Welche Hinweise gibt es, dass das Universum expandiert?
Beginnen wir mit der zweiten Frage. Die Galaxien, die Sterne, die wir im Universum beobachten zu können, sind ein bisschen zu “rot”, wie sie sein sollten. Wir nennen das “Rotverschiebung”. Das kann man gut erklären. Alle leuchtenden Objekte, die sich von uns wegbewegen, haben diese Rotverschiebung. Genau so, wie ein hörbares Objekt, ein Krankenwagen, tiefere Töne hat, wenn er sich von uns wegbewegt. Niedrigere Frequenzen – röter. Beim Klang – tiefer.
Ein weiterer Hinweis auf die Expansion ist das kosmische Hintergrundrauschen. Das “Echo des Urknalls” wird gesagt, ist hier zu beobachten. Tatsächlich zu messen, und nicht anders zu erklären.
Diese Texte sind Starthilfen zum Lernen. Sie geben Ihnen einen Einblick, worum es bei dem Thema geht. Die Idee. Achtung: Es ist möglicherweise nicht unbedingt genau das, was Ihr:e Prüfer:in darüber hören möchte. Es ist auch nicht der ganze Stoff. Machen Sie sich nach dem Lesen des Textes ein eigenes Bild mit Ihren Büchern und den anderen Quellen. Ein freies Online-Schulbuch aus Österreich: https://physikbuch.schule, aus Deutschland: https://www.leifiphysik.de/. Weitere empfehlenswerte Schulbuchreihen der Oberstufe aus Österreich: Big Bang, Sexl, Physik kompakt.
Das Universum ist vor etwa 13,8 Milliarden Jahren entstanden. Im Urknall. Seither dehnt es sich aus, es expandiert.
Es wird immer gesagt, dass das Universum zum Zeitpunkt des Urknalls in einem Punkt war. Aber so klar ist das nicht. Es kann einfach keine Aussage für diesen Zeitpunkt Null gemacht werden. Was man sehr wohl sagen kann, ist, dass das Universum nach einigen hundertausend Jahren “durchsichtig” geworden ist. Licht konnte sich ausbreiten.
Anfangs glaubte man, das Universum wäre ein fester statischer Raum. Jetzt weiß man, dass dieser Raum expandiert. Derzeit ist fraglich, ob diese Expansion anhält, zunimmt, oder abnimmt.
Im Urknall ist also Raum und Zeit entstanden. Drei Dimensionen plus eine. Wir gehen davon aus, dass das Universum weiter expandiert, es gibt aber auch Möglichkeiten, dass diese Expansion stoppt, das Universum dann wieder zusammenfällt (Big Crunch), und alles wieder neu beginnt. Wer weiß.
Im Standardmotdell des Universums ist auch Dunkle Energie und Dunkle Materie dabei. Man kann sie nicht beobachten, es muss sie aber geben, damit die Beobachtungen mit den Simulationen am Computer übereinstimmen.
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Konnte Leben entstehen, oder musst Leben entstehen? Wenn die Bedinungen passen, warum nicht. Wir brauchen Material (Atome, Moleküle) in passender Menge und Art, wir brauchen Temperatur – nicht zu heiß und nicht zu kalt. Und vermutlich auch Wasser. Das wär’s dann auch schon.
Auf der Erde haben wir das perfekt. Leben ist auf der Erde auch wirklich entstanden. Es ist vor allem auch der passende Abstand des Planeten Erde zur Sonne, der für ideale Temperaturen sorgt. Es gibt Wasser im Überfluss, und die Atmosphäre sorgt auch für einen natürlichen Treibhauseffekt, der die Temperaturen noch ein bisschen idealer macht, etwas höher, als ohne.
Wenn der menschgemachte Treibhauseffekt durch die Decke geht, ist das aber nicht so gut.
Nun können wir natürlich mal rundherum schauen, ob es sonst noch wo Leben gibt im Weltall. Im Sonnensystem vermutlich nicht, davon hätten wir schon erfahren. Außerhalb des Sonnensystems? Das ist halt alles sehr weit weg. Der nächste Fixtern ist Alph Centauri, 4,5 Lichtjahr entfernt. Ja, und wenn wir dort Planeten suchen, dann sind sie halt schwer zu sehen.
