Heliosphäre – seltsam faltig

Faltenstruktur Heliosphäre

Gigantische und mysteriöse Faltenstrukturen wurden von der NASA am Rande unseres Sonnensystems in der Heliosphäre entdeckt – was da genau los ist und was es ist mit diesen Strukturen auf sich hat.

Dieser Beitrag handelt von: kosmischen Falten. Ja, richtig gelesen. Um zu schauen, was es damit auf sich hat, müssen wir erst mal in die äußeren Bereiche des Sonnensystems reisen, weit hinter den Zwergplaneten Pluto. Der ist sehr weit von uns entfernt, 7,5 Milliarden Kilometer. 

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Die Region des Sonnensystems, um die es in diesem Beitrag geht, ist aber noch viel weiter weg. Es geht um die sogenannte Heliosphäre. Die beginnt in einer unbegreiflichen Distanz von knapp 15 Milliarden Kilometern, ist also noch mal doppelt so weit entfernt von uns wie der Pluto. 

Was ist die Heliosphäre?

Diese mysteriöse Grenze wurde erst von zwei menschengemachten Objekten durchquert: von den Voyager-Sonden. Nachdem sie im Jahr 1977 losgeflogen sind, hat Voyager 1 die Heliosphäre im Jahre 2012 komplett durchquert, Voyager 2 folgte dann 2018. Aber was ist die Heliosphäre überhaupt? Die Heliosphäre gilt für viele als eine Art Begrenzung unseres Sonnensystems und ist im Prinzip ein geschützter Bereich, den unsere Sonne in den gefährlichen und harschen Weiten der Galaxis für uns schafft. 

Die Heliosphäre
So könnte sie aussehen: die Heliosphäre

Die Sonne schießt jede Menge energiereiche Partikel ins All, den sogenannten Sonnenwind. In den anderen Bereichen der Milchstraße wiederum, also in unserer Galaxis, befindet sich zwischen den einzelnen Sternsystem überall das sogenannte interstellare Medium, galaktischer Staub, Gase und auch sehr gefährliche Strahlung. Sonnenwind und interstellares Medium versuchen sich gegenseitig zu verdrängen. Es gelingt dem Sonnenwind eine Art sicheren Bereich um uns herum zu schaffen, in dem das interstellare Medium verdrängt wird und wir vor gefährlicher kosmischer Strahlung einigermaßen sicher sind. 

IBEX will Geheimnisse um Heliopause lüften

Den Punkt, an dem die Heliosphäre endet und das interstellare Medium beginnt, nennt man Heliopause. Diese haben wir nicht nur mit Hilfe der Voyager-Sonden genauer untersuchen können, sondern auch mit dem NASA-Forschungssatelliten IBEX, kurz für Interstellar Boundary Explorer. IBEX befindet sich seit 2008 im Erdorbit und ist dafür gebaut, die Geheimnisse der Heliosphäre zu lüften. 

Darstellung von IBEX der NASA
Darstellung von IBEX der NASA

Der IBEX-Satellit macht sich eine ganz besondere Technik zunutze. In der Heliosphäre werden durch das Wechselspiel des Sonnenwinds mit dem interstellaren Medium besondere elektrische Ladungen der Atome erzeugt. Diese Heliosphärenatome werden dann zum Teil in die Weiten der Galaxis fortgeschleudert, zum Teil aber auch wieder zurück Richtung inneres Sonnensystem. Dort können sie dann von IBEX aufgefangen und analysiert werden. IBEX registriert also fortgeschleuderte Atome der Heliosphäre und kann daher trotz der immensen Distanz Informationen über die Heliosphäre gewinnen – im Prinzip eine Art kosmische Echolotung. 

Druck des Sonnenwinds stieg an

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung des Astrophysikers Eric Zirnstein von der Princeton University hat festgestellt, dass IBEX im Jahre 2014 einen immensen Anstieg des Drucks des Sonnenwinds registrierte. Innerhalb weniger Monate stieg der Druck des Sonnenwinds um knapp 50 Prozent. 

