Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie - Quasi-steady-state cosmology  

Evolution: Astronomie, Astrophysik, Kosmologie

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Interessierte: Quasi-steady-state cosmology

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Inhalt

Im Laufe des 20. Jahrhunderts wurden verschiedene Ansätze für kosmologische Modelle vorgeschlagen. Leider wurden viele von ihnen nicht sehr detailliert ausgearbeitet. Die Quasi-steady-state cosmology ist eine alternative Kosmologie zum Standardmodell, die relativ detailliert ausgearbeitet wurde und die die grundlegenden Phänomene des Universums zu erklären beansprucht. In diesem Artikel wird das Modell vorgestellt und seine Bedeutung diskutiert.

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evolution, schöpfung Ein anderer Ansatz

evolution, schöpfung Erschaffung von Materie

evolution, schöpfung Das fast stationäre Universum

evolution, schöpfung Rotverschiebung

evolution, schöpfung Mikrowellenhintergrund

evolution, schöpfung Häufigkeit leichter Elemente

evolution, schöpfung Abschließende Bemerkung

evolution, schöpfung Literatur

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Historisches

 

Nicht alle Kosmologen waren mit dem Standardmodell zufrieden, das in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts durch Einstein, Friedmann und andere begründet wurde (siehe Historische Entwicklung der modernen Kosmologie). So waren Hermann Bondi, Thomas Gold und Fred Hoyle beispielsweise nicht einverstanden mit der Raumzeit-Singularität (=Zustand hoher Dichte beim Urknall, bei dem die Physik „zusammenbricht“) in Form eines Urknalls. Auch nahmen sie nicht als selbstverständlich an, dass die physikalischen Gesetze und Bedingungen immer dieselben waren, was im Standardmodell zwar angenommen wird, aber nicht näher begründet werden kann. Diese und noch weitere Einwände gaben den Anlass, dass 1948 schließlich das (berüchtigte) Steady-state Modell geboren wurde. Das Steady-state Modell beruht auf dem perfekten kosmologischen Prinzip, welches besagt, dass das Universum nicht nur homogen (=im Mittel überall gleiche Materiedichte) und isotrop (=in jeder Richtung gleich) sei bezüglich des Raumes (kosmologisches Prinzip im Standardmodell), sondern auch bezüglich der Zeit. Das bedeutet, das Universum bietet sich nicht nur immer gleich dar, egal von welchem Standort man es beobachtet, sondern es ändert sich auch in der Zeit nicht im Gegensatz zum Standardmodell, in dem sich das Universum mit der Zeit stark ändert.

Das Steady-state Modell wurde dann ausgearbeitet und erlaubte schließlich auch prüfbare Voraussagen. Somit war es in den 1950er Jahren eine Konkurrenz zum Standardmodell. Allerdings erlitt das Steady-state Modell schließlich zwei Rückschläge, von denen es sich nicht mehr erholen konnte:

Es konnte den Mikrowellenhintergrund nicht erklären, der um diese Zeit entdeckt wurde, und es bot keine Erklärung für die charakteristische Häufigkeit der leichten Elemente im Universum (Häufigkeit leichter Elemente).

1993 erlebte das totglaubte Steady-state Modell eine Renaissance in Form der neuen Quasi-steady-state cosmology (QSSC), welche von Fred Hoyle, Geoffrey Burbidge und Jayant Narlikar vorgeschlagen wurde. Das Modell wird im Folgenden vorgestellt.

 
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Ein anderer Ansatz

 

Wie bereits erwähnt wurde für das Standardmodell der Kosmologie (Standardmodell) das kosmologische Prinzip postuliert, welches besagt, dass das Universum homogen und isotrop sei. Weiter wurde angenommen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie überall gültig ist. Mit diesen Annahmen folgt fast zwangsläufig das „Grundgerüst“ des Standardmodells mit einem sich ausdehnenden Universum.

