Quelltext der Seite Horizontproblem

[[Datei:Horizon problem de.svg|mini|300px|Die [[Kosmischer Mikrowellenhintergrund|Hintergrund&shy;strahlung]] erreicht die Erde aus Entfernungen von über 15&nbsp;Milliarden [[Lichtjahr]]en. Als dieses Licht allerdings ausgesendet wurde, war das Universum viel jünger (300.000&nbsp;Jahre alt). In dieser Zeit hätte das Licht jedoch nur einen Raum innerhalb der kleineren Kreise erreichen können. Die beiden Punkte auf dem Diagramm hätten miteinander keinen Kontakt, da die Sphären ihrer Kausalität sich nicht überschneiden.]]
Das '''Horizontproblem''' ist ein Grundproblem der [[Kosmologie]], welches vom [[Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-Metrik|Standardmodell]] des [[Urknall]]s aufgeworfen wird und in den 1970er Jahren aufkam. Es erhebt die Frage, wie es sein kann, dass verschiedene Regionen des [[Universum]]s, die nicht miteinander in Kontakt stehen, da die Distanz zwischen ihnen zu groß ist, dennoch gleiche physikalische Eigenschaften wie etwa ein vergleichbares Temperaturniveau besitzen können.

Dies sollte nicht möglich sein, wenn ein Austausch von Eigenschaften (wie Energie, Temperatur etc.) maximal mit der [[Lichtgeschwindigkeit|Geschwindigkeit des Lichts]] erfolgen kann und den einzelnen Gebieten nicht mehr als 13,8&nbsp;Milliarden Jahre zur Verfügung standen (so alt ist das Universum), um eigene Eigenschaftsausprägungen zu entwickeln. Eine Erklärung für das Horizontproblem bietet die [[Inflation (Kosmologie)|Inflationstheorie]], die nicht zuletzt aufgrund dieses Problems entwickelt wurde. Eine andere Möglichkeit zieht eine weniger akzeptierte Theorie in Betracht, nach der sich der Geschwindigkeitswert des Lichts [[Physikalische Konstante#Konstanz der Naturkonstanten|mit der Zeit verändert]] haben könnte.<ref>J. Casado (2003): ''A Simple Cosmological Model with Decreasing Light Speed''. {{arXiv|astro-ph/0310178}}</ref>

== Grundkonzept ==
Schaut man in den Nachthimmel, so blickt man durchweg in die Vergangenheit. Das Licht einer Galaxie, die zehn Milliarden [[Lichtjahr]]e von der Erde entfernt ist ([[Entfernungsmaß#Laufzeitentfernung|Laufzeitentfernung]]), war zehn Milliarden Jahre unterwegs, um den langen Weg bis zur Erdoberfläche zurückzulegen. Betrachtet man nun eine Galaxie, die zehn Milliarden Lichtjahre in einer Richtung entfernt zu beobachten ist, und schaut danach zu einer anderen in exakt entgegengesetzter Blickrichtung, so beträgt der Abstand zwischen beiden Galaxien zueinander insgesamt 20&nbsp;Milliarden Lichtjahre. Das bedeutet, dass das Licht der einen Galaxie bis heute die andere Galaxie noch nicht erreicht haben kann, da das Universum ein nachweisbares Alter von 13,7&nbsp;Milliarden Jahren besitzt<ref>[http://www.astronews.com/news/artikel/2010/03/1003-002.shtml Gravitationslinsen: Alter des Universums, neu berechnet], astronews.com</ref> und diese Zeitspanne nicht ausreicht, damit das Licht die Distanz zwischen beiden Galaxien hatte zurücklegen können. Universell ausgedrückt lässt sich sagen, dass Abschnitte des Universums, die von der Erde aus sichtbar sind, für andere Bereiche des Weltraums vorerst unsichtbar bleiben und somit außerhalb des jeweiligen [[Horizont]]s ihres [[Beobachtbares Universum|beobachtbaren Universums]] liegen müssen.<ref name="Liddle">{{cite book | first=Andrew | last=Liddle | year=2009 | title=Einführung in die moderne Kosmologie | volume=1 | publisher=Wiley-VCH Verlag GmbH | pages=111 | isbn=978-1-5274-0882-5 }}</ref>

