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Braucht die Physik einen Urknall?

von Gerd Heinz

In der theoretischen Physik ist man es gewohnt, daß sich Systeme mathematisch stetig oder "glatt" modellieren lassen müssen. Meist linear oder polynomial. Beispiele dafür mögen das Ohmsche Gesetz (U = R · I) oder die Fläche eines Quadrats (A = a²) sein.

Früher hatte der Autor mit der Verbesserung von Transistormodellen zu tun. Oft hatten auch diese zunächst die merkwürdigsten Singularitäten. Singularitäten aber bringen stets numerische Probleme mit sich: Sie führen oft zum Überlauf in der Zahldarstellung eines Rechners: Error und Programmabsturz. Man denke dabei z.B. an Divisionen durch Null.

Beim Transistormodell fügt man dann unmerkliche Zusatzterme ein, die einen Programmabsturz durch die Singularität verhindern und die eine gemessene Kennlinie besser approximieren. Real sind in der Natur keine Singularitäten zu finden.

Bei astronomischen Modellen ist dieser Modelltest nun leider nicht möglich. Weder können wir die Zeit seriös zurückdrehen, noch vorwärts bewegen. Man hat mit dem zurecht zu kommen, was derzeit beobachtbar ist.

Als Mikroelektroniker, der hin und wieder mathematisch-physikalische Modelle zur Simulation realer Erscheinungen entwickeln mußte, weiß man aber, daß vermeintlich simpelste Modellierungen als ungeteilte oder stetige Modelle nicht oder nur sehr begrenzt die Realität erfassen können.

Nehmen wir als Beispiel die Kennlinie eines MOS-Transistors nach Shichmann und Hodges (GCA) [8], in Fortran auch hier zu finden [7] als EMOS-Transistormodell.

Bild 1: Kennlinie eines nSGT2-Transistors [7]. Das Modell ist analytisch dreigeteilt in die Regionen 1), 2) und 3), um der gemessenen Realität nahezukommen

Wir bemerken, daß eine Singularität eines Modells niemals den Menschenverstand ersetzen darf oder kann. Im Gegenteil: Man paßt das Modell solange an die gemessene Realität (Messung) an, bis es ohne Singularität auskommt, im Falle des Shichmann/Hodges-Modells durch IF/THEN/ELSE- Konditionen und vollkommen getrennte Modellierung der drei Bereiche

1) aktiv,
2) eingeschnürt und
3) subthreshold.

Zurück zum Urknall

Zitat Wikipedia [1]:

"Als Urknall (englisch Big Bang) bezeichnet man das früheste Anfangsstadium des Universums nach einer angenommenen Entstehung von Materie, Raum und Zeit vor etwa 13,8 Milliarden Jahren. "Urknall" bezeichnet dabei keine Explosion in einem bestehenden Raum, sondern die extrem schnelle Ausdehnung des Raums selbst aus einer ursprünglichen Singularität. Diese ergibt sich formal, indem man die beobachtete Entwicklung des expandierenden Universums mithilfe der Allgemeinen Relativitätstheorie zeitlich zurückverfolgt und sich dabei rechnerisch einem Punkt nähert, an dem die Materie- und Energiedichte unendlich und alle räumlichen Abstände zu Null werden..."

Eine dazu konträre Ansicht soll nicht verschwiegen werden.

Zitat Klaus Gebler [2]:
"In beinahe allen Urknalldarstellungen wird die folgende logische Kette so oder ähnlich benutzt:

1. Hubble entdeckte in den zwanziger Jahren des 20. Jahrhunderts einen Zusammenhang zwischen Rotverschiebung der Sternenstrahlung und Entfernung der Himmelsobjekte.
2. Rotverschiebung von Strahlung kommt durch den Dopplereffekt bei Entfernung der Lichtquelle vom Empfänger zustande (bzw. wird durch Expansion des gesamten kosmischen Raumes plausibel gemacht).
3. Weil Rotverschiebung beobachtet wird, müssen sich die Himmelsobjekte von uns weg bewegen: Der Kosmos expandiert, und zwar mit dem Abstand wachsender Geschwindigkeit.
4. Wenn der Kosmos expandiert, müssen die Himmelsobjekte früher dichter beieinander gewesen sein.
5. Die Extrapolation der Daten führt zu einem Anfangspunkt in Raum und Zeit, einer Singularität: dem gesuchten Weltanfang. "Urknall" ist die Metapher für diese Weltenschöpfung aus dem Nichts."

Ebensogut könnte man von einem aufgehenden Hefeteig annehmen, daß dieser - zeitlich linear rückwärts gerechnet - nur aus einer Singularität, aus dem Nichts stammen kann. Oder daß eine nach Norden kriechende Schnecke nur vom Südpol kommen kann. Oder man darf die Frage stellen, wie spät es eine Stunde vor dem Urknall war.

Die Theorie vom Urknall basiert auf Hubbles Beobachtung von Cepheiden [4]. Vergleichbar sind das kosmische "Leuchttürme", die blinken.

Hubble interessierte sich insbesondere für Cepheiden mit gleicher Periodendauer der Leuchtstärke. Seine Annahme war, daß es sich dabei um sehr vergleichbare Objekte handeln müsse. Aus deren unterschiedlicher Helligkeit kann man dann deren Entfernung zum Beobachter schätzen.