In der QSSC wurde ein anderer Ansatz gewählt. Die Autoren der QSSC bemerken, dass die Allgemeine Relativitätstheorie, auf welcher das Standardmodell gegründet ist, eine fundamentale Eigenschaft nicht besitzt, die sonst in der Physik sehr präsent ist: Sie ist nicht skaleninvariant. (Skaleninvarianz bedeutet, dass die physikalische Theorie dieselbe bleibt, wenn man die mathematischen Gleichungen auf gewisse Art und Weise transformiert.) Unbefriedigt von diesem Ergebnis versuchten die Autoren, die Allgemeine Relativitätstheorie zu verallgemeinern, damit sie wie auch andere erfolgreiche physikalische Theorien die Skaleninvarianz erfüllt. Als Ausgangspunkt für diesen Schritt legen sie das Machsche Prinzip zugrunde. (Dieses Prinzip besagt, dass die Trägheit einer Masse durch die Wechselwirkung aller anderen Massen im Universum bestimmt wird. Im Gegensatz zur klassischen Mechanik von Newton ist also die Trägheit eines Körpers keine intrinsische (=dem Körper fest innewohnende) Eigenschaft mehr.) Mit diesem Hilfswerkzeug gelingt das Unternehmen und die Autoren erhalten als Ergebnis eine kompliziertere Theorie, von welcher die Allgemeine Relativitätstheorie nur noch ein Spezialfall ist. Abweichungen von der Allgemeine Relativitätstheorie ergeben sich nur im Grenzfall sehr hoher Gravitationsfelder.

 
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Erschaffung von Materie

 

Der neu entwickelte Ansatz hat aber noch einen wichtigen weiteren Vorteil: Er lässt die Erschaffung von Materie zu, was im Standardmodell verboten ist. Diese Erschaffung ist zudem ohne Verletzung des Energieerhaltungssatzes möglich. Das geschieht, indem die Energie durch ein sogenanntes C-Feld in Balance gehalten wird, das aus der neu entwickelten Theorie mehr oder weniger automatisch hervorgeht. Auf diese Weise ist eine Kosmologie mit Neuschaffung von Materie möglich, die ohne Verletzung der Energieerhaltung und ohne ein hypothetisches Urknallereignis auskommt, da die Materie fortlaufend entstehen kann.

 
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Die Theorie sagt voraus, dass überall dort Materie erzeugt wird, wo das C-Feld genügend groß ist. Das ist in der Nähe von sehr massiven Körpern der Fall. Aufgrund einer speziellen Eigenschaft dieses C-Feldes geschieht die Erschaffung von Materie außerdem explosionsartig, wobei die Materie weggeschleudert wird (sog. „Minibangs“). Das Feedback solcher Erschaffungsakte lässt schließlich das Universum als gesamtes expandieren.

Dieses Konzept der Minibangs steht in Übereinstimmung mit den Beobachtungsdaten der Astrophysik, die beispielsweise Phänomene hochenergetischer, explosiver Röntgenemissionen kennt. Die QSSC geht aber noch einen Schritt weiter und vermutet, dass Galaxien gebildet werden, indem sie in anderen Galaxien durch Materieerschaffung entstehen und dann aus diesen heraus geschleudert werden. Auch dafür gibt es interessante Anhaltspunkte aus der Beobachtungsastronomie (Abb. 145), die allerdings nicht allgemein anerkannt sind. Sie hängen eng mit der anomalen Rotverschiebung zusammen.

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Das fast stationäre Universum

Wie erwähnt lässt die Erschaffung von Materie das Universum expandieren. Das geschieht aber nicht gleichmäßig, wie man es sich im frühen Steady-state Universum vorgestellt hatte. Die Schaffungsaktivität ist vielmehr durch Hochs und Tiefs charakterisiert, die sich gegenseitig ablösen: Ist die Schaffensaktivität des Universums groß, so dehnt sich das Universum um so schneller aus. Dadurch sinkt das C-Feld und die Erschaffung von Materie reduziert sich um Orte sehr hoher Dichte. Dadurch wird aber auch die Expansion des Universums verlangsamt, was die Kontraktionen von Materie und somit die Neuerschaffung wiederum begünstigt. Damit beginnt der Kreislauf von Neuem.

