Unsere Welt zu verstehen:  Eiswürfel Ursuppe

 

 
Vom Eiswürfel zur Ursuppe und zurück

— hmsgnr096z

 
 
Nach einer oft zitierten Philosophie durchlaufen alle Objekte (Dinge, Menschen, Gase, ja sogar das Universum selbst) eine Reihe von Stadien. Es sei dabei jedes Stadium durch einen Konflikt zwischen zwei gegenläufigen Kräften charakterisiert. Ist der Konflikt gelöst — was meist explosionsartig passiert —, gelangt das Objekt in ein nächstes Stadium, Synthese genannt. Langsam aber immer deutlicher werden aber auch dort Widersprüche erkennbar, so dass der Prozess auf einer höheren Ebene neu beginnt ...
 
Philosophen bezeichnen dies als den Übergang von Quantität zu Qualität: Es kommt es zu mehr und mehr kleinerer Veränderungen, bis sich schließlich explosionsartig ein qualitativer Bruch mit der Vergangenheit ergibt.
 
Auch für Gesellschaften gilt diese Theorie (man denke da z.B. an die Französische Revolution).
 
 
Wie schon angedeutet, geschieht der Pasenübergang meist explosionsartig. Wo sich z.B. ein Fluss aufstaut, bildet sich hinter dem Staudamm rasch ein größer und größer werdender See, der enormen Druck aufbaut — bis der Damm dann schließlich bricht.
 
Gewöhnlich sind solche Phasenübergänge von einem Symmetriebruch begleitet, der schwer rückgängig zu machen ist. Und so ist der Zustand maximaler Symmetrie häufig instabil.
 
 
Bei ihren Untersuchungen der Superstringtheorie sind die Physiker zur Vermutung gelangt — ohne sie bislang beweisen zu können —, dass das ursprünglich 10-dimensionale Universum instabil gewesen sein müsse und sich dann durch Tunneleffekt in ein vier- und ein sechs-dimensionales aufgeteilt haben könnte, so dass wir heute einen gebrochenen Zustand des wirklichen Vakuums erleben.
 
 
 
Im Versuch, darüber nachzudenken, wie sich der ursprüngliche, voll symmetrische Zustand wieder herstellen ließe, betrachten wir einen Eiswürfel in einem abgeschlossenen Behälter, von dem wir annehmen, dass er immer weiter, über alle Grenzen hinweg, erwärmt wird. Was passiert?
 
Nun, es wird zu einem Phasenübergang nach dem anderen kommen:

 
• Zuerst wird das Eis zu Wasser,
   
• dann das Wasser zu Dampf.
   
• Schließlich zerfallen die Wassermoleküle (die Energie der Meleküle übersteigt ihre Bindungsenergie, so dass sie sich in die elementaren Gase Wasserstoff und Sauerstoff spalten).
   
• Wenn schließlich 3000 Grad K überschritten sind, werden aus die Wasserstoff- und sauerstoffatome zerrissen: Ihre Elektronen befreien sich vom Kern, so dass wir jetzt ein Plasma (ionisiertes Gas) vorliegen haben.
   
• Erhitzt man es weiter, und wird schließlich so etwa 1 Billion Grad K erreicht, so werden auch die Atomkerne selbst zerrissen, und wir haben ein aus freien Neutronen und Protonen bestehendes Gas — ein Plasma — ähnlich dem, wie es im Inneren eines Neutronensterns vorliegt.
   
• Bei weiterer Erhitzung über 10 Billionen Grad hinweg zerfallen diese Nukleonen weiter, so dass wir dann ein Gas freier Quarks, Elektronen und Neutrinos haben.
   
• Bei Temperaturen über 1 Billiarde Grad schließlich kommt es zu einer Vereinigung der der elektromagnetischen mit der schwachen Kernkraft und es tritt die Symmetrie SU(2) × U(1) auf.
   
• Zu einer Vereinigung der elektroschwachen und der starken Kernkraft kommt es bei etwa 10²⁸ Grad, und es zeigen sich dann die GUT-Symmetrien: SU(5), E(10) oder E(6).
   
