Gibt es eine maximale Temperatur im Universum? | Harald Lesch
Gibt es eine maximale Temperatur im Universum? Eine allerhöchste Energie?
Die Antwort ist überraschend und der Weg dahin ist ziemlich hart.
[Intro]
Die maximale Temperatur im Universum. Kann es die überhaupt geben?
Na ja, es gibt ja eine minimale Temperatur, also die niedrigste Temperatur, die es
überhaupt gibt im Universum, ist ja Null Kelvin.
Also nicht Minus irgendwas, sondern Null Kelvin, das ist bereits die
absolute Temperaturskala. Das sind -273 Grad Celsius.
Das ist die absolute Minimaltemperatur im Universum. Also, drunter geht nix mehr.
Und wenn es diese Null Kelvin gibt, könnte man sich ja durchaus fragen:
Gibt es dann auch nach oben eine Grenze? Also gibt es da eine maximale Energie
im Universum, eine maximale Temperatur? Hab ich natürlich schon verraten, Temperatur
und Energie haben offenbar was miteinander zu tun. Temperatur im Allgemeinen hat was
damit zu tun, wie schnell sich Teilchen bewegen können. Also wenn man so ein Gas hat,
z.B. einen Ballon oder in einer Box. Deren Bewegungsenergie, also das Produkt von Masse
und dem Quadrat der Geschwindigkeit, ist ein Ausdruck für die Temperatur.
Wenn diese Box erhitzt wird, dann erhöht sich automatisch die Temperatur und da gibt es sogar
Grenzen wo sich dann, möglicherweise, dann die Temperatur in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit
befindet, kann man ja noch weiter erhitzen, könnte man ja. Gedanklich. Immer weiter erhitzen.
Macht man es einfach immer heißer, noch heißer. Gibt es doch überhaupt keine Grenze, eigentlich.
Gut, die Lichtgeschwindigkeit ist halt ne Grenze und dann? Na ja, dann beschleunige ich die
Teilchen einfach weiter. Ja, die werden immer schwerer, da wird auch die Temperatur immer größer.
Einsteins spezielle Relativitätstheorie sagt ja, Teilchen, die immer weiter beschleunigt werden,
werden immer schwerer. Dadurch nimmt ihre Energie und damit auch ihre Temperatur immer weiter zu,
obwohl sie nicht deutlich schneller werden.
Da gibt es doch keine Grenze nach oben. Feierabend.
Also das heißt, mal wieder kann unsere Fantasie mehr denken, als es in Wirklichkeit
tatsächlich gibt. Das ist das große Problem bei all diesen Grenzfragen.
Minimale Temperatur, könnte man die nicht noch ein bisschen minimaler machen. Klar, bei Null,
da hört also auch die Fantasie irgendwo auf, das ist klar, aber wenn man da jetzt so langsam
anfängt, Teilchen immer mehr und mehr zu beschleunigen, was für Temperaturen gibt es denn so?
Ich meine die Temperaturen, bei denen wir leben, die sind ja nun überhaupt nicht in der Nähe von
Null Kelvin. Also wir leben ja mehr so im Bereich von 15 Grad auf unserem Planeten. Plus, Celsius, also
15 Grad Plus, das ist die Temperatur, bei der wir auf dem Planeten leben. Es mag sein, dass es ganz
tiefe Temperaturen, von fast -90 Grad Celsius in der Antarktis gibt und man hat auch schon Plus, was hab ich
gelesen, 58 Grad, hat man gemessen, in Libyen mal. Aber das sind so die Temperaturen, mit denen wir
normalerweise, auf dem Planeten umgehen. Jetzt kann man künstlich höhere Temperaturen erzeugen.
Durch Feuer zum Beispiel, eine Flamme hat 500 Grad, dann kann man noch weitere, höhere Energien haben,
z. Bsp. beim Blitz kommen sehr hohe Temperaturen raus, bis zu 100'000 Grad, aber das ist alles noch nicht
eine Maximaltemperatur. Ich meine, eine Temperatur, die auf unserem Planeten entsteht, ist doch kein Thema!
Unser Planet ist ja nur ein Planet. In der Sonne, gut, kann man sagen, auf der Sonne, was haben wir da
für Temperaturen? Auf der Oberfläche? 6000 Kelvin. Das ist gar nix. und im Inneren der Sonne?
Na, da hat man 15 Millionen Kelvin. Ist eigentlich auch nix. Das sind noch keine Maximaltemperaturen.
Temperaturen, die bei uns in der Nähe auftreten, dürfen auch keine Grenztemperaturen sein.
Mal ehrlich gesagt, ja, weil wir sind nämlich Lebewesen. Wir bestehen aus Molekülen. Wir können in der Nähe von
wahnsinnig hohen Temperaturen gar nicht bestehen! Also kein Wunder, dass in unserer Nähe im Universum
kein Teil ist, mit Milliarden von Kelvin. Aber es gibt vielleicht solche Sterne, die eine
Oberflächentemperatur haben von 100'000 Kelvin und eine Zentraltemperatur von mehreren Mrd. Kelvin.
