Graham Lawton - Der Ursprung von (fast) allem

Der Uranfang

Viele Wissenschaftler empfanden anfangs Unbehagen bei der Vorstellung von einem Uranfang des Universums und brachten daher alternative Erklärungen vor, die ohne eine solche auskamen. Die vielleicht bestbekannte ist die Steady-State-Theorie, die 1948 aufgestellt wurde. Ihrer grundlegenden Hypothese zufolge hat das Universum immer existiert und zu jeder Zeit gleich ausgesehen. Astronomen ersannen bald Methoden, um diese Behauptung zu überprüfen, und stellten fest, dass sie nicht zutraf. Einige himmlische Objekte, wie zum Beispiel Quasare, finden sich ausschließlich in sehr großen Entfernungen von uns, was nahelegt, dass das Universum nicht immer das gleiche Aussehen hatte. Dennoch hinterließen die Verfechter der Steady-State-Theorie ein bleibendes Erbe: Sie vermachten uns den Ausdruck »Big Bang«, der ursprünglich von ihnen geprägt wurde, um die Urknalltheorie sarkastisch abzutun.

Den ultimativen tödlichen Schlag erhielt die Steady-State-Theorie 1965 durch die zufällige Entdeckung einer schwachen Strahlung, die den ganzen Weltraum erfüllt. Diese kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung deutete man als eine Art »Nachglühen« eines Universums, das früher wesentlich heißer und dichter war, als es heute ist.

Diese Beobachtungen wurden bald theoretisch untermauert. Stephen Hawking und Roger Penrose wiesen nach, dass es – wenn die allgemeine Relativitätstheorie richtig war – einmal einen Punkt gegeben haben musste, an dem das Universum unendlich klein und dicht gewesen war: einen Moment, in dem die Zeit selbst begann.

Die Urknalltheorie ist heute wissenschaftlich fest etabliert. Kosmologen glauben, die Entwicklung des Universums vom Bruchteil einer Sekunde nach seiner Entstehung bis zum heutigen Tag nachverfolgen zu können. In diesem Zeitraum eingeschlossen ist eine kurze Periode rasend schneller Ausdehnung, die Inflation genannt wird, sowie eine andere, in der die ersten Sterne geboren wurden. Wann genau es aber zu der tatsächlichen Entstehung kam, ist immer noch Gegenstand heftiger Spekulationen. An diesem Punkt fangen unsere Theorien zu versagen an. Um in dieser Frage weiterzukommen, müssen wir eine Möglichkeit erarbeiten, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantentheorie zu vereinbaren. Doch trotz jahrzehntelanger angestrengter intellektueller Bemühungen ist das den Physikern noch nicht gelungen. Wir besitzen jedoch eine gewisse Idee, wie man die quälende Kernfrage in Verbindung mit dem Urknall beantworten kann.

Wie kann aus dem Nichts etwas hervorgehen?

Das ist eine sehr vernünftige Frage, da einige grundlegende physikalische Gesetze suggerieren, dass die Nichtexistenz des Universums wesentlich wahrscheinlicher ist als seine Existenz. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass der Zustand der Unordnung oder Entropie stets dazu neigt, im Lauf der Zeit zuzunehmen. Entropie misst die Menge der Möglichkeiten, in der man die Komponenten eines Systems neu anordnen kann, ohne dessen Gesamterscheinung zu verändern. Die Moleküle eines heißen Gases zum Beispiel können auf vielfältige unterschiedliche Weise angeordnet werden, ohne dass dessen Temperatur und Druck sich verändern. Das Gas ist also ein Hoch-Entropie-System. Im Gegensatz dazu kann man die Moleküle eines lebenden Organismus nicht stark verändern, ohne dass er zu einem toten Ding wird. Das macht uns zu einem Niedrig-Entropie-System.

Dieser Logik zufolge ist Nichts der Zustand mit der höchsten Entropie. Man kann es nach Belieben neu »durchmischen«, und es sieht immer noch wie Nichts aus.

In Anbetracht dieses Gesetzes ist nur schwer einsehbar, wie Nichts jemals in Etwas verwandelt werden könnte – schon gar nicht in ein Universum. Doch Entropie ist nur ein Teil der Geschichte. Der andere ist eine Eigenschaft, die Physiker Symmetrie nennen, was nicht genau das ist, was wir im alltäglichen Leben unter Symmetrie verstehen. Wir beziehen uns mit dem Begriff auf die äußere Gestalt von Dingen. Für Physiker ist etwas symmetrisch, wenn man etwas mit ihm machen kann und es danach genauso aussieht wie vorher. Ein Nichts ist per definitionem vollkommen symmetrisch: Man kann mit ihm machen, was man will, und es ist immer noch nichts.

