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Was ist das Universum? Das ist eine immens geladene Frage! Egal aus welchem Blickwinkel man diese Frage beantwortete, man konnte Jahre damit verbringen, diese Frage zu beantworten und immer noch kaum an der Oberfläche zu kratzen. In Bezug auf Zeit und Raum ist es unglaublich groß (und möglicherweise sogar unendlich) und für menschliche Verhältnisse unglaublich alt. Es ist daher eine monumentale Aufgabe, es im Detail zu beschreiben. Aber wir hier im Space Magazine sind entschlossen, es zu versuchen!

Was ist das Universum? Nun, die kurze Antwort ist, dass es die Gesamtsumme aller Existenz ist. Es ist die Gesamtheit von Zeit, Raum, Materie und Energie, die vor etwa 13,8 Milliarden Jahren zu expandieren begann und seitdem weiter expandiert. Niemand ist sich ganz sicher, wie umfangreich das Universum wirklich ist, und niemand ist sich ganz sicher, wie alles enden wird. Die laufende Forschung und das Studium haben uns jedoch im Laufe der Menschheitsgeschichte viel gelehrt.

Definition:

Der Begriff „das Universum“ leitet sich vom lateinischen Wort „universum“ ab, das vom römischen Staatsmann Cicero und späteren römischen Autoren verwendet wurde, um sich auf die Welt und den Kosmos zu beziehen, wie sie ihn kannten. Dies bestand aus der Erde und allen darin lebenden Lebewesen sowie dem Mond, der Sonne, den damals bekannten Planeten (Merkur, Venus, Mars, Jupiter, Saturn) und den Sternen.

Der Begriff „Kosmos“ wird häufig synonym mit dem Universum verwendet. Es leitet sich vom griechischen Wort ab Kosmos, was wörtlich "die Welt" bedeutet. Andere Wörter, die üblicherweise verwendet werden, um die Gesamtheit der Existenz zu definieren, umfassen „Natur“ (abgeleitet vom germanischen Wort Natur) und das englische Wort "alles", dessen Verwendung in der wissenschaftlichen Terminologie zu sehen ist - d. h. "Theory Of Everything" (TOE).

Heutzutage wird dieser Begriff oft verwendet, um alle Dinge zu bezeichnen, die im bekannten Universum existieren - das Sonnensystem, die Milchstraße und alle bekannten Galaxien und Aufbauten. Im Kontext der modernen Wissenschaft, Astronomie und Astrophysik bezieht es sich auch auf alle Raumzeiten, alle Energieformen (d. H. Elektromagnetische Strahlung und Materie) und die physikalischen Gesetze, die sie binden.

Ursprung des Universums:

Der aktuelle wissenschaftliche Konsens ist, dass sich das Universum vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren von einem Punkt mit super hoher Materie und Energiedichte ausdehnte. Diese Theorie, bekannt als Urknalltheorie, ist nicht das einzige kosmologische Modell zur Erklärung der Ursprünge des Universums und seiner Entwicklung - zum Beispiel gibt es die Steady-State-Theorie oder die Oscillating-Universe-Theorie.

Es ist jedoch das am weitesten verbreitete und beliebteste. Dies liegt an der Tatsache, dass allein die Urknalltheorie den Ursprung aller bekannten Materie, die Gesetze der Physik und die großräumige Struktur des Universums erklären kann. Es erklärt auch die Expansion des Universums, die Existenz des kosmischen Mikrowellenhintergrunds und eine breite Palette anderer Phänomene.

Ausgehend vom aktuellen Zustand des Universums haben Wissenschaftler theoretisiert, dass es an einem einzigen Punkt unendlicher Dichte und endlicher Zeit entstanden sein muss, der sich auszudehnen begann. Nach der anfänglichen Expansion behauptet die Theorie, dass das Universum ausreichend abgekühlt ist, um die Bildung subatomarer Teilchen und später einfacher Atome zu ermöglichen. Riesige Wolken dieser Urelemente verschmolzen später durch die Schwerkraft zu Sternen und Galaxien.

Dies alles begann vor ungefähr 13,8 Milliarden Jahren und wird daher als das Zeitalter des Universums angesehen. Durch die Prüfung theoretischer Prinzipien, Experimente mit Teilchenbeschleunigern und hochenergetischen Zuständen sowie astronomische Studien, die das tiefe Universum beobachtet haben, haben Wissenschaftler eine Zeitleiste von Ereignissen erstellt, die mit dem Urknall begann und zum aktuellen Stand der kosmischen Evolution geführt hat .

Die frühesten Zeiten des Universums - von ungefähr 10^-43 bis 10^-11 Sekunden nach dem Urknall - sind Gegenstand umfangreicher Spekulationen. Angesichts der Tatsache, dass die Gesetze der Physik, wie wir sie kennen, zu diesem Zeitpunkt nicht existieren konnten, ist es schwierig zu ergründen, wie das Universum regiert werden könnte. Darüber hinaus stecken Experimente, mit denen die beteiligten Energien erzeugt werden können, noch in den Kinderschuhen.

Dennoch herrschen viele Theorien darüber vor, was in diesem ersten Moment geschehen ist, von denen viele kompatibel sind. In Übereinstimmung mit vielen dieser Theorien kann der Moment nach dem Urknall in die folgenden Zeiträume unterteilt werden: die Singularitätsepoche, die Inflationsepoche und die Abkühlungsepoche.

