Hawkings Kosmos einfach erklärt

Vom Urknall zu den Schwarzen Löchern

Rüdiger Vaas

• Verlag: Kosmos
• Jahr: 2012
• ISBN:
  9783440134375
• Thema: Naturwissenschaften
• Thema: Astronomie & Astrophysik

Wie ist das Weltall entstanden? Kann die Zeit rückwärts laufen? Sind Schwarze Löcher Tore zu anderen Universen? Stephen Hawking ist der berühmteste Wissenschaftler unserer Zeit. Mit seinen überraschenden Entdeckungen hat er immer wieder für Aufsehen gesorgt. Seine Bücher sind Bestseller. Aber was genau verbirgt sich hinter Hawkings Ideen? Warum sind sie so kompliziert? Und wie sind sie überhaupt zu bewerten?Wissenschaftsjournalist und Kosmologie-Experte Rüdiger Vaas erklärt Hawkings Erkenntnisse und verwegene Theorien für jeden leicht verständlich und mit vielen anschaulichen Illustrationen. Außerdem beschreibt er, wie Hawkings aktuelle Forschung die Vorstellung vom Urknall revolutioniert.

Auf der Suche nach der Weltformel

Um den Urknall sowie die Einheit von Raum, Zeit, Energie, Materie und den Naturkräften vollständig zu erklären, brauchen Hawking & Co. eine Theorie der Quantengravitation. Sie würde die beiden Säulen der modernen Physik, Relativitäts- und Quantentheorie, verbinden. Außerdem könnte sie zeigen, ob am Anfang des Alls eine „Kosmische Inflation“ geschah, die den Weltraum erst groß gemacht hat, und ob unzählige andere Universen existieren.

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› Fragen an eine allwissende Fee

Welche allgemeine Frage sollte man einer allwissenden und geduldigen Fee stellen, die sie dann wahrheitsgemäß und auch verständlich beantwortet? – Das ist gar nicht so einfach. Und um so spannender daher, anderen diese Frage zu stellen. Zum Beispiel Stephen Hawking und Jim Hartle. Tatsächlich gab es dazu eine Gelegenheit.

Februar 2003: „Hallo!“ tönte Hawkings Computerstimme mir (R.V.) während einer Kaffeepause auf einem Kosmologie-Symposium an der University of California in Davis entgegen. Was folgte, war aufgrund von Hawkings Sprachschwierigkeiten ein naturgemäß recht einseitiges Gespräch. Doch so ergab sich die Chance, Hawking etwas Persönliches zu fragen – eben die Fee-Frage. Der Kosmologe grinste und klickte sich durch die Buchstaben und Wörter seines Sprachprogramms – ein minutenlanger Vorgang, der etwas Orakelhaftes an sich hatte. „Is M-Theory complete?“, wollte er schließlich wissen: Ob die M-Theorie – der momentan vielleicht aussichtsreichste Kandidat für eine „Weltformel“ zur Erklärung aller Kräfte, Materie- und Energieformen im Universum – vollständig sei.

Die Antwort würde Hawking helfen, die schwierigsten Rätsel zu knacken – nicht nur seiner eigenen Forschung, sondern überhaupt: Was hat den Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren ausgelöst? Haben Raum, Zeit, Materie und Energie einen Anfang oder sind sie ewig? Ist es überhaupt sinnvoll zu fragen, was vor dem Urknall geschah? Existieren noch weitere Universen, und welche Rolle spielt der Mensch im Kosmos?

Blick in die Ferne: Das „Hubble Ultra Deep Field“ ist das bislang „tiefgründigste“ Foto in der Geschichte der Astronomie. Die gesamte Belichtungszeit, aus 800 Einzelbildern addiert, betrug eine Million Sekunden oder 11,3 Tage für die ACS- und 4,5 Tage für die NICMOS-Kamera an Bord des Hubble-Weltraumteleskops. Ausgewählt wurde eine Himmelsregion im Sternbild Fornax, die kaum störende Vordergrundsterne beherbergt. Die feinsten Lichtpünktchen auf dem Foto sind Urgalaxien, die nur wenige 100 Millionen Jahre nach dem Urknall entstanden sind.

