Allgemeine Spekulationen über die Natur der Welt sind so alt wie die griechischen vorsokratischen Philosophen, aber eine wirklich wissenschaftliche Kosmologie konnte erst formuliert werden, wenn die Grundgesetze der Natur bekannt waren. Isaac Newtons Entdeckung der universellen Inverse-Square-Law-Schwerkraft bot die erste ernsthafte Gelegenheit für ein solches Unterfangen. Da die Schwerkraft attraktiv ist, bestand ein unmittelbares Problem darin, zu erklären, warum das Universum nicht auf sich selbst zusammenbrach., Planetarische Bewegungen stoppten dies im Sonnensystem, aber was ist mit den „festen Sternen“? Die Antwort, die zuerst vorgeschlagen wurde, war, dass in einem Universum von unendlicher Ausdehnung, gleichmäßig von Sternen bevölkert, die Anziehungskräfte in verschiedenen Richtungen sich gegenseitig aufheben und Gleichgewicht geben würden.
es gab Jedoch ein problem mit der Idee eines grenzenlosen Kosmos. Jede Sichtlinie müsste irgendwo auf der Oberfläche eines Sterns enden. 1823 wies Wilhelm Olbers darauf hin, dass der Nachthimmel überall einheitlich hell sei., Die moderne Lösung dieses Paradoxons beruht auf der Tatsache, dass die endliche Lichtgeschwindigkeit und das endliche Zeitalter des Universums zusammen bedeuten, dass nur eine endliche Anzahl von Sternen für uns tatsächlich sichtbar ist.
Eine wichtige Entdeckung wurde am Ende des achtzehnten Jahrhunderts von Sir William Herschel gemacht. Er entdeckte, dass das als Milchstraße bekannte Lichtband tatsächlich aus einer Vielzahl von Sternen besteht, die eine riesige Galaxie bilden, von der das Sonnensystem nur eine winzige Komponente ist. Frühe Spekulanten, darunter Immanuel Kant (1724-1804), hatten vorgeschlagen, dass dies der Fall sein könnte., Sie schlugen auch vor, dass die leuchtenden Flecken, die Nebel genannt werden, andere „Inseluniversen“ sein könnten, ähnlich der Milchstraße, aber in großer Entfernung davon. Das Problem wurde erst im zwanzigsten Jahrhundert endgültig gelöst, aber die Idee lag bereits in der Luft, dass die geschaffene Realität viel schlimmer sein könnte, als früher angenommen worden war.
Entfernungen zu nahe gelegenen Sternen können durch Parallaxe gemessen werden, die leichte Verschiebung der scheinbaren Himmelsposition, wenn sich die Erde um ihre Umlaufbahn bewegt., Über diesen Bereich hinaus hängt die Abschätzung der Entfernung von der Festlegung einer Standardkerze ab, einer Lichtquelle bekannter Intensität, deren beobachtetes Dimmen dann ein Maß für ihre Entfernung bietet. Sterne mit regelmäßig schwankender Helligkeit, die als Cepheid-Variablen bezeichnet werden, liefern dieses Maß, da bekannt ist, dass ihre intrinsische Helligkeit streng mit der Periode ihrer Variation korreliert. 1924 verwendete Edwin Hubble diese Methode, um festzustellen, dass der Andromeda-Nebel eine entfernte Galaxie ist, von der bekannt ist, dass sie etwa zwei Millionen Lichtjahre von der Milchstraße entfernt ist.,
Hubble machte dann seine größte Entdeckung. Es wird festgestellt, dass Licht aus fernen Galaxien im Vergleich zu demselben Licht aus einer terrestrischen Quelle gerötet ist. Dies wird als aufgrund der Wirkung der rezessiven Bewegung interpretiert, und der Grad der induzierten Rötung korreliert mit der Geschwindigkeit der Rezession. Der Effekt (Dopplerverschiebung) ähnelt der Frequenzänderung einer Krankenwagensirene aufgrund der Bewegung des Fahrzeugs. Hubble entdeckte, dass die Geschwindigkeit, mit der eine Galaxie zurückgeht, proportional zu ihrer Entfernung ist., Dies wurde dann als ein Effekt aufgrund der Erweiterung des Raumes selbst interpretiert. So wie sich Flecken auf der Oberfläche eines Ballons beim Aufblasen des Ballons voneinander entfernen, so wie sich der Raum ausdehnt, trägt er die Galaxien mit sich. Hubbles Entdeckung des expandierenden Universums hatte einen tiefgreifenden Einfluss auf die Entwicklung der kosmologischen Theorie.
