Referat: Astrophysik

1. Was ist Astrophysik

1.1 Forschungsgebiet der Astrophysik

Die Astrophysik ist eine Wissenschaft, die sich mit den physikalischen Gesetzen im gesamten Universum befasst, also zu erklären versucht, warum sich die etwas so verhält und nicht anders.
Die Astrophysik befasst sich nicht nur mit dem riesig Grossen, also den Planeten und Sternen, sondern auch mit dem sehr kleinen, also mit Atomen und noch kleineren Teilchen.

1.2 Die Geschichte der Astrophysik

Die Astrophysik ist keine moderne Wissenschaft, sondern sie existierte schon zu Zeit der Griechen. Die Astrophysik der Griechen äusserte sich vor allem in den Weltbildern zur damaligen Zeit. Auch die Frage nach dem Ursprung des Universums gehört heute zur Astrophysik, war damals aber eher mit der Philosophie verbunden, wie auch die Frage, ob die Teilchen aus denen alles besteht unendlich teilbar sind oder nicht. Im Mittelalter wurde dann die Astrophysik lahm gelegt und alle Fragen, die ins Gebiet der Astrophysik gingen, wurden mit der Bibel erklärt. Auch in der Renaissance war die Astrophysik nicht sehr aktuell, denn man befasste sich eher mit dem Menschen als mit dem Universum. Erst mit Isaac Newton blühte im 17. und 18. Jahrhundert die Astrophysik wieder auf. Eine wichtige Zeitspanne für die Astrophysik war die Zeit vom Anfang unseres Jahrhunderts bis zum Beginn des zweiten Weltkrieges, denn zu dieser Zeit entwickelte Einstein seine Relativitätstheorien. Ein bisschen später entwickelte Heisenberg seine Unschärferelation und war somit Mitbegründer der Quantenmechanik. Diese zwei Theorien sind heute die zwei Hauptheorien der Astrophysik. Seit dem zweiten Weltkrieg hat sich in der Astrophysik also nicht mehr so viel getan.

2. Wichtige Persönlichkeiten der Astrophysik

2.1 Sir Isaac Newton

Der Engländer entdeckte die Gesetze der Schwerkraft. Er lebte von 1643 bis 1727.

2.2 Albert Einstein

Der deutsch-amerikanische Physiker hat die allgemeine und die spezielle Relativitätstheorie entwickelt. 1921 erhielt er den Nobelpreis in Physik. Seine Theorien galten als bahnbrechend und sind ausschlaggebend für die moderne Physik. Er lebte von 1879 bis 1955.

2.3 Edwin P. Hubble

Der amerikanische Astronom bewies die Expansion, also die Ausdehnung des Universum, die schon in der Relativitätstheorie vorausgesagt wurde. Er lebte von 1889 bis 1953.

2.4 Werner K. Heisenberg

Er ist Mitbegründer der Quantenmechanik. Seine Unschärferelation ist von grösster physikalischer und erkenntnistheoretischer Bedeutung. 1932 erhielt er den Nobelpreis für Physik. Er lebte von 1901 bis 1976.

2.5 Stephen W. Hawking

Er ist einer der bedeutendsten Astrophysiker unserer Zeit. Er ist Begründer der Urknalltheorie und hat das Amt des Lukasichen Lehrstuhls an der Universität Cambridge, ein Amt, das vor ihm Newton und Dirac bekleideten. Er wurde 1942 geboren.