September 2008: Eine Stunde im Taxi kann selbst auf einer eintönigen Autobahn in Kanada äußerst spannend sein. Wenn man beispielsweise mit Jim Hartle zusammensitzt. Der mittlerweile emeritierte Physik-Professor von der University of California in Santa Barbara ist seit langem mit Hawking befreundet; er hatte ab 1972 mehrere Arbeiten zu Schwarzen Löchern mit ihm veröffentlicht, 1983 dann eine bedeutende kosmologische Hypothese (siehe hier), und seit 2007 arbeitet er mit Hawking ein neues Weltmodell aus (siehe hier). Die Taxifahrt bot also die grandiose Gelegenheit, viele offene Fragen zur Kosmologie und Quantenphysik zu diskutieren. Denn Hartle konnte ja nicht einfach aussteigen...

Wir kannten uns schon von mehreren früheren Konferenzen. Aber jene am Perimeter Institute for Theoretical Physics im kanadischen Städtchen Waterloo, eine Auto-Stunde westlich von Toronto gelegen, war etwas Besonderes. Nicht nur, weil das Institut eine der besten Adressen der modernen Physik ist. (Stephen Hawking hat dort nach seiner Emeritierung eine Gastprofessur übernommen.) Sondern weil das Thema der Konferenz wahrhaft ungeheuer war: Existieren andere Universen jenseits des unseren, und wie kann man davon überhaupt etwas wissen? Hartle hatte dazu, wie ich auch, einen Vortrag gehalten und dabei seine neuen Arbeiten mit Hawking vorgestellt. Als ich ihm dann im Taxi von Hawkings Frage an die Fee erzählte, runzelte er die Stirn. Es sei unklar, so Hartle, was „complete“ heiße und ob es überhaupt eine M-Theorie gäbe. Außerdem habe diese, soweit sie skizziert vorliegt, keine Wellenfunktion. Das ist gewissermaßen die hypothetische Grundgleichung der Kosmologie, die das gesamte Universum beschreibt, sein Quantenzustand – und noch einiges mehr. Niemand kennt sie. Daher wäre das der Gegenstand seiner Frage an die Fee, schmunzelte Hartle: „Was ist die Wellenfunktion des Universums?“

› Kosmologie ist ein Sonderfall

Eine Erklärung des Urknalls und somit unseres Universums unterscheidet sich von anderen wissenschaftlichen Erklärungen gleich mehrfach:

› Das beobachtbare Universum ist für uns einmalig und nicht von „außen“ zu betrachten.

› Wir können nicht mit ihm experimentieren und es unter modifizierten Bedingungen betrachten.

› Wir können es nicht mit anderen Universen vergleichen (falls es die gibt).

› Und wir kennen aufgrund der begrenzten Beobachtungstiefe und -zeit (weil weder die Lichtgeschwindigkeit unendlich ist noch das Alter des Alls) nur einen winzigen Ausschnitt des Universums, von dem wir nicht einmal wissen, wie repräsentativ er ist.

Hinzu kommt ein weiteres Problem, das für Nichtphysiker spitzfindig erscheinen mag, das aber ans Eingemachte geht und der Hintergrund der Fee-Frage von Hawking und Hartle ist: Seit den Pionierleistungen von Isaac Newton wird bei physikalischen Erklärungen in der Regel zwischen Naturgesetzen einerseits und Rand- beziehungsweise Anfangsbedingungen andererseits unterschieden. Das Wissen um die Naturgesetze allein erlaubt es also noch nicht, ein Phänomen zu erklären. Man muss dazu auch die Randbedingungen kennen.

Will man beispielsweise eine Sonnenfinsternis voraussagen oder rückwirkend verstehen, braucht man nicht nur die Bewegungsgesetze von Erde und Mond relativ zur Sonne, sondern auch die konkreten Randbedingungen, das heißt Bahnparameter wie Geschwindigkeit, Entfernung sowie die Elliptizität und Neigung der Umlaufbahnen. Diese Bedingungen zeigen sich üblicherweise als direkte oder indirekte Messwerte, die man in die Gleichungen einsetzt. Dann kann man mithilfe der Naturgesetze beschreiben, wie sich die Randbedingungen im Lauf der Zeit verändern und zum Beispiel zu einer Finsternis führen.

