Selbststrukturierung der stofflichen Materie
( siehe hierzu auch die Website: Kosmologie und Weltmodelle)
Massenanteile:
| Wasserstoff | 77% |
| Helium | 22% |
| Sauerstoff | 0,8% |
| Eisen | 0,1% |
| übrige | 0.1% |
Alter: 15 Mrd. Jahre (10 Mrd.<T<23 Mrd.), nach neuesten Angaben 13,7 Mrd. Jahre
Dichten :
Weltmodell nach Wheeler (1991):
Das bedeutet: Die Ausdehnung des Weltalls erfolgte anfangs mit Überlichtgeschwindigkeit. Dies ist kein Widerspruch zur Relativitätstheorie, da es sich bei diesem Vorgang nicht um Transportvorgänge im Weltall, sondern um eine Ausdehnung, Streckung und Entkrümmung des gesamten Kosmos handelt.
(nach derzeit gültigen Hypothesen)
Vakuum t < 10-43 s (Planckzeit)
Die Quantenfluktuation des Vakuums erzeugt auf der Basis der Unschärferelation des Produktes Energie mal Zeit im Gebiet mit der räumlichen Ausdehnung einer Plancklänge 10^(-35) m Energiequanten mit 10^19 GeV --> T = 5.10^31 K (Planck-Temperatur in Kelvin)
Für kleinere Zeiten wird die durch die Ausdehnungsrate bedingte kleinere Größe des Universums kleiner als die aus Strahlungstemperatur und Kreisfrequenz der Strahlungsquanten resultierende Quantenwellenlänge. Für kleinere Zeiten können also solche Energiequanten nicht existiert haben. (ihre Energiefluktuationen hätten noch größer sein müssen)
In dieser Anfangsphase ist die Energie des Universums in einem hypothetischen Higgsfeld konzentriert, das auch als "falsches Vakuum" bezeichnet wird. Das Higgsfeld besitzt im Zustand des falschen Vakuums eine konstante Energiedichte und deshalb einen negativen Druck und eine daraus abzuleitende negative Gravitation.
Inflationäre Expansion t < 10^(-32) s, T= 10^28 K (Hypothese von Alan Guth seit 1980)
Die negative Gravitation des falschen Vakuums beschleunigte die Expansion des Universums exponentiell, wobei mit konstantbleibender Energiedichte des Higgsfeldes die Gesamtenergie des Higgsfeldes stark anwuchs und parallel dazu sich in dem anwachsenden Volumen ein normales Gravitationsfeld mit negativer Gravitationsenergie aufbaute, so dass die Summe der Energien Null blieb. Die Beschleunigung dauerte bis zu dem Moment an, in dem durch eine Art Tunneleffekt das falsche Vakuum die Energieschwelle zum echten Vakuum an einer Stelle durchbrach. Infolge der dabei freigesetzten Energie des Higgsfeldes breitet sich dieser Übergang in einer mit nahezu Lichtgeschwindigkeit sich ausdehnenden Blase im gesamten sichtbaren Universum aus, wobei am Rande der Blase die aus dem Higgsfeld freiwerdende Energie sich in das Teilchengemisch der Urmaterie (Quarks, Elektronen, Neutrinos, Photonen, Gluonen, X(W und Z)-Partikel, Gravitonen) verwandelt und das gesamte sichtbare Universum innerhalb der Blase nahezu homogen ausfüllt. Dieser Prozess der Materiebildung dauert noch heute am Rande der Blase an, die Gravitation innerhalb der Blase aber wird positiv und beschleunigt die Expansion des Universums nicht mehr, sondern bremst diese. Da die ursprüngliche Beschleunigung der Expansion proportional zur Energiedichte des Higgsfeldes erfolgte, stimmt die Materiedichte des Universums genau mit der Massendichte überein, bei der das Universum als ganzes flach und nicht gekrümmt ist und ein späterer Gravitationskollaps gerade nicht erfolgt (kritische Massendichte). Außerhalb der Blase verbleibt das falsche Vakuum im Zustand exponentieller Ausdehnung, bis erneut irgendwo ein Tunneleffekt eintritt und ein weiteres Universum gebildet werden kann, das jedoch für immer ganz außerhalb der Sichtweite "unseres" Universums verbleibt. Bildung und Ausdehnung von weiteren Quantenfluktuationen und Entstehung bzw. Abspaltung weiterer paralleler Universen mit abweichenden Eigenschaften sind möglich.
