Entropieproblem

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Das Entropieproblem ergibt sich aus der Beobachtung einer ungleichmäßigen, geordneten Verteilung der Materie im Universum. Die Entropie wird in der Kosmologie als Maß für die Unordnung betrachtet. Geordnete Strukturen weichen von der Vorstellung einer gleichförmigen Expansion des Universums ab. Das Universum besitzt eine größere Ordnung (niedrigere Entropie), als man es gemäß der Kosmologie erwartet.

Beobachtung

Bei der Entstehung des Universums erwartet man gemäß der Urknalltheorie eine gleichförmige Verteilung von Materie und Energie (Isotropie).^[1] Tatsächlich findet man aber Gasnebel, Sterne und Planetensysteme. Auch die Sterne treiben nicht regellos im Universum dahin, sondern sind zu Galaxien gruppiert. Diese wiederum sind nicht zufällig am Himmel verteilt,^[2] sondern zu Galaxienhaufen und Superhaufen angeordnet. Damit nicht genug, sind diese zu Filamenten aufgereiht, die riesige Leerräume, Voids genannt, umschließen. Das kosmologische Standardmodell postuliert auf großen Skalen eine homogene Verteilung der Materie. Beobachtet werden aber große zusammenhängende Gebilde wie zum Beispiel die Sloan Great Wall.

Erklärungsversuche

Die Materie des Universums entstand in der primordialen Nukleosynthese. Außer Spuren von Deuterium und Lithium bildeten sich Wasserstoff und Helium im Massenverhältnis 75:25. Vor der Nukleosynthese wurde elektromagnetische Strahlung an jedem Einzelteilchen (Elektron, Proton und Neutron) abgelenkt. Ab diesem Zeitpunkt konnte sich Licht ungehindert ausbreiten. Das Universum wurde sozusagen durchsichtig. Die Temperatur lag bei ca. 3000 Kelvin, was einem schwachen roten Glühen entspricht. Durch die Expansion des Universums wurde der Raum und damit auch die Wellenlänge der sich darin bewegenden Photonen ausgedehnt (Rotverschiebung). Die elektromagnetische Strahlung aus jener Zeit ist heute als kosmische Hintergrundstrahlung messbar. Aus dieser Strahlung lässt sich ermitteln, wie die Materie in dieser frühen Phase des Universums verteilt war. Dichteschwankungen in der Materieverteilung erzeugen Schwankungen (Fluktuationen) in der Hintergrundstrahlung. In der homogenen Verteilung der Materie sollen sich zufällig dichtere Bereiche ausgebildet haben. Durch die Gravitation wurden sie weiter verdichtet, sodass Galaxien entstanden.

Allerdings zeigt sich die kosmische Hintergrundstrahlung ungewöhnlich gleichmäßig, man findet Temperaturschwankungen im Bereich von lediglich Millionstel Kelvin. Um die Entstehung von Galaxien zu erklären, sind derartig winzige Fluktuationen nicht ausreichend. Deshalb vermutet man größere Fluktuationen der Dunklen Materie, die dann die Zusammenballung der normalen Materie initiiert haben sollen.^[3]

Wie entsteht Ordnung?

Ordnung, d. h. eine niedrige Entropie, entsteht durch zielgerichtete Kräfte. Am augenscheinlichsten ist wohl der hohe Ordnungszustand eines Kristalles. Er fällt durch seine ebenen Begrenzungsflächen und im Idealfall regelmäßige geometrische Form auf. Die Kristallstruktur beruht auf einer dreidimensionalen periodischen Anordnung der Bausteine, seien es Atome, Ionen oder Moleküle. Die ordnende Kraft ist die Elektromagnetische Kraft.

Eine weitere Fundamentalkraft, die einen Ordnungszustand hervorruft, ist die Starke Kernkraft. Denn keinesfalls ergibt eine beliebige Kombination von Neutronen und Protonen einen stabilen Atomkern. So besitzen Elemente mit ungerader Ordnungszahl höchstens zwei stabile Isotope. Ferner sind Kerne mit 2, 8, 20, 28, 50 und 82 Neutronen oder Protonen überdurchschnittlich stabil.^[4]

Die bei weitem schwächste Kraft ist die Gravitation. Betrachtet man ein Wasserstoffatom, so ist die Elektromagnetische Kraft, die das Proton und das Elektron zusammenhält um den Faktor 10⁴⁰ größer als die zwischen beiden Teilchen bestehende Massenanziehung.^[5] Dennoch sorgt sie für eine größere Ordnung. Die Entropie wäre sehr viel größer, würden Gegenstände nicht durch die Massenträgheit in ihrem Bewegungszustand verharren. Aber auch im Universum zeigt sich ihre ordnende Kraft, ob in Planetensystemen, Galaxien oder noch größeren Strukturen.

Ungelöste Rätsel

Die Struktur des Universums erinnert an Seifenschaum. Die Materie konzentriert sich auf zweidimensionale Flächen^[6] Interessanterweise liegen die Drehachsen der Spiralgalaxien bevorzugt in der Oberfläche der Voids.^[7] Die riesigen Leerräume enthalten kaum Materie und entsprechend auch nur sehr wenige Galaxien.

Je genauer das Universum kartografiert wurde, desto größere Strukturen wurden entdeckt. Es gibt momentan keine Hinweise, ob sich Superhaufen zu noch größeren Strukturen zusammenballen, aber dies kann auch an unserem mangelnden Wissen liegen.^[8] Es wird darüber spekuliert, ob die Galaxien nicht auch ein fraktales Verteilungsmuster aufweisen. Die Idee dazu entstammt einer Analogie zu Phasenübergängen wie beispielsweise beim Gefrieren vom Wasserdampf zu Schneeflocken.^[9] Ob man derartige Analogien sozusagen auf das "Ausfrieren" der Materie übertragen kann, ist umstritten. Wie die im Universum zu beobachtenden Strukturen entstanden sind, ist noch eine offene Frage. Die Entropie des Universums ist niedriger, als man es ausgehend von einem Urknall erwarten würde.

Quellen

1. ↑ Reise durch das Universum – Galaxien, Time-Life-Bücher, ISBN 90-6182-367-6, S. 117.
2. ↑ Cambridge Enzyklopädie der Astronomie, Orbis Verlag, München 1989, S. 353
3. ↑ Alexander Unzicker: Vom Urknall zum Durchknall, Springer Verlag 2010, S. 114, 125ff
4. ↑ Stroppe: Physik, Carl Hanser Verlag 1986, 7. Auflage, S. 437, 445
5. ↑ Alexander Unzicker: Vom Urknall zum Durchknall, Springer Verlag 2010, S. 14
6. ↑ Alexander Unzicker: Vom Urknall zum Durchknall, Springer Verlag 2010, S. 113
7. ↑ I. Trujillo et al., arXiv:astro-ph/0511680.
8. ↑ Cambridge Enzyklopädie der Astronomie, Orbis Verlag, München 1989, S. 350
9. ↑ Alexander Unzicker: Vom Urknall zum Durchknall, Springer Verlag 2010, S. 149, 154