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Die Daten dieses Druckanstiegs konnten die Forscher nutzen, um eine detaillierte Form der Heliosphäre und der Heliopause zu errechnen. Und das Ergebnis ist wirklich erstaunlich und zeigt: Die Heliopause besitzt eine Struktur, von der wir bislang absolut keinen Schimmer hatten. In der Heliopause fanden sie riesige Wellen, riesige kosmische Falten in der Größenordnung von Dutzenden Astronomischen Einheiten. Eine astronomische Einheit ist eine gewaltige Längeneinheit, sie beschreibt nämlich die durchschnittliche Entfernung der Erde zur Sonne, also rund 149 Milliarden Kilometer. Wir reden hier also von Falten in der Heliopause, die eine Größe von mehreren Milliarden Kilometern aufweisen. 

Falten in der Heliopause

Aber wie entstehen diese großen Faltenstrukturen? Auch das konnten die Forscher anhand der IBEX-Daten herausfinden. An der Heliopause läuft eine reflektierte Welle von energetisierten Teilchen zurück und kollidiert mit dem noch immer neu eintreffenden Strom geladenen Sonnenplasmas aus Richtung Zentrum des Sonnensystems, wodurch ein Sturm energiereicher neutraler Atome entsteht, der die Heliopause regelrecht eindellt. Die Heliosphäre ist also keineswegs ein statisches, festes Gebilde, sondern wabert, vibriert, faltet sich zusammen und dehnt sich dann wieder aus – und die genaue Art der Bewegung richtet sich eben nach dem Ausmaße des neu eintreffenden Sonnenwinds und des zurück reflektierten Sonnenwinds, der vom interstellaren Medium der Milchstraße zurückgeschleudert wurde. 

Darstellung der Falten in der Heliosphäre
Darstellung der Falten in der Heliosphäre

Das hat übrigens auch sehr interessante Konsequenzen für die Voyager-Sonden. Wir haben ja festgestellt, dass diese schon vor Jahren die Heliopause überquert haben. Man könnte meinen, dass sie nun die Heliosphäre für immer hinter sich gelassen haben. Tatsächlich ist die Heliosphäre aber ein wenig wie ein kosmischer Stalker und wabert den Voyagers hinterher. Wenn sich die Faltenstrukturen nämlich wieder glätten – im Form von Sonnenplasma als stellares Botox – dann vergrößert sich die Ausdehnung. 

Heliopause jagt Voyager hinterher

Voyager 1 durchquerte die Heliopause im Jahr 2012 in einer Entfernung von 122 Astronomischen Einheiten zur Sonne. Im Jahr 2016 betrug der Abstand der Sonne zur Heliopause in Richtung Voyager 1 etwa 131 Astronomische Einheiten; zu diesem Zeitpunkt war Voyager 1 etwa 136 Astronomische Einheiten von der Sonne entfernt, also immer noch im interstellaren Raum und auch immer noch jenseits der Heliopause – aber mit einer sich aufblähenden Heliosphäre im Rücken. 

Es wird zwar nicht dazu kommen, dass die Heliosphäre Voyager 1 wieder einholt und ihr dadurch den Titel interstellare Raumsonde nimmt – dafür ist Voyager zu schnell – aber der Abstand wächst nicht so schnell wie man meinen könnte, da die Heliosphäre sich eben teilweise aufbläht und versucht Voyager 1 hinterherzueilen. Falls Ihr jetzt noch mehr über diese kosmischen Falten, die uns umgeben, lernen wollt, habt Ihr Glück: IBEX steht zwar kurz vor dem Ende seiner Mission, wird dann aber 2025 durch eine neue Sonde der NASA ersetzt, und zwar durch die Interstellar Mapping and Acceleration Probe, kurz IMAP. 

IMAP von NASA
IMAP von NASA

IMAP wird eine größere Reichweite, Genauigkeit und Auflösung haben und so nicht nur den gesamten Himmel häufiger kartieren können, sondern statt in einer Erdumlaufbahn wird sie sich am Lagrange Punkt Eins befinden, der anderthalb Millionen Kilometer von der Erde und ihrer störenden Magnetosphäre entfernt ist, genau wie übrigens das James Webb Space Telescope. An diesem Punkt kann man die von der Heliosphäre fortgeschleuderten Partikel dann noch viel viel besser analysieren. 

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Fraktale: Was Blumenkohl mit dem Universum zu tun hat

Vergleich Fraktale und Universum

Ist das Universum fraktal? Wiederholen sich alle Strukturen im ganz Kleinen und im ganz Großen? Und könnten solche Fraktale auf die dahinterliegende Struktur unserer Realität hindeuten und sogar beweisen, dass wir in einem Multiversum leben?