3. Die Theorien der Astrophysik

3.1 Die Relativitätstheorie

Die Relativitätstheorie stammt von Einstein. Von ihr gibt es zwei Arten, die spezielle und die allgemeine. Auf die Unterschiede möchte ich hier nicht eingehen. Aus der Relativitätstheorie stammt die berühmte Gleichung E=mc ², was soviel bedeutet wie Energie ist gleich Masse mal Lichtgeschwindigkeit im Quadrat. Diese Gleichung wird auch Energie-Masse-Relation genannt. Sie schildert den Zusammenhang von Energie und Masse. In der Relativitätstheorie sind aber auch noch viele andere interessante Elemente enthalten, wie zum Beispiel, dass Zeit in der Nähe von grossen, festen Objekten, wie zum Beispiel der Erde langsamer vergeht, als im freien Raum. Dies konnte man 1962 beweisen als man zwei Atomuhren nahm, die genau gleich gingen. Eine Uhr stellte man an den Fuss eines Wasserturms, die andere auf die Spitze. Als man danach die Uhren verglich, ging die Uhr, die am Boden stand genauso viel nach, wie man es mit der Relativitätstheorie berechnen konnte. Auch wichtig an der Relativitätstheorie ist die Zusammenfassung von Raum und Zeit zu einer Raumzeit. Die Relativitätstheorie ist hauptsächlich für das gesamte Universum geschrieben und soll möglichst alles erfassen und erklären.

3.2 Die Quantenmechanik

Die Quantenmechanik befasst sich mit den kleinsten Teilchen, den Molekülen, den Atomen, dem Atomkern und den Quarks, das bisher kleinste entdeckte Teilchen. Die Quantenmechanik sagt, das alles im Universum aus Teilchen besteht und eine Welle, also Frequenz hat. Nach der Quantenmechanik hat jedes Teilchen einen Spin. Um das zu veranschaulichen kann man auf einfach Geometrie zurückgreifen. Kann man etwas drehen und es sieht immer gleich aus, so hat es den Spin 0. Muss man etwas mindestens zweimal drehen, bis es wieder gleich aussieht, so hat es den Spin ½. Muss man etwas um 360° drehen, damit es wieder gleich aussieht, so hat es den Spin 1. Muss man etwas um 180° drehen, also Punktspiegeln, so hat es den Spin 2. Laut der Quantenmechanik gibt es im Universum fünf verschiedene Teilchen: vier Kräfte und die Materie.
Die Materie hat den Spin ½. Die Kräfte haben die Spins 0, 1 und 2. Zu den Kräften gehören die Schwerkraft, die elektromagnetische Kraft, die schwache Wechselwirkung und die starke Kernkraft. Die schwache Wechselwirkung wird auch schwache Kernkraft genannt. Die Quantenmechanik sagt auch voraus, dass es zu jedem Teilchen ein Anti-Teilchen geben muss. Bei den Kräften sind die Anti-Teilchen gleich den normalen Teilchen, während die Materie der Anti-Materie genau unterschiedlich ist. Demnach muss es also ein Anti-Welt mit einem Anti-Ich geben. Wenn Materie und Anti-Materie zusammentreffen lösen sie sich gegenseitig auf und setzen dabei ungeheure Mengen von Energie frei. Wenn man also seinem Anti-Ich die Hand schütteln würde dann würden man sich und das Anti-Ich in einem Lichtblitz auflösen.

3.3 Die vereinheitlichte Theorie

Das heutige Ziel der Astrophysiker ist, die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik zu einer Theorie zu verschmelzen. Trotz vieler Gegensätze in den beiden Theorien ist es Wissenschaftlern schon gelungen, Teiltheorien zu entwickeln, die in der Relativitätstheorie wie auch in der Quantenmechanik stimmen.

