Der Urknall

Beitrag für den Themenkreis Naturwissenschaft und Technik von 50plus aktiv an der Bergstraße am 24.9.2014 in Bensheim, stark erweiterte Version

 

 

Einleitung

Der Urknall: Kaum eine Frage ist besser geeignet, um das Besondere zu erkennen, was die Naturwissenschaft von heute auszeichnet. Wie ist unser Universum entstanden? Darauf geben Religion, Mythos, Kunst und Naturwissenschaft jeweils eigene Antworten. Kann die Naturwissenschaft nicht nur Antworten, sondern sogar Beweise geben? Überhebt sie sich, wenn sie die Frage nach der Schöpfung und dem All klären will?

Die Naturwissenschaftler treten mit dem Selbstbewusstsein auf, zumindest auf dem erfolgversprechenden Weg zu sein. Aber ihre Theorien gelten als unverständlich und ihre Botschaft bleibt daher im Ungewissen, sofern es überhaupt eine Botschaft gibt.

Der gewaltige Aufwand, mit dem an diesen Fragen geforscht wird, spricht für sich selbst. Obwohl die Theorien des Urknalls überwiegend auf Hypothesen beruhen und die Erfolgsaussichten ernsthaft kaum abzuschätzen sind, vermag es die Physik auf diesem Gebiet in nahezu unbegrenztem Umfang Mittel zu erhalten. Das lässt sich nicht einfach mit den großen Erwartungen erklären, auf diesem Weg technische Durchbrüche zum Beispiel bei der Energie-Erzeugung, satelliten-basierter Kommunikation und militärischer Technologie zu erzielen, sondern Theorien dieser Art sollen letzten Halt in einer Zeit geben, in der Glaubensrichtungen beliebig und austauschbar werden, für die Kunst keine Stilrichtungen bindend sind und Mythos mit Naivität gleichgesetzt wird.

Wer sich mit den grundlegenden Fragen der Kultur und des Selbstverständnisses der Gesellschaft unserer Zeit beschäftigen will, stößt daher fast zwangsläufig auf die Frage nach dem Urknall. Das sind weniger die Formeln, die ein Außenstehender nur wie eine unbekannte Schrift bewundern kann, sondern die Schönheit der von der Astrophysik gelieferten Bilder und eine im Wesen paradoxe Art, über die Grundfragen der Natur nachzudenken. Das geht in zahlreichen populärwissenschaftlichen Darstellungen verloren, die als selbstverständliches Wissen darstellen, was in Wahrheit völlig offen ist.

Bilder der Schöpfung

Niemand hat die Schöpfung gesehen, aber mit künstlerischer Phantasie lassen sich Bilder davon machen. Ein Beispiel ist das Floß der Medusa von Max Ernst von 1953.

Und wie sah es wirklich aus? Auf dem Südhimmel der Erde ist das Sternbild des Schiffskiels zu sehen, das zum größeren Sternbild Argo Navis gehört, benannt nach dem sagenhaften Schiff Argo aus der griechischen Mythologie. Heute wird das Sternzeichen Carina genannt, das ist das lateinische Wort für Schiffskiel.

In diesem Sternbild sind Bereiche zu sehen, in denen massenhaft die Entstehung neuer Sterne beobachtet werden kann. Sie zeigen bizarre Landschaften von ungewöhnlicher Schönheit. »Diese unheilvollen Figuren sind Molekülwolken - Knoten aus molekularem Gas und Staub, die so dicht sind, dass sie undurchsichtig wurden. Im Vergleich sind diese Wolken jedoch meist wesentlich dünner als die Atmosphäre der Erde« (Starobserver).

Der Fingerzeig Gottes
Dies Bild wird als »Fingerzeig Gottes« bezeichnet. Es ist ein vergrößerter Auszug aus dem Bild auf dem Plakat für diese Veranstaltung (Titelbild auf dieser Seite).

Warum ist es nachts dunkel? (Olbers'sches Paradoxon)

Astrophysik beginnt mit verblüffenden Fragen. Nachdem sich die Astronomie jahrtausendelang darauf beschränkt hatte, Himmelskarten anzufertigen und aus ihnen Sternbilder abzulesen, gab es mit der Aufklärung eine Wende. Viele Astrophysiker sehen die Geburtsstunde ihrer Wissenschaft, als 1824 der Bremer Arzt und Hobby-Astronom Heinrich Wilhelm Olbers die scheinbar banale Frage stellte: Warum ist es nachts dunkel? Auf solch eine Frage musste erst einmal jemand kommen, und sie zu beantworten war der Auslöser für eine neue Art astrophysikalischen Denkens. Im Grunde geht bis heute die Annahme, dass es einen Urknall gegeben hat, auf diese Frage zurück.

Die einfache Antwort lautet: Weil die Sonne untergegangen ist. Der Mythos erklärte das mit einer Nachtmeer-Fahrt. Die Sonne kann nicht ewig scheinen, sondern muss regelmäßig in ein Bad der Erholung und Erneuerung tauchen. Wenn sie abends verschwindet, war das in früheren Zeiten mit einer für uns heute kaum mehr vorstellbaren Angst verbunden, sie könne womöglich nicht mehr wiederkehren und ihr Untergang sei Strafe für ein menschliches Vergehen. Um so mehr wurde jeden Morgen der Anbruch eines neuen Tages begrüßt und als Zeichen der Gnade gesehen, dass der Mensch mehr ist als nur ein Eintags-Wesen. Wenn es nachts dunkel wird, gab es dafür keine rationale Erklärung, sondern es war Zeichen der Bedrohtheit und der Vergänglichkeit der menschlichen Existenz.