Dennoch ist die Suche nach den sogenannten Exoplaneten, den Planeten außerhalb unseres Sonnensystems erfolgreich. Da gibt es ein paar messtechnische Tricks. Zum Beispiel kann man die Helligkeit messen, wenn so ein Planet vor dem Stern vorbeifliegt, dann dunkelt er die helle Scheibe des Sterns etwas ab, das können wir auf der Erde hier messen. Wenn das regelmäßig erfolgt, kann es eigentlich nur ein Planet sein. Man kann sogar feststellen, ob dieser Planet eine Atmosphäre hat, wenn wir das Licht analysieren (Spektralanalyse), das von dort zu uns kommt. Die Atmosphäre des fremden Planeten filtert ein bisschen was aus dem Licht heraus, und das kann man entdecken – da fehlt was.
Es gibt auch eine Formel, mit der man die Wahrscheinlichkeit berechnen kann, ob es irgendwo im Universum fremdes Leben gibt. Die Wahrscheinlichkeit ist recht hoch. Aber es bleibt derzeit immer die Frage: warum wurden wir selbst noch nicht kontaktiert?
Und was würden Sie tun, wenn Sie am Handy einen Anruf hätten, von einer ganz komischen Nummer. Alpha Centauria Umgebung. Würden Sie abheben? Es gibt ein Argument, warum sie das tun können, und es nicht “gefährlich” wäre. Denn mit der Technologie, die es ermöglicht, solche Funksignale auf die Reise zu schicken, könnten Außerirdische auch Atombomben konstruieren. Und wenn sie etwas aggresiver wären als wir Menschen, hätten sie sich dann schon selbst ausgelöscht. Sie müssten daher entweder gleich, oder sogar weniger aggressiv sein, als wir Menschen. Klingt logisch, oder?
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Strahlung ist Energie, die von anderswo zu uns herankommt. Das kann einerseits in Teilchenform sein – ein drastisches Beispiel wäre das Nießen einer Person in Ihrer Umgebung. Oder es kann in elektromagnetischer Form sein – jemand hat ein Mobiltelefon in Ihrer Nähe, ein Röntgengerät, oder auch ionisierende Gammastrahlung, was wir wirklich ungern neben uns haben.
Im Weltraum ist das alles auch. Teilchen kommen von der Sonne zu uns. Elektronen, Protonen, die schnell und energiereich sind. Elektromagnetische Wellen in Form von Licht, Röntgenstrahlung. Und auch aus dem “Ausland” im Weltraum kommt noch Strahlung, Klar, sonst würden wir ja nichts sehen von den anderen Sternen und Galaxien, oder nichts mit den Radioteleksopen aufnehmen können.
Die Strahlung aus dem Weltraum ist üblicherweise energiereich und könnte uns durchaus schaden, wenn es zu viel wäre. Wir haben auf der Erde das große Glück – oder einfach nur anders formuliert, eine gute Möglichkeit zu leben – weil die Erdatmosphäre die Strahlung aufnimmt. Manchmal beginnt sie dabei zu leuchten, das ist das Nordlicht (oder Polarlicht, weil es das auch auf der Südhalbkugel der Erde gibt). Es ist dabei das Magnetfeld der Erde, das eine Rolle spielt, warum es nur in den Gegenden um die Pole herum leuchtet. Nur dort dringen die Linien der Magnetfelder durch die Atmosphäre, und die geladen Teilchen, die vom Magnetfeld eingefangen werden, spiralisieren um diese (gedachten) Linien herum und werden zu den Polen transportiert. Je nach Ladung – plus oder minus – kommt man am Südpol oder am Nordpol an.
Weltraumstrahlung ist auch bei Flugzeugflügen zu beachten. Besonders im hohen Norden oder Süden – an den Polen. Das Bordpersonal sollte nicht zu stark dieser Strahlung ausgesetzt sein.
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Sterne sind ein bisschen wie Lebewesen. Sie sind nicht einfach da – und immer schon gewesen – sondern sie sind entstanden. Als Kinder geboren, ein bisschen stürmisch in der Pubertät, ein konstantes gleichmäßiges Leben, und dann eine Phase des Alterns und des Erlöschen.