Es ist schon seltsam. Wenn man sich den Mikrokosmos, also die allerkleinsten Strukturen, und den Makrokosmos, das Allergrößte, anschaut, dann stellt man oftmals fest, dass viele Strukturen sich sehr ähnlich sind. Aber was bedeutet der Begriff “fraktal” eigentlich? 

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Ein Fraktal bezeichnet, dass man, wenn man weit genug hineinzoomt, schließlich auf eine Struktur stößt, die das ursprüngliche Muster, das man auf größeren Skalen gesehen hat, wiederholt. Wenn ähnliche Muster wiederholt in immer kleineren Maßstäben auftauchen, können wir sie mathematisch analysieren und feststellen, ob sie dieselben statistischen Merkmale aufweisen wie die größeren Strukturen. Nur wenn dies der Fall ist, handelt es sich um ein Fraktal. Ein Beispiel: Blumenkohl.

Der fraktale Blumenkohl

Diesen Blumenkohl werdet Ihr lieben: Es handelt sich um eine spezielle Züchtung namens Romanesco. Und der Blütenstand ist ein mathematisches Meisterwerk der Natur, denn es ist fraktal. Auf mehreren Ebenen wiederholt sich immer dasselbe Muster. Es klingt ein bisschen albern in Bezug auf Blumenkohl, aber es ist absolut faszinierend, dass die Natur so eine mathematische Perfektion hervorgebracht hat. 

Romanesco Blumenkohl
Absolut fraktal: der Romanesco-Blumenkohl

Aber der Romanesco ist kein unendliches Fraktal, kein Schlüssel zum Blumenkohl-Multiversum, denn solche fraktalen Erscheinungsformen in der Natur besitzen immer nur eine begrenzte Anzahl von selbstähnlichen Strukturen. Nach zwei bis drei fraktalen Wiederholungen ist beim Blumenkohl Schluss. 

Mandelbrot “erfindet” Prinzip des Fraktals

Das Prinzip des Fraktals erkannte als erster der Mathematiker Benoit Mandelbrot. Vielleicht habt Ihr mal von der Mandelbrot-Menge gehört, bei der mit einer mathematischen Formel ein Fraktal generiert wird. Unten seht ihr eine Mandelbrotmenge. Und obwohl wir nur das grafische Ergebnis einer mathematischen Formel sehen, könnte man fast meinen, es handelt sich um ein eigenes Universum. 

Darstellung der Mandelbrotmenge
Ergebnis einer Formel: Optische Darstellung der Mandelbrotmenge

Mandelbrot war ziemlich besessen von Fraktalen und glaubte, dass man Börsenkurse mit Fraktalen analysieren könnte. Nicht zuletzt hielt er es für möglich, dass unser gesamtes Universum ein Fraktal ist. Das war 1974. Damals hatten die Astronomen gerade erst damit begonnen, umfangreiche Kataloge von Galaxien aus der Tiefe des Weltraums zu erstellen. Und erste Vorstellungen von der großräumigen Struktur des Kosmos nahmen erste Gestalt an. Dass das Universum wohl mit dem Urknall begann und expandiert, wusste man schon. Aber so genaue Vorstellungen, wie wir die heute unter anderem dank der Entdeckungen des Hubble- und des James-Webb-Teleskops haben, hatte man noch nicht. 

Die ganz großen Strukturen des Universums

Heutzutage haben wir ein gutes Bild davon, wie die ganz großen Strukturen des Universums aussehen. Unten seht Ihr das sogenannte kosmische Netz, die größte Struktur, die wir kennen. Es besteht aus Filamenten und Voids. Die Filamente sind die hellen Fäden. In denen befindet sich fast all die Materie, die es gibt. Auch alle Galaxien, wie unsere Milchstraße, sind in diesen gigantischen kosmischen Fäden angeordnet. 

