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Lexikon der Physik: Urknall

Urknall, nach heutigen kosmologischen Theorien der Beginn des Universums aus einem singulären Zustand mit unendlich hoher Temperatur und Dichte heraus. Der Urknalltheorie bildet die mögliche Erklärung für die heute beobachtbare Expansion des Universums: Wird das von der Expansion der Raumzeit getragene Auseinanderdriften der Galaxien in die Vergangenheit extrapoliert, so folgt, daß die Ausdehnung des Universums vor endlicher Zeit Null gewesen sein muß.

Die Hypothese eines Urknall entstand zunächst aus theoretischen Überlegungen heraus. Willem de Sitter hatte bei der Untersuchung der Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie herausgefunden, daß es für ein leeres Universum nicht-stationäre Lösungen des Raum-Zeit-Kontinuums gibt und sich der Kosmos somit auch ausdehnen könnte. Aleksandr Friedman löste die Feldgleichungen zwischen 1922 und 1924 für ein homogen mit Materie angefülltes Universum und kam zu demselben Schluß. Georges Lemaître stellte 1927 die Hypothese auf, daß das Universum im Falle einer Expansion aus einem Punkt, einem Uratom, heraus entstanden sein muß. Die Arbeiten wurden zunächst kaum beachtet. Ihre Bedeutung wurde erst erkannt, als Edwin P. Hubble 1929 auf diesen Überlegungen aufbauend herausfand, daß fast alle Galaxien voneinander fortstreben und die Fluchtgeschwindigkeit linear mit der Entfernung zunimmt (Hubble-Fluß). Damit lag es für viele Kosmologen nahe, daß die Galaxienflucht ein sichtbares Merkmal der Expansion des Universums ist. In den 1940er Jahren griff G. Gamow den Gedanken auf und folgerte, daß ein Rest des extrem heißen Urplasmas in Form eines Strahlungshintergrunds noch heute vorhanden sein sollte.

Die Urknalltheorie wurde jedoch noch lange bestritten. Erst die Entdeckung im Jahr 1965, daß tatsächlich eine solche kosmische Hintergrundstrahlung existiert, bewirkte die Anerkennung der Urknall-Hypothese und des Modells eines expandierenden Friedmann-Lemaître-Kosmos (kosmologische Modelle) gegenüber konkurrierenden Modellen, wie etwa der Steady-State-Theorie, die keine überzeugende Erklärung der Hintergrundstrahlung liefern konnte.

Als weiteres wichtiges Beobachtungsindiz für die Urknalltheorie wird außerdem die heutige Elementhäufigkeit angesehen. Sie läßt sich damit erklären, daß imUrknall fast ausschließlich Wasserstoff und Helium entstanden sind und die schwereren Elemente erst später in nuklearen Reaktionen im Innern der Sterne gebildet wurden.

Seit Anfang der 70er Jahre des 20.Jh. wird an großen Beschleunigeranlagen wie bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt und dem CERN in Genf intensiv an den theoretischen Hintergründen und dem experimentellen Nachweis gearbeitet, ein solches Quark-Gluon-Plasma (siehe Abb.), wie es wenige milliardstel Sekunden nach dem Urknall vorhanden gewesen sein muß, durch extremes Zusammenquetschen und Erhitzen von Materie zu erzeugen. In den letzten Jahren, so scheint es, sind die Forschungen am CERN diesem Ziel ein gutes Stück näher gekommen. Im Jahr 2000 sollen Experimente am Schwerionenbeschleuniger RHIC am Brookhaven National Laboratory und 2005 am neuen LHC in Genf diese, bisher nur indirekten, Nachweise bestätigen: Man hofft, daß mit den dann möglichen hohen Energien ein direkter Nachweis eines solchen Plasmas möglich wird.

Die Urknalltheorie impliziert ein expandierendes Universum. Wie sich die Welt weiter entwickeln wird (ewige Expansion oder Kontraktion), ist eine Frage des Weltmodells. Um alle Aspekte der Urknalltheorie mit den heutigen Beobachtungen in Einklang zu bringen, wurde 1981 die Theorie der Inflation entwickelt.

Heute ist der Begriff des heißen Urknalls ein wesentlicher Teil des Standardmodells der Kosmologie. Durch die Weiterentwicklung der Hochenergie-Teilchenphysik (Standardmodell der Elementarteilchen) wird das Verständnis der Physik des frühen Universums ab ca.10-12 s nach dem Urknall als gesichert angesehen. S. Hawking und R. Penrose bewiesen eine Reihe von Theoremen, die besagen, daß Raumzeit-Singularitäten unter sehr allgemeinen Voraussetzungen unvermeidbar sind.