Wie Physiker herausgefunden haben, sind Symmetrien dazu da, gebrochen zu werden, und wenn das geschieht, dann üben sie einen tiefen Einfluss auf das Universum aus.

Die Quantentheorie besagt, dass es so etwas wie Leere nicht gibt. Deren perfekte Symmetrie ist zu perfekt, um von Dauer zu sein. Sie wird von einem Strudel von Teilchen gebrochen, die ins Dasein platzen und wieder verschwinden.

Das führt zu der nicht eingängigen, das heißt der klassischen Denkweise widersprechenden Schlussfolgerung, dass, der Entropie zum Trotz, die Existenz von Etwas ein natürlicherer Zustand ist als der von Nichts. In diesem Sinn ist alles in unserem Universum Existierende einfach nur Exzitation des Quantenvakuums.

Könnte etwas Ähnliches für die Entstehung des Universums selbst verantwortlich sein? Das ist eine durchaus plausible Annahme. Vielleicht kam der Big Bang dadurch zustande, dass das Nichts etwas tat, was in seiner Natur lag: Vielleicht war es nichts anderes als eine Quantenfluktuation, die explosionsartig ein ganzes Universum entstehen ließ.

Außerhalb des Raumes und der Zeit

Das wirft natürlich die Frage danach auf, was vor dem Big Bang war und wie lange dieser Stand der Dinge anhielt. Leider verlieren aber an diesem Punkt alltägliche Vorstellungen wie »davor« jeden Sinn.

Und es wird eine noch schwerer zu beantwortende Frage wach: Eine solche Auffassung vom »Schöpfungsakt« beruht auf der Validität der Gesetze der Physik. Das impliziert aber, dass diese Gesetze irgendwie schon existiert haben müssen, bevor das Universum es tat.

Wie können physikalische Gesetze außerhalb von Raum und Zeit existieren und ohne dass Anlass für sie selbst besteht? Oder, um es anders zu formulieren, warum ist eher etwas da als nichts?

Kein Big Bang

Der Urknall stellt heute die gängige Erklärung für die Entstehung des Universums dar. Es ist aber nicht die einzige. Eine andere ist die, dass es statt zu einem Big Bang zu einem Big Bounce kam, einem »Ur-Sprung«. Diesem Szenarium zufolge werden wir, wenn wir die Geschichte unseres Universums in umgekehrter Richtung ablaufen lassen, durch seinen unvorstellbar heißen und dichten Anfang hindurchgeführt und gelangen auf der anderen Seite in das unvorstellbar heiße und dichte Ende eines früheren Universums hinein. Eine wieder andere Erklärung ist die, dass der Bang nur einer von vielen war. Der Multiversum-Theorie zufolge ist unser Universum bloß eine Blase in einem brodelnden Schaum aus vielen Universen. Beide Vermutungen suggerieren aber, dass unser Universum keinen Anfang hatte. Das ist noch schwerer nachzuvollziehen als die Annahme, dass es einfach aus dem Nichts heraus entsprang.

Warum scheinen die Sterne?

Schauen Sie in den Nachthimmel und Sie blicken in die Vergangenheit zurück. Das Licht von Sirius A, dem hellsten Stern, benötigt an die achteinhalb Jahre, um durch den interstellaren Raum bis zur Erde zu dringen. Die Lichtlaufzeit von Deneb, dem erdfernsten Stern, der noch mit bloßem Auge sichtbar ist, bis zur Erde beträgt ungefähr 2600 Jahre. Von beiden Sternen wissen wir nicht, ob sie überhaupt noch existieren.

Schauen Sie in noch entferntere Regionen des Himmels und Sie blicken noch tiefer in die Vergangenheit zurück. 2012 wurde ein als eXtreme Deep Field bezeichnetes Bild veröffentlicht, das durch die Zusammenfügung von Einzelaufnahmen des schwachen Lichtscheins von einer kleinen Himmelsregion entstand, die mit dem Hubble-Weltraumteleskop über einen langen Zeitraum gemacht wurden, wobei die Gesamtbelichtungszeit 23 Tage betrug. Das Bild war mit fernen Galaxien übersät, von denen einige so weit von uns entfernt waren, dass sie ihr Licht aussandten, als das Universum erst eine halbe Milliarde Jahre alt war.