Als Olbers die Frage neu aufnahm, hatte sich das Verständnis der Natur grundlegend gewandelt. Der Untergang der Sonne konnte nicht mehr einfach als Erklärung hingenommen werden, sondern aufklärerisches Denken zeichnet sich dadurch aus, dass es Fragen dieser Art aufgreifen und für sie eine eigene Antwort finden will. Seither tritt die Astrophysik an die Stelle religiöser oder mythologischer Schöpfungsmythen. Das gilt bis heute und erklärt die Faszination der Urknall-Theorie.

Bei genauerem Hinsehen ist es nämlich keineswegs selbstverständlich, warum es dunkel wird, wenn die Sonne untergegangen ist. Warum erhellen dann nicht unendlich viele andere Sterne den Himmel? »Denn jede Linie, die ich mir von unserem Auge gezogen denken kann, wird nothwendig auf irgend einen Fixstern treffen, und also müßte uns jeder Punkt am Himmel Fixsternlicht, also Sonnenlicht zusenden« (Olbers, 1824). Dagegen wurde eingewendet, dass der größte Teil der Sterne durch andere dunkle Objekte im Weltall verdeckt ist. Dies Argument hat bereits 1848 der Astronom Wilhelm Herschel widerlegt, denn im Verlaufe einer unendlich langen Zeit würden die dazwischen liegenden Objekte ebenfalls aufgeheizt und zum Leuchten gebracht. Daher bleibt nur:

(a) Es gibt nur endlich viele Sterne, sie haben nur eine endliche Größe und eine endliche Lebensdauer, und sie sind zu weit voneinander entfernt, um den Nachthimmel aufstrahlen lassen zu können.

(b) Es gibt einen absoluten Zeitanfang. Das Licht von vielen Sternen ist noch unterwegs zu uns und wird erst in der Zukunft zu sehen sein, wenn andere Sterne wieder erloschen sind.

(c) Die Sterne entfernen sich von uns. Durch ihre Bewegung von uns weg wird das Licht erst röter und ist schließlich nicht mehr zu sehen, so wie der Klang der Sirene eines sich entfernenden Feuerwehr-Autos erst dunkler und leiser wird bis er nicht mehr zu hören ist. (Dies Argument kann jedoch auf ähnliche Weise widerlegt werden wie die Annahme, dass das Licht von Sternen durch andere Objekte verdeckt wird.)

Das Olbers'sche Paradoxon ist das wichtigste Argument, warum das Weltall nicht unendlich alt und nicht unendlich groß sein kann und einen absoluten Anfang hat, der als Urknall bezeichnet wird.

 

Wie kam es zum Urknall?

In zahlreichen populärwissenschaftlichen Artikeln und Büchern wird bis in die kleinsten Zeitbruchteile beschrieben, wie der Urknall abgelaufen sein soll. Doch wie kam es zum Urknall? Die Physiker diskutieren zahlreiche Modelle. Die wichtigsten sind:

(a) Der Urknall ging aus dem Nichts hervor. Creatio ex nihilo. Diese Position wird naturgemäß von der Katholischen Kirche unterstützt, da sie sich am besten mit dem heute üblichen Glauben der westlichen Welt vereinbaren lässt.

(b) Big Bounce (wörtlich: Großer Rückprall). Das Universum bewegt sich in einer langfristigen Schwingung. Dem uns bekannten Universum ging eine Kontraktion voraus, die im Big Bounce umschlug in eine neue Expansionsphase, so wie es im Wirtschaftsleben nach einer Krise zu einem neuen Aufschwung kommen kann. Während die Urknalltheorie mit ihrer absoluten Singularität in Widerspruch zu allen bekannten Naturgesetzen gerät und annimmt, dass im Zeitpunkt des Urknalls alle Naturgesetze verletzt waren und erst durch den Urknall geschaffen wurden, werden mit dem Big Bounce Widersprüche dieser Art vermieden. Letztlich geht es um die Kontroverse des antiken und jüdischen Denkens: Gibt es ewige Naturgesetze, an die sich auch die Götter halten müssen, oder hat ein Gott Alles geschaffen.

Eine Variante hiervon ist das 2002 von Steinhardt und Turok vorgestellte Weltenbrand-Modell: Es gibt mindestens zwei Parallel-Welten (Brane), die wie zwei Membrane nebeneinander hängen und einander zyklisch berühren. Wenn das geschieht, kommt es zu einer explosiven Energie-Übertragung. Dies Modell beschreibt im wesentlichen den gleichen Ablauf wie die Urknall-Theorie, kann jedoch mathematisch besser als andere mit der String-Theorie verbunden werden und gibt mit der Energieübertragung eine Deutung der Dunklen Energie. (Quelle)

Zyklisches Universum (Weltenbrand-Modell, ekpyrotisches Szenario
Es gibt zwei jeweils vierdimensionale Universen, die durch eine fünfte Dimension (Extradimension) voneinander getrennt sind. Wenn sich die beiden Universen berühren, kommt es zum Austausch von Energie durch die fünfte Dimension. Diese Energie ist innerhalb der vierdimensionalen Universen nicht sichtbar und daher dunkel. Die fünfte Dimension zwischen den beiden Universen ist mathematisch analog der String-Theorie entwickelt. Die Autoren Steinhardt und Turok beziehen sich auf die antike Naturphilosophie der Stoa, die sowohl die Lehre des Weltenbrandes (ekpyrosis) wie auch eine Art String-Theorie vertreten hat. Die Stoa sprach von Spannungen (tonos) statt Strings.
Urheber: De Agony-fi - Trabajo propio, Dominio público, Enlace

(c) Der Urknall ist aus einer Zeitschleife hervorgegangen. Eine chaotische Bewegung hat sich durch einen Umschlag in eine Ordnung gewandelt. Anschauliches Vorbild ist der Laser-Strahl, in dem eine Mischung von rauschendem, ungeordnetem Licht umschlägt in ein Lichtbündel. Der Naturphilosoph Peter Eisenhardt spricht vom »Webstuhl der Zeit«.