Die Singularity-Epoche, auch als Planck-Epoche (oder Planck-Ära) bekannt, war die früheste bekannte Periode des Universums. Zu diesem Zeitpunkt wurde die gesamte Materie an einem einzigen Punkt mit unendlicher Dichte und extremer Hitze kondensiert. Es wird angenommen, dass während dieser Zeit die Quanteneffekte der Schwerkraft die physikalischen Wechselwirkungen dominierten und dass keine anderen physikalischen Kräfte der Gravitation gleich stark waren.

Diese Planck-Zeitspanne erstreckt sich von Punkt 0 bis ungefähr 10^-43Sekunden und wird so genannt, weil es nur in Planck-Zeit gemessen werden kann. Aufgrund der extremen Hitze und Dichte der Materie war der Zustand des Universums sehr instabil. Es begann sich auszudehnen und abzukühlen, was zur Manifestation der fundamentalen Kräfte der Physik führte. Ab ca. 10^-43 zweite und 10^-36begann das Universum, Übergangstemperaturen zu überschreiten.

Hier wird angenommen, dass sich die fundamentalen Kräfte, die das Universum regieren, voneinander getrennt haben. Der erste Schritt dabei war die Gravitationskraft, die sich von den Eichkräften trennte, die für starke und schwache Kernkräfte und Elektromagnetismus verantwortlich sind. Dann ab 10^-36bis 10^-32Sekunden nach dem Urknall war die Temperatur des Universums niedrig genug (10²⁸ K) dass sich Elektromagnetismus und schwache Kernkraft ebenfalls trennen konnten.

Mit der Schaffung der ersten fundamentalen Kräfte des Universums begann die Inflationsepoche, die ab 10 Jahren dauerte^-32Sekunden in Planck-Zeit bis zu einem unbekannten Punkt. Die meisten kosmologischen Modelle legen nahe, dass das Universum zu diesem Zeitpunkt homogen mit einer hohen Energiedichte gefüllt war und dass die unglaublich hohen Temperaturen und der Druck zu einer schnellen Expansion und Abkühlung führten.

Dies begann um 10 Uhr^-37 Sekunden, in denen der Phasenübergang, der zur Gewaltenteilung führte, auch zu einer Periode führte, in der das Universum exponentiell wuchs. Zu diesem Zeitpunkt trat auch eine Baryogenese auf, die sich auf ein hypothetisches Ereignis bezieht, bei dem die Temperaturen so hoch waren, dass die zufälligen Bewegungen der Partikel mit relativistischen Geschwindigkeiten auftraten.

Infolgedessen wurden kontinuierlich Partikel-Antiteilchen-Paare aller Art erzeugt und bei Kollisionen zerstört, was vermutlich dazu geführt hat, dass Materie im gegenwärtigen Universum Vorrang vor Antimaterie hat. Nachdem die Inflation aufgehört hatte, bestand das Universum aus einem Quark-Gluon-Plasma sowie allen anderen Elementarteilchen. Von diesem Punkt an begann sich das Universum abzukühlen und die Materie verschmolz und bildete sich.

Als das Universum weiter an Dichte und Temperatur abnahm, begann die Abkühlungs-Epoche. Dies war dadurch gekennzeichnet, dass die Energie der Teilchen abnahm und die Phasenübergänge fortgesetzt wurden, bis sich die Grundkräfte der Physik und der Elementarteilchen in ihre gegenwärtige Form änderten. Da die Teilchenenergien auf Werte gefallen wären, die durch Teilchenphysik-Experimente erhalten werden können, wird in diesem Zeitraum weniger spekuliert.

Zum Beispiel glauben Wissenschaftler, dass etwa 10^-11 Sekunden nach dem Urknall sanken die Teilchenenergien erheblich. Gegen 10 Uhr^-6 Sekunden, Quarks und Gluonen, die zu Baryonen wie Protonen und Neutronen kombiniert wurden, und ein geringer Überschuss an Quarks gegenüber Antiquarks führten zu einem geringen Überschuss an Baryonen gegenüber Antibaryonen.

Da die Temperaturen nicht hoch genug waren, um neue Proton-Antiproton-Paare (oder Neutron-Anitneutron-Paare) zu erzeugen, folgte sofort eine Massenvernichtung, so dass nur eines von zehn übrig blieb¹⁰ der ursprünglichen Protonen und Neutronen und keines ihrer Antiteilchen. Ein ähnlicher Prozess ereignete sich etwa 1 Sekunde nach dem Urknall für Elektronen und Positronen.

Nach diesen Vernichtungen bewegten sich die verbleibenden Protonen, Neutronen und Elektronen nicht mehr relativistisch und die Energiedichte des Universums wurde von Photonen dominiert - und in geringerem Maße von Neutrinos. Einige Minuten nach der Expansion begann auch die als Urknall-Nukleosynthese bekannte Periode.

Dank der auf 1 Milliarde Kelvin fallenden Temperaturen und der auf etwa das Äquivalent von Luft fallenden Energiedichten begannen sich Neutronen und Protonen zu verbinden, um das erste Deuterium (ein stabiles Wasserstoffisotop) und Heliumatome des Universums zu bilden. Die meisten Protonen des Universums blieben jedoch nicht als Wasserstoffkerne kombiniert.