Urknall: Simulation eines Quark-Gluons-Plasmas, wie es kurz nach dem Urknall (ca. 10 Mikrosekunden) geherrscht haben muß. Am CERN in Genf gelang 2000 vermutlich erstmals der indirekte Nachweis eines bei der Kollision von Bleiatomkernen erzeugten Plasmas.

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Guenter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
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Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33; Essay Alltagsphysik)
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Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06; Essay Analytische Mechanik)
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Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
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Oliver Rattunde, Freiburg [OR2] (A) (16; Essay Clusterphysik)
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Hans-Jörg Rutsch, Heidelberg [HJR] (A) (29)
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Richard Schwalbach, Mainz [RS2] (A) (17)
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Dipl.-Geophys. Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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Manfred Weber, Frankfurt [MW1] (A) (28)
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Prof. Dr. David Wineland, Boulder, USA [DW] (A) (Essay Atom- und Ionenfallen)
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Mitarbeiter Band IV

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Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin

Autoren (A) und Berater (B):

In eckigen Klammern steht das Autorenkürzel, die Zahl in der runden Klammer ist die Fachgebietsnummer; eine Liste der Fachgebiete findet sich im Vorwort.

Markus Aspelmeyer, München [MA1] (A) (20)
Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
Doz. Dr. Hans-Georg Bartel, Berlin [HGB] (A) (02)
Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
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Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
Jochen Büttner, Berlin [JB] (A) (02)
Dr. Matthias Delbrück, Dossenheim [MD] (A) (12, 24, 29)
Karl Eberl, Stuttgart [KE] (A) (Essay Molekularstrahlepitaxie)
Dr. Dietrich Einzel, Garching [DE] (A) (20)
Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33; Essay Optische Erscheinungen der Atmosphäre)
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Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15; Essay Perkolationstheorie)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Harald Fuchs, Münster [HF] (A) (Essay Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Michael Gerding, Kühlungsborn [MG2] (A) (13)
Prof. Dr. Gerd Graßhoff, Bern [GG] (A) (02)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Prof. Dr. Michael Grodzicki, Salzburg [MG1] (B) (01, 16)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Christoph Heinze, Hamburg [CH3] (A) (29)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Florian Herold, München [FH] (A) (20)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
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Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Dr. Catherine Journet, Stuttgart [CJ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen, [JK] (A) (04; Essay Numerische Methoden in der Physik)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15; Essay Quantengravitation)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Dr. Uwe Klemradt, München [UK1] (A) (20, Essay Phasenübergänge und kritische Phänomene)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Berndt Koslowski, Ulm [BK] (A) (Essay Ober- und Grenzflächenphysik)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Jens Kreisel, Grenoble [JK2] (A) (20)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
Volker Lauff, Magdeburg [VL] (A) (04)
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Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
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Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Dr. Andreas Müller, Kiel [AM2] (A) (33)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20; Essays Molekularstrahlepitaxie, Ober- und Grenzflächenphysik und Rastersondenmikroskopie)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Andrea Quintel, Stuttgart [AQ] (A) (Essay Nanoröhrchen)
