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FTE info logoMagazin für die europäische Forschung Sonderausgabe - April 2005   
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GESPRäCH
Title  Das Weltall rückwärts aufgerollt

Wie ist der Kosmos entstanden? Was ist der Urknall? Welche Rolle spielt Einstein in unserem heutigen Verständnis des Weltalls? Und die Quantenphysik? Der Physiker Edgard Gunzig, Honorarprofessor an der Freien Universität Brüssel und Schriftsteller, klärt die Begriffe.

Edgard Gunzig
Edgard Gunzig
Die klassische Kosmologie, von Kopernikus und Newton bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts, bemühte sich, das Universum zu beschreiben, ohne die Frage seines Ursprungs wissenschaftlich zu stellen. Dieser blieb „Sache Gottes“. Könnte man sagen, dass mit dem Auftauchen des Begriffs des Urknalls die Wissenschaft sich eines Bereichs bemächtigte, der bis dahin der Theologie und der Metaphysik vorbehalten war?

Das Konzept der Kosmogenese ging erst in dem entscheidenden und für die Physiker überraschenden Moment in die Wissenschaft ein, als offensichtlich wurde, dass das Weltall einer Entwicklung unterlag und folglich eine Geschichte haben musste. Dies geschah 1929, als Hubble die Expansion des Universums, das man sich bis dahin als starr, statisch und unveränderlich vorgestellt hatte, experimentell nachwies. Die Physiker standen somit vor der Herausforderung, die künftige Entwicklung des Universums, unsere kosmologische Zukunft, vorherzusagen, aber auch den Anfang seiner Geschichte, die Kosmogenese, zu begreifen.

Diese Entdeckung Hubbles, die eine grundlegende Wende in unserer Vorstellung der Welt bedeutete, gab auch den Auftakt zu einem „Drama“, das sich in den Kulissen der Vorstellungen abspielte, die Einstein zwischen 1912 und 1915 entwickelt hatte, um das Phänomen der Schwerkraft zu beschreiben: der Allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Theorie führte in der Physik eine bedeutende konzeptuelle Revolution herbei, denn sie „physikalisierte“ erstmals Raum und Zeit: Diese waren nun nicht mehr lediglich simpler, passiver Bezugsrahmen – eine Bühne, auf der sich das Abenteuer Erde abspielte –, sondern wurden im Gegenteil selber aktive Mitspieler dieses Abenteuers. Gemäß dieser Theorie stellt der Begriff der Schwerkraft lediglich eine bisher unsichtbare und ungeahnte Eigenschaft von Raum und Zeit auf für uns sichtbare Weise dar: die Krümmung der Raum-Zeit! Die Planeten unseres Sonnensystems bewegen sich entlang gekrümmter Trajektorien und die Gegenstände fallen zur Erdoberfläche, nicht weil die Erde sie anzieht, sondern weil die Erde die Raum-Zeit krümmt.

Damit folgen alle physischen Körper wie auch die Lichtstrahlen den natürlichen „Bahnen“, die der gewölbten Raum-Zeit eigen sind. Doch wodurch wird diese Krümmung verursacht? Warum ist der Raum nicht flach, wie ihn sich der Mensch seit jeher in aller Selbstverständlichkeit vorgestellt hatte? Es sind die Gestirne selbst, die ihre Umgebung krümmen; der Inhalt (Materie und Licht) krümmt das raum-zeitliche Behältnis, in dem er sich bewegt. Einsteins Gleichungen bringen diese Verbindung zwischen Geometrie und Materie auf den mathematischen Begriff. Diese Theorie ist somit wesentlich mehr als eine „einfache“ Erklärung der Schwerkraft: Es ist eine Theorie über den Raum und die Zeit, aus der die Schwerkraft ganz natürlich hervorgeht.

Sie haben von einem Drama gesprochen, das sich innerhalb dieser beachtlichen Theorie durch die Entdeckung der Expansion des Universums abspielte. Worum geht es? Inwiefern erschütterte diese Theorie das Verständnis des Weltalls?