Nach etwa 379.000 Jahren verbanden sich Elektronen mit diesen Kernen zu Atomen (wiederum hauptsächlich Wasserstoff), während sich die Strahlung von der Materie entkoppelte und sich weitgehend ungehindert durch den Raum ausdehnte. Diese Strahlung ist heute als der kosmische Mikrowellenhintergrund (Cosmic Microwave Background, CMB) bekannt, der heute das älteste Licht im Universum ist.

Als sich das CMB ausdehnte, verlor es allmählich an Dichte und Energie und wird derzeit auf eine Temperatur von 2,7260 ± 0,0013 K (-270,424 ° C / -454,763 ° F) und eine Energiedichte von 0,25 eV / cm geschätzt³ (oder 4,005 × 10^-14 J / m³;; 400–500 Photonen / cm³). Das CMB kann in einer Entfernung von ungefähr 13,8 Milliarden Lichtjahren in alle Richtungen gesehen werden, aber Schätzungen seiner tatsächlichen Entfernung zufolge liegt es ungefähr 46 Milliarden Lichtjahre vom Zentrum des Universums entfernt.

Evolution des Universums:

Im Laufe der folgenden mehreren Milliarden Jahre wurden die etwas dichteren Regionen der Materie des Universums (die fast gleichmäßig verteilt waren) durch die Gravitation voneinander angezogen. Sie wurden daher noch dichter und bildeten Gaswolken, Sterne, Galaxien und andere astronomische Strukturen, die wir heute regelmäßig beobachten.

Dies ist die sogenannte Strukturepoche, da in dieser Zeit das moderne Universum Gestalt annahm. Dies bestand aus sichtbarer Materie, die in Strukturen unterschiedlicher Größe verteilt war (d. H. Sterne und Planeten zu Galaxien, Galaxienhaufen und Superhaufen), in denen Materie konzentriert ist und die durch riesige Abgründe mit wenigen Galaxien getrennt sind.

Die Details dieses Prozesses hängen von der Menge und Art der Materie im Universum ab. Kalte dunkle Materie, warme dunkle Materie, heiße dunkle Materie und baryonische Materie sind die vier vorgeschlagenen Typen. Das Lambda-Cold Dark Matter-Modell (Lambda-CDM), bei dem sich die Partikel der Dunklen Materie im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit langsam bewegten, gilt jedoch als Standardmodell der Urknallkosmologie, da es am besten zu den verfügbaren Daten passt .

In diesem Modell macht die kalte dunkle Materie schätzungsweise 23% der Materie / Energie des Universums aus, während die baryonische Materie etwa 4,6% ausmacht. Das Lambda bezieht sich auf die kosmologische Konstante, eine ursprünglich von Albert Einstein vorgeschlagene Theorie, die zu zeigen versuchte, dass das Gleichgewicht von Massenenergie im Universum statisch bleibt.

In diesem Fall ist es mit dunkler Energie verbunden, die dazu diente, die Expansion des Universums zu beschleunigen und seine großräumige Struktur weitgehend einheitlich zu halten. Die Existenz dunkler Energie basiert auf mehreren Beweislinien, die alle darauf hinweisen, dass das Universum von ihr durchdrungen ist. Basierend auf Beobachtungen wird geschätzt, dass 73% des Universums aus dieser Energie bestehen.

In den frühesten Phasen des Universums, in denen die gesamte baryonische Materie näher beieinander lag, überwog die Schwerkraft. Nach Milliarden von Jahren der Expansion führte die wachsende Menge an dunkler Energie dazu, dass die Wechselwirkungen zwischen Galaxien dominierten. Dies löste eine Beschleunigung aus, die als kosmische Beschleunigungsepoche bekannt ist.

Wann diese Periode begann, ist umstritten, aber es wird geschätzt, dass sie ungefähr 8,8 Milliarden Jahre nach dem Urknall (vor 5 Milliarden Jahren) begonnen hat. Kosmologen stützen sich sowohl auf die Quantenmechanik als auch auf Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, um den Prozess der kosmischen Evolution zu beschreiben, der in dieser Zeit und zu jeder Zeit nach der Inflationsepoche stattfand.

Durch einen strengen Prozess der Beobachtung und Modellierung haben Wissenschaftler festgestellt, dass diese Evolutionsperiode mit Einsteins Feldgleichungen übereinstimmt, obwohl die wahre Natur der Dunklen Energie illusorisch bleibt. Darüber hinaus gibt es keine gut unterstützten Modelle, die bestimmen können, was im Universum vor dem Zeitraum vor 10 Jahren stattgefunden hat^-15Sekunden nach dem Urknall.

Laufende Experimente mit dem Large Hadron Collider (LHC) des CERN zielen jedoch darauf ab, die Energiebedingungen wiederherzustellen, die während des Urknalls bestanden hätten, und es wird erwartet, dass auch Physik sichtbar wird, die über den Bereich des Standardmodells hinausgeht.

Durchbrüche in diesem Bereich werden wahrscheinlich zu einer einheitlichen Theorie der Quantengravitation führen, in der Wissenschaftler endlich verstehen können, wie die Schwerkraft mit den drei anderen fundamentalen Kräften der Physik interagiert - Elektromagnetismus, schwache Kernkraft und starke Kernkraft. Dies wiederum wird uns auch helfen zu verstehen, was wirklich in den frühesten Epochen des Universums passiert ist.