3.4 Der Urknall

Früher nahm man an, das Universum existiere schon seit immer und habe auch kein Ende. Dies änderte sich schlagartig, als man die Rotverschiebung und das Kollabieren von Sternen entdeckte.
Jedes Objekt im Weltraum gibt Licht ab. Aus dem Licht der Sterne kann man schliessen, aus was sie bestehen. Dann entdeckte man, dass das Licht ferner Sterne nach Rot, der Farbe mit der tiefsten Lichtfrequenz, verschoben ist. Daraus konnte man schliessen, dass sich diese Sterne von uns fortbewegen, also das Universum sich ausdehnt. Um sich ausdehnen zu können, musste zuerst eine Kraft den Antrieb gegeben haben. Mit der Frage, was für eine Kraft das war, befasste sich Stephen Hawking als Doktorand. Als man entdeckt hatte, das Sterne, nachdem sie sämtlichen „Brennstoff” verbraucht haben, in sich zusammenfallen, in der wissenschaftlichen Sprache kollabieren genannt, stellte sich Hawking diesen Vorgang umgekehrt vor und es entsprach genau dem expandierenden Universum. Das Universum hatte also in einem Punkt ohne jeglicher Ausdehnung, dafür aber mit unendlicher Dichte begonnen. Dieser Zustand wird Singularität genannt. Ein Objekt kann in diesem Zustand nicht lange stabil bleiben, darum begann das Universum sich rasend schnell auszudehnen. Dies wird Urknall oder Big Bang genannt. Mit der Zeit wurde dann die Ausdehnung verlangsamt. Zur Zeit des Urknalls verlieren alle heutigen Theorien ihre Gültigkeit, da zu dieser Zeit Kräfte und Materie vereint waren. Um die ungeheuer schnelle Ausdehnung zu Beginn des Urknalls zu veranschaulichen, wird oft folgendes Beispiel genommen: Als das Universum 10 hoch -27 Sekunden alt war, das sind 0, dann folgen 27 Nullen plus eine 1 Sekunden, dehnte es von der Grösse eines Teilchen, das kleiner ist als alles was es jetzt gibt innerhalb von 10 hoch -43 Sekunden um das 10 hoch 50 fache, das ist eine 1 mit 50 Nullen auf die Grösse eines Handballs auf. Das Universum bewegte sich also mit Überlichtgeschwindigkeit. Da der Urknall fast logisch erscheint, befasst man sich heute mehr mit der Zukunft des Universums. Die Wissenschaftler sehen für die Zukunft des Universums, angenommen es begann mit einem Urknall, drei Möglichkeiten: Die erste Möglichkeit ist, das Universum dehnt sich bis in alle Ewigkeit aus, dies nennt man expandierendes Universum. Die zweite ist, dass sich das Universum immer langsamer ausdehnt und dann plötzlich stehen bleibt, dies nennt man flaches Universum. Die dritte Möglichkeit ist, dass das Universum endet, wie es begonnen hat, in einer Singularität. Das heisst, das Universum dehnt sich aus und zieht sich dann wieder zusammen. Bei all diesen Theorien ist die sogenannte kritische Masse entscheidend. Die kritische Masse ist die Masse des Universums, die es bräuchte, um flach zu sein. Das heisst, dass sich die Kraft des Urknalls und die Schwerkraft der Masse gegenseitig aufheben. Ist die Masse des Universums grösser als die kritische Masse, dann zieht es sich zusammen, weil dann die Masse mehr Schwerkraft hat. Ist die Masse des Universums kleiner, dann dehnt es sich ewig aus, weil die Kraft des Urknalls dann stärker ist. Die heute entdeckte sichtbare Masse ist etwa 30% der kritischen Masse. Diese Werte sind aber nicht sehr bedeutend, da wir schätzungsweise nur etwa einen Tausendstel des Universums sehen. Oder wie Stephen Hawking selbst sagt: „Vor 30 Jahren waren es 7% heute sind es 30%, geht lieber wieder raus und schaut noch mal nach.”