(d) Der Urknall ist ein Ereignis im Sinne der Quantentheorie: Es gibt in der Phase vor dem Urknall eine Vielzahl von Möglichkeiten, von denen eine der Urknall ist, der zu dem uns bekannten Universum führt. Der Mathematiker Roger Penrose hat ihre Wahrscheinlichkeit mit Eins zu 10¹⁰¹²³ abgeschätzt. Diese Aussage kann auch so verstanden werden, dass der im Urknall steckende Informationsgehalt 10¹⁰¹²³ Bit beträgt. Dies ist die Gesamtheit alles im Universum enthaltenen Wissens, auch unser Thema mit seiner Vorbereitung und das Gespräch darüber gehören dazu. Umgangssprachlich heißt das, dass bei Entstehung der Welt gewürfelt wurde. Die Wahrscheinlichkeit, dass dabei die Welt herausgekommen ist, wie wir sie kennen, beträgt Eins zu 10¹⁰¹²³.

Die Physiker suchten nach beobachtbaren Merkmalen, wodurch sich diese Theorien voneinander unterscheiden. Am meisten diskutiert werden die Gravitationswellen: Im Falle eines Urknalls breiten sie sich anders aus als beispielsweise gemäß dem Bran-Modell. Neuere Missionen wie die 2009 von der europäischen ESA gestartete PLANCK-Sonde könnten hier Klarheit schaffen. So wie ein Stein, der in Wasser fällt, Wellen erzeugt, entstehen mit dem Universum Gravitationswellen, die sich durch das Weltall fortpflanzen. Da es sich hier jedoch nicht um Wellen handelt, mit denen sich zusammenhängende Körper im Raum bewegen, sondern um eine Bewegung des Raums selbst, lassen sie sich nur sehr schwer indirekt nachweisen.

 

Wann war der Urknall vorbei?

Während sich die Frage nach dem Ursprung des Urknalls geradezu aufdrängt, ist die Brisanz der Frage nach dem Ende des Urknalls erst auf den zweiten Blick zu erkennen und auf ihre Art nicht weniger verblüffend als die Frage, warum es nachts dunkel ist. Niemand weiß, ob es einen Urknall gegeben hat und was vor ihm war. Aber jeder ist sicher, dass wir heute nicht den Urknall erleben, er also vorbei sein muss. Wenn der Urknall ein zeitlich begrenztes Ereignis war, dann muss es nicht nur eine Kraft gegeben haben, die ihn ausgelöst hat, sondern auch eine andere Kraft, die ihn zum Stehen gebracht oder im Innern verwandelt hat.

Diese Frage hat zu tun mit der doppelten Bedeutung, was mit »Urknall« gemeint ist: War es ein Ereignis wie der Blitz, oder ist der Urknall der akustische Nachhall eines Ereignisses wie der Donner, der noch heute zu hören ist, wenn nur genau genug hingehört wird? Die Urknall-Theorie galt mehrere Jahrzehnte bei den meisten Physikern als abwegig. Das hat sich erst geändert, als 1964 die Hintergrundstrahlung entdeckt wurde, die als Nachhall des Urknalls gilt, also genau genommen der bis heute zu hörende Urknall. Für den Übergang vom Urknall zur kontrollierten Expansion (Inflation) eines singulären Ereignisses in den uns bekannten Wetraum sind wiederum nur Bilder (Metaphern) und Analogien möglich, wenn neue mythologische oder religiöse Erklärungen vermieden werden sollen.

Es wird angenommen, dass die im Urknall entstandene Materie ihren Zustand verändert hat. Als Analogie dienen die Zustandsänderungen des Wassers. Wenn Wasser bis auf 100° Celsius erhitzt wird, dann verdampft es. Bei der Änderung vom flüssigen zum gasförmigen Zustand geschieht zweierlei: Die Ordnung des Wassers vermindert sich und das Wasser dehnt sich aus. Zwar ist auch das flüssige Wasser keineswegs so stark geordnet wie ein fester Kristall, aber die verschiedenen Wassermoleküle sind dennoch in einem lockeren Verband miteinander verbunden, woraus sich die Eigenschaften der Fluidität und Kohäsion ergeben. Flüssiges Wasser ist im Innern zusammenhängend und nach außen durch eine Art Haut abgegrenzt. Diese beiden Ordnungen lösen sich auf, wenn Wasser verdampft. Es dehnt sich hierbei explosionsartig aus.

Dieses Bild wird übertragen auf das Ende des Urknalls. Es wird angeommen, dass die Materie im Moment des Urknalls von größter Ordnung (Symmetrie) war. In dieser frühen Phase war alle Materie untereinander einheitlich. Es konnte nicht unterschieden werden in Atome, Moleküle, Atomkerne, Elektronen usw. An einem bestimmten Punkt ist diese hohe Symmetrie schrittweise gebrochen (aufgelöst) worden, woraus sich die heute bekannten verschiedenen Formen der Materie entwickelt haben. Jeder Symmetriebruch hat dazu geführt, dass sich die extrem verdichtete Materie aus der ersten Phase des Urknalls auf ähnliche Weise ausgedehnt hat wie verdampfendes Wasser.

Die Phase der Ausdehnung nach dem Symmetriebruch wird als Inflation bezeichnet. Diese Analogie geht nur auf, wenn zweierlei angenommen wird: Es muss eine Energie gegeben haben, die den Zustand der Materie verändert hat, so wie es eine Energie gibt, um Wasser zu erhitzen und zum Verdampfen zu bringen. Und es muss von Anfang an das Naturgesetz der Entropie gelten, wonach Zustände jeweils für sich eine innere Ordnung haben, die für eine gewisse Weise dem Zustand Bestand verleiht, bis es nach einer zeitlichen begrenzten Phase zum Wechsel in den nächsten Zustand kommt.