Relativistische Kosmologie
Newton betrachtete den Raum als einen Behälter, in dem die Bewegung materieller Atome im Verlauf des Flusses absoluter Zeit stattfand., Albert Einsteins Entdeckung der allgemeinen Relativitätstheorie veränderte dieses Bild völlig.
1908 hatte Einstein das, was er für seinen glücklichsten Gedanken hielt. Er erkannte, dass er sich der Schwerkraft völlig nicht bewusst sein würde, wenn er frei fallen würde. Diese scheinbar eher unbedeutende Beobachtung veranlasste ihn, das Prinzip der Äquivalenz zu erkennen, das an der Wurzel der allgemeinen Relativitätstheorie liegt., Es gibt zwei konzeptionell unterschiedliche Bedeutungen von Masse: Trägheitsmasse (Messung des Widerstands eines Körpers gegen eine Änderung seines Bewegungszustands) und Gravitationsmasse (Messung der Stärke der Wechselwirkung des Körpers mit einem Gravitationsfeld). Trotz ihrer konzeptionellen Unterscheidbarkeit sind diese beiden Kennzahlen immer numerisch identisch. Quantitativ sind Trägheits-und Gravitationsmasse äquivalent. Dies impliziert, dass sich alle Körper in einem Gravitationsfeld auf die gleiche Weise bewegen., Die Verdoppelung der Masse verdoppelt den Trägheitswiderstand gegen eine Bewegungsänderung, verdoppelt aber auch die Gravitationskraft, die die Änderung bewirkt. Infolgedessen ist die resultierende Bewegung die gleiche. Dieses universelle Verhalten bedeutet, dass die Auswirkungen der Schwerkraft auf einzelne Körper als allgemeine Konsequenz der Eigenschaften des Raums selbst oder genauer unter Berücksichtigung von Einsteins früherer Entdeckung der engen gegenseitigen Assoziation von Raum und Zeit, den Eigenschaften der vierdimensionalen Raumzeit, neu interpretiert werden können., Die von Newton sehr unterschiedlichen Konzepte von Raum, Zeit und Materie wurden von Einstein in einem einzigen Paket vereint. Er verwandelte Gravitationsphysik in Geometrie. Materie Kurven Raumzeit und die Krümmung der Raumzeit wiederum beeinflusst die Wege der Materie. Es gibt keine Zeit ohne Raum und Materie, ein Punkt, den Augustinus fünfzehn Jahrhunderte zuvor erkannt hatte.
Einstein machte sich daran, die Gleichungen zu entdecken, die seiner Idee quantitativen Ausdruck verleihen würden. Die Suche war lang, aber im November 1915 traf er sie., Sofort konnte er zeigen, dass sie eine kleine Abweichung im Verhalten des Planeten Merkur vorhergesagt hatten, die bereits beobachtet worden war, sich aber der newtonschen Erklärung widersetzt hatte. Später, im Jahr 1919, bestätigten Beobachtungen einer totalen Sonnenfinsternis eine weitere Vorhersage, die sich auf die Biegung des Sternenlichts durch die Sonne bezog. Über Nacht wurde Einstein in der Vorstellung der Öffentlichkeit der ikonische wissenschaftliche Held.
