der Teilchenphysik geht davon aus, dass es ab einer bestimmten Temperatur und Energie auch zu einer Verschmelzung der starken Kernkraft mit der elektroschwachen Kraft kommt. Bei noch sehr viel höheren Temperaturen und Energien könnte sich dann aus allen vier Naturkräften eine einheitliche „Superkraft“ bilden.
Solche extremen physikalischen Bedingungen können nur beim Urknall aufgetreten sein.
Der Urknall
Der Urknall bezeichnet keine Explosion in einem bestehenden Raum, vielmehr versteht man unter dem Urknall im physikalischen Sinne den Anfangspunkt von Materie, Raum und Zeit.
Die meisten Astronomen gehen davon aus, dass das materielle Universum etwa vor 13,7 Mrd. Jahren mit dem Urknall begann. Das unmittelbare Urknallereignis selber kann physikalisch und mathematisch mit den uns bekannten Formeln nicht beschrieben werden.
Die Astronomen vermuten, dass zu Beginn des sichtbaren Universums ein sehr kleiner Raumbereich (kleiner als ein Stecknadelkopf) aus Raum-Zeit-Quanten-Schaum bestand.
Vermutlich dehnte sich innerhalb eines minimalsten Sekundenbruchteils nach dem Urknallereignis dieser winzige Raumbereich um riesige Dimensionen aus. Die Aufblähung des Universums war gigantisch. Man kann sich das in etwa so vorstellen, als würde sich ein Atom auf ca. 10.000 Lichtjahre ausdehnen. Ein Lichtjahr sind immerhin 9,5 Billionen Kilometer.
Die Wissenschaft hat natürlich nach Erklärungen gesucht, wie es zu dieser Aufblähung des Universums kam. Die meisten Astronomen gehen heute davon aus, dass ein sehr starkes Energiefeld, das sogenannte Inflatonfeld, die Ausdehnung bewirkt hat. Dieses Energiefeld hatte wohl eine abstoßende Schwerkraftwirkung, die mit dem wachsenden Raumvolumen immer weiter zunahm.
Am Ende dieser Aufblähung bestand ein sehr heißes Teilchengemisch mit Temperaturen, die bei rund 1029 (10 mit 29 Nullen) Kelvin lagen – also unvorstellbar hohen Temperaturen. Die anschließende Ära wird als die elektroschwache Ära bezeichnet. In dieser Phase traten die Fundamentalteilchen auf. Das Universum hat sich langsam immer mehr abgekühlt. Nach 380.000 Jahren wurde das Universum für Licht durchlässig. Aus dieser Zeit stammt die kosmische Hintergrundstrahlung, die heute durch Satelliten vermessen wird.
Als das Universum noch winzig klein war, müssen sich Quantenfluktuationen ereignet haben, die sich dann durch die Ausdehnung des Universums zu riesigen Größenordnungen aufblähten. Es entstanden im All Regionen mit mehr Teilchen und andere Regionen mit weniger Teilchen als im Durchschnitt. Innerhalb von einer Mrd. Jahre nach dem Urknall begann die Gravitation die ersten komplexen und massiven Strukturen aufzubauen.
Neueste Messergebnisse deuten darauf hin, dass es im Universum 100 bis 200 Mrd. von Galaxien gibt, die alle mehr oder weniger unserer Milchstraße ähnlich sind. Jede Galaxie besteht aus bis zu 200 Mrd. Sternen; die Gesamtzahl der Sterne im Universum dürfte, in Worten gesprochen, bei 20 Trilliarden Sternen liegen, das ist eine Zahl mit 22 Nullen.
Wenn jeder Stern im Universum einem Feinsandkörnchen entspräche, dann könnte man die gesamte Fläche Deutschlands einen halben Meter hoch mit Sand bedecken.
Lange Zeit glaubte man, mit dem Urknallmodell sozusagen den Schlüssel zum Verständnis des Universums gefunden zu haben. In den letzten Jahren zeigte sich aber zunehmend, dass viele Phänomene im Universum weder richtig erforscht noch verstanden sind. Ein Beispiel ist die dunkle Materie. Im Verlauf des 20. Jahrhunderts entdeckten Astronomen bei der Beobachtung von Galaxien und Galaxienhaufen, dass deren Dynamik nicht aus der Menge der sichtbaren Materie zu erklären ist. Es muss deutlich mehr Materie im Universum geben als angenommen. Weil diese Materie kein Licht abstrahlt, nannte man sie dunkle Materie. Wie wir heute wissen, befindet sich um die Galaxien ein Hof aus dunkler Materie, der mindestens 10-mal so groß ist wie die Region, in der die Sterne kreisen.