Die Milchstraße, betrachtet durch das Very Large Telescope auf dem Paranal (Chile), einer Installation des ESO (European South Observatory). Dieser Kern der Galaxie enthält um die 400 000 Sterne und ist rund 800 Millionen Jahre alt. Die Erforschung der Entstehung und Entwicklung der Milchstraße ist entscheidend für unser Verständnis des Weltalls. © ESO
Die Milchstraße, betrachtet durch das Very Large Telescope auf dem Paranal (Chile), einer Installation des ESO (European South Observatory). Dieser Kern der Galaxie enthält um die 400 000 Sterne und ist rund 800 Millionen Jahre alt. Die Erforschung der Entstehung und Entwicklung der Milchstraße ist entscheidend für unser Verständnis des Weltalls.
© ESO
Diese beiden Fragen sind eng miteinander verknüpft und drehen sich um den Begriff des Urknalls, der die Geister derart verstörte, dass er darüber seines wahren Sinns verlustig ging. Die neue Beschreibung der Welt, die Einstein vorschlug, konnte trotz ihrer konzeptuellen Schönheit nur dann beanspruchen, eine wirklich neue physikalische Theorie zu sein, wenn sie nicht nur die bisher unverstandenen astronomischen Erscheinungen erklärte, sondern auch völlig unerwartete Phänomene voraussagte. Die Allgemeine Relativitätstheorie hat diese doppelte Prüfung bestanden. Sie erklärt ein eigenartiges, durch „Newtons gutes altes Universelles Gesetz der Gravitation“ nicht erklärbares Phänomen, das mit der Umlaufbahn des Planeten Merkur zusammenhängt, und sie sagt das vordem unbekannte Phänomen der Ablenkung der Lichtstrahlen durch die Sonne, die sie streifen, voraus.

Warum also nicht auf das Universum extrapolieren, was auf „lokaler“ Ebene des Sonnensystems so gut funktioniert? Man hatte damals freilich keine Gesamtvorstellung des Universums, aber die Versuchung war zu groß, und Einstein schlug als erster diesen Weg ein. Doch auch der große Einstein war im damaligen Weltbild befangen und hoffte daher, mithilfe seiner Theorie die Struktur des Weltalls erfassen zu können, das er sich starr und unendlich und mithin ohne Evolution, ohne Geschichte und Ursprung vorstellte.

Welche Enttäuschung, als er feststellen musste, dass seine schönen Gleichungen ein solches Weltall nicht zu beschreiben vermochten. Sofern er sie nicht veränderte, musste das Universum, das sie implizierten, entweder in sich zusammenstürzen oder, umgekehrt, sich ausdehnen – was eine Evolution voraussetzte. Ironie des Schicksals, Einstein sah, dass ihm als Ausweg nur eine einzige unausgeschöpfte theoretische Möglichkeit blieb, nämlich die Einführung einer willkürlichen Ergänzung, die die Einfachheit und Schönheit seiner Gleichungen etwas beeinträchtigte: die kosmologische Konstante.

Und dann kam das angekündigte Drama. 1929 zeigte die experimentelle Entdeckung Hubbles, dass das Universum nicht statisch, sondern evolutionär war und die ursprünglichen Gleichungen Einsteins, wie er sie in ihrer einfachsten und strengsten Form niedergeschrieben hatte, eben doch die „richtigen“ waren. Anders ausgedrückt, Einstein hatte die bedeutendste theoretische Vorhersage, die er hätte machen können, nämlich dass sich das Universum ausdehnt, verpasst! Später nannte er das „den größten Irrtum“ seines Lebens, aber er wusste nicht, dass seine kosmologische Konstante nicht nur kein monumentaler Irrtum war, sondern ganz im Gegenteil ein neues, vielfältiges Abenteuer begründete, das heute aktueller ist denn je.

Was geschah darauf, und wie ist davon ausgehend der Begriff des Urknalls aufgetaucht?

Die damaligen Physiker waren sich sicher, die unumstürzlichen Gleichungen in Händen zu haben, die das Universum im großen Maßstab lenken. Insbesondere sollte sich aus ihnen die Geschichte des Kosmos ablesen lassen, indem man die Zeit zurückdrehte und die Geschichten, die diese Gleichungen erzählten, „im Rückwärtsgang“ analysierte. Diese Geschichten sollten dann unausweichlich zu ihrem Ausgangspunkt, dem grundlegenden Fragezeichen führen: der Kosmogenese.