Im Inneren von großen Sternen, wenn Verschmelzungsprozesse, die weit jenseits von Wasserstoff und Helium vonstattengehen,
wenn es um das Siliziumbrennen geht, ja, da werden Zig Milliarden, werden da an Innentemperatur
aufgeboten. Aber dann fliegt der Stern auch auseinander. Jetzt könnte man sich ja überlegen,
wir machen es immer heißer und heißer und heißer und heißer. Und da schlägt natürlich der Einstein
mit seinem berühmten E gleich mc^2 wieder zu, also wenn ich immer mehr und mehr Energie in so ein System
reinstopfe, dann werden die Teilchen nicht einfach nur schneller und schneller oder schwerer und schwerer, wenn sie fast die
Lichtgeschwindigkeit erreicht haben, denn es ist ja klar, das darf ich ja nicht vergessen: Jedes massebehaftete
Teilchen kann höchstens asymptotisch an die Lichtgeschwindigkeit rankommen, wird sie aber nie erreichen.
Ich pumpe immer mehr Energie in das Ding, ja? Haben wir so ein Beispiel? Ja hier, auf der Erde. Wir haben doch
den Teilchenbeschleuniger. Aber was werden denn da für Energien erreicht? Zum Beispiel beim Large-Hadron-Collider
in der Schweiz, der teilweise auch im französischen Untergrund ist, da unten. Was haben die denn für Energien?
Die erzeugen, Achtung, Teraelektronenvolt-Teilchen. Das heißt, die beschleunigen Teilchen in so riesigen
Anlagen, immer schneller und immer schneller, die haben natürlich längst fast Lichtgeschwindigkeit erreicht,
die werden immer schwerer und schwerer und schwerer, also z. B. diese Teilchen, diese Protonen, die da
beschleunigt worden sind, die haben einen sog. Lorenzfaktor der Beschleunigung von 1000.
Das ist schon, die haben also schon tausendfache Protonenmasse erreicht, durch die Beschleunigung,
aber das entspräche einer Temperatur, wenn man die Protonenstrahlen in ihrer Bewegung stoppen würde und die gesamte Energie
würde in thermische Energie verwandelt werden, also in Temperatur, dann hätten wir eine Temperatur, von 10^16 Kelvin.
Das ist schon ganz ordentlich, aber ist das die Maximaltemperatur? Warum können wir nicht weiter beschleunigen,
noch weiter beschleunigen? Ja, da gibt es also tatsächlich immer wieder Prozesse, die erstmal
so eine Art von Stopp einlegen, aber wir würden in unserer Fantasie einfach immer weiter und weiter
beschleunigen. Dann gibt es eben tatsächlich eine Form, von Temperatur, eine Form von Energie, wenn ich die
in ein System hineinstecke, dann hab ich ein schwarzes Loch. Und dann krieg ich überhaupt nichts mehr raus.
Temperatur ist ja eine Form von Energie und nach Einsteins Formel E=mc^2 bedeutet das: umso heißer, umso schwerer wird
ein Objekt. Irgendwann wird es theoretisch dadurch so schwer, dass es zum schwarzen Loch werden würde. Und diese
Grenztemperatur, genau an der Kante zum schwarzen Loch, wenn ich also so viel Energie in ein System reinstecke,
dass es GERADE NOCH kein schwarzes Loch geworden ist... diese Temperatur, die kennt man.
Das ist die sog. Planck-Temperatur. Ja! Max Planck hat die im Jahre 1899 bzw. 1900 zum ersten Mal veröffentlicht.
Das heißt, er hat sie ausgerechnet, aus einer Kombination von Naturkonstanten. Und zwar Naturkonstanten, die die Grenze
der erkennbaren Wirklichkeit angeben. Lichtgeschwindigkeit, das später nach ihm benannte Planck'sche Wirkungsquantum,
und die dritte ist die Gravitation. Das heißt, wir könnten aus drei verschiedenen Naturkonstanten,
einen Würfel aufmachen, in dem sämtliche, alle, alle physikalischen Lösungsmöglichkeiten,
die es überhaupt im Universum gibt, die wären alle in diesem Würfel.
Planck entdeckt ein universelles Maßsystem, das er mit dem netten Satz bezeichnet: "Das könnte vielleicht mal
interessant werden, für nicht-menschliche, möglicherweise außerirdische Zivilisationen und Kulturen." Denn alle Kulturen
betreiben Physik, die werden dann feststellen, dass die Lichtgeschwindigkeit die maximale Wirkungstransportgeschwindigkeit
ist, dass die Gravitation universell ist und dass auch diese Konstante, die natürlich Planck nicht nach sich selbst benannt hat,
sondern, die später nach ihm benannt wird, diese Konstante eben, die allerkleinste Wirkung darstellt, das heißt,
innerhalb dieser Länge, die dabei herauskommen wird und bei dieser Temperatur, die dabei herauskommen wird,
sind nur Naturkonstanten drin. Das sieht eigentlich auf den ersten Blick so aus, als sei das, so irgendwie,
pff, so ein nettes Spiel, so Kabbala, so mit Zahlen rumjongliert und mal geguckt.
