Das Urknall-Modell

Naturwissenschaft, Philosophie und Religion liefern Deutungsversuche unseres Universums und seines Anfangs In der Wissenschaft war bis vor etwa 100 Jahren das vorherrschende Bild des Universums das einer Inselgalaxie, die eingebettet ist in einen weitgehend leeren Raum. Der russische Mathematiker und Physiker Alexander Friedmann hatte schon 1922 erkannt, dass ein gleichförmiges Universum nach den Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie Albert Einsteins instabil wäre: Die kleinste Störung würde es expandieren oder kontrahieren lassen. Nachdem Vesto Slipher schon 1923 auf den Befund gestoßen war, dass sich fast alle Spiralgalaxien von uns fortbewegen, das All sich also offensichtlich ausdehnt, stellte der belgische Physiker und Astronom Georges Edouard Lemaitre 1927 die Vermutung auf, dass die Expansion des Universums zu einem äußerst dichten Zustand zurückverfolgt werden könne. Aus diesem uranfänglichen „Super-Atom“, wie er es nannte – unvorstellbar klein, unvorstellbar dicht, unvorstellbar heiß, mit einem unendlich stark gekrümmten Raum -, sei das Weltall hervorgegangen.

Zu dieser Vorstellung war bis in die Sechziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts ein ewiges statisches Universum die bedeutendste Alternative. Sie besagt, dass es trotz steigender Expansion im Durchschnitt unveränderlich sei und weder Anfang noch Ende habe. Das Absinken der Massedichte aufgrund der Expansion werde ausgeglichen durch fortwährende Entstehung neuer Materie im intergalaktischen Raum (dem leeren Raum zwischen den Galaxien). Allerdings konnte diese sogenannte Steady-State-Theorie zwei fundamentale Beobachtungen nicht erklären: Den Anteil des Heliums im Universum und die kosmische Hintergrundstrahlung. Außerdem sollten nach ihr nahe Ansammlungen von Galaxien im statistischen Mittel genau so aussehen, wie weit entfernte, was nach den astronomischen Beobachtungen nicht der Fall ist. Daher war die Theorie nicht mehr haltbar.

Urknall-Theorie

Nach der Urknalltheorie hat sich die kosmische Materie und Strahlung aus einem nahezu strukturlosen, heißen und dichten Frühzustand in einer explosionsartigen schnellen Ausdehnung zu dem komplexen Universum entwickelt, das wir heute beobachten. Ironischerweise stammt der Ausdruck „Urknall“ („Big Bang“) für den Beginn des Universums wohl von einem der wichtigsten Vertreter und energischsten Verfechter der Steady-State-Hypothese, dem britischen Physiker Fred Hoyle, der den Ausdruck gebrauchte, um in BBC-Rundfunkvorträgen die damit verbundene Theorie lächerlich zu machen.

Der Urknall hat sicher nichts mit einem lauten Knall zu tun; er vollzog sich in absoluter Stille, denn es gab damals keine Atmosphäre, keine Schallwellen, keine Ohren. Er gleicht auch nicht einer Explosion, die von einem Punkt im Raum, einem Explosionszentrum, ausgeht. Es existierte kein bestehender Raum, in den hinein sich das Universum ausgedehnt haben könnte – es war eine Ausdehnung des Raumes selbst.

An der Urknall-Theorie gibt es zurzeit keine grundsätzlichen Zweifel. Sie geht auf astronomische Beobachtungen zurück und wird von einer Fülle von Indizien gestützt. Allerdings sind manche Aspekte noch ungelöst. Trotz dieser Probleme muss sie aber nach den heutigen Einsichten als gesichert betrachtet werden. Jede neue Theorie wird auf ihr aufbauen müssen. Die Wissenschaft hat eine ganze Reihe von Modellen zur Urknall-Theorie entwickelt , die mit den Messungen im Einklang sind. Im Sinne einiger typischer Eigenschaften , die die meisten dieser Modelle gemeinsam haben, sprechen die Astronomen von einem „Standard-Urknallmodell“.

Zum Zeitpunkt des Urknalls hatte das Universums die Struktur einer Energieblase – ein Punkt, unvorstellbar klein, mit unendlich hoher Dichte und unendlich hoher Temperatur. Die Raumzeitkrümmung war unendlich groß, Raum und Zeit existierten nicht, Zukunft und Vergangenheit waren ununterscheidbar. An diesem Punkt bricht die Physik der Allgemeinen Relativitätstheorie zusammen, d. h. die klassischen physikalischen Gesetze versagen, sie machen keine sinnvollen Aussagen mehr und verlieren ihre Gültigkeit.