Doch all diese Geschichten beginnen in einer endlichen Vergangenheit, während durch eine singuläre Situation alle Eigenschaften des Universums, sowohl die physikalischen (Temperatur, Druck, Energiedichte) als auch die geometrischen (die Krümmung) gleichzeitig unendlich werden. Dieses Zusammentreffen erhielt den Namen Urknall. Er suggeriert – aber dies ist nichts weiter als ein Bild – eine gewaltige Explosion, die die gesamte Materie und ihren geometrischen Bezugsrahmen hervorbringt.

Diese Situation, in der alle physikalischen Größen unendlich werden, ist ihrem Wesen nach eine nicht-physikalische. Sie entspricht keinem möglichen Zustand des Universums, sondern zeigt im Gegenteil an, dass die Mathematik vorangeht und etwas beschreibt, das nicht mehr fassbar ist. Dieser Urknall ist der mathematische Initialzünder einer physikalischen Geschichte. Und diese physikalische Geschichte, die unseres Universums, die man in einer missbräuchlichen Sprachfloskel „Theorie des Urknalls“ nennt, beginnt in dieser Beschreibung ein paar winzige Sekundenbruchteile danach. Die Gleichungen vermitteln uns somit eine Geschichte, ohne uns den Schlüssel zu ihrem Ursprung zu liefern. Anders ausgedrückt, der Urknall ist ein Eingeständnis des Versagens der Theorie.

Kann die Wissenschaft dieses Versagen nicht überwinden und so das Verständnis der Ursprünge vorantreiben?

Sternwarte auf dem Paranal (Chile). Hier befindet sich das VLT, das stärkste Teleskop der Welt. Trotz der Leistung dieser Präzisionsmaschinen ist es jedoch sehr schwierig, die ältesten Himmelskörper eingehender zu studieren. © ESO
Sternwarte auf dem Paranal (Chile). Hier befindet sich das VLT, das stärkste Teleskop der Welt. Trotz der Leistung dieser Präzisionsmaschinen ist es jedoch sehr schwierig, die ältesten Himmelskörper eingehender zu studieren.
© ESO
Doch, aber dafür ist es unerlässlich, dass man den Ursprung dieses Versagens und mithin des Urknalls versteht. Trotz ihres enormen Beitrags unterliegt die Allgemeine Relativitätstheorie einer wichtigen Einschränkung: Sie beschreibt die Zusammenhänge zwischen dem Inhalt und seinem Behältnis, aber sie sagt nichts über den Ursprung dieses Inhalts. Das Vorhandensein von im Universum enthaltener Materie (und Strahlung) gehört zu den Voraussetzungen, die die Theorie nicht erklärt. Daraus folgt, dass in der rückwärts aufgerollten Geschichte des Universums eine und dieselbe Menge von Materie-Strahlung zunehmend auf ein immer kleineres Volumen komprimiert wird, was ein Anwachsen ihres Drucks, ihrer Temperatur und Energiedichte sowie der Krümmung, die laut Einsteins Gleichungen damit einhergeht, bedingt. Wenn dieses Volumen auf einen einzigen Punkt reduziert wird (nicht einen bestimmten Punkt im Weltall, sondern das ganze Weltall auf einen Punkt verdichtet), geschieht das Unvermeidliche: Alle diese physikalischen und geometrischen Mengen werden mit einem Schlag unendlich, das heißt der Urknall bricht aus! Der Urknall ist somit unvermeidlich und gleichzeitig auch entzaubert. Er ist durch die intrinsische Begrenzung gekennzeichnet, die in seiner Unfähigkeit liegt, den Ursprung seiner Komponenten und mithin die Kosmogenese zu erklären. Dies ist die Geschichte, die den trügerischen Namen „Theorie des Urknalls“ trägt.

Die Wissenschaft wäre somit unfähig, die Kosmogenese zu entziffern...