Diese Integration von Raum, Zeit und Materie in einer einzigen Theorie bot die Möglichkeit, eine wirklich wissenschaftliche Darstellung des gesamten Universums zu erstellen. Es schien jedoch ein Problem zu geben., Zu dieser Zeit glaubten Physiker immer noch, dass die kosmologische Theorie ein statisches Bild liefern sollte. Die Physik sollte die letzte der Wissenschaften sein, die die wahre Bedeutung von Zeitlichkeit und Entfaltungsprozess erkannte. Jahrhunderts dorthin gelangt, und Mitte des neunzehnten Jahrhunderts waren die Biologen mit der Veröffentlichung von Charles Darwins Artenursprung im Jahr 1859 gefolgt. Im frühen zwanzigsten Jahrhundert hielten die Physiker immer noch die aristotelische Vorstellung eines ewig veränderlichen Kosmos. Einstein konnte keine statische Lösung seiner Gleichungen finden., Als er 1918 seine kosmologischen Vorschläge veröffentlichte, bastelte er an den Gleichungen und fügte einen zusätzlichen Begriff hinzu (die kosmologische Konstante). Es stellte eine Art Antigravitation dar, eine abstoßende Kraft, die entworfen wurde, um über große Entfernungen die attraktive Kraft der konventionellen Schwerkraft auszugleichen.
Einstein nannte diesen Zusatz später den größten Fehler seines Lebens., Er hatte die Chance verpasst, ein expandierendes Universum vorherzusagen, denn seine unveränderten Gleichungen hatten Lösungen (entdeckt vom russischen Meteorologen Alexander Friedmann und dem belgischen Priester Georges Lemaître), die dem später von Hubble beobachteten Verhalten entsprachen. Darüber hinaus funktionierte seine vorgeschlagene statische Lösung nicht wirklich, da sie instabil war und unter Störungen zusammengebrochen wäre.
Urknall-Kosmologie
Wenn sich die Galaxien derzeit auseinander bewegen, müssen sie in der Vergangenheit näher beieinander gewesen sein., Dies führt zu dem Schluss, dass das Universum, das wir heute beobachten, aus dem Urknall hervorgegangen zu sein scheint, einem Urzustand immens verdichteter und energetischer Materie. Aktuelle Schätzungen gehen von 13,7 Milliarden Jahren aus.
Wörtlich genommen ist der Urknall selbst ein Moment unendlicher Dichte und Energie, eine Singularität, die jenseits der Analysekraft der konventionellen Wissenschaft liegt. (Einige hochspekulative Ideen über das sehr frühe Universum in der Nähe des Urknalls werden im Folgenden diskutiert.,) Obwohl einige religiöse Menschen (einschließlich Papst Pius XII.) der Versuchung erlegen waren, vom Urknall als „Moment der Schöpfung“ zu sprechen, war dies eindeutig ein theologischer Fehler. Die jüdisch-christlich-islamische Schöpfungslehre beschäftigt sich mit ontologischem Ursprung (warum gibt es eher etwas als nichts?), anstatt zeitlichen Ursprungs (wie hat alles angefangen?). Gott ist heute genauso der Schöpfer wie vor 13,7 Milliarden Jahren. Die Urknallkosmologie ist wissenschaftlich sehr interessant, aber theologisch nicht kritisch bedeutsam.,
Dennoch befürchteten drei Kosmologen, Hermann Bondi, Fred Hoyle und Thomas Gold, dass die Urknallkosmologie die Religion begünstigen könnte, und so schlugen sie in den 1960er Jahren eine alternative stationäre Theorie vor, das Bild eines ewigen Universums immer im Großen und Ganzen gleich. Diese Rückkehr zu aristotelischen Ideen wurde mit der Rezession der Galaxien durch die Annahme der kontinuierlichen Schaffung von Materie in Einklang gebracht, die mit einer Geschwindigkeit stattfand, die zu klein war, um beobachtet zu werden, aber im Laufe der Zeit ausreichte, um die Lücken zu füllen, die durch die Bewegung der bereits vorhandenen Galaxien hinterlassen wurden., Weitere Beobachtungsergebnisse haben diese Idee beseitigt.