Es beginnt wie bei Ihnen unterm Bett. Die Staubmäuse. Das sind jene Staubknäuel, die durch geheimnisvolle Kräfte zusammenfinden. Auch bei den Sternen gibt es Nebel, und Staub, vielleicht auch aus den Überresten anderer Sterne, und diese Materie kann sich wegen der Schwerkraft zusammenziehen. Sie wird zu einer Kugel. Wenn genug zusammengekommen ist, steigt durch die Schwerkraft der Druck darin, und es kann dann passieren, dass die Kernfusion beginnt. Leichte Atomkerne werden zu schweren verschmolzen. Auch unsere Sonne erzeugt ihre Sonnenstrahlen durch das Fusionieren: Von Wasserstoff zu Helium. Diese Fusion “zündet”. Sie beginnt.
Es beginnt dann auch das gleichmäßige “brennen”, bis Wasserstoff zu neige geht. Und jetzt kommt es darauf an, wie schwer der Stern ist. Da gibt es verschiedene Möglichkeiten. Er kann unter Umständen auch explodieren – in einer Supernova – wo sehr rasch sehr viel Energie frei wird, die dann auch weithin im Universum zu sehen ist. Reste von Sterne können dann abkühlen, vielleicht noch etwas leuchten. Wir sprechen von roten Riesen, weißen Zwergen, Neutronensternen, und so weiter. Das kommt dann wirklich darauf an, was genau passiert.
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Die Raumfahrt können Sie selbst erfinden. Vielleicht nicht unbedingt Raketen und Motoren, aber den Ablauf, wie der Mensch in den Weltraum kommt. Bald vielleicht sogar als Tourist.
1. Auf der Erde. Alles was man nach oben wirft, fällt nach unten. Flugzeuge bleiben länger oben. Aber auch sie kehren zurück.
2. In der Erdumlaufbahn. Wer einen Ball nach vorne wirft, sieht in wieder am Boden landen. Wer den Ball schneller wirft, noch schneller, noch schneller, da landet er hinter dem Horizont, und noch schneller, da fliegt er um die Erde herum, bevor er landet, und trifft uns im Rücken. Das ist die Erdumlaufbahn – auf dieser Höhe noch ungünstig, weil eineseits die Luft den Ball abbremsen wird, sodass er doch zu Boden fällt, und andererseits gibt es Hindernisse – der Himalaya als größtes Hindernis ist doch 8 km und ein bisschen mehr hoch. Man wird also Dinge, die oben bleiben soll, sehr schnell machen – mit Raketen – und dann wird man verhindern, dass sie durch die Atmosphäre wieder abgebremst werden. Je höher, desto weniger Atomsphäre. Satelliten befinden sich also in diesen Umlaufbahnen. Je niedriger, desto kürzer ist die Zeit, bis sie einmal rundherum sind (1,5 Stunden ist ein typischer Wert), je höher, desto langsamer (bei 36.000 km Höhe ist 24 Stunden ein typischer Wert, es scheint dann so, dass der Satellit über der Erdoberfläche steht, die sich ja auch in dieser Zeit einmal rundherumdreht).
3. Jetzt möchten wir Astronaut:innen mitschicken. Das braucht einerseits eine gute Ausbildung und Schulung für alle Eventualitäten. Und es braucht Extra Lebenserhaltungs- und Sicherhungseinrichtungen. Es gibt in der Internationalen Space Station ISS Astronaut:innen, sehr wahrscheinlich auch jetzt, die wohnen da oben, und arbeiten.
4. Zum Mond hin muss man dann die Umlaufbahn verlassen und in die Umlaufbahn des Mondes einschwenken. Es ist dann wiederum gar nicht so leicht, von dort wieder wegzukommen, und zurück.
5. Und teuer ist es auch. Je mehr Masse beschleunigt werden soll, desto teurer ist es. Jedes Kilogramm in den Weltraum zu bewegen kostet richtig viel Geld.
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Es ist doch wirklich verwunderlich. Ein Apfel fällt vom Baum. Er weiß genau, wo unten ist. Doch wer hat es ihm erzählt? Es ist die Erde, sagt Newton, und er selbst. Wie? Was? Wie soll das funktionieren?