Immer dann, wenn irgendein Wert unendlich, also nicht mehr mit Gleichungen handhabbar wird – eine mathematische Ausnahmesituation -, spricht man von einer Singularität. Was diesem mathematischen Artefakt Singularität in der Realität entspricht, weiß allerdings niemand. Die Urknall-Singularität erklärt nichts, sondern bedeutet das Ende aller Erklärungen: Es macht keinen Sinn, physikalische Größen als unendlich aufzufassen. Daher sind Singularitäten Mathematikern und Physikern äußerst unsympathisch. Die meisten Wissenschaftler halten sie für eine Grenzüberschreitung der spekulativen Vernunft.

Kaum noch jemand glaubt heute, dass es wirklich eine Singularität am Anfang des Universums gab. Auch wenn das Urknall-Modell im Einklang mit den Beobachtungen steht, sei die relativistische Beschreibung in einer wesentlichen Weise ohne Zweifel unvollständig. Ob der Urknall der Anfang aller Dinge war, lässt sich erst klären, wenn man herausfindet, was ihn verursacht hat. Also muss jede Theorie, die den Ursprung des Alls erklären will, ein Gesetz enthalten, aus dem sich die Anfangsbedingungen selbst herleiten lassen. Die Singularität muss demnach durch eine realistische physikalische Beschreibung überwunden werden. Sie zu finden und zu formulieren, gehört heute zu den größten Herausforderungen der Kosmologie und Theoretischen Physik.

Wie eine Singularität als Artefakt einer unzureichenden Theorie entstehen und durch eine leistungsfähigere Theorie überwunden werden kann, illustriert folgende Analogie: Trifft Sonnenlicht auf eine Glaslinse, werden die parallel einfallenden Strahlen darin gebündelt und im Brennpunkt hinter ihr fokussiert. Das lässt sich gut mit Hilfe der Strahlungsoptik beschreiben. Allerdings müsste dabei die Energiedichte im Brennpunkt unendlich groß sein – er ist in der Strahlungsoptik eine Singularität. Tatsächlich kann es dort so heiß werden, dass sich damit ein Feuer entfachen lässt; doch zu einem unendlichen Temperaturanstieg kommt es nicht. Die Strahlungsoptik verliert also hier ihre Gültigkeit. Betrachtet man Licht als ein Wellenphänomen, kann man die Vorgänge auch mit der Wellenoptik beschreiben. Damit lässt sich sogar berechnen, was mit dem Licht jenseits des Brennpunkts geschieht – wie es auseinander läuft und vielleicht auf eine neue Linse trifft.

Ganz ähnlich könnte es auch mit dem Urknall sein, spekulieren theoretische Physiker. Die Beziehung zwischen Strahlenoptik und Wellenoptik ist nämlich vergleichbar mit der Beziehung zwischen klassischer Physik – der Physik Newtons und Einsteins – und der Quantenphysik. Denn immer, wenn es um mikroskopische Größenskalen und extrem hohe Energien geht, kommen Quanteneffekte ins Spiel, die die Unendlichkeiten zähmen können. Die Urknall-Theorie muss also in der Sprache der Quantentheorie formuliert werden.

Quanteneffekte

Die systematische Anwendung der Quantenphysik auf die Kosmologie, also auf das Universum als Ganzes, die sogenannte Quantenkosmologie, hat zu neuen Einsichten über den Anfang des Universums geführt. 1973 schlug der amerikanische Physiker Edward Tyron im Rahmen der Quantenkosmologie vor, dass unser Universum einfach eine (wenn auch langlebige) Quantenfluktuation des Vakuums ist.

Wir wissen heute, dass das Vakuum nicht vollständig leer ist. In Laborexperimenten wurde zweifelsfrei nachgewiesen, dass selbst das perfekteste Vakuum von virtuellen Teilchen wimmelt, die spontan entstehen und sofort wieder verschwinden. Der Grund sind Energiefelder, die den leeren Raum durchziehen. Ist genügend Energie vorhanden, können virtuelle Teilchen des Vakuums auch zu realen Teilchen werden: Potenzialität kann in der Quantenphysik zu Realität werden.

Schießt man im Experiment Elektronen und Positronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit aufeinander, vernichten sie sich gegenseitig, und es entsteht ein Raumgebiet, in dem viel Energie konzentriert ist. Die aus der Vernichtung der Elektron-Positron-Paare stammende Energie ermöglicht es den Teilchen des Vakuums, zu realen Teilchen zu werden. So tauchen plötzlich ein Proton, ein Anti-Proton, zwei Photonen und weitere Teilchen auf.