Nein, so ist es nicht. Sondern die physikalische Bedeutung dieser Länge bzw. dieser Temperatur hat was
mit der Informationsgrenze zu tun, wir erfahren nichts mehr aus einem schwarzen Loch.
Und die Temperatur, die dort, in diesem allerkleinsten Volumen am Rande eines Schwarzen Loches gerade noch
existieren kann, das ist die maximale Temperatur, die es in diesem Universum gibt.
Denn, Planck stellt eben auch fest, dass die Energie und damit auch die Temperatur,
umgekehrt proportional zur Länge einer Welle wäre, z. Bsp. einer Wellenlänge von einer
elektromagnetischen Strahlung. Was ist denn die Wellenlänge? Die Wellenlänge ist eine Länge.
Das heißt, je kleiner die Länge ist, umso höher ist die Energie.
Und die allerkleinste Länge, die sich eben aus den Naturkonstanten ergibt,
diese 10^-35m, die entspricht damit automatisch der höchsten Temperatur im Universum.
Ja und jetzt kann man sich natürlich noch überlegen, wie hängt denn das allerkleinste, am Rande eines
schwarzen Loches, aus dem ja nix rauskommt, eigentlich mit dem Anfang des Universums zusammen?
Nun, heute wissen alle, die sich jemals mit der Kosmologie beschäftigt haben, dass das Universum
expandiert. Das heißt, es war gestern kleiner, vorgestern war es noch kleiner, wie klein kann
denn das Universum am Anfang gewesen sein? Damit überhaupt was aus ihm werden kann?
Na ja, ein schwarzes Loch kann es nicht geworden sein, sonst wäre es ja nicht... geworden. Zu dem,
was es heute geworden ist, denn aus dem schwarzen Loch, wie es so schön heißt, kommste nicht mehr raus.
Es muss also gerade knapp, knapp vor dem schwarzen Loch gewesen sein. Und die Temperatur knapp vor dem
schwarzen Loch, die kennen wir ja jetzt. Das sind 10^32 Kelvin. Das ist eine Länge, von 10^-35m.
Man muss sich das mal in Relation setzen. Diese 10^-35m, diese allerkleinste Länge, die im
Universum überhaupt nur physikalisch vernünftig ist, die ist 20 Größenordnungen kleiner als ein Proton.
Das muss man sich mal überlegen, Einhundert Trillionen Mal kleiner als ein Proton.
Und ein Proton ist schon klein. Also, der Anfang des Universums, den können wir
mithilfe der Planck-Länge und der Planck-Temperatur sauber physikalisch beschreiben.
Da unten verschmelzen alle Energien miteinander, die von irgendwelchen Kräften kommen, die müssen am Anfang
zusammen gewesen sein. Man könnte das auch, in Anlehnung eines großen Philosophen des Mittelalters, könnte man das die
Cusanus-Temperatur nennen. Da, wo alle Widersprüche zusammenfallen, in einem Punkt, das ist der Anfang von allem.
Das ist der seriöse, physikalische Anfang von allem.
Und verbindet hier natürlich, an dieser Stelle, deswegen: crescendo furioso! Jetzt brauchen wir hier
ganz großartige Musik, das verbindet das Allergrößte, nämlich das Universum, mit dem möglichen Allerkleinsten.
Kleiner als das kann es nicht gewesen sein und nur aus diesem Allerkleinsten kann das Allergrößte
heraus entstanden sein. Also der Zusammenfall der Widersprüche, das Allergrößte fällt mit dem Allerkleinsten zusammen
und da ist die höchste Temperatur im Universum erreicht worden, denn natürlich können wir niemals,
in keinem Beschleuniger, den wir uns irgendwie vorstellen können, Temperaturen bzw. Energien erreichen, die auch
nur annähernd an diese Energien des Anfangs heranreichen, niemals!
Und jetzt seid bitte nicht traurig, dass das Universum keine Unbegrenztheit kennt, sondern eher
ein bescheidenes Universum ist. Mit einer, zugegebenermaßen, hohen Obergrenze von 10^32K.
Man kann nicht alles haben. In Wirklichkeit ist es sogar so, dass ein Universum mit Unendlichkeiten,
wo es also immer weiter und weiter hoch ginge, da wären wir gar nicht möglich.
Ein Universum mit Nullen und Unendlichkeiten, da wären wir gar nicht dabei.
Wir sind in einem Universum, das Leben möglich macht und Leben kennt immer Grenzen.
Und das Universum kennt seine eben auch.