3.5 Die Schwerkraft

Zuletzt aber nicht als letztes möchte ich hier die Schwerkraft erwähnen. Theorien über die Schwerkraft existieren seit Newton. Er soll auf die Idee gekommen sein, als er unter einem Baum sass und ihm ein Apfel auf den Kopf fiel. Newtons Vorstellung der Schwerkraft war, das grosse Körper kleinere Körper anziehen. Also je grösser etwas ist, desto grösser seine Schwerkraft. Diese Vorstellung war eigentlich richtig, aber nicht gültig bei Extremfällen. Schwerkraft können wir uns heute als Krümmung der Raumzeit vorstellen. Einstein war der erste, der diese Theorie beschrieb. Er sagte damals, dass jedes Objekt im Weltall die Tendenz habe, sich gerade fortzubewegen. Dies sei aber nicht möglich, da die Bewegungen durch Schwerkraft gestört werden. Die Raumzeit kann man sich als flaches Tuch vorstellen, dass in einem Rahmen eingespannt ist. Lässt man über dieses Tuch eine kleine Kugel, zum Beispiel eine Murmel rollen, dann rollt diese gerade. Legt man auf dieses Tuch nun aber einen Stern, also eine grosse, schwere Kugel, so wird das Tuch gekrümmt. Lässt man die kleine Kugel nun wieder über das Tuch rollen, so wird auch ihre Bahn gekrümmt. Die Krümmung des Tuches entspräche dann der Gravitation des Sternes. Diese Erkenntnis ist sehr wichtig, da sich aus ihr ableiten lässt, dass auch das Licht gekrümmt wird durch Gravitation. Wenn man nämlich Sterne, die in der Nähe der Sonne liegen, beobachtet und ihre Position bestimmen will, so muss man an die Schwerkraft der Sonne denken, die das Licht dieser Sterne krümmt. So kann zum Beispiel ein Stern, der uns rechts der Sonne erscheint, in Wirklichkeit hinter oder links der Sonne liegen. Die Schwerkraft ist auch eine besondere Kraft, weil sie nicht zu den anderen Kräften passt. Die anderen drei Kräfte könnte man sehr schnell in einer Gruppe zusammenfassen, während die Schwerkraft keine Gemeinsamkeiten mit den anderen Kräften hat, also ein Aussenseiter unter den Kräften ist.

4. Neue Erkenntnisse und Theorien in der Astrophysik

4.1 Schwarze Löcher

Die schwarzen Löcher sind zwar schon ziemlich lang bekannt, aber im Gegensatz zu den anderen Theorien ziemlich neu. Schwarze Löcher sind meist tote Sterne. Ein schwarzes Loch, oder ein „Black Hole” wie es die Amerikaner nennen, besteht aus einem Ereignishorizont und einer Singularität. Die Singularität ist das eigentliche schwarze Loch, während der Ereignishorizont die Kreislinie ist, wo die Anziehungskraft der Singularität so gross ist, dass nicht einmal mehr das Licht entkommen kann. Die erste Vorstellung eines schwarzen Lochs war, dass ihm nichts, nicht einmal das Licht, entkommen kann, es also eigentlich nicht schwarz sondern gänzlich unsichtbar ist. Doch nach der Quantenmechanik gibt es gewisse Teilchen die haben ein zweites Teilchen. Diese Teilchen umkreisen sich ständig und wenn sie zusammenstossen, vernichten sie sich. Nun ist es möglich, wenn solche Teilchen in die Nähe eines schwarzen Loches kommen, dass sie sich nicht gegenseitig vernichten, sondern ein Teilchen ins schwarze Loch fällt und das andere Teilchen kann entweichen. Daraus lässt sich folgern, dass ein schwarzes Loch doch Strahlung abgeben muss. Diese Strahlung konnte man nun berechnen. Es gibt Anzeichen dafür, dass sich im Zentrum unserer Galaxie ein schwarzes Loch befindet, dies ist aber noch nicht sicher. Bewiesen dagegen ist, dass es im Zentrum von anderen Galaxien schwarze Löcher gibt.

4.2 Ist die Relativitätstheorie falsch?

Einem Forscher ist es gelungen, eine Sinfonie von Mozart mit fünffacher Lichtgeschwindigkeit zu übertragen. Die Relativitätstheorie sagt aber aus, das nichts schneller sein kann als das Licht. Heute sind Forscher aus aller Welt daran diesen Versuch zu überprüfen. Da es an Beweisen mangelt, ist diese Theorie ziemlich fragwürdig.