Ein ähnlicher Effekt könnte beim Urknall eine Rolle gespielt haben. Wie Teilchen, können durch massive Fluktuationen auch Energieblasen im Vakuum entstehen – und wieder verschwinden. (Nach der Quantentheorie können sich große Energiemengen auf ein kleines Volumen konzentrieren, wenn nur die Zeit entsprechend kurz ist.) Möglicherweise können diese Blasen – unter besonderen Umständen – aber auch erhalten bleiben und real werden. So könnte unser Universum auf eine „natürliche“ Weise hervorgebracht worden sein. Die Welt wäre nicht aus dem Nichts (ex nihilo), sondern im Nichts (in nihilo) entstanden!

Der englische Mathematiker und theoretische Physiker Roger Penrose (*1931) arbeitete 2012 das Modell der Konformen Zyklischen Kosmologie aus. Er hatte in den 1950er Jahren das nach ihm benannte Penrose-Dreieck geschaffen, eine real unmögliche Figur, die in der Kunst berühmt wurde. In seiner Kosmologie birgt ein sich selbst entleerendes und schließlich sogar seiner Zeit beraubendes Universum aufgrund von Quantenprozessen auch die Möglichkeit einer Wiedergeburt der Zeit in sich. Unser Urknall wäre in diesem Fall keine Schöpfung aus dem Nichts, sondern dem Ende einer früheren Epoche entsprungen. Das alles hört sich verwirrend, ja paradox an. Die Konforme Zyklische Kosmologie ist zunächst einfach nur ein Weltmodell mehr im Potpourrie der konkurrierenden Hypothesen.

Quantengravitation

Ohne eine Quantisierung der Gravitation, also eine quantentheoretische Erklärung der Schwerkraft, wird man die Vorgänge während des Urknalls wohl nicht berechnen können. Daher scheint eine Theorie der Quantengravitation, die Allgemeine Relativitätstheorie und Quantentheorie miteinander verbindet, für ein Verständnis des Urknalls unerlässlich zu sein. Sie wäre in der Lage, die Singularität zu eliminieren, ist aber derzeit noch in weiter Ferne. Trotzdem haben Kosmologen schon verschiedene Ansätze und konkurrierende Modelle einer Quantengravitation entworfen, die eine Erklärung des Urknalls liefern können. Solche Spekulationen über den Anfang des Universums sollte man wie eine Art Experiment sehen: Die Physiker probieren aus, wie die verschiedenen Ansätze mit dem Modell des Universums in Einklang gebracht werden können. Die einzelnen Annahmen müssen dann gedanklich durchgespielt und getestet werden. Zwei solcher Modelle sollen hier kurz dargestellt werden:

Stringtheorie

Nach Meinung vieler theoretischer Physiker ist die Stringtheorie eine der besten Aspiranten auf eine Theorie der Quantengravitation. Sie liefert gleich mehrere Szenarien für den Beginn des Universums, die es ermöglichen, die ominöse Anfangssingularität des Weltalls mit ihrer physikalisch unrealistischen – nämlich unendlichen – Krümmung, Temperatur und Energiedichte zu vermeiden. Danach könnte das Universum anfangs fast leer gewesen sein und sich allmählich bis zum Urknall verdichtet haben. Oder es könnte einen Zyklus von Entstehen und Vergehen durchlaufen haben – der Umkehrmoment wäre dann ein Urknall. In allen Fällen hätte die Zeit weder Anfang noch Ende. Das ekpyrotische Modell (von Ekpyrose, einem Begriff der antiken Stoiker: „Entstehung aus Feuer“) geht sogar davon aus, dass viele Universen in einem höherdimensionalen Raum herumtreiben. Kollidieren zwei, kommt es zu einem Urknall.

Auf den ersten Blick wirken die Szenarios eher wie Metaphysik – interessante Ideen, die sich empirisch weder beweisen noch widerlegen lassen. Die Modelle der Stringtheorie leiden daran, dass es keine Rechnung gibt, welche die Zeit vor dem Urknall mit der danach konsistent verbindet. Das liegt daran, dass ihre Gleichungen eine kontinuierliche Raumzeit voraussetzen, doch diese bricht bekanntlich beim Urknall zusammen. Die String-Modelle lösen also die Singularität selten ganz auf; in der Regel brauchen sie zusätzliche Annahmen über die Vorgänge an diesem heiklen Punkt. Ein weiterer Grund zur Skepsis sind für viele Kosmologen unbewiesene Grundannahmen der Stringtheorie selbst, etwa über die Existenz von zusätzlichen Raumdimensionen, für die es derzeit keinerlei experimentelle Hinweise gibt. Immerhin versprechen die Modelle Lösungen für die kosmologischen Probleme.

