kreisförmigen Bahnen der Planeten um die Sonne. Erst Thomas Digges (1576, A Perfit Description of the Caelestiall Orbes) vertrat ein modifiziertes Kopernikanische Weltbild ohne materielle Fixsternsphäre mit unendlichem euklidischen Raum. Auch von Giordano Bruno (1548 - 1600) wurde ein unendliches Universum mit unendlich vielen Sonnen und Planeten postuliert, in dem die beobachteten Fixsterne ferne Sonnen sind. Für diese Lehre wurde er letztlich als Ketzer verurteilt und auf dem Scheiterhaufen hingerichtet.

Weitere wichtige Gründe für die Abkehr vom Ptolemäischen Weltbild waren die von Tycho Brahe beobachtete Supernova von 1572 und sein Nachweis, dass ein 1577 beobachteter Komet sich ausserhalb der Mondbahn befand, womit der Himmel nicht, wie von Aristoteles beschrieben, unveränderlich war. Tycho Brahe steigerte die Präzision der Planetenbeobachtung erheblich. Sein Schüler Kepler erkannte nach dessen Tod bei der Auswertung der Beobachtungsdaten, dass die Planetenbahnen nicht, wie von Kopernikus angenommen, kreisförmig sondern elliptisch sind. Er formuliert die Gesetze für die Planetenbewegung, die heute als die keplerschen Gesetze bezeichnet werden. Kepler versuchte die Planetenbewegung durch eine magnetische Kraft zu erklären. Obwohl nicht erfolgreich wandte er sich damit einem mechanistischem Bild der Planetenbewegung zu, in dem die Planeten nicht mehr wie bei Ptolemäus beseelt waren. Allerdings glaubte Kepler noch an ein endliches Universum und versuchte dies durch Argumente zu zeigen die später als olberssches Paradoxon bekannt wurden. Gestützt wurde das Kopernikanische System auch durch Galileis Entdeckung der Jupitermonde, der Beobachtung der Mondoberfläche und seines Nachweis, dass Fixsterne scheinbar punktförmig sind.

Durch Isaac Newton (1687, Philosophiae naturalis principia mathematica) wurde erstmals in seiner Gravitationstheorie Kosmologie und Mechanik verknüpft. Dadurch brachte Newton eine Physik in die Kosmologie, in der gleiche Gesetze für himmlische (Planetenbewegung) und irdische Bereiche (Schwerkraft) galten. Erst durch die Newtonsche Mechanik wurde das Kopernikanische System gegenüber dem Ptolemäischen System ausgezeichnet, da der gemeinsame Schwerpunkt zwar nicht exakt im Mittelpunkt der Sonne liegt, aber doch innerhalb der Sonne. Ein wichtiger Schritt für diese Entwicklung war die vorausgegange Entwicklung der Mechanik, insbesondere des Trägheitsbegriffes (Galilei, Descartes).

Thomas Wright of Durham hielt die Sonne nicht für Mittelpunkt des Weltalls, sondern als einen Fixstern unter vielen, wies die Annahme einer homogenen Sternverteilung zurück, und identifizierte die Milchstraße als aus Einzelsternen bestehende Scheibe in deren Ebene sich die Sonne befindet. Auch betrachtete er die von Astronomen beobachteten Nebel als andere Galaxien. Kant (1755, Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels) entwickelte nicht nur eine Kosmologie ähnlich der von Thomas Wright, sondern auch eine Kosmogonie, in der eine anfangs chaotisch verteilte Materie sich unter Gravitationswirkung zu den beobachteten Himmelskörpern zusammenballt. Ein ähnliches Entwicklungschema wurde von Laplace entwickelt. Auch der Astronom Herschel versuchte durch Klassifizierung der Sterne und Galaxien ein chronologisches Entwicklungschema abzuleiten.

Die Annahme eines im Wesentlichen homogenen und isotropen Kosmos wurde später zu Ehren Kopernikus "Kopernikanisches Prinzip" genannt.

Anthropisches Prinzip

Theoretisch gäbe es eine Vielzahl möglicher Theorien der Kosmologie. Das anthropische Prinzip sagt aus, dass eine Theorie nicht dazu in Widerspruch stehen darf, dass heute intelligentes menschliches Leben existiert. Sie muss die entsprechenden Entwicklungsbedingungen und Lebensbedingungen gewährleisten, sonst ist sie falsch.

Siehe auch

Liste bedeutender Kosmologen, Portal Physik, Dunkle Energie, Dunkle Materie, Kosmologisches Prinzip

Literatur

  • Bernulf Kanitscheider: Kosmologie, Geschichte und Systematik in philosophischer Perspektive. Reclam, 1984
  • Wolfgang Stegmüller: Hauptströmungen der Gegenwartsphilosophie, Band III Kapitel 1 (Evolution des Kosmos), Kröner 1987
  • Alfons Lehmen: Lehrbuch der Philosophie auf aristotelisch-scholastischer Grundlage, Band II, erster Teil (Kosmologie), fünfte Auflage 1920
  • Steven Weinberg: Die ersten drei Minuten. Piper, München 1977
  • Albrecht Unsöld, Bodo Baschek: Der neue Kosmos, Springer-Verlag, ISBN 3-540-42177-7
  • Erwin Kohaut, Walter Weiss: "Universum und Bewusstsein. Philosophisch-physikalische Gedanken zur Welt", EDITION VA BENE, ISBN 3-85167-147-3
  • Gerhard Börner, Matthias Bartelmann: Astronomen entziffern das Buch der Schöpfung. Physik in unserer Zeit 33(3), S. 114 - 120 (2002), ISSN 0031-9252
  • Gabriele Veneziano: Die Zeit vor dem Urknall. Spektrum der Wissenschaft, August 2004, S. 30 - 39, ISSN 0170-2971
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