Im Ganzen ist nach dieser Analogie das Weltall aus der Wechselwirkung zweier Ur-Kräfte entstanden: Die aktive Kraft (Dynamik), die das Weltall geschaffen und Ordnungen gebildet hat, sowie die passive Kraft (Entropie), die die Auflösung von Ordnungen fördert und in einen Zustand größerer Unordnung drängt.

Für uns sieht heute das Weltall überall fast gleich aus. Wer ein Foto der Astronomie bekommt, kann nicht erkennen, in welcher Richtung und mit welcher Schärfe es aufgenommen wurde. Der Raum sieht im Prinzip in allen Richtungen ähnlich aus, und sein Aussehen wiederholt sich, wenn größere Raumabschnitte betrachtet werden. Auch hier ist es entscheidend zu verstehen, warum das überhaupt ein Problem sein soll. Wenn alles aus dem gleichen Stoff ist und aus dem gleichen Ursprung stammt, warum sollte es dann nicht untereinander ähnlich sein?

Wichtig ist, sich die Größe und das Alter des Universums klar zu machen. So wie sehr weit voneinander entfernte Verwandte, deren Vorfahren längst auf verschiedene Kontinente ausgewandert sind, einander kaum mehr gleichen, wenn sie jeden Kontakt zueinander verloren haben, müsste das auch für das Weltall gelten. Unterschiedliche Teile können langfristig nur dann einander ähnlich bleiben, wenn sie einander sehen, miteinander sprechen und sich aufeinander abstimmen. Dieser Ansatz gilt jedoch für den Kosmos als unmöglich, weil die Teile des Weltalls zu weit voneinander entfernt sind. Sie müssten einander mit Überlicht-Geschwindigkeit erreichen.

Daher bleibt nur die Antwort, dass alles untereinander ähnlich ist, weil es aus dem gleichen Ursprung stammt. Doch das führt in neue Widersprüche. Wird aus dem heutigen Zustand des Weltalls zurückgerechnet auf den Urknall, dann wäre der Kosmos bereits außerordentlich alt und kleinste Abweichungen in einer frühen Phase des Kosmos hätten im Verlaufe der Zeit zu weit größeren Unterschieden führen müssen als heute beobachtet werden kann. Daher wird angenommen, dass das Weltall nicht gleichmäßig gewachsen ist, sondern es eine Phase gegeben haben muss, in der es mit weit größerer Geschwindigkeit als Lichtgeschwindigkeit geradezu explodiert ist. Es ist so schnell auseinander geflogen, dass es im Großen untereinander ähnlich geblieben ist, und erst anschließend hat sich die Expansion in die heute bekannten Maße verlangsamt, wodurch es zu den Unterschieden gekommen ist, wie sie heute zu sehen sind.

Das Paradox ist damit verlagert worden: Weil nicht erklärt werden kann, wie sich im bestehenden Kosmos weit voneinander entfernte Gebiete mit Überlichtgeschwindigkeit abgleichen können, wird angenommen, dass der Kosmos selbst sich in einer bestimmten Phase mit Überlichtgeschwindigkeit ausgedehnt hat. Damit scheint eine Verletzung der Relativitätstheorie vermieden, da sie sich nur auf das Geschehen im Raum und nicht auf die Bewegung des Raums im Ganzen bezieht. (Dass auch dies zu Paradoxien führt, hat Kurt Gödel erkannt. Siehe dazu weiter unten.)

Das ist der Grundgedanke, aus dem heraus 1981 Alan Guth vorgeschlagen hat, dass es direkt nach dem Urknall eine kurze Phase der Inflation gab, in der alles so schnell ging, dass sich selbst kleinste Störungen nicht auswirken konnten. Erst als diese Phase extremer Expansion beendet war, wurde alles langsamer und es konnten sich nachfolgend die Unterschiede herausbilden, wie sie heute zu beobachten sind.

Entwicklungsstadien des Universums
Nach einer kurzen Phase der Inflation entstand die Hintergrundstrahlung. Mit ihr beginnt das heute "sichtbare" Universum. Daraus hat sich allmählich das Universum entwickelt.
Urheber: Von NASA / WMAP Science Teamsimple retouch by Yikrazuul - NASA -site / Der WMAP-Satellit aus der Vorlage wurde geschickt entfernt., Gemeinfrei, Link

In Zahlen ausgedrückt: »In 10⁻³⁰ Sekunden expandierte das junge All um das 10³⁰-fache – das ist so, als würde sich eine ein Zentimeter große Münze auf das Zehnmillionenfache der Milchstraße vergrößern« (Vaas, S. 69). Diese Geschwindigkeit überschreitet natürlich die Lichtgeschwindigkeit bei weitem. Die Begründung: »Gemäß der Relativitätstheorie kann sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Aber dies gilt nur für gewöhnliche Teilchen im Raum. Bei der Inflation ist es jedoch der Raum selbst, der sich überlichtschnell ausdehnt« (Vaas, S. 70). Hier wird wieder die Unterscheidung vorgenommen, auf die Gödel aufmerksam gemacht hat: Störungen und Abweichungen entwickeln sich innerhalb des Raums und breiten sich daher höchstens mit Lichtgeschwindigkeit aus, die Inflation dagegen ist eine Ausdehnung des Raums selbst, die weit schneller erfolgen kann.

Die Inflation wurde von einem Inflatonfeld erzeugt. Daraus entstanden die heute bekannten 10⁸⁰ Elementarteilchen (Vaas, S. 71).