Struktur des Universums:

Die tatsächliche Größe, Form und großräumige Struktur des Universums war Gegenstand laufender Forschung. Während das älteste Licht im Universum, das beobachtet werden kann, 13,8 Milliarden Lichtjahre entfernt ist (CMB), ist dies nicht die tatsächliche Ausdehnung des Universums. Angesichts der Tatsache, dass sich das Universum seit Milliarden von Jahren in einem Expansionszustand befindet und bei Geschwindigkeiten, die die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, geht die tatsächliche Grenze weit über das hinaus, was wir sehen können.

Unsere aktuellen kosmologischen Modelle zeigen, dass das Universum einen Durchmesser von 91 Milliarden Lichtjahren (28 Milliarden Parsec) hat. Mit anderen Worten, das beobachtbare Universum erstreckt sich von unserem Sonnensystem nach außen bis zu einer Entfernung von ungefähr 46 Milliarden Lichtjahren in alle Richtungen. Da jedoch der Rand des Universums nicht beobachtbar ist, ist noch nicht klar, ob das Universum tatsächlich einen Rand hat. Nach allem, was wir wissen, geht es für immer weiter!

Innerhalb des beobachtbaren Universums ist die Materie stark strukturiert verteilt. Innerhalb von Galaxien besteht dies aus großen Konzentrationen - d. H. Planeten, Sternen und Nebeln -, die mit großen Bereichen des leeren Raums (d. H. Dem interplanetaren Raum und dem interstellaren Medium) durchsetzt sind.

In größeren Maßstäben ist es ähnlich, Galaxien sind durch mit Gas und Staub gefüllte Raumvolumina getrennt. Im größten Maßstab, in dem Galaxienhaufen und Superhaufen existieren, haben Sie ein wispiges Netzwerk großräumiger Strukturen, die aus dichten Materiefilamenten und gigantischen kosmischen Hohlräumen bestehen.

In Bezug auf seine Form kann die Raumzeit in einer von drei möglichen Konfigurationen existieren - positiv gekrümmt, negativ gekrümmt und flach. Diese Möglichkeiten basieren auf der Existenz von mindestens vier Dimensionen der Raumzeit (einer x-Koordinate, einer y-Koordinate, einer z-Koordinate und einer Zeit) und hängen von der Art der kosmischen Expansion und davon ab, ob das Universum oder nicht ist endlich oder unendlich.

Ein positiv gekrümmtes (oder geschlossenes) Universum würde einer vierdimensionalen Kugel ähneln, die im Raum endlich und ohne erkennbare Kante wäre. Ein negativ gekrümmtes (oder offenes) Universum würde wie ein vierdimensionaler „Sattel“ aussehen und keine räumlichen oder zeitlichen Grenzen haben.

Im ersteren Szenario müsste das Universum aufgrund eines Überflusses an Energie aufhören zu expandieren. In letzterem Fall würde es zu wenig Energie enthalten, um jemals aufhören zu expandieren. Im dritten und letzten Szenario - einem flachen Universum - würde eine kritische Energiemenge existieren und ihre Expansion würde erst nach einer unendlichen Zeitspanne zum Stillstand kommen.

Das Schicksal des Universums:

Die Hypothese, dass das Universum einen Ausgangspunkt hatte, wirft natürlich Fragen nach einem möglichen Endpunkt auf. Wenn das Universum als ein winziger Punkt unendlicher Dichte begann, der sich auszudehnen begann, bedeutet das, dass es sich auf unbestimmte Zeit weiter ausdehnen wird? Oder wird es eines Tages keine expansive Kraft mehr haben und sich nach innen zurückziehen, bis alle Materie wieder zu einer winzigen Kugel zusammenbricht?

Die Beantwortung dieser Frage war seit Beginn der Debatte darüber, welches Modell des Universums das richtige war, ein Hauptanliegen der Kosmologen. Mit der Akzeptanz der Urknalltheorie, aber vor der Beobachtung der Dunklen Energie in den 1990er Jahren, waren sich die Kosmologen auf zwei Szenarien als die wahrscheinlichsten Ergebnisse für unser Universum geeinigt.

Im ersten Szenario, das allgemein als „Big Crunch“ -Szenario bekannt ist, erreicht das Universum eine maximale Größe und beginnt dann, in sich zusammenzufallen. Dies ist nur möglich, wenn die Massendichte des Universums größer als die kritische Dichte ist. Mit anderen Worten, solange die Materiedichte auf oder über einem bestimmten Wert (1-3 × 10) bleibt^-26 kg Materie pro m³) wird sich das Universum schließlich zusammenziehen.

Wenn alternativ die Dichte im Universum gleich oder unter der kritischen Dichte wäre, würde sich die Expansion verlangsamen, aber niemals aufhören. In diesem Szenario, das als „Big Freeze“ bekannt ist, ging das Universum weiter, bis die Sternentstehung schließlich aufhörte und das gesamte interstellare Gas in jeder Galaxie verbraucht wurde. In der Zwischenzeit brannten alle vorhandenen Sterne aus und wurden zu weißen Zwergen, Neutronensternen und Schwarzen Löchern.