Das bewirkt, dass das Universum in seiner Grösse oszilliert (=kontinuierlich abwechselnd größer und kleiner wird). Dieser oszillatorischen Bewegung ist aber eine langsam exponentielle Ausdehnung des Universums überlagert, da das Universum immer mit neuer Materie erfüllt wird. Die zeitliche Entwicklung der Größe des Universums verhält sich etwas so wie in Abb. 146. Dadurch ist das Universum zeitlich fast stationär. Aus diesem Grund heißt es Quasi-steady-state cosmology. Aufgrund seines exponentiellen Wachstums hat das Universum nach dieser Theorie keinen Anfang, sondern zeigt sich einem Beobachter im Universum in jeder Periode immer gleich.

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Die Theorie mag recht einfach klingen. Betrachtet man sie aber im Kontext der theoretischen Physik, so ist sie recht anspruchsvoll. Aufgrund der zugrundegelegten Prinzipien ist die Theorie möglicherweise schöner als diejenige des Standardmodells, aber keinesfalls einfacher. Entscheidend ist aber letztlich nicht, ob eine Theorie gewissen Prinzipien genügt, sondern ob sie die Beobachtungen im Universum erklären kann. Darum sollen nun die Erklärungen der QSSC für die drei charakteristischen Phänomene – Rotverschiebung, Mikrowellenhintergrund und Häufigkeit der leichten Elemente – vorgestellt werden:

 
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Rotverschiebung

 

Die Rotverschiebung wird genau gleich erklärt wie im Standardmodell. Wir befinden uns momentan im Stadium des aktuellen Zyklus, in dem sich das Universum ausdehnt. Auf diese Weise kommt ganz natürlich die Rotverschiebung zustande.

 
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Mikrowellenhintergrund

 

Der Mikrowellenhintergrund findet allerdings eine andere Interpretation als im Standardmodell: Er stammt vom Sternenlicht von vergangenen Zyklen, das am intergalaktischen Eisen- und Karbonstaub (engl. whiskers) gestreut wird.

Durch die Ausdehnung des Universums während eines Zyklus fällt die Energiedichte der bereits vorhandenen Hintergrundstrahlung aufgrund der Rotverschiebung ab. Dieser Verlust muss während des Zyklus wieder wettgemacht werden. Das geschieht dadurch, dass Sternenlicht im aktuellen Zyklus an intergalaktischem Staub thermalisiert (=vom kosmischen Staub absorbiert und als Wärmestrahlung wieder emittiert) wird. Auf diese Weise erhält die Hintergrundstrahlung ihr Schwarzkörper-Spektrum, das sich als eine grundlegende Eigenschaft des Mikrowellenhintergrundes erwiesen hat. Berechnet man im Rahmen der QSSC die erwartete Temperatur des Mikrowellenhintergrundes unter Zuhilfenahme von astronomischen Beobachtungen des Sternenlichtes etc., so erhält man erstaunlicherweise etwa 2,7 K, was recht gut der beobachteten Temperatur entspricht. In der QSSC ist es also im Gegensatz zum Standardmodell möglich, die Temperatur des Mikrowellenhintergrundes aus der Theorie abzuleiten. Auch gibt es gute Anhaltspunkte aus Beobachtungen für die Existenz solcher Staubteilchen (engl. whiskers), die für das Thermalisieren der Strahlung verantwortlich gemacht werden.

In der QSSC lassen sich sogar die Fluktuationen des Mikrowellenhintergrundes in der richtigen Größenordnung voraussagen. Man nimmt hier an, dass sie direkt von Inhomogenitäten großer Galaxienhaufen stammen. Es soll noch erwähnt werden, dass die Interpretation des Mikrowellenhintergrunds im Rahmen der QSSC auch kritisiert wurde. So bemerkt Wright (2003), dass beispielsweise eine detaillierte Analyse der durch den Satelliten WMAP (siehe Mikrowellenhintergrund) beobachteten Fluktuationen nicht gut zur Vorhersage der QSSC passt. Um ein definitives Urteil zu fällen, sind hier aber weitere Untersuchungen nötig.