Was hat wiederum die Inflation ausgelöst und ihren Verlauf bestimmt? Dafür gibt es bisher keine überzeugenden Erklärungen. Um das herauszufinden wird gefragt, welche Entwicklungsmöglichkeiten denkbar sind, welche Eigenschaften sie haben und welche davon die Entstehung des uns bekannten Universums erklären kann. Es wird vermutet, dass es die unvorstellbar große Anzahl von 10⁵⁰⁰ Möglichkeiten gibt, wie die Inflation hat ablaufen können. (Dies ist allerdings wiederum nur ein Bruchteil des von Penrose abgeschätzten Informationsgehalts des Urknalls, der bei 10¹⁰¹²³ liegt.) Das zu überschauen übersteigt die Ressourcen der größten Rechner. Daher kann nur versucht werden, auf geschickte Weise Gruppen von Möglichkeiten zu bilden und deren Symmetrien zu erkennen. Hier sind der Phantasie der Wissenschaftler keine Grenzen gesetzt.

Eine besondere Rolle spielen die nach ihren Begründern benannten Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten. Es gibt verschiedene mathematische und physikalische Gründe, warum sie in besonderer Weise sowohl die bekannte Raumzeit als auch die zusätzlichen Dimensionen zeigen, in denen die Eigenschaften wie Radioaktivität, Elektrodynamik und Dynamik der Elementarteilchen beschrieben werden.

Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit
Graphik aus Wikipedia, siehe auch die Ausführungen von Dagmar Kuntz.
Urheber: Von Der ursprünglich hochladende Benutzer war Floriang in der Wikipedia auf Deutsch - Übertragen aus de.wikipedia nach Commons durch Trockennasenaffe mithilfe des CommonsHelper., CC BY-SA 3.0, Link

Solche Bilder regen wiederum die Kunst an. In Japan erinnern sie an die traditionelle Kunst des Origami. Es gibt am Origami orientierte Kunstwerke, die sich geometrischen Konstruktionen wie den Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten annähern. Ein anderes Beispiel ist Takashi Murakami (geb. 1962) Blue poe 21, an der Grenze zu Design und Popkunst. Dies Bild erinnert auch ein wenig an das japanische Go-Spiel. Möglicherweise ist die Entwicklung des Kosmos nur zu verstehen, wenn sie als ein Spiel gemäß bestimmten Spielregeln verstanden wird, die zugleich den Spieler große Freiheiten lassen. Siehe Link (und dort in der Galerie bis fast ans Ende durchclicken) oder Suche über GoogleBild. Das Bild regt an darüber nachzudenken: Was geschieht  auf dem Spielfeld  (so etwas wie ein Go-Spiel). Und was geschieht  innerhalb der Spielfläche  (angedeutet mit den Totenköpfen).

Worin kann sich der Raum bewegen? (Gödel-Universum)

Mit der Endlichkeit von Raum und Zeit sind die Paradoxa jedoch keineswegs überwunden. Nur weil sie endlich sind, glauben Physiker umfassende Theorien über die Geschichte des Weltalls aufstellen zu können. Doch geraten sie dabei grundsätzlich in Widersprüche, wenn z.B. gesagt wird: Nicht das Weltall dehnt sich  im Raum  aus, sondern  der Raum  selbst dehnt sich aus, oder: Nicht das Weltall hat im Urknall seinen Anfang, sondern die Zeit selbst.

Zur Veranschaulichung dient ein Luftballon: Es kann Bewegungen innerhalb des Luftballons geben, z.B. umherfliegende Papierteilchen. Wenn sich der Luftballon im ganzen ausdehnt, dann werden auch alle Bewegungen innerhalb des Luftballons auseinandergezogen. Ihre Relationen zueinander bleiben gleich, aber ihre Abstände vergrößern sich.

Der Kosmos als ein sich aufblähender Luftballon oder aufgehender Rosinenkuchen
»Es ist also der Raum selbst, der sich dehnt und mit den veränderlichen Raumkoordinaten fliehen die Objekte voneinander« Walter Hohmann Sternwarte.
Rosinen bewegen sich  im Kuchen. Beim Backen geht der Kuchen im Ofen auf. Der  Kuchen selbst  dehnt sich aus. Alle Rosinen entfernen sich voneinander, wenn der Kuchen aufgeht.
Urheber: By w:en:User:ScienceApologist - This image was copied from wikipedia:en. The original description was:The raisin bread model of the universe explains how each galaxy can perceive every other galaxy in the universe as receding from it.From the WMAP website., Public Domain, Link

Für das Geschehen innerhalb des Luftballons sollen die Regeln der Speziellen Relativitätstheorie gelten, während für den Luftballon im Ganzen die Regeln der klassischen Physik von Galilei und Newton gelten sollen. Entgegen einer weit verbreiteten Annahme hat Einstein daher die klassische Physik nur teilweise "widerlegt": Nur für die Bewegungen innerhalb des Raums, aber nicht für den Raum selbst.

Formulierungen dieser Art bewegen sich in einem Paradox, das dem bekannten logischen Selbst-Widerspruch entspricht: Ein Kreter sagt, dass alle Kreter lügen. Ähnlich wird hier gesagt: Der Raum schafft sich selbst den Raum.

Wenn gesagt wird, dass sich nicht etwas im Raum, sondern der Raum selbst ausdehnt, dann wird hier zum einen der physikalische Raum gemeint, dessen Entwicklung seit dem Urknall beschrieben wird, und zum anderen der mathematische Raum, in dem diese Entwicklung dargestellt wird. Der mathematische Raum ist ein Meta-Raum, innerhalb dessen der physikalische Raum dargestellt und von außen beobachtet wird.

Ein aktuelles Beispiel ist der Leit-Artikel Was das Universum auseinandertreibt von Elena Sellentin und Matthias Bartelmann in Spektrum der Wissenschaft von Juli 2014, in dem sie schreiben: Es werden Galaxien beobachtet, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit von uns entfernen. »Sie bewegen sich nicht schneller als das Licht durch den Raum – was Einsteins Theorie ohnehin 'verbieten' würde –, sondern werden stattdessen durch die Expansion des Raums von uns fortgetragen« (S. 40).