Das kosmische Netz
Alles fraktal? Das kosmische Netz

Dazwischen existieren riesige Hohlräume, die Voids. Hier herrscht gähnende Leere über unvorstellbare Distanzen von hunderten Millionen Lichtjahren. Ganz leer sind sie nicht, einzelne Galaxien verbergen sich darin, aber weitaus weniger als in den Filamenten. Ist dieses kosmische Netz ein Fraktal? Erhalten wir, wenn wir raus und rein zoomen immer wieder dieselbe spinnennetzartige Struktur? 

Sonnensystem ist kein Fraktal

Ja und nein. Die genaue Analyse der Voids beispielsweise zeigt verblüffenderweise tatsächlich dieselbe Struktur. Die paar einsamen Galaxien, die in den Voids umhertreiben bilden eine Art Mini-Kosmisches-Netz. Die Filamentstruktur hat sich zumindest auf einer Ebene wiederholt, ist sich also in gewisser Weise selbst ähnlich. 

Aber eine Ebene ist nicht besonders viel, oder? Selbst unser Blumenkohl ist fraktaler. Und auf den kleineren Ebenen können wir die Fraktalstruktur des Universums dann sowieso ignorieren. Unser Sonnensystem alleine sieht schon komplett anders aus, als ein anderes Sternsystem. Unsere Milchstraße sieht anders aus als andere Galaxien. Verschiedene Galaxienhaufen besitzen trotz aller Ähnlichkeiten im Aufbau ein ganz unterschiedliches Aussehen. Wenn überhaupt kann das Universum nur auf den allergrößten Strukturen Fraktal sein und selbst da sieht es mau aus – die kosmische Netzstruktur findet man mit viel Fantasie innerhalb von Voids noch mal wieder, aber keinesfalls durchgehend. 

Sind Fraktale einfach Zufall?

Es stimmt, dass sich Strukturen im ganz Kleinen und im ganz Großen Teilweise ähneln. Aber das alleine macht noch kein Fraktal, denn dafür bräuchten wir eine Selbstähnlichkeit auf mehreren durchgehenden Ebenen und nicht auf einer ganz großen Ebene und dann eben wieder zufällig auf einer ganz anderen Ebene unter dem Mikroskop. Der Grund weshalb sich solche ganz unterschiedlichen Strukturen ähneln ist nicht ganz klar, und auch wenn es ein wenig unbefriedigend ist, es könnte einfach Zufall sein. 

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Letztlich wird sowohl der Mikro- als auch der Makrokosmos von denselben Naturgesetzen beherrscht und einige Anordnungen und Muster ergeben nach diesen Naturgesetzen vermutlich einfach Sinn. Zu guter Letzt kommt da auch noch eine gehörige Portion Apophänie ins Spiel. Apophänie ist die Tendenz von uns Menschen, sinnvolle Verbindungen zwischen nicht zusammenhängenden Dingen wahrzunehmen. Unser Gehirn funktioniert einfach so, wir suchen Verbindungen, wo keine sind. Zum Beispiel zwischen dem Kosmos und einem Blumenkohl. Definitv keine Verbindung da, aber wir wollen sie trotzdem unbedingt sehen. 

Sind Multiversen Fraktale?

Einen letzten Ausweg gibt es vielleicht noch, eine letzte Möglichkeit, die uns wirklich an die Grenzen der Physik bringt: Das Multiversum. Wir haben geschaut, ob wir ein fraktales Muster finden, wenn wir vom kosmischen Netz, der größten bekannten Struktur, in kleinere Strukturen herein zoomen und wurden bitter enttäuscht. Aber was würden wir sehen, wenn wir vom kosmischen Netz heraus zoomen würden. Was kommt darüber? 

Einige Forscher gehen davon aus, dass unser Universum nicht das einzige ist. Über oder neben unserem Universum könnte ein anderes Universum sein, vielleicht sogar ein Mutter-Universum und dann ein Oma-Universum, gefolgt von einem Uroma-Universum, und einem Ururoma-Universum und schließlich ein Urururoma-Universum und darauf folgend ein Ururururoma-Universum…

Die kosmische Mandelbrotmenge

Es wäre also denkbar, dass über dem kosmischen Netz eine noch gewaltigere Struktur erscheint, die ihm selbstähnlich ist. Ein Multiversums-Fraktal. Denn wenn es immer wieder neue Universen gibt, dann würden wir wirklich in einer Art kosmischen Mandelbrotmenge leben. Es geht immer weiter mit den sich wiederholenden Mustern, jedes Universum eine Ebene eines nicht zu begreifenden, nicht zu erfassenden Fraktals. Absolut denkbar, aber bislang leider keinesfalls bewiesen, sondern nur eine spannende Hypothese.