Für eine wissenschaftliche Erklärung des Universums als Ganzes sind also zweierlei Arten von Kenntnissen nötig: einerseits die der fundamentalen Naturgesetze, andererseits die der Anfangs- beziehungsweise Randbedingungen (dazu später mehr, ab hier). Beide Komponenten sind nur vage und sehr lückenhaft bekannt. Trotzdem lassen sich verschiedene Modelle entwickeln, durchspielen, verfeinern und mithilfe kosmologischer Messungen auch testen, anpassen oder verwerfen.

Naturgesetze beschreiben die Dynamik. Das geschieht etwa durch die Relativitäts- und Quantentheorie und künftig hoffentlich durch eine umfassendere Theorie der Quantengravitation (siehe unten). Diese als „Weltformel“ zu bezeichnen, hat sich eingebürgert, ist aber eine Übertreibung – strenggenommen auch ganz formal. Denn sie ist unvollständig, weil sie den Quantenzustand des Universums außer acht lässt, der quasi die Rolle der Randbedingungen inne hat. Eine solche „Weltbestandsaufnahme“ ist für die Kosmologie also genauso wichtig wie eine Theorie von Raum, Zeit, Materie, Energie und ihren Wechselwirkungen. Dieser Quantenzustand, die sogenannte Wellenfunktion des Universums, wird von vielen Physikern noch recht stiefmütterlich behandelt. Der wohl am weitesten entwickelte Ansatz dafür, und sicherlich der bekannteste, ist die von Hawking vorgeschlagene Keine-Grenzen-Bedingung des Universums (siehe hier).

› Das Ende der Theoretischen Physik?

„In dieser Vorlesung möchte ich die Möglichkeit erörtern, dass das Ziel der Theoretischen Physik in nicht allzu ferner Zukunft, sagen wir am Ende unseres Jahrhunderts, erreicht sein wird. Ich meine damit, dass wir unter Umständen über eine vollständige, schlüssige und vereinheitlichte Theorie der physikalischen Wechselwirkungen verfügen könnten, die alle überhaupt möglichen Beobachtungen beschreibt.“

Mit diesen vor Optimismus strotzenden Worten begann Stephen Hawking am 29. April 1980 in Cambridge seine Antrittsvorlesung anlässlich der Ernennung zum Lucasian Professor of Mathematics. Titel der Vorlesung: Ist das Ende der Theoretischen Physik in Sicht?

Damit meinte Hawking aber weder ein Ende der Physik insgesamt (es werden nie alle Fragen beantwortet sein) noch der Physiker (aufgrund der Zerstörung der menschlichen Hochkultur durch Naturkatastrophen oder kriegerische Selbstvernichtung – oder aufgrund der Machtergreifung intelligenterer Computersysteme). Sondern die Möglichkeit, dass bald eine grundlegende Theorie gefunden werden könnte – die besagte „Weltformel“ –, deren Fundamente sich nicht mehr tiefer legen lassen.

Kleiner und kleiner: Zu den größten Errungenschaften der Wissenschaft zählt die Einsicht in den Aufbau der Materie. Quarks und Elektronen gelten gegenwärtig als Elementarteilchen. Das muss nicht so bleiben. Im Prinzip könnte alles sogar ins unendlich Kleine ineinander verschachtelt sein wie bei russischen Puppen. Es gibt jedoch gute Argumente gegen eine unaufhörliche Teilbarkeit. Schon einzelne Quarks lassen sich nicht isolieren, weil die Energie, die nötig wäre, sie auseinanderzureißen, so hoch ist, dass daraus neue gebundene Quarks entstehen. Und noch spekulativeren Theorien der Quantengravitation zufolge ist selbst der Raum nicht kontinuierlich und beliebig teilbar, sondern wird auf der Planck-Länge (10^-35 Meter) gleichsam körnig oder schaumartig. Laut Stringtheorie, der am weitesten entwickelten Hypothese zur Quantengravitation, bestehen alle Materie- und Energieformen aus eindimensionalen Strings. Unsere ganze Welt wäre dann gleichsam eine Melodie dieser schwingenden Saiten.