Einem Logiker wie Kurt Gödel war nicht entgangen, dass es möglich sein muss, diesen Widerspruch auszunutzen und zu inneren Widersprüchen zu führen. Er überreichte Einstein 1949 zu dessen siebzigsten Geburtstag eine nur wenige Seiten umfassende Arbeit, in der ein Universum beschrieben ist, das einerseits alle Anforderungen der allgemeinen Relativitätstheorie erfüllt und andererseits Zeitreisen in die eigene Vergangenheit ermöglicht.

Zeitreise in die eigene Vergangenheit im Gödel-Universum
»Die Materie rotiert mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um eine zentrale Achse. Die Rotation beeinflusst die Lichtkegel, die zeigen, wie Lichtstrahlen von einem zum anderen Punkt gelangen. Entfernen wir uns vom Zentrum, neigen sich die Lichtkegel und öffnen sich nach außen, weil die lineare Rotationsgeschwindigkeit zunimmt. Es gibt einen spezifischen Abstand vom Rotationsmittelpunkt, an dem die Lichtkegel tangential zur Ebene liegen. Dann kippen sie über, so dass Licht unterhalb der Ebene in die Vergangenheit gelangen kann. Angenommen, Ihr Planet war früher am Ort p und ist jetzt in q. Sie können p wieder besuchen, indem Sie sich zu einem Punkt außerhalb des kritischen Kreises beschleunigen und dann zur Ebene und zum kritischen Kreis unterhalb von p aufbrechen. Von dort reisen Sie in die Zukunft und landen schließlich in p. Sie sind bei dem Ganzen immer vorwärts gegangen und waren 'Ihrer' Zukunft zugewandt, sind aber in in Ihrer Vergangenheit gelandet« (Barrow, S. 126).
Die Graphik ist übernommen aus einer Veröffentlichung von István Németi, Judit X. Madarász, Hajnal Andréka und Attila Andai. Die Zeitreise ist dunkelblau hervorgehoben. Sie beginnt auf der Zeitachse im Punkt s (Start) und endet auf der Zeitachse t im Punkt h (Halt), wobei h zeitlich vor s liegt.

In diesem Digramm lassen sich drei Zeit-Ebenen unterscheiden:

• Jeder einzelne Kegel zeigt, was von einem bestimmten raum-zeitlichen Standort (das jeweilige Hier und Jetzt) aus erreichbar ist. Hier gelten die Gesetze der Speziellen Relativitätstheorie: Weil die Lichtgeschwindigkeit nicht überschritten werden kann, ist dies nur ein eingeschränkter Bereich. Ich kann nur das sehen, was sich mir zeigen kann. Wenn etwas so weit entfernt ist, dass es kein Lichtsignal zu einem Beobachter auf der Erde senden kann, ist es für ihn unsichtbar.
  
  
• Der Betrachter kann seinen Horizont zwar nicht erweitern, aber verändern. So wie auf der Erde ein Betrachter jeweils nur einen bestimmten Horizont hat, aber bei einer Fortbewegung andere Standorte mit einem anderen Horizont erreichen kann, wodurch z.B. durch eine Reise zur Südhalbkugel der im Norden nicht sichtbare Südhimmel zu sehen ist, so können sich auch entlang eines Weges die jeweils lokalen Lichtkegel verändern.
  
  
• Schließlich gibt es eine Bewegung des gesamten Universums, das ist im Gödel-Universum die Rotation um eine zentrale Achse. Deren Geschwindigkeit kann abweichend von den Regeln der Speziellen Relativitätstheorie zu den Geschwindigkeiten innerhalb der im jeweiligen Kegel möglichen Bewegungen addiert werden, wodurch sich der Kegel im Ganzen neigt und schließlich kippt. Das war der Gedanke von Gödel, mit dem er die Grundlagen der Physik auf ähnliche Weise erschüttert hat wie die Grundlagen der Logik, als er das Lügner-Paradoxon in eine formal gültige Form brachte.

Das gleiche Paradox kehrt in der Astrophysik an verschiedenen Orten wieder: (1) Die Inflationstheorie besagt, dass sich in einer sehr kurzen Phase der Raum mit Überlichtgeschwindigkeit ausgedehnt hat. (2) Mit Gravitationswellen ist gemeint, dass sich nicht im Raum Wellen fortbewegen, sondern der Raum selbst Wellen schlägt. (3) Das bereits von Einstein diskutierte Loch-Argument bezieht sich nicht auf Schwarze Löcher im Raum, sondern auf die Möglichkeit, dass der Raum selbst ins Unendliche gehende Strudel enthalten könnte.

Gödel war sich der theologischen Dimension seiner Gedanken völlig bewußt. Das zeigt ein von Barrow zitierter Brief an seine Mutter:

Warum beschleunigt sich die Ausdehnung des Weltalls ? (Dunkle Energie)

Warum beschleunigt sich die Ausdehnung des Weltalls? Naheliegender wäre der umgekehrte Effekt, dass die Kraft des Urknalls nachlässt. Es muss also etwas Zusätzliches geben, wodurch das bewirkt wird. Es muss also neben den beiden oben genannten Grundkräften und ihrem Widerspiel (die Dynamik des Urknalls und die Auflösung von Ordnungen durch die Entropie) eine weitere Grundkraft geben. Weil sie nicht beobachtet werden kann, hat sie 1998 den Namen »Dunkle Energie« bekommen. Um die beobachtete Beschleunigung der Ausdehnung des Weltalls erklären zu können, muss der Kosmos zu mehr als zwei Drittel aus Dunkler Energie bestehen! Die Untersuchungen der Hintergrundstrahlung sind eine der wichtigsten Quellen, ihren Anteil indirekt zu ermitteln. Mathematisch wird die beschleunigte Ausdehnung des Weltalls mit der kosmologischen Konstanten beschrieben.