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Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15; Essay Quanteninformatik)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
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Prof. Dr. Siegmar Roth, Stuttgart [SR] (A) (Essay Nanoröhrchen)
Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
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Michael Schmid, Stuttgart [MS5] (A) (Essay Nanoröhrchen)
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Jörg Schuler, Taunusstein [JS1] (A) (06, 08)
Dr. Joachim Schüller, Dossenheim [JS2] (A) (10)
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Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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Dr. Katja Bammel, Cagliari, I [KB2] (A) (13)
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Steffen Bauer, Karlsruhe [SB2] (A) (20, 22)
Dr. Günther Beikert, Viernheim [GB1] (A) (04, 10, 25)
Prof. Dr. Hans Berckhemer, Frankfurt [HB1] (A, B) (29; Essay Seismologie)
Dr. Werner Biberacher, Garching [WB] (B) (20)
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Prof. Dr. Helmut Bokemeyer, Darmstadt [HB2] (A, B) (18)
Dr. Thomas Bührke, Leimen [TB] (A) (32)
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Dr. Wolfgang Eisenberg, Leipzig [WE] (A) (15)
Dr. Frank Eisenhaber, Wien [FE] (A) (27)
Dr. Roger Erb, Kassel [RE1] (A) (33)
Dr. Angelika Fallert-Müller, Groß-Zimmern [AFM] (A) (16, 26)
Stephan Fichtner, Heidelberg [SF] (A) (31)
Dr. Thomas Filk, Freiburg [TF3] (A) (10, 15)
Natalie Fischer, Walldorf [NF] (A) (32)
Dr. Thomas Fuhrmann, Mannheim [TF1] (A) (14)
Christian Fulda, Hannover [CF] (A) (07)
Frank Gabler, Frankfurt [FG1] (A) (22)
Dr. Harald Genz, Darmstadt [HG1] (A) (18)
Prof. Dr. Henning Genz, Karlsruhe [HG2] (A) (Essays Symmetrie und Vakuum)
Dr. Michael Gerding, Potsdam [MG2] (A) (13)
Andrea Greiner, Heidelberg [AG1] (A) (06)
Uwe Grigoleit, Weinheim [UG] (A) (13)
Gunther Hadwich, München [GH] (A) (20)
Dr. Andreas Heilmann, Halle [AH1] (A) (20, 21)
Carsten Heinisch, Kaiserslautern [CH] (A) (03)
Dr. Marc Hemberger, Heidelberg [MH2] (A) (19)
Dr. Sascha Hilgenfeldt, Cambridge, USA (A) (Essay Sonolumineszenz)
Dr. Hermann Hinsch, Heidelberg [HH2] (A) (22)
Priv.-Doz. Dr. Dieter Hoffmann, Berlin [DH2] (A, B) (02)
Dr. Gert Jacobi, Hamburg [GJ] (B) (09)
Renate Jerecic, Heidelberg [RJ] (A) (28)
Prof. Dr. Josef Kallrath, Ludwigshafen [JK] (A) (04)
Priv.-Doz. Dr. Claus Kiefer, Freiburg [CK] (A) (14, 15)
Richard Kilian, Wiesbaden [RK3] (22)
Dr. Ulrich Kilian, Heidelberg [UK] (A) (19)
Thomas Kluge, Jülich [TK] (A) (20)
Dr. Achim Knoll, Karlsruhe [AK1] (A) (20)
Dr. Alexei Kojevnikov, College Park, USA [AK3] (A) (02)
Dr. Bernd Krause, München [BK1] (A) (19)
Dr. Gero Kube, Mainz [GK] (A) (18)
Ralph Kühnle, Heidelberg [RK1] (A) (05)
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Dr. Detlef Lohse, Twente, NL (A) (Essay Sonolumineszenz)
Priv.-Doz. Dr. Axel Lorke, München [AL] (A) (20)
Prof. Dr. Jan Louis, Halle (A) (Essay Stringtheorie)
Dr. Andreas Markwitz, Lower Hutt, NZ [AM1] (A) (21)
Holger Mathiszik, Celle [HM3] (A) (29)
Dr. Dirk Metzger, Mannheim [DM] (A) (07)
Dr. Rudi Michalak, Dresden [RM1] (A) (23; Essay Tieftemperaturphysik)
Günter Milde, Dresden [GM1] (A) (12)
Helmut Milde, Dresden [HM1] (A) (09)
Marita Milde, Dresden [MM2] (A) (12)
Prof. Dr. Andreas Müller, Trier [AM2] (A) (33)
Prof. Dr. Karl Otto Münnich, Heidelberg (A) (Essay Umweltphysik)
Dr. Nikolaus Nestle, Leipzig [NN] (A, B) (05, 20)
Dr. Thomas Otto, Genf [TO] (A) (06)
Priv.-Doz. Dr. Ulrich Parlitz, Göttingen [UP1] (A) (11)
Christof Pflumm, Karlsruhe [CP] (A) (06, 08)
Dr. Oliver Probst, Monterrey, Mexico [OP] (A) (30)
Dr. Roland Andreas Puntigam, München [RAP] (A) (14)
Dr. Gunnar Radons, Mannheim [GR1] (A) (01, 02, 32)
Dr. Max Rauner, Weinheim [MR3] (A) (15)
Robert Raussendorf, München [RR1] (A) (19)
Ingrid Reiser, Manhattan, USA [IR] (A) (16)
Dr. Uwe Renner, Leipzig [UR] (A) (10)
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Hans-Jörg Rutsch, Walldorf [HJR] (A) (29)
Rolf Sauermost, Waldkirch [RS1] (A) (02)
Matthias Schemmel, Berlin [MS4] (A) (02)
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Dr. Martin Schön, Konstanz [MS] (A) (14; Essay Spezielle Relativitätstheorie)
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Rolf vom Stein, Köln [RVS] (A) (29)
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