Laut den grundlegenden physikalischen Theorien ist es nicht möglich, dass sich [[Information (Physik)|physikalische Informationen]] schneller als das Licht verbreiten können. Der Kontext ''Information'' bedeutet in diesem Zusammenhang ''jedwede Art von physikalischer Interaktion.'' So fließt zum Beispiel Wärme üblicherweise von heißeren zu kühleren Bereichen, was in physikalischer Hinsicht eine Art des Informationsaustausches darstellt. Diesem Beispiel folgend, ist es den beiden Galaxien nicht möglich, irgendeine Art an physikalischer Information auszutauschen. Anders formuliert: Sie haben keinen ''[[Kausalität|kausalen Kontakt]]'' zueinander. Daher sollte daraus geschlossen werden können, dass sie sich hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften unterscheiden oder noch grundlegender, dass überall im Universum in unterschiedlichen Gebieten verschiedene Eigenschaften vorzufinden sein müssten.<ref>{{cite book | first=Dirk | last=Evers | year=2000 | title=Raum – Materie – Zeit | volume=1 | publisher=Mohr Siebeck | pages=216 | isbn=3-16-147412-0 }}</ref>

Entgegen dieser Erwartung zeigt sich das Universum in der Tat jedoch als extrem [[Homogenität|homogen]]. So weist zum Beispiel die [[Kosmischer Mikrowellenhintergrund|kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung]] (CMB), die das Universum erfüllt, überall die fast genau gleiche Temperatur von etwa 2,725&nbsp;[[Kelvin|K]] auf.<ref name="Liddle" />

Der Temperaturunterschied ist so gering, dass es erst vor kurzem möglich war, Instrumente zu entwickeln, die diese Differenzen zu messen imstande sind. Diese Tatsache stellt ein ernsthaftes Problem dar, denn wenn das Universum mit nur leicht unterschiedlichen Temperaturen in verschiedenen Gebieten begonnen hatte, dann hätte es keine Möglichkeit geben dürfen, dieses einheitliche Temperaturniveau zu erreichen, das zum heutigen Zeitpunkt zu beobachten ist. Gemäß der [[Quantenphysik]] müsste aufgrund der [[Heisenbergsche Unschärferelation|Heisenbergschen Unschärferelation]] dieser anfängliche Temperaturunterschied tatsächlich seit dem Urknall fortbestehen, da es auf der anderen Seite ebenso als unmöglich erachtet werden kann, dass sich das Universum überall mit genau den gleichen Eigenschaften ausgebildet hat.

Das Ausmaß dieses Problems ist als verhältnismäßig beachtlich anzusehen. Gemäß dem Urknallmodell erreichte das Universum, nachdem sich seine Dichte aufgrund seiner Expansion verringert hatte, irgendwann einen Punkt, an dem die Photonen im ‚Mix‘ von Teilchen nicht mehr unmittelbar zusammengepresst waren und sie sich stattdessen aus dem [[Plasma (Physik)|Plasma]] ‚entkoppelten‘ und sich in das Universum wie ein ‚Feuerwerk aus Licht‘ verbreiteten. Diese Geburtsstunde der Hintergrundstrahlung hatte sich vermutlich etwa 300.000&nbsp;Jahre nach dem Urknall ereignet.<ref name="TechLex">{{Cite web|title=Inflation|url=http://www.techniklexikon.net/d/inflation/inflation.htm|accessdate=2010-07-15}}</ref> Das Volumen des möglichen Eigenschaftsaustauschs entsprach damals einem Durchmesser von 900.000&nbsp;Lichtjahren, legt man die Lichtgeschwindigkeit und die Rate der Expansion des Raumes in diesem frühen Universum zu Grunde. Nun besitzt der gesamte Weltraum weiterhin die gleiche Temperatur, obgleich er eine Ausdehnung von mindestens 93&nbsp;Milliarden Lichtjahren erreicht hat.<ref name="ly93">{{cite web | last = Lineweaver | first = Charles | coauthors = Tamara M. Davis | year = 2005 | url = https://www.scientificamerican.com/article/misconceptions-about-the-2005-03/ | title = Misconceptions about the Big Bang | publisher = [[Scientific American]] | accessdate = 2008-11-06}}</ref>

=== Inflation ===
Eine Lösung für dieses Phänomen, welche auch einige andere Grundfragen wie das Problem der Flachheit des Universums erklären könnte, bietet die [[Inflation (Kosmologie)|Inflationstheorie]]. Danach gab es zwischen 10<sup>−35</sup> und 10<sup>−32</sup> Sekunden<ref name="TechLex" /> nach dem Urknall eine kleine Periode mit einer rasanten, exponentiell ansteigenden Expansion (als ''Inflation'' betitelt). Während dieser Inflationsphase hat sich das Universum um einen enormen Faktor schneller als das Licht ausgedehnt<ref name="Liddle" /> und zog das Licht dabei quasi in alle Richtungen mit.