Sehr allmählich würden Kollisionen zwischen diesen Schwarzen Löchern dazu führen, dass sich Masse in immer größeren Schwarzen Löchern ansammelt. Die durchschnittliche Temperatur des Universums würde sich dem absoluten Nullpunkt nähern, und schwarze Löcher würden verdampfen, nachdem sie die letzte ihrer Hawking-Strahlung emittiert hatten. Schließlich würde die Entropie des Universums bis zu einem Punkt zunehmen, an dem keine organisierte Energieform daraus extrahiert werden könnte (ein Szenario, das als „Hitzetod“ bekannt ist).

Moderne Beobachtungen, zu denen die Existenz dunkler Energie und ihr Einfluss auf die kosmische Expansion gehören, haben zu dem Schluss geführt, dass immer mehr des derzeit sichtbaren Universums über unseren Ereignishorizont hinausgehen werden (dh das CMB, der Rand dessen, was wir sehen können). und für uns unsichtbar werden. Das mögliche Ergebnis ist derzeit nicht bekannt, aber der „Hitzetod“ wird auch in diesem Szenario als wahrscheinlicher Endpunkt angesehen.

Andere Erklärungen der Dunklen Energie, sogenannte Phantomenergietheorien, legen nahe, dass letztendlich Galaxienhaufen, Sterne, Planeten, Atome, Kerne und Materie selbst durch die immer größer werdende Expansion auseinandergerissen werden. Dieses Szenario ist als "Big Rip" bekannt, bei dem die Expansion des Universums selbst letztendlich sein Rückgängigmachen sein wird.

Studiengeschichte:

Genau genommen haben die Menschen seit prähistorischen Zeiten über die Natur des Universums nachgedacht und sie studiert. Daher waren die frühesten Berichte über die Entstehung des Universums mythologischer Natur und wurden mündlich von einer Generation zur nächsten weitergegeben. In diesen Geschichten begannen die Welt, der Raum, die Zeit und alles Leben mit einem Schöpfungsereignis, bei dem ein Gott oder Götter dafür verantwortlich waren, alles zu erschaffen.

Zur Zeit der alten Babylonier entwickelte sich auch die Astronomie zu einem Forschungsgebiet. Sternbildsysteme und astrologische Kalender, die von babylonischen Gelehrten bereits im 2. Jahrtausend v. Chr. Erstellt wurden, sollten die kosmologischen und astrologischen Traditionen der Kulturen für Tausende von Jahren prägen.

In der Antike entstand die Vorstellung eines Universums, das von physikalischen Gesetzen diktiert wurde. Zwischen griechischen und indischen Gelehrten begannen die Erklärungen für die Schöpfung philosophischer Natur zu werden und betonten eher Ursache und Wirkung als göttliche Entscheidungsfreiheit. Die frühesten Beispiele sind Thales und Anaximander, zwei vorsokratische griechische Gelehrte, die argumentierten, dass alles aus einer ursprünglichen Form von Materie geboren wurde.

Im 5. Jahrhundert v. Chr. Schlug der vorsokratische Philosoph Empedokles als erster westlicher Gelehrter ein Universum vor, das aus vier Elementen bestand - Erde, Luft, Wasser und Feuer. Diese Philosophie wurde in westlichen Kreisen sehr populär und ähnelte dem chinesischen System von fünf Elementen - Metall, Holz, Wasser, Feuer und Erde -, das ungefähr zur gleichen Zeit entstand.

Erst Demokrit, der griechische Philosoph des 5./4. Jahrhunderts v. Chr., Wurde ein Universum vorgeschlagen, das aus unteilbaren Teilchen (Atomen) besteht. Der indische Philosoph Kanada (der im 6. oder 2. Jahrhundert v. Chr. Lebte) führte diese Philosophie weiter, indem er vorschlug, dass Licht und Wärme dieselbe Substanz in unterschiedlicher Form seien. Der buddhistische Philosoph Dignana aus dem 5. Jahrhundert n. Chr. Ging noch weiter und schlug vor, dass alle Materie aus Energie besteht.

Der Begriff der endlichen Zeit war auch ein Schlüsselmerkmal der abrahamitischen Religionen - Judentum, Christentum und Islam. Vielleicht inspiriert vom zoroastrischen Konzept des Jüngsten Gerichts, würde der Glaube, dass das Universum einen Anfang und ein Ende hat, die westlichen Konzepte der Kosmologie bis heute prägen.

Zwischen dem 2. Jahrtausend v. Chr. Und dem 2. Jahrhundert n. Chr. Entwickelten sich Astronomie und Astrologie weiter. Griechische Astronomen überwachten nicht nur die richtigen Bewegungen der Planeten und die Bewegung der Sternbilder durch den Tierkreis, sondern artikulierten auch das geozentrische Modell des Universums, in dem sich Sonne, Planeten und Sterne um die Erde drehen.

Diese Traditionen werden am besten in der mathematischen und astronomischen Abhandlung des 2. Jahrhunderts beschriebenAlmagest, geschrieben von dem griechisch-ägyptischen Astronomen Claudius Ptolemaeus (alias Ptolemäus). Diese Abhandlung und das kosmologische Modell, für das sie eintrat, würden von mittelalterlichen europäischen und islamischen Gelehrten über tausend Jahre lang als Kanon angesehen werden.