Gar nicht allzu kompliziert auf dieser Ebene der Erklärung. Massen ziehen einander an. Warum sie das tun, weiß keiner, und tatsächlich sind “warum-Fragen” in der Physik zwar bei den Fragesteller:innen beliebt, nicht aber bei jenen, die Versuchen, Antworten zu geben. Es könnte sein, dass ein Außerirdischer einen blauen Knopf drückt, wenn ein roter Apfel fällt. Und niemand könnte jemanden diese Erklärung ohne weiteres ausschließen. Deswegen hat Isaac Newton die Geschichte auch als “Wie-Erzählung” formuliert. Wie fällt ein Apfel. Nach unten. Mit einer Kraft wird er angezogen, die umso größer ist, je näher der Apfel bei der Erde ist. Je größer der Apfel, und je größer die Erde ist. Und: sehr erstaunlich, der Apfel zieht die Erde genau so stark an, wie die Erde den Apfel. Nur merkt man das bei der Erde nicht sehr, weil sie so groß ist, und die Auswirkung der Kraft einfach nicht zu sehen ist.
Jetzt gibt es natürlich eine Formel dazu. Aber wie immer sie aussieht, sie beinhaltet drei Faktoren: die beiden Massen und ihren Abstand. Ihren Abstand sogar sehr stark – wir sagen quadratisch – und weil bei größerem Abstand die Kraft immer kleiner wird, muss der Abstand unter dem Bruchstrich stehen.
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Wir wissen, dass sich die Erde um die Sonne bewegt. Jedes Jahr. 365 Tage braucht sie für eine Umrundung, und ein bisschen was, deswegen gibt es Schaltjahre. Auch alle anderen Planeten bewegen sich um die Sonne. Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun, und wenn wir möchten, auch Pluto.
Die Planeten sind hier nicht wie Insekten oder Vögel, die unregelmäßig mal hier mal da fliegen. Sie sind mehr wie in einem Uhrwerk, dass verlässlich mit seinen Zahnrädern die Kreise zieht. Vorhersagbar, gut auszurechnen. Für die Rechnungen – und die Vorhersagen – braucht man aber erst einmal das Handwerkszeug, die Formeln. Und diese Formeln wurden aus den Beobachtungsdaten der Planeten, die wir beobachten können, gewonnen. Johannes Kepler – ein alter Astronom – hatte diese Beobachtungsdaten in Tabellen vor sich am Schreibtisch liegen, und daraus formulierte er drei Gesetze.
1) Die Planeten bewegen sich auf Ellipsenbahnen um die Sonne. Achtung: die Ellipse ist nicht stark gequetscht, sie ist eher so gut wie ein Kreis. Die Sonne steht in einem Brennpunkt der Ellipse – der bei der fast runden Ellipse, dem Kreis, einfach der Mittelpunkt des Kreises ist.
2) Wegen der Ellipsenform seiner Bahn ist der Planet einmal näher dran an der Sonne, und dann wieder eher weiter weg (Achtung, der Effekt ist wirklich nicht groß). Aber: Je näher dran er ist an der Sonne, desto schneller bewegt er sich. Je weiter weg er ist von der Sonne, desto langsamer ist er. Kepler hat das ein bisschen geschwollener formuliert, man sieht das am besten an einer Skizze, aber hier ist sein Satz: “Ein von der Sonne zum Planeten gezogener Fahrstrahl überstreicht in gleichen Zeiten gleich große Flächen.” / Wikipedia.
3) Die Größe der Ellipse hat eine Auswirkung auf die gesamte Umlaufzeit. Je größer, desto größer natürlich. Äußere Planeten brauchen einfach länger. Auch hier ist Keplers Satz ein bisschen “mathematischer”: “Die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die Kuben (dritten Potenzen) der großen Halbachsen ihrer Bahnellipsen.” / Wikipedia.
Insgesamt können die Keplerschen Gesetze die Himmelsmechanik ganz gut beschreiben. Gemeinsam mit dem Gravitationsgesetz von Newton, der den Zusammenhalt der Himmelskörper und ihrer Bahnen mit der Anziehungskraft beschreibt, ist das für den Alltag im Sonnensystem gut zu gebrauchen. Wer mehr braucht, wird bei Einstein fündig – bei der Relativitätstheorie. Schau dort gerne nach.
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Wer steht im Mittelpunkt? Die Sonne oder die Erde? Das ist eine Frage des Weltbildes, eine Zusammenstellung von Theorien über unsere Welt.
Wer braucht schon ein Weltbild? Jeder, der wissen will, was hinter dem Horizont ist. Ist die Erde flach, dann wird es gefährlich an den Rändern der Scheibe. Ist sie rund, dann nicht. Es gibt “richtige” Weltbilder und scheinbar richtige Weltbilder. Oft ist es eine Frage des Abstands. Wer mit einer Rakete die Erde verlässt, wird schnell sehen, dass die Erde rund ist.
