Temperatur und Ausdehnung

In dem sich ausdehnenden Universum findet eine Abnahme der Temperatur statt. Heute hat das Universum eine Temperatur von ca. 3 K. Rechnet man in die Vergangenheit zurück, erhält man viel höhere Werte. Vor 13,3 Milliarden Jahren war es z.B. ungefähr 5000 K "warm", eine Sekunde nach dem Urknall 10.000.000.000 K. Es muss daher während des Urknalls unvorstellbar heiß gewesen sein.

Aber warum kühlt sich das Universum bei der Ausdehnung überhaupt ab?

Hast Du eine Fahrradluftpumpe zu Hause? Halte das kleine Loch, aus dem die Luft beim Pumpen entweicht, so zu, dass die Luft im Innern eingeschlossen ist. Drücke nun den Kolben schnell in die Pumpe hinein. Was spürst Du?

Lösung

Beim Pumpen wird die Luft sehr schnell durch den Kolben zusammengedrückt. Die Luftteilchen, die gegen die Kolbenwand stoßen, prallen beschleunigt zurück.

Stell Dir vor ein Teilchen ist ein Tennisball und ein Tennisschläger der Kolben. Wenn ein Tennisspieler dem ankommenden Ball mit dem Schläger entgegenkommt, schlägt er ihn auch beschleunigt zurück. Genauso verhält es sich mit der Luftpumpe.

Durch die Beschleunigung werden die Teilchen schneller. Eine größere Bewegungsgeschwingigkeit der Teilchen bedeutet auch eine größere Bewegungsenergie bzw. Temperatur. Das kannst Du, wenn Du möchtest, unter Energie noch einmal nachlesen.

Bewegt der Tennisspieler den Schläger aber in die "falsche" Richtung, d.h. in Flugrichtung des Balles, verliert der Ball beim Stoß mit dem Schläger einen Teil der Bewegungsenergie und fliegt mit geringerer Geschwindigkeit weiter.

Bei der Ausdehung eines Gases gilt dasselbe für Stöße gegen die Wand oder gegen die auseinander fliegenden anderen Gasteilchen. Im Mittel verringert sich bei diesen Stößen die Bewegungsenergie eines Gasteilchens weil die meisten Stoßpartner in derselben Richtung unterwegs sind. Niedrigere Bewegungsenergie bedeutet aber niedrigere Temperatur.

Auch im sich ausdehnenden Universum verlieren die Teilchen Bewegungsenergie. Die verlorene Energie geht dabei aber natürlich nicht in eine Begrenzungswand des Weltalls. Vielmehr wird sie in Lageenergie umgewandelt, weil die Teilchen sich immer weiter voneinander entfernen, und so im gegenseitigen Schwerefeld immer weiter "nach oben" fliegen. Auch die Temperatur des Weltalls sinkt also bei der Ausdehnung.