Physiker lieben Anleihen aus der Esoterik. Als Träger der Dunklen Energie wird eine »Quintessenz« diskutiert, die möglicherweise innerlich mit dem Higgs-Feld verbunden ist.

Hintergrund-Strahlung

Die Theorie vom Urknall hatte sich erst durchgesetzt, als 1964 die theoretisch vorausgesagte Hintergrundstrahlung nachgewiesen werden konnte. Das ist eine Strahlung, deren Temperatur nahezu am absoluten Nullpunkt liegt (−270° Celsius oder 3° Kelvin) und die in alle Richtungen gleichmäßig gemessen wurde. Es wird daher ausgeschlossen, dass sie von gleichverteilten Sendern ausgestrahlt wurde, sondern sie hat eine weit in der Vergangenheit liegende eindeutige Quelle. Nach dem heutigen Stand der Wissenschaft ist sie ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall entstanden und gilt daher als dessen Nachhall.

Das musste inzwischen eingeschränkt werden. Langzeitmessungen von 1989-1993 und 2001-2010 hatten Abweichungen gezeigt, die von einer neuen 2009 gestarteten Mission der ESO Darmstadt bestätigt wurden. Die Ergebnisse wurden 2013 veröffentlicht. (scilog phys.org Wikipedia)

Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung, aufgenommen durch die Raumsonde WMAP (Mission 2001–2010)
Urheber: Von NASA / WMAP Science Team - http://map.gsfc.nasa.gov/media/121238/ilc_9yr_moll4096.png, Gemeinfrei, Link.

Aus der Vielzahl der bisher diskutierten Auswertungen möchte ich hervorheben:

• Genaue Aussagen über die Anteile von dunkler Energie, dunkler Materie und gewöhnlicher Energie sowie der Ausbreitungsgeschwindigkeit (Hubble-Konstante), des Alters und der Krümmung des Weltalls.
• »Die Fluktuationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) sind in einer Himmelshemisphäre größer als in der anderen. Dies deutet auf eine Vorzugsrichtung im Universum hin. So eine wird vom Urknallmodell aber nicht vorhergesagt, ihm zufolge sollte die Strahlung aus jeder Richtung des Kosmos isotrop, d.h. gleichförmig zu uns gelangen« (scilogs).
• »Auch zeigen die Daten, dass die Temperaturfluktuationen auf großen Winkelskalen nicht den im Standardmodell vorhergesagten Werten entsprechen: Ihre Signale sind nicht so stark, wie dies von der von Planck entdeckten kleinmaßstäbigeren Struktur zu erwarten gewesen wäre« (scilogs).
• »Und schließlich fanden die Forscher einen ungewöhnlich großen 'kalten Fleck', dessen Areal am Himmel wesentlich größer ist als erwartet. Den kannte man zwar schon durch die Messungen von Plancks Vorgänger, der NASA-Mission WMAP, beachtete ihn aber nicht weiter, weil man ihn für ein statistische Fluktuation hielt. Das kann man nun ausschließen - der Fleck ist real« (scilogs).
• Keine Hinweise auf Paralleluniversen oder Bran-Modell (scilog).

 

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Anhang – Material

Größenmaße

Barrow schlägt zur Veranschaulichung der Größenmaße im Universum vor, ein Blatt Papier zu falten:

Wird ein Blatt DIN A4 30 mal gefaltet, hat es die Größe eines Atoms. 47 mal ergibt die Größe eines Neutrons und Protons, 114 mal die Planck-Länge 10⁻³⁵ m, bei der die uns bekannten physikalischen Gesetzen versagen.

In der anderen Richtung wird über DIN A4, A3, A2, A1, A0 nach 90 Schritten die Größe des sichtbaren Universums mit seinen 14 Milliarden Lichtjahren erreicht. (Quelle: Barrow, S. 275)

Wie weit kann in den Himmel geschaut werden?

Die Naturwissenschaft geht davon aus, dass ihre Grenzen ausschließlich technisch bedingt sind. Wenn es gelingt, immer bessere Apparaturen zu bauen, ist es im Prinzip möglich, unendlich weit in der Erkenntnis vorzustoßen. Die Naturwissenschaft erklärt ihre Widersprüche ausschließlich aus der Endlichkeit des menschlichen Wissens und nicht aus grundsätzlichen Erwägungen (siehe die Paradoxa des Raums). Sie hält sich daher für metaphysik-frei und glaubt, grundsätzlich ohne theologische Überlegungen auskommen zu können.

Welcher technische Stand ist heute erreicht: 2012 wurden Aufnahmen vorgestellt, die aus einer Langzeitbeobachtung hervorgingen. Mit den besten verfügbaren Teleskopen wurde 555 Stunden lang ein kleiner Himmelsausschnitt. Das Ergebnis zeigt Objekte, die bis zu 13,2 Mrd Lichtjahre entfernt, also 450 Mio Jahre nach dem Urknall entstanden sind. SPON

Georges Lemaître: Vom kosmischen Ei zum Urknall

Georges Lemaître (1894-1966) war als Soldat im 1. Weltkrieg und studierte anschließend an der Katholischen Universität Löwen in Belgien. 1920 promovierte er in Mathematik mit einer Arbeit über Näherungen von Funktionen mehrerer reeller Variablen und wurde 1922 zum katholischen Priester geweiht. Nach dem Studium arbeitete er mit führenden Astronomen seiner Zeit. Er erkannte die Unstabilitäten, die in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie drohen. Das vorliegende Beobachtungsmaterial zeigte, dass sich alle sichtbaren Galaxien voneinander entfernen. Lemaître berechnete noch vor Hubble die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Weltalls und vertrat die These, dass die Welt aus einem absoluten Anfang hervorgegangen ist. Den bezeichnet er jedoch nicht als Gott oder Schöpfung Gottes, sondern in einer an der antiken Naturphilosophie orientierten Metapher als "Uratom" oder als komisches Ei. Der Ausdruck »Urknall« wurde erst später von den Gegnern dieser Theorie geschaffen und war als Abwertung gemeint.