Wenn sich das Universum ausdehnt, kühlt es ab. Als es eine Mikrosekunde alt war, befand sich seine Temperatur bereits auf dem Niveau, auf dem die kosmischen Prozesse Energien hatten, die für Wissenschaftler ausreichend niedrig waren, um ein zuverlässiges Verständnis ihrer Natur zu besitzen. Die Diskussion wird weiter vereinfacht durch die Tatsache, dass das frühe Universum fast einheitlich und strukturlos war, was es zu einem sehr einfachen physikalischen System macht.,
Als es etwa drei Minuten alt war, hatte sich das Universum soweit abgekühlt, dass die nuklearen Wechselwirkungen auf kosmischer Ebene aufhörten. Infolgedessen wurde die Brutto-Kernstruktur der Welt auf das festgelegt, was sie heute noch ist, drei Viertel Wasserstoff und ein Viertel Helium. Als der Kosmos etwa eine halbe Million Jahre alt war, hatte eine weitere Abkühlung ihn zu dem Punkt gebracht, an dem die Strahlung nicht mehr energisch genug war, um Atome aufzubrechen, die sich zu bilden versuchten. Materie und Strahlung entkoppelten sich dann und letzteres wurde einfach weiter abkühlen gelassen, als die kosmische Expansion fortgesetzt wurde., Heute ist diese Strahlung sehr kalt, drei Grad über dem absoluten Nullpunkt. Es wurde erstmals 1964 von Arno Penzias und Robert Wilson beobachtet. Bekannt als kosmische Hintergrundstrahlung, bildet es eine versteinerte Lagerstätte, die aus der Urknallzeit übrig geblieben ist und uns erzählt, wie das Universum war, als es eine halbe Million Jahre alt war. Eines der Dinge, die wir lernen, ist, dass der Kosmos damals sehr einheitlich war, mit Schwankungen über die mittlere Dichte in Höhe von nicht mehr als einem Teil von zehntausend., Diese Hintergrundstrahlung wurde der stationären Theorie zugeschrieben, die ihre Eigenschaften nicht auf die natürliche Weise erklären konnte, die für die Urknallkosmologie möglich war.
Die Schwerkraft hat den langfristigen Effekt, kleine Schwankungen zu verstärken. Etwas mehr Materie hier als dort erzeugte hier etwas mehr Anziehungskraft als dort, wodurch ein Schneeballeffekt ausgelöst wurde, durch den das Universum schließlich mit Galaxien und Sternen klumpig wurde. Im kosmischen Alter von einer Milliarde Jahren war dieser Prozess in vollem Gange. Als sich die Sterne verdichteten, erhitzten sie sich und die Kernreaktionen begannen wieder auf lokaler Ebene., Zunächst brennen Sterne, indem sie Wasserstoff in Helium umwandeln. In einem späteren Stadium der Sternentwicklung werden schwerere Elemente wie Kohlenstoff und Sauerstoff durch weitere Kernprozesse gebildet. Innerhalb eines Sterns kann diese Sequenz nicht über Eisen hinausgehen, die stabilste der Kernarten. Am Ende ihres Lebens explodieren jedoch einige Sterne als Supernovae und zerstreuen nicht nur die Elemente, die sie in die Umwelt gebracht haben, sondern erzeugen auch im explosiven Prozess selbst die fehlenden Elemente jenseits von Eisen. Auf diese Weise wurden die zweiundneunzig chemischen Elemente schließlich verfügbar., Einer der großen Triumphe der Astrophysik des zwanzigsten Jahrhunderts war das Aufdecken der Details der heiklen Prozesse der Nukleosynthese. Als sich eine zweite Generation von Sternen und Planeten bildete, gab es eine chemische Umgebung, die reich genug war, um die Entwicklung des Lebens zu ermöglichen. So begann eine der bemerkenswertesten Entwicklungen in der uns bekannten kosmischen Geschichte. Mit dem späteren Anbruch des Selbstbewusstseins wurde sich das Universum seiner selbst bewusst.,
Das anthropische Prinzip