 
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Häufigkeit leichter Elemente

 

Auch die Bildung leichter Elemente (Häufigkeit leichter Elemente) läuft anders ab als im Standardmodell. Wenn in der QSSC Materie neu entsteht, so geschieht das in Form von sog. Planck-Teilchen. Diese Planck-Teilchen haben eine sehr kurze Lebensdauer und zerfallen sehr schnell in viele Tochterteilchen. Diese Teilchen sind dann noch so nahe zusammen, dass die Temperatur sehr hoch ist, d.h. das Planck-Teilchen zerfällt quasi in einen Feuerball. In diesem Feuerball, der aus Quarks (=Elementare Teilchen, aus denen die Neutronen und Protonen zusammengesetzt sind) besteht, finden nun Fusionsreaktionen ähnlich wie im Standardmodell statt, womit sich die leichten Elemente bilden. Die Menge der entstehenden Elemente kann im Rahmen der QSSC quantitativ berechnet werden und liefert Resultate, die gut zu den beobachteten Werten passen. Für den Massenanteil He im Universum findet man beispielsweise ~23 - 24%, was praktisch dem beobachteten Wert entspricht.

Ähnlich wie bei der Deutung des Mikrowellenhintergrundes ist es erstaunlich, dass sowohl im Standardmodell wie auch in der QSSC praktisch dieselben Voraussagen gemacht werden, obwohl für die Erklärung der Phänomene völlig verschiedene Bedingungen angenommen werden.

 
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Abschließende Bemerkung

 

Die QSSC ist ähnlich wie das Standardmodell in erster Linie ein Modell, das auf theoretische Überlegungen aufgebaut wurde. Die zugrundeliegende Theorie ist sogar noch anspruchsvoller als die des Standardmodells. Dabei ist die QSSC eine Kosmologie, die neben dem Standardmodell vergleichsweise weit entwickelt werden konnte. Sie vermag die wichtigsten kosmischen Phänomene qualitativ und quantitativ zu erklären und manchmal sogar vorauszusagen. Sie hat einen soliden theoretischen Rahmen, wenn auch die Konsequenzen der Verallgemeinerung der ART, die in der QSSC postuliert werden, bisher noch nicht nachgewiesen werden konnten. Die QSSC macht zudem konkrete Aussagen, an denen die Theorie geprüft und auch widerlegt werden kann. (So könnte die Theorie z.B. widerlegt werden, wenn gezeigt werden könnte, dass die benötigten intergalaktischen Teilchen (engl. whiskers) für die Thermalisierung der Hintergrundstrahlung gar nicht existieren.) Anhand von bisherigen Befunden ist es auf jeden Fall nicht möglich, die QSSC eindeutig als unzutreffendes Modell auszuweisen. Die Vorhersagen der QSSC sind teilweise mindestens so gut wie diejenigen des Standardmodells.

Die QSSC liefert ein wichtiges Beispiel, um zu demonstrieren, dass in der Kosmologie häufig mehrere Interpretationen für eine bestimmte Beobachtung existieren. Diese alternativen Interpretationen können sogar miteinander zusammenhängen und somit ein in sich stimmiges Bild liefern, das zu einem völlig anderen Universum führt. Allerdings kann - wie jede andere Theorie - auch die QSSC bisher nicht alle Befunde erklären, so liefert gerade die anomale Rotverschiebung ein Beispiel eines solchen Befundes, obwohl Burbidge als Mitbegründer der QSSC ironischerweise einer ihrer prominentesten Verfechter ist. Besonders die Rotverschiebungsperiodizitäten widersetzen sich einer Erklärung.

 
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Literatur

 

Burbidge G. (2001) Quasi-steady State Cosmology. In Proceedings of Frontiers of the Universe Conference, 17-23 June 2001

Hoyle F., Burbidge G., Narlikar J.V. (1996) The Quasi-Steady State Cosmology. In Kafatos M. and Kondo Y. (eds) Examining the Big Bang and Diffuse Background Radiations, 329-368. IAU.

Narlikar J.V. (2002) An Introduction to Cosmology. Cambridge University Press. Third Edition.

Wright E.L (2003) The WMAP data and results. New Astronomy rewiews 47, 877-881.

 
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Autor: Studiengemeinschaft Wort und Wissen, 19.09.2004

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