Nach einer solchen Theorie der Quantengravitation haben bereits Albert Einstein, Werner Heisenberg und viele andere berühmte Physiker gesucht – allerdings vergeblich. Inzwischen gibt es mehrere Vorschläge, darunter die neuerdings von Hawking favorisierte M-Theorie. Aber niemand weiß, wie gut diese Theorien als Modell der Realität funktionieren. Außerdem lassen sie sich kaum praktisch überprüfen.

„Quantengravitation“ ist ein Sammelbegriff für verschiedene Ansätze, die beiden Säulen der modernen Physik miteinander zu verbinden: die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie (dazu weiter unten mehr). Obwohl beide Theorien exzellent mit den experimentellen Daten übereinstimmen – nie zuvor gab es leistungsfähigere Theorien –, widersprechen sie sich. Es scheint, als würde die Natur zwei verschiedene Arten von Regeln befolgen:

› Einerseits die Allgemeine Relativitätstheorie: Ihr Alphabet ist die Geometrie, und ihr Vokabular besteht aus Linien, Winkeln, Oberflächen und Kurven. Die Schwerkraft ist eine Eigenschaft der Geometrie der Raumzeit, die nicht bloß Bühne allen Geschehens, sondern auch teilnehmender Schauspieler ist.

› Andererseits die Quantentheorie: Ihr Alphabet besteht aus algebraischen Symbolen und Quantenzahlen und enthält nicht die deterministischen Wörter „immer“ und „nie“, sondern die statistischen „üblicherweise“ und „selten“. Hier ist die Raumzeit allerdings die unveränderliche, starre Bühne („Hintergrund-Metrik“) für die Partikel und Kräfte. Gravitation wird auf – hypothetische, noch nicht nachgewiesene – Teilchen namens Gravitonen zurückgeführt. Sie werden im subatomaren Pingpong zwischen allen anderen Partikeln ausgetauscht und bringen so die Schwerkraft hervor. Doch da die Gravitonen auch mit sich selbst wechselwirken, geraten die anderswo so erfolgreichen quantenphysikalischen Beschreibungstechniken in massive Schwierigkeiten: Es kommt zu unsinnigen Unendlichkeiten, Wahrscheinlichkeiten über 100 Prozent und anderem Ungemach.

Relativitäts- und Quantentheorie sind also auf eine prinzipielle Weise nicht miteinander vereinbar. Und das markiert eine schwere Krisensituation der Theoretischen Physik, die nur deshalb oft ignoriert oder umgangen werden kann, weil für die allermeisten Beschreibungen nur entweder die eine oder die andere Theorie benötigt wird. Wenn es aber um die Erklärung des Urknalls geht oder um das Innere der ominösen Schwarzen Löcher, um die Vereinheitlichung der Kräfte, Energie und Materie oder die Frage nach Zeitreisen, Wurmlöchern und Paralleluniversen (zu all dem später mehr), dann sind beide Theorien gleichermaßen nötig. Ihre Unvereinbarkeit lässt sich im Gegensatz zu den Situationen der Alltagsphysik somit nicht länger unter den Teppich kehren.

Überspitzt formuliert: Von Quarks zu Quasaren ist es ein weiter Weg – und den mus...

Inhaltsverzeichnis

• Stephen Hawkings Welt
• Von der Erde zum Urknall
• Auf der Suche nach der Weltformel
• Die verrückte Urknall-Singularität
• An der Grenze des Imaginären
• Die Saat der Zeit
• Hawkings neuer Kosmos
• Schwarze Löcher – Schlünde der Raumzeit
• Wurmlöcher und Zeitreisen
• Hawking, Gott und die Welt
• Mehr zu Hawkings Kosmos
• Bildnachweis
• Impressum