Erst seit wenigen Jahren ist bekannt, dass sich unser Universum ganz anders entwickelt, als bisher angenommen wurde. Entgegen bisheriger Vorstellungen dehnt sich das Universum seit ca. 5 Mrd. Jahren immer schneller aus, was man als kosmische Beschleunigung bezeichnet.
Das Raumvolumen im All muss eine Art innere Energie besitzen, die stets nach außen drückt und versucht, das Universum größer werden zu lassen. Das Besondere daran ist, dass diese Kraft mit zunehmendem Volumen auch zunimmt. Es gibt noch keinerlei wissenschaftliche Erklärung für diese Energie, die man als dunkle Energie bezeichnet.
Man geht heute davon aus, dass das Universum nur zu 4,6 Prozent aus atomarem Material besteht, das wir auch sehen können. Etwa 23 Prozent sind dunkle Materie, knapp 73 Prozent entfällt auf die dunkle Energie.
Wenn die dunkle Energie im Universum die Oberhand behält, wovon Astronomen ausgehen, kommt es zu einer völligen Auflösung aller materiellen Bausteine. Selbst die schwarzen Löcher werden dann vermutlich zerstrahlt; es gibt dann nur noch eine minimale Strahlung.
Wenn aus irgendwelchen Gründen die Schwerkraft im All die Oberhand gewinnen sollte, würde sich das Universum zusammenziehen und irgendwann ganz verschwinden.
Was war vor dem Urknall?
Die allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass an einem Punkt in der kosmischen Vergangenheit die Welt ihren Anfang nahm. Fragen nach dem „Davor“ würden keinen Sinn machen. Das Urknallmodell beschäftigt sich mit der Frage, wie der Urknall stattgefunden hat. Sie fragt aber nicht nach dem Grund des Urknalls und stellt schon gar nicht die Frage, was zuvor war. Einige Astronomen und Physiker geben sich mit dem Urknallmodell nicht zufrieden und haben ganz andere Ideen entwickelt.
Es gibt z.B. das Modell eines Urschwungs: Vor unserem Universum bestand ein anderes Universum, das von Quantenfeldern erfüllt war und aus reiner Energie bestand. Andere mathematisch-physikalische Modelle gehen von zyklischen Universen aus. Der Endzustand eines Universums führt automatisch wieder zu einem Neuanfang in Form eines Urknalls.
Physiker haben sich immer wieder gewundert, dass unter den vier Fundamentalkräften der Physik die Gravitation mit großem Abstand die schwächste aller Kräfte ist. Eine Hypothese ist, dass die Gravitation sozusagen in ein Paralleluniversum einsickert und sich dadurch in unserem Universum ausdünnt.
Zusammenfassend kann man Folgendes sagen: Nach derzeitigem wissenschaftlichen Kenntnisstand dürfte unmittelbar zum Zeitpunkt des Urknalls eine einheitliche Kraft bestanden haben, aus der sich als erstes die Gravitation abspaltete und im weiteren Verlauf dann die anderen Grundkräfte.
Die vier Quantenzahlen
So wie für die Physik die vier Naturkräfte eine herausragende Rolle spielen, so haben für die Chemie die vier Quantenzahlen eine zentrale Bedeutung.
Als man den Aufbau eines Atoms erforschte, wusste man recht schnell, dass der Atomkern aus Protonen und Neutronen besteht. Um den Kern herum kreisen die Elektronen. Die Elektronenhüllen der Atome spielen für chemische Reaktionen und Verbindungen eine zentrale Rolle. Es dauerte viele Jahre, bis man den Zustand der Atomhülle befriedigend beschreiben konnte.
Um ein Elektron richtig beschreiben zu können, benötigt man vier Quantenzahlen: die Hauptquantenzahl, die Nebenquantenzahl, die Magnetquantenzahl und die Spinquantenzahl.