• Bei unvorstellbaren 10³² Grad schließlich vereinigt sich die Gravitation mit der GUT-Kraft, und alle Symmetrien des 10-dimensionalen Superstrings treten zutage. Man hat jetzt ein aus Superstrings bestehendes Gas, welches so energiereich ist, dass sich sogar die Geometrie der Raumzeit verwerfen und ihre Dimensionalität sich verändern könnte.

 
 
Wenn wir den Prozess umkehren, ist zu erwarten, dass wir sehen,
 
 
Wie sich der Urknall als eine Folge verschiedener Phasenübergänge vollzogen hat:

 
• 10^-43 sec: Das 10-dimensionale Universum teilt sich in ein 4- und ein 6-dimensionales. Während das 6-dimensionale zu einer Größe von 10^-32 Zentimetern kollabiert, bläht sich das 4-dimensionale rasch auf. Seine Temperatur beträgt jetzt 10³² Grad K.
   
• 10^-35 sec: Die GUT-Kraft zerbricht, so dass die starke Kernkraft nun nicht mehr mit der elektroschwachen Wechselwirkung vereint ist. SU(3) fällt aus der GUT-Symmetrie heraus. Ein kleiner Fleck im Universum wird um einen Faktor von 10⁵⁰ aufgebläht und entwickelt sich schließlich zu dem, was wir als das uns sichtbare Universum kennen.
   
• 10^-9 sec: Jetzt ist die Temperatur auf 10¹⁵ Grad K gefallen. Die elektroschwache Symmetrie bricht auseinander in SU(2) und U(1).
   
• 10^-3 sec: Quarks beginnen sich zu Neutronen und Protonen zusammenzufinden. Die Temperatur beträgt etwa 10¹⁴ Grad K.
   
• 3 Min: Protonen und Neutronen fügen sich zu stabilen Kernen zusammen. Die Energie zufälliger Stöße ist nun nicht mehr groß genug, diese Kerne wieder auseinander zu reißen. Noch immer ist der Raum undurchlässig für Licht, weil Ionen das Licht nicht gut übertragen.
   
• 380.000 Jahre: Rund um die Kerne beginnen sich Elektronen zu sammeln. Nach und nach bilden sich Atome. Da sie elektrisch neutral sind, wird Licht nun kaum mehr gestreut (so dass wir heute ab da entstandene großräumige Strukturen sehen können).
   
• 3 Milliarden Jahre: Die ersten Quasare entstehen.
   
• 5 Milliarden Jahre: Es bilden sich Galaxien.
   
• Nach mehr als 10 Milliarden Jahren: Unser Sonnensystem entsteht und wenige Milliarden Jahre später treten auf der Erde die ersten Lebensformen auf.

Michio Kaku kommentiert:

 
Es erscheint fast unvorstellbar, dass wir — eine intelligente Affenart auf dem dritten Planeten eines unbedeutenden Sterns in einer unbedeutenden Galaxie — in der Lage sein sollten, die Geschichte des Universums fast bis zum Augenblick seiner Entstehung zurückzuverfolgen — bis hin zu einem Moment, wo Temperatur und Druck alles übertraf, was unser Sonnensystem je erlebt haben kann.
 
Und doch ergibt sich aus der Theorie der schwachen, der elektromagnetischen, und der starken Wechselwirkung eben dieses Bild.
 

 
Die durch den COBE-Satelliten ab 1989 gesammelten Daten haben bewiesen, dass wir den Ursprung des Universums bis auf Bruchteile einer Sekunde nach dem Urknall verstehen. Es bleibt jedoch die Frage, was vor dem Urknall war und was ihn verursacht hat. Geht man an die Grenzen der Allgemeinen Relativitätstheorie, so erhält man letztlich sinnlose Antworten, denn im Augenblick des Urknalls dürften Quanteneffekte vorgeherrscht und sich der Gravitation gegenüber durchgesetzt haben.
 
 
 
Quelle: Michio Kaku: Die Physik der unsichtbaren Dimensionen, Rohwohlt 2013, S. 337-342