Als Wissenschaftler die Evolutionsprozesse der kosmischen Geschichte verstanden, begannen sie zu erkennen, dass die Möglichkeit für die Entwicklung eines kohlenstoffbasierten Lebens kritisch von den Details der im Universum wirkenden Naturgesetze abhing. Die Sammlung von Erkenntnissen, die auf diese Schlussfolgerung hinweisen, wurde mit dem Namen des anthropischen Prinzips bezeichnet, obwohl das Kohlenstoffprinzip eine bessere Wahl gewesen wäre, da es eher die Allgemeinheit des Lebens als die Spezifität des Homo sapiens ist., Es wurden viele Beispiele für diese anthropischen „Feinabstimmungen“ gegeben.“
Einer wird durch die Sternprozesse bereitgestellt, durch die die für das Leben notwendigen Elemente gebildet wurden. Jedes Kohlenstoffatom in jedem lebenden Körper befand sich einmal in einem Stern, und der Prozess, durch den dieser Kohlenstoff hergestellt wurde, hängt entscheidend von den quantitativen Details der Kernphysik ab. Drei Heliumkerne müssen sich zu Kohlenstoff verbinden. Man würde einen zweistufigen Prozess erwarten, bei dem zwei Helium zuerst zu Beryllium verschmelzen und dann ein drittes Helium zu Kohlenstoff hinzugefügt wird., Es gibt jedoch ein Problem, da Beryllium sehr instabil ist und dies den zweiten Schritt problematisch macht. Tatsächlich ist dies nur möglich, weil sich herausstellt, dass ein erheblicher Verstärkungseffekt (eine Resonanz) mit genau der richtigen Energie auftritt. Wenn sich die Kernkräfte von dem unterscheiden würden, was sie tatsächlich sind, wäre diese Resonanz am falschen Ort und es würde überhaupt keinen Kohlenstoff geben. Als Hoyle diesen bemerkenswerten Zufall entdeckte, fühlte er, dass es nicht nur ein glücklicher Unfall sein konnte, sondern dass etwas Intelligenz dahinter liegen musste.
Beispiele können multipliziert werden., Die Entwicklung des Lebens auf einem Planeten hängt davon ab, dass sein Stern eine langlebige und zuverlässige Energiequelle darstellt. Sterne brennen auf diese Weise in unserem Universum, weil die Schwerkraft es erlaubt. Die anspruchsvollste anthropische Feinabstimmung bezieht sich auf Einsteins kosmologische Konstante. Das moderne Denken hat diesen Begriff wiederbelebt, aber seine Stärke muss extrem schwach sein, um zu verhindern, dass das Universum entweder zusammenbricht oder auseinanderbricht. Viele Kosmologen glauben, dass die Kraft (normalerweise dunkle Energie genannt ) tatsächlich vorhanden ist, aber auf einer Ebene, die nur 10-120 von dem ist, was man als ihren natürlichen Wert betrachten würde., Alles, was größer als diese winzige Zahl wäre, hätte die Evolution des Lebens oder eine komplexe kosmische Struktur unmöglich gemacht.
Diese wissenschaftlichen Erkenntnisse sind unumstritten, aber was ihre tiefere, metascientific Bedeutung gehalten werden könnte, wurde stark bestritten. Nur wenige sind bereit, diese anthropischen Zufälle als bloße glückliche Unfälle zu behandeln,und so wurden zwei gegensätzliche Erklärungsvorschläge weit verbreitet., Man betrachtet das Universum als göttliche Schöpfung und erklärt seine fein abgestimmte Spezifität als Ausdruck des Willens des Schöpfers, dass es in der Lage sein sollte, eine fruchtbare Geschichte zu haben. Der andere ist der multiverse Ansatz, vorausgesetzt, dass dieses spezielle Universum nur ein Mitglied eines riesigen Portfolios verschiedener existierender Welten ist, die jeweils voneinander getrennt sind und jeweils ihre eigenen Naturgesetze und-umstände besitzen. Unser Universum ist einfach das in dieser immensen kosmischen Anordnung, in der zufällig die Entwicklung eines kohlenstoffbasierten Lebens eine Möglichkeit ist., Obwohl es hochspekulative wissenschaftliche Ideen gibt, die das multiversale Denken in gewissem Maße fördern könnten (siehe unten), scheint die unbeobachtliche Wunderlichkeit des multiversalen Ansatzes ein metaphysischer Vorschlag von beträchtlicher Extravaganz zu sein, der nur eine erklärende Arbeit zur Entschärfung der Bedrohung des Theismus zu leisten scheint.