1940 ging er an die vatikanische Akademie der Wissenschaft und wurde 1960 deren Präsident. Er trennte jedoch physikalische und religiöse Fragen. Er schrieb 1958:

String-Theorie und M-Theorie

Das Universum besteht nicht aus kleinsten Teilchen, sondern aus kleinsten beweglichen Saiten, den Strings.

Mit der Stringtheorie sollten die verschiedenen Kräfte der Natur vereinheitlich werden. Das führte jedoch in Widersprüche. Daher wurden unterschiedliche Ausprägungen der Stringtheorie entwickelt, die jedoch alle jede für sich Vor- und Nachteile haben. Aus dieser Situation entstand die 1995 von Edward Witten vorgetragene Idee, dass den verschiedenen String-Theorien wiederum eine andere Theorie zugrunde liegt, aus der sie alle hervorgehen. Das ist die M-Theorie, auf die heute auch Hawking seine größten Hoffnungen setzt. Mit "M" kann gemeint sein Magie, Mysterium, Membran, manche sehen darin auch das umgekehrte W aus dem Namen ihres Autors Witten.

Pioneer-Anomalie

1972 und 1973 wurden die beiden Raumsonden Pioneer 10 und 11 gestartet und haben um 1980 in entgegengesetzten Richtungen das Sonnensystem verlassen. Die Kommunikation riß 1995 bzw. 2001 ab. Doch zeigten die Daten, dass ihre Bewegung aus bisher unbekannten Gründen gebremst wurde. Möglicherweise ist die kosmologische Konstante anders als bisher berechnet oder es wirken bisher unbekannte Kräfte. 2011-2012 entwickelten Wissenschaftler in Portugal und Bremen jeweils ein Modell, um den Effekt aus einer anisotropen Wärmetrahlung der in die Sonden eingebauten Batterienzu erklären. Das könnte eine Lösung sein, aber es ist unklar, ob es sich wirklich so verhalten hat.

Weiterführende Texte: wissenschaft-online und Wikipedia

Sonstiges

Feuerwand-Hypothese (2012) zu Schwarzen Löchern, »dass am Ereignishorizont eine Art 'Feuerwand' aus hochenergetischen Teilchen existiere, die alles, was ins Loch einfalle, verbrennen würde« (Scilog).

Bertlmanns Socken (1981): »Wenn Bertlmann um eine Ecke kommt und man sieht, welche Farbe einer seiner Socken hat, dann könne man mit Sicherheit voraussagen, dass der zweite Socken nicht auch diese Farbe hat. Der Gedanke läge also nahe, dass es sich bei der Quantenverschränkung ebenso verhalte. Dies ist jedoch eine unzulässige Vereinfachung. Im weiteren Verlauf des Artikels erklärt Bell die tatsächlichen physikalischen Zusammenhänge« (Link).

Literatur

John. D. Barrow: Das Buch der Universen, Frankfurt/New York 2011

Nick Bostrom: Are you living in a computer simulation?; Link

Mauro Dorato: Kant, Gödel and Relativity
in: in P. Gardenfors, K. Kijania-Placek and J. Wolenski (Hg.): Proceedings of the invited papers for the 11th International Congress of the Logic Methodology and Philosophy of Science, Synthese Library, Kluwer, Dordrecht, 2002, S. 329-346; .

Peter Eisenhardt: Der Webstuhl der Zeit, Reinbek 2006

Florian Freistetter: Die kosmologische Konstante und die Multiversumslandschaft (2011); Link

Rainer Göhring: Das Olbers'sche Paradoxon (2006); Link

Frank Grave: The Gödel Universe, Stuttgart 2010; Link

Helmut Hansen: Die Linien des Alten, Norderstedt 2009

Wolfgang Illig: Wie „sichtbar” ist die Sichtbarkeitsgrenze?, 2011;

Tim Maudlin: Philosophy of Physics, Space and Time, Princeton 2012

Andreas Müller: Astro-Lexikon über Quintessenz; Link

István Németi, Judit X. Madarász, Hajnal Andréka, and Attila Andai: Visualizing ideas about Gödel-type rotating universes; Link

Michael Odenwald: Schöpfung ohne Schöpfer, in: Focus vom 6.9.2010; Link

Roger Penrose: Computerdenken, Heidelberg 1991 (Springer) [1989]

Walter Saltzer u.a.: Die Erfindung des Universums?, Frankfurt 1997

Elena Sellentin und Matthias Bartelmann: "Was das Universum auseinandertreibt"
in: "Spektrum der Wissenschaft" August 2014, S. 38-47; Link (nur ein Auszug)

Joseph Silk: Das fast unendliche Universum, München 2006

Slideplayer über Welträtsel; Link

Michael Szameit: Urknall oder Demiurg? (Heise Telepolis, 2014); Link

Rüdiger Vaas: Ein ganzes Universum als Zeitmaschine (Bild der Wissenschaft, 2006, zum Gödel-Universum); Link

Rüdiger Vaas "Die mysteriöse Richtung der Zeit" (Bild der Wissenschaft, 2007); Link

Rüdiger Vaas: Der Urknall Wann? Wo? Wie? Warum? (Bild der Wissenschaft, 2009); Link

Rüdiger Vaas: Hawkings Kosmos, Stuttgart 2011

Wikipedia zur Dunklen Energie; Link

Wikipedia zur Expansion des Universums; Link

Quellennachweis des Titelbildes: Urheber: The Hubble Heritage Team (AURA/STScI) - Space Telescope Science Institute - http://hubblesite.org/newscenter/newsdesk/archive/releases/2000/06/, Gemeinfrei, Link