Schleifen-Quantengravitation

In der Schleifen-Quantengravitation sind Raum und Zeit nicht kontinuierlich fließend wie in der Relativitätstheorie und der Quantentheorie, sondern der Raum ist ein submikroskopisches Gewebe winziger eindimensionaler Quantenfäden (Spin-Netzwerk) und die Zeit ist getaktet, läuft also, mikroskopisch betrachtet, gleichsam schrittweise ab. Das Gewebe ist so fein, dass es uns wie ein Kontinuum erscheint. Unter extremen Bedingungen wie beim Urknall zerreißt das Gewebe, wir können es dann nicht mehr als Kontinuum beschreiben, sondern müssen das Schicksal einzelner Quantenfäden berechnen.

Wenn die Annahmen korrekt sind, stürzte also ein Vorläufer-Universum in sich zusammen. Als es die maximal zulässige Dichte (entsprechend der Größe der Quantenfäden) erreichte, explodierte es wieder. Der Umschwung, „Big Bounce“ genannt, erfolgte, weil die Schwerkraft unter diesen Extrembedingungen repulsiv, also abstoßend wirkte. Die Raumzeit wäre also im dichtestmöglichen Zustand gleichsam zurückgeprallt – wie ein Ball, der gegen eine Wand geschleudert wurde, und hätte die Expansion unseres Universums in Gang gesetzt. Was genau dabei geschah, bleibt allerdings unklar. In jedem Fall hätte sich die Zeit fortgesetzt.

Es gibt eine Analogie zum Lebensende massereicher Sterne. Haben diese ihren nuklearen Brennstoff verbrannt, kollabieren sie aufgrund der Gravitationskraft. Der klassischen Physik nach würde sich der Kollaps fortsetzen, bis der gesamte Stern auf ein winziges Volumen zusammengepresst wäre. Dazu kommt es jedoch nicht, weil die Quanteneigenschaften der Materie (Pauli-Prinzip) bedeutsam werden und den Kollaps aufhalten.

Die Schleifen-Quantengravitation strapaziert (wie auch die Stringtheorie) das Vorstellungsvermögen des Alltagsverstands extrem. Ihre kosmologische Anwendung hat sich aber als ein hochentwickeltes physikalisches Werkzeug erwiesen, um die schmerzliche Lücke in der Allgemeinen Relativitätstheorie zu schließen und die Singularität zu eliminieren. Das Modell hat viele Vorteile: Abgesehen von der Quantengeometrie mit ihren neuen physikalischen Prinzipien (u. a. bestimmte Abänderungen sowohl in der Relativitäts- wie auch in der Quantentheorie, um diese zu vereinen) werden keine neuen Annahmen benötigt – etwa exotische Materie oder spezielle Anfangsbedingungen. Die Entwicklung ist deterministisch und eindeutig, mögliche Schwankungen sind mathematisch unter Kontrolle. Auch ist klar definiert, inwiefern und wann das Universum mit Relativitäts- und Quantentheorie beschrieben werden kann – nämlich bis dicht an den Urknall. Die Inflation – das jähe , exponentielle Aufbäumen kurz nach dem Urknall -, das den üblichen Modellen eher ad hoc hinzugefügt wird, um diese den Beobachtungen anzupassen, folgt ganz natürlich aus der Beschaffenheit der Raumzeit.

Freilich sind zahlreiche Details noch ungeklärt Und leider sind die Gleichungen der Schleifen-Quantentheorie höchst kompliziert. Wer daraus zu physikalischen Erkenntnissen kommen will, muss – zum Teil drastisch – vereinfachen. Es konnte auch noch nicht gezeigt werden, inwieweit manche grundlegende Vereinfachungen des Modells tatsächlich zulässig sind. Leider ist zu erwarten, dass charakteristische Effekte erst bei experimentell unerreichbar hohen Energien und kurzen Entfernungen wichtig werden. Deshalb bleibt nur der Ausweg, das Universum selbst als Labor zu betrachten und Vorhersagen mit kosmologischen Beobachtungen zu konfrontieren.

Die Urknall-Theorie heute

Die klassische Urknall-Theorie beschreibt also eigentlich nicht die Entstehung der Welt, sondern nur ihre Entwicklung. Es wird nichts darüber gesagt, ob alles mit dem Urknall begann oder etwas vorher geschah. Der Urknall selbst ist ein Horizont. Er bildet die Grenze zu einem Bereich, über den wir nichts wissen. Aber es ist wie beim Horizont am Meer: Keiner würde behaupten, dass das Wasser am Horizont aufhört, weil man es nicht mehr sehen kann. In dem Buch „Der Wille zur Macht“, nach seinem Tod erstmals 1901 veröffentlicht, schreibt der deutsche Philosoph Friedrich Nietzsche, es habe die Welt schon immer gegeben und sie werde für immer existieren.