Doch schon vor der wissenschaftlichen Revolution (ca. 16. bis 18. Jahrhundert) gab es Astronomen, die ein heliozentrisches Modell des Universums vorschlugen - bei dem sich Erde, Planeten und Sterne um die Sonne drehten. Dazu gehörten der griechische Astronom Aristarchos von Samos (ca. 310 - 230 v. Chr.) Und der hellenistische Astronom und Philosoph Seleukus von Seleukia (190 - 150 v. Chr.).

Während des Mittelalters pflegten und erweiterten indische, persische und arabische Philosophen und Gelehrte die klassische Astronomie. Sie hielten nicht nur ptolemäische und nicht-aristotelische Ideen am Leben, sondern schlugen auch revolutionäre Ideen wie die Rotation der Erde vor. Einige Wissenschaftler - wie der indische Astronom Aryabhata und die persischen Astronomen Albumasar und Al-Sijzi - haben sogar fortgeschrittene Versionen eines heliozentrischen Universums entwickelt.

Bis zum 16. Jahrhundert schlug Nicolaus Copernicus das vollständigste Konzept eines heliozentrischen Universums vor, indem er verweilende mathematische Probleme mit der Theorie löste. Seine Ideen wurden erstmals im 40-seitigen Manuskript mit dem Titel zum Ausdruck gebracht Commentariolus („Kleiner Kommentar“), in dem ein heliozentrisches Modell beschrieben wurde, das auf sieben allgemeinen Prinzipien basiert. Diese sieben Prinzipien besagten, dass:

Himmelskörper drehen sich nicht alle um einen einzigen Punkt
Der Erdmittelpunkt ist der Mittelpunkt der Mondkugel - die Umlaufbahn des Mondes um die Erde; Alle Kugeln drehen sich um die Sonne, die sich in der Nähe des Zentrums des Universums befindet
Die Entfernung zwischen Erde und Sonne ist ein unbedeutender Bruchteil der Entfernung zwischen Erde und Sonne zu den Sternen, sodass bei den Sternen keine Parallaxe beobachtet wird
Die Sterne sind unbeweglich - ihre scheinbare tägliche Bewegung wird durch die tägliche Rotation der Erde verursacht
Die Erde wird in einer Kugel um die Sonne bewegt, was die scheinbare jährliche Wanderung der Sonne verursacht
Die Erde hat mehr als eine Bewegung
Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne bewirkt die scheinbare Umkehrung der Bewegungen der Planeten.

Eine umfassendere Behandlung seiner Ideen wurde 1532 veröffentlicht, als Copernicus sein Magnum Opus fertigstellte - De revolutionibus orbium coelestium (Über die Revolutionen der himmlischen Sphären). Darin brachte er seine sieben Hauptargumente vor, jedoch in detaillierterer Form und mit detaillierten Berechnungen, um sie zu stützen. Aus Angst vor Verfolgung und Gegenreaktionen wurde dieser Band erst nach seinem Tod im Jahr 1542 veröffentlicht.

Seine Ideen würden von Mathematikern, Astronomen und Erfindern des 16./17. Jahrhunderts, Galileo Galilei, weiter verfeinert. Mit einem Teleskop seiner eigenen Schöpfung machte Galileo aufgezeichnete Beobachtungen des Mondes, der Sonne und des Jupiter, die Fehler im geozentrischen Modell des Universums zeigten und gleichzeitig die interne Konsistenz des kopernikanischen Modells zeigten.

Seine Beobachtungen wurden im frühen 17. Jahrhundert in verschiedenen Bänden veröffentlicht. Seine Beobachtungen der kraterartigen Oberfläche des Mondes und seine Beobachtungen des Jupiter und seiner größten Monde wurden 1610 mit seinem detailliert Sidereus Nuncius (Der Sternenbote), während seine Beobachtungen Sonnenflecken waren, wurden in beschrieben Auf den in der Sonne beobachteten Stellen (1610).

Galileo zeichnete auch seine Beobachtungen über die Milchstraße in der Sternenbote, was früher als nebulös angesehen wurde. Stattdessen stellte Galileo fest, dass es sich um eine Vielzahl von Sternen handelte, die so dicht zusammengepackt waren, dass sie aus der Ferne wie Wolken aussahen, aber tatsächlich Sterne waren, die viel weiter entfernt waren als bisher angenommen.

1632 sprach Galileo in seiner Abhandlung schließlich die „Große Debatte“ anDialogo sopra i due massimi sistemi del mondo (Dialog über die beiden Hauptsysteme der Welt), in dem er das heliozentrische Modell gegenüber dem geozentrischen Modell befürwortete. Mit seinen eigenen teleskopischen Beobachtungen, der modernen Physik und der strengen Logik untergruben Galileos Argumente effektiv die Grundlage des Systems von Aristoteles und Ptolemäus für ein wachsendes und empfängliches Publikum.

Johannes Kepler hat das Modell mit seiner Theorie der elliptischen Bahnen der Planeten weiterentwickelt. In Kombination mit genauen Tabellen, die die Positionen der Planeten vorhersagten, wurde das kopernikanische Modell effektiv bewiesen. Ab der Mitte des 17. Jahrhunderts gab es nur noch wenige Astronomen, die keine Kopernikaner waren.