Das Sehr Frühe Universum
Die näher Wissenschaftler versuchen zu drücken, um den Urknall, desto extremer sind die Regime beteiligt, und daher die mehr spekulative Ihr denken.,
Viele glauben, dass, als das Universum etwa 10-36 Sekunden alt war, eine Art Kochen des Raumes stattfand, genannt Inflation, die das Universum sehr stark und mit immenser Schnelligkeit erweiterte. Die Idee wird nicht nur durch einige theoretische Argumente gestützt, sondern gewinnt auch durch ihre Fähigkeit, einige wichtige Fakten über das Universum zu erklären, an Glaubwürdigkeit., Eine davon ist die kosmische Isotropie: Die Hintergrundstrahlung erscheint in allen Richtungen praktisch gleich, obwohl der Himmel viele Regionen enthält, die bei einer einfachen Extrapolation zurück zum Urknall niemals kausal miteinander in Kontakt gekommen wären. Bei einem inflationären Bild ergeben sich diese verschiedenen Regionen jedoch aus einem anfänglich viel kleineren Bereich, in dem der kausale Kontakt vorhanden gewesen wäre, der zur Herstellung einer Gleichmäßigkeit von Temperatur und Dichte erforderlich gewesen wäre., Die Inflation hätte auch einen glättenden Effekt gehabt und damit die großräumige Homogenität des Universums und das enge Gleichgewicht zwischen expansiven und Gravitationseffekten erklärt, das tatsächlich beobachtet wird (und das tatsächlich eine andere anthropische Ne-Cessity ist).
Viel spekulativer ist der Versuch, die Planck-Ära vor 10-43 Sekunden zu verstehen, als das Universum so klein war, dass es quantenmechanisch verstanden werden muss. Die richtige Vereinigung von Quantentheorie und allgemeiner Relativitätstheorie wurde nicht erreicht., Infolgedessen gibt es viele verschiedene hypothetische Berichte über die Quantenkosmologie. Ein häufiges Thema ist, dass Universen ständig aus der Inflation von Schwankungen im Ur-Vakuum der Quantengravitation entstehen können, und unser Universum ist nur ein Mitglied dieses proliferierenden Multiversums. Die Behauptung, dass dieser Prozess die Fähigkeit der Wissenschaft darstellen würde, die Schöpfung aus dem Nichts zu erklären, ist lediglich ein Missbrauch der Sprache. Ein Quantenvakuum ist ein hochstrukturiertes und aktives Medium, das sich stark von Nihil unterscheidet.,
Kosmisches Schicksal
Auf der größten Skala beinhaltet die Geschichte des Kosmos ein Tauziehen zwischen den expansiven Tendenzen des Urknalls und der kontraktiven Schwerkraft. Wenn am Ende die Schwerkraft gewinnt, wird das, was mit dem Urknall begann, im großen Knirschen enden, wenn das Universum auf sich selbst zusammenbricht. Wenn die Expansion gewinnt (die derzeit bevorzugte Option), wird sich das Universum für immer ausdehnen, immer kälter und verdünnter werden und schließlich in einem lang ersehnten sterbenden Wimmern verfallen.,
In ihrem eschatologischen Denken muss die Theologie diesen verlässlichen wissenschaftlichen Prognosen der eventuellen Sinnlosigkeit des gegenwärtigen Prozesses Rechnung tragen. Letztendlich ist ein einfacher evolutionärer Optimismus keine praktikable Möglichkeit.
Siehe Auch
Physik und Religion.
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