Ähnlich verhält es sich mit der Frage nach dem Lauf der Sonne. Wir legen uns ins Gras von morgens bis abends und wir erkennen sofort, dass sich die Sonne bewegt. Das müssen wir annehmen, denn es bewegen sich auf die Vögel und die Wolken am Himmel. Warum sollte das bei der Sonne anders sein? Das ist das geozentrische Weltbild. Es ruht die Erde. Wir im Gras. Und einmal pro Tag fliegt die Sonne über den Himmel. Sie bewegt sich. Nicht.
Das selbe Bild bekommen wir nämlich auch im Gras liegend, wenn wir annehmen, dass sich die Erde und das Gras mit uns dreht. Aber auf diese Idee muss man erst einmal kommen. Das ist nämlich dann nicht wie mit den Vögeln und den Wolken. Das ist mehr so, wie auf einem Bürosessel, auf dem man sitzt, und auf dem man sich herumdreht. Auch da fliegen die Bücher im Regal vorbei, die Bilder an der Wand. Aber eben anders herum. Die Bücher sind ruhig, die Bilder, die Wand. Wir drehen uns. Das ist das heliozentrische Weltbild. Sonne ruhig. Erde dreht sich. Und zusätzlich kommt noch eine weitere Drehung dazu. Einmal pro Jahr bewegt sich die gesamte Erde – mit ihrer täglichen Drehung – um die Sonne. Die ist also wirklich ruhig die ganze Zeit. Ja, das sagt das heliozentrische Weltbild. Die Sonne im Mittelpunkt.
Dass so gravierende Änderungen von Weltbildern nicht so einfach von Menschen zu akzeptieren sind – besonders wenn sie anderer Meinung sind – das ist klar.
Link zur Slow-Science-Episode-SLS006: https://www.slowscience.at/sls006/
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Das Weltall umfasst alles, was wir uns vorstellen können. Was befindet sich darin – gibt es eine Grenze und wenn ja, was befindet sich dann außerhalb? Simulationen helfen alles gut zu verstehen.
Das Weltall. Es wird Universum genannt. Es ist ein Raum. Dazu gibt es die Zeit. Stellen Sie sich vor, dass der Raum leer ist. Dann ist es dunkel. Niemand wird bemerken, dass es die Zeit gibt. Jetzt füllen wir das Universum mit zwei verschiedenen Elementen: Mit Materie, also “Sachen”. Atome. Moleküle. Dinge, die es wirklich gibt. Und mit Kräften. Sie werden Wechselwirkungen genannt. Etwas, was zwischen den Dingen wirkt.
Wir können mit den Dingen und den Kräften versuchen, alles zu erklären, was wir im Universum beobachten. Das funktioniert schon ganz gut. Um zu testen, wie gut das funktioniert, kann man einen Computer mit unserem Wissen füttern, wir packen die Naturgesetze dazu. Wir gehen zurück zum Urknall, zum Start des Universums. Und wir drücken auf “Start”. Nach 13,8 Milliarden Jahren im Schnellvorlauf müsste der Computer das Universum zeigen, wie wir es heute beobachten können. Und da gibt es noch Unterschiede, die wir erklären müssen. Dazu haben wir zwei Möglichkeiten: Wir finden noch etwas, was unser Wissen vervollständigt, oder wir erfinden etwas, was wir brauchen, damit die Simulation am Computer funktioniert. Beides wird gemacht. Die Forschung geht voran, Expeditionen, Teleskope, neue Größenordnungen, neue Wellenlängen. Und: “dunkle Materie”, “dunkle Energie” werden als Ideen formuliert. Man kann sie nicht messen, kann aber definieren, was sie sein müssten, damit das Universum so ist, wie wir es heute sehen.
Kurzgefasst: Raum und Zeit und Objekte und Kräfte. Daraus besteht das Universum. Die Objekte können Atome sein, Moleküle, Planeten, Monde, Haufen (Asteroiden), Sterne, Galaxien, Galaxienhaufen. Kräfte kennen wir 4 bis 5: Gravitationskraft, Elektrische Kraft, Magnetische Kraft, Starke und Schwache Wechselwirkung.
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