Der nächste große Beitrag kam von Sir Isaac Newton (1642/43 - 1727), der aufgrund seiner Arbeit mit Keplers Gesetzen der Planetenbewegung seine Theorie der universellen Gravitation entwickelte. 1687 veröffentlichte er seine berühmte Abhandlung Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica ("Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie"), in dem seine drei Bewegungsgesetze detailliert beschrieben wurden. Diese Gesetze besagten, dass:

Bei Betrachtung in einem Trägheitsreferenzrahmen bleibt ein Objekt entweder in Ruhe oder bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit weiter, es sei denn, es wird von einer externen Kraft beaufschlagt.
Die Vektorsumme der äußeren Kräfte (F) auf ein Objekt ist gleich der Masse (m) dieses Objekts multipliziert mit dem Beschleunigungsvektor (a) des Objekts. In mathematischer Form wird dies ausgedrückt als: F =mein
Wenn ein Körper eine Kraft auf einen zweiten Körper ausübt, übt der zweite Körper gleichzeitig eine Kraft gleicher Größe und entgegengesetzter Richtung auf den ersten Körper aus.

Zusammen beschreiben diese Gesetze die Beziehung zwischen jedem Objekt, den auf es einwirkenden Kräften und der daraus resultierenden Bewegung und legen damit den Grundstein für die klassische Mechanik. Die Gesetze erlaubten Newton auch, die Masse jedes Planeten zu berechnen, die Abflachung der Erde an den Polen und die Ausbuchtung am Äquator zu berechnen und wie die Anziehungskraft von Sonne und Mond die Gezeiten der Erde erzeugt.

Seine kalkülartige Methode der geometrischen Analyse war auch in der Lage, die Schallgeschwindigkeit in der Luft (basierend auf dem Boyle'schen Gesetz), die Präzession der Äquinoktien - die er als Ergebnis der Anziehungskraft des Mondes auf die Erde zeigte - zu berücksichtigen und zu bestimmen die Umlaufbahnen der Kometen. Dieser Band hätte tiefgreifende Auswirkungen auf die Wissenschaften, und seine Prinzipien bleiben für die folgenden 200 Jahre kanonisch.

Eine weitere wichtige Entdeckung fand 1755 statt, als Immanuel Kant vorschlug, die Milchstraße sei eine große Sammlung von Sternen, die durch die gegenseitige Schwerkraft zusammengehalten werden. Genau wie das Sonnensystem würde sich diese Sammlung von Sternen drehen und als Scheibe abgeflacht, in die das Sonnensystem eingebettet wäre.

Der Astronom William Herschel versuchte 1785, die Form der Milchstraße tatsächlich abzubilden, erkannte jedoch nicht, dass große Teile der Galaxie durch Gas und Staub verdeckt sind, wodurch ihre wahre Form verborgen bleibt. Der nächste große Sprung in der Erforschung des Universums und der Gesetze, die es regeln, kam erst im 20. Jahrhundert mit der Entwicklung von Einsteins Theorien der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie.

Einsteins bahnbrechende Theorien über Raum und Zeit (einfach zusammengefasst als E = mc²) waren teilweise das Ergebnis seiner Versuche, Newtons Gesetze der Mechanik mit den Gesetzen des Elektromagnetismus (wie durch Maxwells Gleichungen und das Lorentz-Kraftgesetz charakterisiert) aufzulösen. Schließlich würde Einstein die Inkonsistenz zwischen diesen beiden Bereichen lösen, indem er in seiner Arbeit von 1905 die Spezielle Relativitätstheorie vorschlug: „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“.

Grundsätzlich besagt diese Theorie, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Trägheitsreferenzrahmen gleich ist. Dies brach mit dem zuvor vertretenen Konsens, dass Licht, das sich durch ein sich bewegendes Medium bewegt, von diesem Medium mitgerissen wird, was bedeutet, dass die Lichtgeschwindigkeit die Summe seiner Geschwindigkeit ist durch ein Medium plus die Geschwindigkeit von dieses Medium. Diese Theorie führte zu mehreren Problemen, die sich vor Einsteins Theorie als unüberwindbar erwiesen.

Die Spezielle Relativitätstheorie hat nicht nur Maxwells Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus mit den Gesetzen der Mechanik in Einklang gebracht, sondern auch die mathematischen Berechnungen vereinfacht, indem überflüssige Erklärungen anderer Wissenschaftler abgeschafft wurden. Es machte auch die Existenz eines Mediums völlig überflüssig, was der direkt beobachteten Lichtgeschwindigkeit entsprach und die beobachteten Aberrationen berücksichtigte.

Zwischen 1907 und 1911 begann Einstein zu überlegen, wie die Spezielle Relativitätstheorie auf Gravitationsfelder angewendet werden könnte - die sogenannte Allgemeine Relativitätstheorie. Dies gipfelte 1911 mit den Veröffentlichungen von „Über den Einfluss der Gravitation auf die Lichtausbreitung“, In dem er voraussagte, dass die Zeit relativ zum Beobachter ist und von seiner Position innerhalb eines Schwerefeldes abhängt.

Er brachte auch das sogenannte Äquivalenzprinzip voran, das besagt, dass die Gravitationsmasse mit der Trägheitsmasse identisch ist. Einstein sagte auch das Phänomen der Gravitationszeitdilatation voraus - bei der zwei Beobachter, die sich in unterschiedlichen Abständen von einer Gravitationsmasse befinden, einen Unterschied in der Zeitdauer zwischen zwei Ereignissen wahrnehmen. Ein weiteres wichtiges Ergebnis seiner Theorien war die Existenz von Schwarzen Löchern und eines expandierenden Universums.