In der Quantenkosmologie sind (siehe oben) Modelle wieder in Mode gekommen, nach denen sich das Universum in einer unendlichen Folge von Zyklen immer wieder neu zusammenfügt. Eine „Ewige Wiederkehr“ spielt auch in vielen Naturauffassungen und Religionen eine zentrale Rolle. Darin kennt das Denken keine lineare, einmalig ablaufende Zeit; ihre Weltbilder sind zyklisch angelegt, gehen also von einer ewigen Dauer der Welt aus. Das indische Rad der Wiederkehr ist wohl das bekannteste Symbol für die Abfolge von Zeitaltern, Symbol für den ewigen Lauf der Welt, ohne Anfang und Ende. Dieses Gedankengut mag ein Überbleibsel einer gemeinsamen Ur-Religion sein. Offenbar sind die immer wiederkehrenden Jahreszeiten das Grundmuster für die Vorstellung von einem dementsprechenden kosmologischen Ablauf.

Der Urknall könnte also eine Brücke zwischen einem kontrahierenden Vorgänger-Universum und unserem expandierenden All gewesen sein. Ob beim Zurückprall (Bounce) gleichsam zwei zeitlich gegenläufige Universen miteinander kollidierten oder das Vorläufer-Universum seine Zeitrichtung wechselte und zu unserem wurde, lässt sich schwer nachweisen. Theoretisch könnte es aber im All sogar noch Spuren des Vorgänger-Universums geben – eingraviert beispielsweise in den Gravitationswellen-Hintergrund oder, indirekt, im Temperaturverteilungsmuster der Hintergrundstrahlung. Das endgültige „Machtwort“ zur Entstehung unseres Universums ist jedenfalls noch lange nicht gesprochen.

Kosmologische Modelle setzen den Zeitpunkt der Entstehung unseres Universums 10-43 Sekunden (ein Hundertmillionstel eines Billionstel eines Billionstel des Billionstel einer Sekunde) nach dem Urknall an. Damit endete die sogenannte Planck-Ära und die heutigen Gesetze der Physik traten in Kraft. Die Energieblase dehnte sich aus – und die klassische Raumzeit entstand. Der Raum expandierte in alle Richtungen, wobei er gleichsam innerlich wuchs (wie eine Luftballonhülle). Kosmische Maßbänder würden sich demnach über Millionen Lichtjahre hinweg wie Gummibänder gedehnt haben. So ging aus einem winzigen Raumgebiet das gesamte von uns beobachtbare Universum hervor.

Fazit

Quantengravitation, Stringtheorie, Universen mit zusätzlichen Raumdimensionen, Multiversen – nichts garantiert, dass diese Hypothesen die Welt korrekt beschreiben; sie besitzen keinerlei experimentelle Absicherung, und kein Mensch würde es wagen, auf die Korrektheit ihrer Vorhersagen zu setzen. Und dennoch arbeiten seit Jahrzehnten Tausende von Forschern an solchen spekulativen Konstruktionen. Die wissenschaftlichen Hypothesen sind trotzdem legitim. Sie sind gewiss spekulativ, aber die Theoretiker haben nichts Besseres, um die Welt auch jenseits dessen zu begreifen, was wir gerade wissen. Doch auch die heute etablierten Theorien waren einst einmal spekulativ und ungesichert!

Die moderne Physik ist diejenige wissenschaftliche Disziplin, die das Weltbild wieder für Geheimnisse geöffnet hat – eine Metaphysik im buchstäblichen Sinn. Der britische Physiker Paul Davies hält die modernen Naturwissenschaften für nichts Geringeres als die Fortsetzung der Metaphysik mit anderen Mitteln. Ihr Vorteil gegenüber allen anderen Arten, sich der Wirklichkeit zu nähern, ist aber, dass Wissenschaft über ihre eigenen Prämissen reflektieren und sie nötigenfalls korrigieren kann. In dem Sinne haben Quantenwissenschaftler, also analytisch geschulte Naturwissenschaftler, und Philosophen von östlichen Weisheitslehren eine gemeinsame Geisteshaltung: Staunende Demut gegenüber den Geheimnissen des Universums und die Bereitschaft, eigene Gewissheiten auf die Probe zu stellen und Dingen auf den Grund zu gehen. So empfahl auch Buddha für den langen Weg zur Erleuchtung, vermeintliche Gewissheiten immer wieder zu prüfen und Dogmen in Frage zu stellen.

REM

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