Bei Annahme beschleunigter Ausdehnung ist jedoch deren Dauer nicht bekannt, der Beginn der Ausdehnung und damit der Zeitpunkt Null ist unbestimmt. Der theoretische Verlauf der Inflation hängt von den zugrundegelegten Teilchentheorien ab und wird z.Zt. noch sehr unterschiedlich angegeben.
Nach Bojowalds Theorie der Schleifen-Quantengravitation erzeugen quantentheoretische Abstoßungskräfte der Raumzeit-Elemente eine negative Gravitation und sind damit Ursache der inflationären Ausdehnung des frühen Weltalls.
Nach Greene dehnte sich das Universum im Zeitraum von 10^-36 s bis 10^-34 s um den Faktor 10^30 aus.
Zur Zeit t = 10^(-35) s beträgt der Weltradius nach Barrow (1994) 3mm. Innerhalb dieser Zeitspanne ist die Reichweite der Photonen aber nicht größer als 3.10^(-25)cm. Die Welt müßte zu diesem Zeitpunkt also aus kausal entkoppelten Gebieten bestehen, in denen Mono-Pole existieren, weil die Felder sich zwischen den Teilgebieten nicht ausrichten konnten. Bei der weiteren Expansion nach dem Urknallmodell würde das aber zu einem inhomogenen Universum führen. Empirisch gesichert ist die Homogenität des Universums jedoch bis zum sichtbaren Horizont. Dieser Widerspruch wird durch die Annahme der inflationären Expansion gelöst. Der heute sichtbare Teil des Universums ist durch die inflationäre Ausdehnung des zum Zeitpunkt t = 10^(-35) s homogenisierten Teiles von 3.10^(-25)cm Durchmesser auf 3mm Durchmesser entstanden.
Nach Alan Guth ist der Radius des gesamten Universums um den Faktor 10^23 größer als der sichtbare Teil, seine Abschätzung dazu enthält jedoch Widersprüche und ist für mich nicht nachvollziehbar.
Differenzierung der 4 Urkräfte
Oberhalb 10^28 K bilden die 3 letzteren noch eine einheitliche Kraft, unterhalb differenziert sich die starke Kraft von der elektro-schwachen Kraft
Dauer und Geschwindigkeit der Inflation bestimmen die Stärke der Urkräfte, bei T= 10^27 K, Wheeler'scher Weltradius = 0,1 m , ist der Prozeß abgeschlossen, nach Alan Guth beträgt der Weltradius dann bereits 10^22 m oder 10^6 Lichtjahre.
Die zur widerspruchsfreien Erklärung dieser Prozesse erforderliche Vereinigung der Quantentheorie mit der relativistischen Gravitationstheorie ist jedoch noch nicht gelungen. Erste Ansätze versucht die Superstringtheorie.