4.3 Die dunkle Materie

Dass unsere Galaxie sich dreht, weiss man schon lange, aber vor einigen Jahren entdeckte man, dass diese Drehbewegungen nicht den physikalischen Gesetzen entsprechen, also dass sich die Galaxie nach der Menge ihrer Materie und Gravitation falsch bewegt. Die Bewegungen der Galaxie würden aber stimmen, wenn um sie herum noch ein grosser Gürtel Materie läge, aber dort draussen sieht man nichts, nicht einmal irgendeine Strahlung. So kam man darauf, dass es neben leuchtender Materie, also die Materie, die wir sehen, auch noch dunkle Materie gibt, also Materie die wir nicht sehen. Die dunkle Materie kann aber auch Schwerkraft ausüben und genau dies ist bei unserer Galaxie der Fall. Aus was die dunkle Materie besteht weiss man nicht. Inzwischen gibt es sehr viele Theorien über die Zusammensetzung der dunklen Materie, die alle teilweise falsch und teilweise richtig sind. Das einzige was man weiss ist, dass die dunkle Materie früher als die normale Materie entstanden ist und dass es von ihr mindesten soviel gibt wie von der leuchtenden Materie. Heute versucht man eifrig dunkle Materie in Teilchenbeschleunigern zu produzieren.

5. Diverses

5.1 Paradoxon

Ein Paradoxon ist ein Sachverhalt, den man erzwingen könnte, dann aber unmöglich wäre. In der Astrophysik wimmelt es nur von paradoxen Theorien. Die schwarzen Löcher zum Beispiel ermöglichen, zur Zeit nur rein theoretisch, Zeitreisen. Bei Zeitreisen in die Vergangenheit ist es schnell möglich, dass aus ihnen eine paradoxe Situation wird. Zum Beispiel bei folgender Situation: Ein Mann läuft die Strasse entlang und beobachtet einen Unfall. Nun reist er in die Vergangenheit, um diesen Unfall zu verhindern. Dies kann er auch machen, aber wird dadurch in eine unendliche Schleife geworfen. Wenn nämlich der Mann den Unfall verhindert hat, so kann er ihn in der Zukunft gar nicht beobachten. Das heisst, er reist nicht zurück, um ihn zu verhindern. Verhindert er ihn nicht, so passiert der Unfall. Passiert der Unfall, so kann er ihn beobachten und er reist zurück, um ihn zu verhindern und das ganze beginnt von vorn. Auch eine Theorie, die das ganze Universum erfasst, könnte ein Paradoxon sein, aber auf ganz eigene Art. Diese Theorie müsste sich nämlich selbst ins Leben rufen.

5.2 Schlusswort

Astrophysik war immer stark mit der Kirche und Philosophie verbunden. Während früher Astrophysik nur Philosophie war und dann von der Kirche beherrscht wurde, wird sie auch heute noch von der Kirche gestützt. So hat der Papst die Relativitätstheorie für mit der Bibel übereinstimmend erklärt. Auch rief er viele Astrophysiker in den Vatikan und erklärte ihnen, sie könnten sich zwar mit dem Universum befassen, wie es jetzt ist, sollten aber den Schöpfungsmoment lassen. Die Astrophysik ist immer das, was man glaubt und um neue Theorien zu entwerfen braucht man nicht nur Logik sondern auch Phantasie. Die Theorien der Astrophysik soll man nicht immer blind annehmen, sondern immer auch schauen, ob sie einem gefällt. Zu dieser Gruppe gehört auch die Quantenmechanik, die sagt, das alles Zufall ist. Einstein meinte dazu: „Gott würfelt nicht”. Auch sollte man immer vorsichtig sein mit neuen Theorien und sie zuerst gründlich prüfen.

Quellen: Eine kurze Geschichte der Zeit - Auf der Suche nach der Urkraft des Universums von Stephen Hawking
5 Gründe warum es die Welt nicht geben kann - Das Geheimnis der dunklen Materie von James Trefil
Hyperspace - Einsteins Rache von Michio Kaku