Wenn diese Theorie richtig ist, löst die Inflation das Horizontproblem dadurch, dass das gesamte Universum vor dieser inflationären Periode ''kausal'' verbunden war und die physikalischen Eigenschaften somit während dieser Phase in Wechselwirkung treten und sich angleichen konnten. Durch die Inflation erweiterte es sich so rasch, dass diese Eigenschaften über den ganzen Weltraum hinweg ''eingefroren'' blieben; ab diesem Zeitpunkt war das Universum zu einer fast vollkommenen Homogenität gezwungen gewesen, da die Informationen keine kausale Verbindung mehr vorgefunden hätten, um ihre Eigenschaften zu verändern.<ref name="TechLex" /> Dies bedeutet jedoch zudem, dass das beobachtbare Universum nur einen Bruchteil des tatsächlichen Kosmos darstellt.<ref name="TechLex" />

Als Konsequenz einer solchen kosmischen Inflation hätte sich die [[Anisotropie]] während des Urknalls reduziert, wäre jedoch nicht völlig verschwunden. Die Temperaturunterschiede der kosmischen Hintergrundstrahlung wurden durch die kosmische Inflation ebenso geglättet, bestehen jedoch in einem geringen Maß fort. Die Theorie sagt hierbei ein breites Spektrum für die Anisotropie der Mikrowellenhintergrundstrahlung voraus, die tatsächlich überwiegend im Einklang mit den Ergebnissen steht, die die Raumsonden [[Wilkinson Microwave Anisotropy Probe|WMAP]] und [[COBE]] der Wissenschaft liefern konnten.<ref>Starkman, Glenn D. and Dominik J. Schwarz: [https://www.scientificamerican.com/article/is-the-universe-out-of-tu/ Is the Universe Out of Tune?] 1. August 2005.</ref>

=== Variable Lichtgeschwindigkeit ===
Eine weitere Lösung für dieses Problem schlugen der portugiesische Wissenschaftler [[João Magueijo]] und der US-amerikanische Physiker [[Andreas Albrecht (Physiker)|Andreas Albrecht]] im Jahre 1999 vor.<ref>Albrecht, Magueijo: ''A time varying speed of light as a solution to cosmological puzzles'', Phys. Rev. D59, 1999, {{arXiv|astro-ph/9811018}}.</ref> Nach ihrer These war die Geschwindigkeit des Lichts nicht immer gleich, sondern hatte kurz nach dem Urknall einen um 60 Größenordnungen höheren Wert als heute. Dadurch hätten die verschiedenen Regionen in Kontakt zueinander treten können, da ihr Horizont weitaus umfangreicher gewesen wäre, ehe die Distanz endgültig zu groß wurde. Zudem hätte weitaus mehr Zeit zur Verfügung gestanden, damit die Eigenschaften sich durch Wechselwirkung einander hätten angleichen können, als die heute messbaren Parameter dies vermuten lassen. Daneben ist durch diese Theorie nachweisbar, dass eine veränderliche Lichtgeschwindigkeit die Dichtefluktuation unterdrückt, was die Homogenität des Universums unterstützt.<ref>{{cite web| last = Laukenmann| first = Joachim| year = 2003| url = https://web.archive.org/web/20140714163129/http://www.weltwoche.ch/ausgaben/2003-30/artikel-2003-30-das-universum-is.html| title = Das Universum ist flach| publisher = Weltwoche| accessdate = 2014-07-01}}</ref>

Diese [[Überlichtgeschwindigkeit#Kosmologische Theorien mit variabler Lichtgeschwindigkeit|Theorie der variablen Lichtgeschwindigkeit]] stößt bei den meisten Wissenschaftlern jedoch auf Ablehnung, da die Geschwindigkeit des Lichts als eine der wichtigsten [[Physikalische Konstante|Naturkonstanten]] gilt und die Basis für [[Albert Einstein|Einsteins]] [[Relativitätstheorie]] darstellt.

== Referenzen ==
<references />

[[Kategorie:Kosmologie (Physik)]]