Quarks-Photonen-Gas t < 10^(-11) s
Adiabatische Ausdehnung der Welt bei Absinken der Temperatur auf T --> 10^16 K = 1000 GeV
Ab hier beginnt die irdische Physik der Teilchenbeschleuniger und die schwache Kraft differenziert sich von der elektromagnetischen
Quarks-Annihilation t < 10^(-6) s
Weitere adiabatische Ausdehnung bis T --> 10^13 K = 1 GeV
Verschwinden der Anti-Quarks durch Vereinigung mit Quarks
Multiquarkskondensation zu billardkugelgroßen Klumpen dunkler Materie mit 10^9 bis 10^16 g Gewicht. (resultierend aus der Eigenschaft der (starken) Farbkraft, mit zunehmendem Abstand zuzunehmen)
Dominanz der Materie gegen über der Antimaterie
Nukleonenbildung t < 10^(-3) s bei 100 MeV
(je 3 Quarks vereinigen sich zu einem nach außen farbneutralen Verband)
- Nukleonendichte 10^27/cm^3 ~(1000 g/cm^3)
- Teilchendichte 10^36/cm^3 (Elektronen, Positronen, Photonen, Neutrinos)
- Energiedichte durch Photonen bestimmt
- Massendichte 10^5 g/cm3 ?
- sichtbarer Weltradius 10^11 km,~ 0.01 Lichtjahr ?
Neutrino-Abkopplung t < 1 s, T --> 10^10 K = 1 MeV
ab etwa hier beginnt die überprüfbare irdische Kernphysik und Thermodynamik
- Photonendichte 10^30 cm-3
- Neutrinodichte 10^30 cm-3
- Nukleonendichte 10^21 cm-3 (Gas, etwa 1mg/cm^3)
- sichtbarer Weltradius ~ 1 Lichtjahr?
Brechung der Neutronen - Protonen- und der Elektronen - Positronen – Symmetrie, t < 100 s, T ---> 10^9 K
- Verwandlung von 50% der Neutronen in Protonen
- Annihilation der Positronen
- neutrales Plasma aus 75%Protonen, 25%Neutronen, Elektronen und Photonen
- abgekoppelter See der Neutrinos
Kernsynthese t < 10 000 s = 3 STD
Bei Temperaturen (T >= 10^8 K) und Drücken wie in einem riesigen Stern Bildung von Deuterium, Helium- und Lithiumkernen, bis durch weitere adiabatische Expansion und Abkühlung keine Kernfusion mehr möglich ist. Das heute gemessene Häufigkeitsverhältnis zwischen Wasserstoff, Deuterium, Helium und Lithium konnte sich nur bilden, wenn es nicht mehr als 3 Neutrinoarten gibt und die heutige Nukleonendichte zwischen 2 und 5.10^(-31) g/cm^3 liegt.
Selbststrukturierung der stofflichen Materie
Nach dem Standardmodell des Urknalls betrug zum Zeitpunkt t=100000 Jahre die Temperatur 5800 K und die Massendichte 10^(-19)g/cm^3. Die Strahlungsenergie der Photonen befand sich im thermodynamischen Gleichgewicht mit den stofflichen Bestandteilen des Universums.
Atombildung t < 10^6 Jahre, T < 6000 K
Protonen, Deuterium-, Helium- und Lithiumkerne vereinigen sich mit den freien Elektronen zu neutralen Atomen, das Universum wird dadurch durchsichtig. Damit erfolgte eine Abkopplung der kosmischen Hintergrundstrahlung von der Temperatur der übrigen Materie. Die weitere Ausdehnung des Weltall bewirkte eine Verlängerung der Wellenlänge und damit eine unabhängige Abkühlung der Temperatur der kosmischen Hintergrundstrahlung auf den heute gemessenen Wert von 2,7 K. Die uns heute erreichende kosmische Hintergrundstrahlung wurde etwa 300 000 Jahre nach dem Zeitpunkt Null freigesetzt, und zwar am heute sichtbaren Horizont in einer Entfernung von 13,7.10^9 Lichtjahren. Die Fluktuationen der Hintergrundstrahlung in der Größenordnung 10^(-5) weisen auf entsprechende Dichteschwankungen der Materiewolken hin, aus denen die Strahlung ursprünglich emittiert wurde.
Nach dem Wheelerschen Weltmodell lag der Entstehungsort der Hintergrundstrahlung, die uns heute erreicht, außerhalb des Weltmodells:
- Weltradius 10^7 Lichtjahre--> 10^8 Lichtjahre, das ist weniger als der Schwarzschildradius des Weltalls, wenn man das Weltall als Schwarzes Loch betrachtet.