Dabei entdeckte er, daß Cepheiden mit geringerer Helligkeit eine stärkere Rotverschiebung aufweisen. Letztlich entsprang daraus die nicht nur aus Sicht des Autors philosophisch fragwürdige Theorie vom Urknall.

Um die Ausbreitung von Licht im Universum besser zu verstehen, stelle man sich das Universum wie ein Honigglas vor. Die Spur im Honig möge die Bewegung des Lichts darstellen. Und der Rührstab den Beobachter. Nun rühre man jahrelang in diesen Glas.

Egal wohin man schaut: Im Ergebnis werden alle Spuren im Honig immer länger. Honigpartikel, die vorher schon weit entfernt waren, werden sich immer weiter voneinander entfernen. Und relativ nahe beieinander liegende Partikel werden in Nachbarschaft bleiben.

In Konsequenz hieße das, daß sich alle Objekte über die Jahrmilliarden immer weiter voneinander entfernen und daß deren Rotverschiebung möglicherweise proportional zur Entfernung ist.

Blicken wir ins All, so glauben wir, das Licht der Sterne erreicht uns geradlinig. Das Modell vom Honigglas aber zeigt, daß sich jeder beobachtete Cepheid heute an ganz anderer Stelle im Universum befinden wird. Auch die Beugung eines Lichstrahl an Massen jeder Art sorgt zusätzlich dafür.

Kreist nun die Galaxie des Beobachters in Milliarden von Jahren durch den Honigraum und tun dies alle anderen Galaxien ebenfalls - nur in vollkommen anderen Bahnen, dann wird sich jeglicher Cepheid immer schneller von uns entfernen, je weiter entfernt er ist. Dazu braucht es keinen Urknall.

Folglich ist mitnichten ein Urknall erforderlich, um die Entdeckung Hubbles zu interpretieren.

Es kommt aber ein weiteres Detail hinzu. Es ist die Temperaturkonstanz der kosmischen Hintergrundstrahlung [5].

Wenn wir uns in einem sich dehnenden Raum befänden: Wie groß wäre die Wahrscheinlichkeit dafür, daß wir uns exakt in dessen Zentrum befänden? Eher Null? Nur dann wäre die nach allen Seiten beobachtbare Hintergrundstrahlung im Bereich weniger zehntel Kelvin identisch.

Bei Billiarden von Galaxien geht diese Wahrscheinlichkeit doch eher gegen Null, als gegen Eins?

Was würde es aber bedeuten, wenn sich die Erde nicht in der Mitte eines sich dehnenden Universums befände? Es würde bedeuten, daß die kosmische Hintergrundstrahlung nach einer Seite hin stärker oder schwächer wäre, als nach anderen Seiten.

So gesehen, ist die kosmische Hintergrundstrahlung wohl eher ein ganz starkes Indiz für einen zeitlich und räumlich unbegrenzten Raum, für die Annahme einer zeitlichen und räumlichen Unendlichkeit des Alls.

Fazit

Ein Urknall-Modell wird nicht benötigt, um die beobachtbare, stärkere Rotverschiebung weiter entfernter Sterne erklären zu können. Es genügt, daß sich Milliarden Galaxien in unendlichen Zeiten auf verschlungenen Bahnen durch den Raum bewegen.

Die beobachtbare Konstanz der Hintergrundstrahlung spricht nicht für, sondern gegen eine Urknalltheorie.

Fred Hoyles Skepsis gegenüber dem von Georges Lemaître 1927 eingeführten und von Hoyle 1949 ironisch bezeichneten "Big Bang" (Urknall) erscheint damit in einem neuem Licht. Auch aus philosophischer Sicht erscheint die von ihm vertretene Steady-State-Theorie eines Kontinuums des Universums realistischer.

Die Konsequenz dieser Betrachtung soll nicht verheimlicht werden. Das Alter des Universums wird aus dem Urknall bestimmt. Wenn es diesen nicht gab, so ist das Alter des Universums als unendlich anzunehmen.

Auch das Olbers'sche Pardoxon [3] spricht nicht dagegen. Jeder von uns weiß, daß Licht durch die Begegnung mit Materie verschluckt wird. Man denke an dunkles Glas oder an schwarzes Papier oder an Nebel, denen ein Lichtstrahl in Milliarden Jahren begegnen kann. Er verschwindet einfach.

Quellen

[1] Wikipedia: Urknall

[2] Gebler, Klaus: Als der Urknall Mode war. Books on Demand GmbH, Norderstedt, 2005, ISBN 3-8334-3983-1, S.17, (Link)

[3] Wikipedia: Olbers'sches Paradoxon (Link)

[4] Wikipedia: Cepheiden (Link)

[5] Wikipedia: Hintergrundstrahlung (Link)

[6] Heinz, G.: Digitalisierung des Telefons: Erste Schaltkreise aus Ost-Berlin. Beispiele zur Transistormodellierung, Quelle [81] (Link)

[7] Heinz, G.: Digitalisierung des Telefons: Erste Schaltkreise aus Ost-Berlin. Beispiele zur Transistormodellierung, Quelle [82] (Link)

[8] Shichmann, H.; Hodges, D.A.: Modelling and Simulation of Insulated-Gate Field-Effect Transistor Circuits. IEEE J. of Solid State Circuits, SC-3(3): 285-289, 1968 ("Gradual Channel Approximation (GCA)")

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Created March 20, 2024
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