Einer der faszinierendsten Aspekte der Physik in den letzen drei Jahrzehnten ist, dass sie sich Schritt um Schritt einer negativen Antwort auf diese Frage nähert. Diese Antwort beruht auf einer Gegenüberstellung zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie und dem zweiten grundlegenden Pfeiler, auf den sich die gesamte moderne Physik stützt, die Quantentheorie. Sie entspricht einer Erweiterung der Theorie Einsteins, die sich bei der Quantentheorie entleiht, was ihr abging: die Möglichkeit, Materie zu schaffen und zu vernichten. Indes, der entscheidende Akteur dieses Verfahrens ist nichts anderes als das Vakuum! Nicht das (intuitive) Vakuum der klassischen Physik, das der Abwesenheit jeglichen Stoffs entspricht, sondern das Quantenvakuum, das der Ort einer wilden Aktivität unablässiger, grundsätzlich unumgänglicher Fluktuationen ist. Dieses fluktuierende Quantenvakuum ist der starrste Zustand, den die Natur annehmen kann und in dem die Dichte sich nicht weiter verringern lässt. Und dieses Vakuum – dies ist der springende Punkt – besitzt eine Energie, die nicht Null beträgt (im Gegenteil zum klassischen Vakuum), sondern der Summe all dieser Fluktuationen entspricht. Dieses Vakuum ist ein eigenartiger Akteur, der zum Schlimmsten wie zum Besten fähig ist, zur Katastrophe der modernen Physik wie zum Königsweg hin zu einer möglichen Vorstellung der Kosmogenese.

Erzählen Sie uns lieber vom Besten, die Katastrophe sparen wir uns für ein andermal auf...

Es ist im Wesentlichen die unerwartete Möglichkeit, vom Quantenvakuum ausgehend das Auftauchen des Universums in einem Prozess begreifen zu können, der ohne Urknall auskommt. Aus einem äußerst subtilen Wechselspiel zwischen den Fluktuationen des Quantenvakuums und der Expansion des Raums entsteht das Universum: Die Expansion des Raums zwingt das Vakuum, seine Fluktuationen in Partikel zu verwandeln, das heißt, Materie zu schaffen, und diese Materie zwingt umgekehrt den Raum, sich auszudehnen. Eine wahrhaft unglaubliche Schlange, die sich in den Schwanz beißt! Das Universum entsteht in diesem Bild aufgrund eines Mechanismus, der in sich geschlossen abläuft, ohne sich auf irgendeine äußere Hilfe zu stützen. Das Universum, das sich so aus sich selbst gebiert, findet in sich die notwendige Energie, um seine eigene Erschaffung auszulösen. Es ist der free lunch, wie die Angelsachsen sagen. Zudem entspricht die ursprüngliche Schöpfungsphase, die aus diesem Geschehen entsteht, der Anfangsphase der exponentiell maßlosen Expansion, der Inflation, deren die Physiker heute so sehr bedürfen, um die experimentellen Beobachtungen mit den theoretischen Vorhersagen in Einklang zu bringen.

Diese experimentellen Daten entstehen überwiegend aus der Beobachtung dessen, was heute das wirkliche Gedächtnis unserer kosmologischen Geschichte darstellt: der elektromagnetischen fossilen Strahlung, die das gesamte Universum überflutet und einige hundert Millionen Jahre nach seiner Entstehung erzeugt wurde. Sie ist die wirkliche Spur des ursprünglichen Universums, von dem ihre innersten, heute beobachtbaren Eigenschaften geprägt sind.


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Der andere Gunzig
Elisa Brune, Edgard Gunzig, Relations d'incertitude, Paris, Ramsay, 2004
Die Unschärferelationen sind ein Grundsatz der Quantenphysik: Es ist unmöglich, gleichzeitig alle Eigenschaften eines Partikels zu kennen. Doch wie lässt sich ein Mensch erfassen? Unschärferelationen ist eine zweistimmige Autobiographie. Die Journalistin Elisa Brune versucht, den Forscher einzukreisen, dessen Leben von der Geburt an einem Roman gleicht: ein kleiner jüdischer Junge, der während des Bürgerkriegs in Spanien zur Welt kam, während seine Eltern in den internationalen Brigaden kämpften; der Vater wurde von den Nazis hingerichtet, die Mutter brachte den kleinen Edgard nach Polen, wo er im Schatten Stalins aufwuchs. Dann kam die Wissenschaft in sein Leben. Gibt es einen Zusammenhang zwischen dem Chaos des Lebens und den Fragen, die uns faszinieren – und vielleicht der Art und Weise, sie zu stellen? Die Kosmogenese, die zwischen den Zeilen aufscheint, erlaubt den Autoren, auch gewisse Schleier über dem Urknall, dem Bootstrap, dem Quantenvakuum usw. zu lüften.

Elisa Brune, Edgard Gunzig, Relations d'incertitude, Paris, Ramsay, 2004

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