Kosmologie für Fußgänger

Alter des Universums und der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Das sind zurzeit etwa 15 Milliarden Lichtjahre, die Strecke also, die das Licht in 15 Milliarden Jahren zurücklegen kann. Dieser Radius wächst jede Sekunde um rund 300 000 Kilometer. Bis sich jedoch das Universum auf das Doppelte seiner heutigen Größe ausgedehnt hat, wird es knapp dreimal so alt sein wie heute.
    Was man bei der Expansion des Kosmos nicht durcheinander bringen darf, sind der Begriff Raum und die darin befindlichen Objekte. Nur der Raum dehnt sich aus, indem die Entfernung zwischen den Objekten wächst. Die Objekte selbst bleiben dabei unverändert groß. Das ist genau wie in unserem Kuchen, in dem sich die Rosinen beim Aufgehen des Hefeteigs ja auch nicht in Pflaumen verwandeln.

Gab es den Urknall wirklich?
    Bis hierher haben wir schon viel über die Ausdehnung des Universums erfahren. Aber ist das auch ein Beweis dafür, dass es einmal einen Urknall gegeben hat? Die Kosmologen sind sich da ziemlich sicher. Ihre Argumentation läuft wie folgt: Wenn sich das Universum ausdehnt, dann muss es wohl vor einiger Zeit auch mal kleiner gewesen sein. Könnte man die Zeit zurückdrehen, dann müsste wie in einem rückwärts laufenden Film sich auch das Universum zurückentwickeln. Anstatt sich auszudehnen, würde das Universum wieder schrumpfen. Der Abstand zwischen den Objekten verringert sich dabei mehr und mehr, so lange, bis alle Objekte in der fernen Vergangenheit wieder in einem Punkt zusammentreffen. Da die weiter entfernten Objekte schneller fliegen, kommen sie alle zur gleichen Zeit am selben Punkt an. Was beim Schrumpfen des Universums passiert, kann man sich anhand einer Luftpumpe klarmachen. Verschließt man die Öffnung der Pumpe mit dem Daumen und drückt den Kolben ein paar Mal kräftig hinein, presst also die Luft in der Pumpe zusammen, so wird die Pumpe warm. Ähnliches geschieht mit unserem Universum. Beim Zusammenschnurren wird es immer heißer. Dabei werden die Strukturen der Objekte schrittweise aufgelöst. Die Sterne zerfallen in ihre Atome, die Atome in ihre Elementarbausteine, die Protonen, Neutronen und Elektronen, dann in die Quarks, Neutrinos und andere Elementarteilchen. Schließlich ist alles unendlich heiß geworden und auf unvorstellbar kleinem Raum vereint. Wir wollen hier nicht behaupten zu wissen, wie die Materie, all die Sterne und Galaxien, ausgesehen hat, als sie auf einen Punkt zusammengepresst war. Vermutlich bestand sie nur noch aus reiner Energie. Energie, die nach der berühmten Gleichung Einsteins, E = mc 2 , der Masse des ursprünglichen Universums äquivalent ist. Aber darauf kommt es hier gar nicht an. Entscheidend ist, dass am Ende der Rückentwicklung unser Universum unendlich klein, unendlich heiß und von unendlicher Energiedichte ist. Man bezeichnet das auch als eine Singularität. Damit sind wir genau da angekommen, von wo aus alles seinen Anfang nahm: nämlich beim Urknall.

Die kosmische Hintergrundstrahlung
    Ein weiterer Beweis für die Expansion des Universums wurde mit der Entdeckung der so genannten kosmischen Hintergrundstrahlung erbracht. Wie der Name schon besagt, handelt es sich dabei um eine Strahlung, welche sozusagen aus dem Hintergrund aus allen Richtungen auf die Erde einfällt. Aber was für eine Strahlung?
    Wie wir schon wissen, waren im frühen Universum, also kurz nach dem Urknall, die Materiedichte und die Temperatur sehr hoch. Beim Urknall entstand aber nicht nur Materie, im Wesentlichen nämlich Wasserstoff und Helium im Verhältnis drei zu eins, sondern auch hochenergetische Strahlung, also Licht in Form von Gammaquanten. Aufgrund der hohen Energie der »Lichtteilchen«, also der Photonen, konnten Wasserstoff und Helium jedoch nicht als Atome bestehen, das heißt in Form eines Atomkerns mit einem beziehungsweise zwei Elektronen, die den Kern umkreisen. Die hochenergetischen Photonen fuhren sozusagen fortwährend zwischen die Kerne und die Elektronen und trennten die Partner voneinander. Diesen Vorgang bezeichnet man auch als Ionisation. Er kann nur ablaufen, solange die Energie der Photonen größer ist als die Bindungsenergie der Elektronen an die Atomkerne. Die Materie kurz nach dem Urknall bestand also aus Atomkernen und freien Elektronen, eine Materieform, für die es auch einen anderen Ausdruck gibt: Plasma.
    Nun dehnte sich aber das Universum immer weiter aus und wurde dabei zunehmend kälter. Das blieb nicht ohne Folgen für die Strahlung. Je größer das Universum