1915, wenige Monate nachdem Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte, fand der deutsche Physiker und Astronom Karl Schwarzschild eine Lösung für die Einstein-Feldgleichungen, die das Gravitationsfeld eines Punktes und einer sphärischen Masse beschrieben. Diese Lösung, die jetzt als Schwarzschild-Radius bezeichnet wird, beschreibt einen Punkt, an dem die Masse einer Kugel so komprimiert ist, dass die Fluchtgeschwindigkeit von der Oberfläche der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

1931 berechnete der indisch-amerikanische Astrophysiker Subrahmanyan Chandrasekhar unter Verwendung der Speziellen Relativitätstheorie, dass ein nicht rotierender Körper elektronendegenerierter Materie oberhalb einer bestimmten Grenzmasse in sich zusammenbrechen würde. 1939 stimmten Robert Oppenheimer und andere Chandrasekhars Analyse zu und behaupteten, dass Neutronensterne oberhalb einer vorgeschriebenen Grenze in Schwarze Löcher zusammenbrechen würden.

Eine weitere Folge der Allgemeinen Relativitätstheorie war die Vorhersage, dass sich das Universum entweder in einem Expansions- oder Kontraktionszustand befindet. 1929 bestätigte Edwin Hubble, dass Ersteres der Fall war. At the time, this appeared to disprove Einstein’s theory of a Cosmological Constant, which was a force which “held back gravity” to ensure that the distribution of matter in the Universe remained uniform over time.

To this, Edwin Hubble demonstrated using redshift measurements that galaxies were moving away from the Milky Way. What’s more, he showed that the galaxies that were farther from Earth appeared to be receding faster – a phenomena that would come to be known as Hubble’s Law. Hubble attempted to constrain the value of the expansion factor – which he estimated at 500 km/sec per Megaparsec of space (which has since been revised).

And then in 1931, Georges Lemaitre, a Belgian physicist and Roman Catholic priest, articulated an idea that would give rise to the Big Bang Theory. After confirming independently that the Universe was in a state of expansion, he suggested that the current expansion of the Universe meant that the father back in time one went, the smaller the Universe would be.

In other words, at some point in the past, the entire mass of the Universe would have been concentrated on a single point. These discoveries triggered a debate between physicists throughout the 1920s and 30s, with the majority advocating that the Universe was in a steady state (i.e. the Steady State Theory). In this model, new matter is continuously created as the Universe expands, thus preserving the uniformity and density of matter over time.

After World War II, the debate came to a head between proponents of the Steady State Model and proponents of the Big Bang Theory – which was growing in popularity. Eventually, the observational evidence began to favor the Big Bang over the Steady State, which included the discovery and confirmation of the CMB in 1965. Since that time, astronomers and cosmologists have sought to resolve theoretical problems arising from this model.

In the 1960s, for example, Dark Matter (originally proposed in 1932 by Jan Oort) was proposed as an explanation for the apparent “missing mass” of the Universe. In addition, papers submitted by Stephen Hawking and other physicists showed that singularities were an inevitable initial condition of general relativity and a Big Bang model of cosmology.

In 1981, physicist Alan Guth theorized a period of rapid cosmic expansion (aka. the “Inflation” Epoch) that resolved other theoretical problems. The 1990s also saw the rise of Dark Energy as an attempt to resolve outstanding issues in cosmology. In addition to providing an explanation as to the Universe’s missing mass (along with Dark Matter) it also provided an explanation as to why the Universe is still accelerating, and offered a resolution to Einstein’s Cosmological Constant.

Significant progress has been made in our study of the Universe thanks to advances in telescopes, satellites, and computer simulations. These have allowed astronomers and cosmologists to see farther into the Universe (and hence, farther back in time). This has in turn helped them to gain a better understanding of its true age, and make more precise calculations of its matter-energy density.

The introduction of space telescopes – such as the Cosmic Background Explorer (COBE), the Hubble Space Telescope, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) and the Planck Observatory – has also been of immeasurable value. These have not only allowed for deeper views of the cosmos, but allowed astronomers to test theoretical models to observations.

For example, in June of 2016, NASA announced findings that indicate that the Universe is expanding even faster than previously thought. Based on new data provided by the Hubble Space Telescope (which was then compared to data from the WMAP and the Planck Observatory) it appeared that the Hubble Constant was 5% to 9% greater than expected.

Next-generation telescopes like the James Webb Space Telescope (JWST) and ground-based telescopes like the Extremely Large Telescope (ELT) are also expected to allow for additional breakthroughs in our understanding of the Universe in the coming years and decades.

Without a doubt, the Universe is beyond the reckoning of our minds. Our best estimates say hat it is unfathomably vast, but for all we know, it could very well extend to infinity. What’s more, its age in almost impossible to contemplate in strictly human terms. In the end, our understanding of it is nothing less than the result of thousands of years of constant and progressive study.

And in spite of that, we’ve only really begun to scratch the surface of the grand enigma that it is the Universe. Perhaps some day we will be able to see to the edge of it (assuming it has one) and be able to resolve the most fundamental questions about how all things in the Universe interact. Until that time, all we can do is measure what we don’t know by what we do, and keep exploring!

To speed you on your way, here is a list of topics we hope you will enjoy and that will answer your questions. Good luck with your exploration!