- Massendichte 10^(-23) bis 10^(-26) g/cm^3
- Austritt aus dem halben Schwarzschildradius bei t = 7x10^8 Jahren
Deshalb wird Alan Guth mit seiner Behauptung wohl recht haben,
Kondensation der interstellaren Gaswolken (t=10^9 Jahre)
(T=100 Grad K, 16 Wasserstoffatome auf ein Heliumatom)
Unter dem Einfluß der Gravitation dunkler Materie kondensieren die kosmischen Gaswolken zu Galaxienhaufen, Galaxien, Sternen und Planetensystemen. Die dunkle Materie unterliegt einzig der Gravitationskraft, aber nicht der Kernkraft, der elektromagnetischen Kraft und der schwachen Kraft. Ihre Menge ist so groß, daß durch ihre Wirkung sich die interstellaren Gaswolken in der zur Verfügung stehenden Zeit zu Galaxien und Sternen kondensieren konnten, aber gleichzeitig so gering, daß sie die Expansion des Weltraums nicht verhindern, nur verlangsamen konnte.
Die größten gemessenen Rotverschiebungen der Spektren ferner Galaxien betragen z=3, das bedeutet, daß zum Zeitpunkt der Emission der Strahlung der Weltradius 1/4 des heutigen war, das Alter der Welt mindestens 1.5 bis 2 Milliarden Jahre betrug und das Universum einen Radius von mehr als 2.5 Milliarden Lichtjahren erreicht hatte (der Schwarzschildradius für 10^22 Sonnenmassen beträgt 1.5 Mrd. Lichtjahre) und sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit weiter ausdehnte. Heute beträgt der Weltradius mindestens 10 Mrd. Lichtjahre und dehnt sich mit einer Geschwindigkeit von mindestens 0,4 c weiter aus. Wenn die mittlere Dichte der Materie einschließlich der dunklen Materie im Universum kleiner als ein kritischer Wert ist, der aus der allgemeinen Relativitätstheorie hervorgeht, so kommt die Expansion des Universums niemals zu Stillstand. Aus der Theorie der Inflation und der Galaxienentstehung, die durch die Untersuchung der kosmischen Hintergrundstrahlung bestätigt wird, geht hervor, das die Materiedichte größer als die kritische sein muß. Aus der Bewegung der Galaxien und Galaxienhaufen aber folgt, daß sie heute höchstens das zehnfache betragen kann. Wenn die Materiedichte aber einmal größer als die kritische war, kann sich ihr Verhältnis zur kritischen im Laufe der Expansion nur vergrößern. Daraus folgt, daß zur Planckzeit t = 10^(-43) s die Materiedichte bis auf eine Abweichung von 1 zu 10^60 mit der kritischen übereingestimmt haben muß. (Sonst wäre die Expansion des Weltalls schon zum Stillstand gekommen)
Das Universum besteht aus 1% sichtbarer und 99% dunkler Materie. Der Wert wird durch die Rot - Blau- Verschiebung des Lichtes in einer Himmelsrichtung bestätigt, in der sich eine große Konzentration von Galaxienhaufen befindet, und die von einer gerichteten Strömung der uns benachbarten Galaxien von 600 km/s hervorgerufen wird.
Die Verteilung der Fluktuationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung erfordert eine Aufteilung der dunklen Materie in 1/3 heiße und 2/3 kalte dunkle Materie. Die heiße dunkle Materie könnte aus Neutrinos mit einer Ruhmasse von 7,5 eV oder aus Gravitonen, den Quanten von Gravitationswellen bestehen. Die Teilchen der kalten dunklen Materie sind unbekannt (ev. siehe oben). Sie dürfen nur Masse besitzen und dürfen sich nur langsam bewegen. Sie könnten auch Schwarze Löcher sein.