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Immer weniger Sterne: Stirbt der Kosmos?

Darstellung des Kosmos

Astrophysiker sind angesichts neuer Daten absolut ratlos und sagen: Das Universum stirbt. Müssen wir unsere Annahmen über den Kosmos wieder einmal komplett über den Haufen werfen? 

Direkt mal zu Beginn eine unfassbare Zahl: 4×1048. Ausgesprochen wird das wie folgt: Vier Billion Billion Billion Billion Billion Billion Billion. Hierbei handelt es sich um die Anzahl aller Photonen im gesamten Universum. Photonen sind Teilchen des Lichts. Diese Gesamtanzahl der kosmischen Photonen gibt Auskunft darüber, wie viel Licht die Sterne des Universums bisher abgestrahlt haben. Die Zahl klingt gigantisch. Aber bei der immensen Größe des Universums bietet all dieses Licht ungefähr so viel Erhellung wie eine 60-Watt-Glühbirne aus vier Kilometern Entfernung. 

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Seit 2008 untersucht das Fermi Gamma-ray-Weltraumteleskop den Weltraum im Gamma-Bereich. In diesem Bereich können wir besonders heftige, energiereiche kosmische Prozesse wie Supernovae oder Kollisionen von Sternen beobachten. Anhand der über die Jahre gesammelten Daten des Fermi-Weltraumteleskops konnte ein Team von Astronomen der Clemson University in den USA die Anzahl aller Photonen des gesamten Universums ausrechnen. Das funktionierte folgendermaßen: Die Astronomen schätzten zunächst die Größe des sichtbaren Universums. Ein mehrdimensionaler Raum mit einem Durchmesser von vielen Milliarden Lichtjahren, der mindestens eine bis zwei Billionen Galaxien und eine Billion Sterne enthält. Die meisten dieser Sterne und Galaxien sind viel zu weit entfernt und zu schwach, um sie mit den besten Teleskopen wie James Webb detailliert analysieren zu können. Aber das spielt keine Rolle, denn die gesamte Energie, die jemals von allen Sternen des Universums abgestrahlt wurde, ist immer noch da und füllt den Kosmos mit einer Art Nebel, einem Meer von Photonen, das als extragalaktisches Hintergrundlicht bekannt ist. Wir schwimmen also permanent in einem Ozean aus all dem Sternenlicht, das es jemals gab.

Weltraumteleskop im Kosmos
Weltraumteleskope berechnen die Sternendichte

Das extragalaktische Hintergrundlicht

Und dieses extragalaktische Hintergrundlicht hat es in sich – im wahrsten Sinne des Wortes. Denn in diesem diffusen Lichtabdruck ist die gesamte Geschichte der Geburt und des Todes von Sternen im Universum geschrieben, von seinen Anfängen vor 13,8 Milliarden Jahren bis heute. So ein bisschen wie ein uralter Baum, in dessen Maserung Ihr die Einflüsse seit Anbeginn der Zeit ablesen können. Deshalb war das extragalaktische Hintergrundlicht das perfekte Beobachtungsobjekt für die Astronomen der Clemson University und das Fermi Teleskop. Um noch genauere Informationen über die Entwicklung der gesamtkosmischen Photonen zu erhalten, haben sie auch den Einfluss sogenannter Blazare untersucht. 

Was ist ein Blazar? 

In einigen Galaxien geht in ihrem Zentrum wirklich die Post ab. Dort befinden sich supermassive Schwarze Löcher, die in einer gewaltigen Akkretionsscheibe Material herumwirbeln. Es entsteht so viel Energie, das diese in heftigen Ausbrüchen fortgeschleudert wird. Solche hyperaktiven Schwarzen Löcher, also solche aktiven Galaxienkerne bezeichnet man als Quasar. Und es gibt Quasare, deren Energieausbrüche genau in Richtung Erde zeigen. Solche Quasare, deren Energieausbrüche in Richtung Erde erfolgen, nennt man Blazare. Und die Energieausbrüche der Blazare hinterlassen deutliche Spuren im extragalaktischen Hintergrundlicht. 

Um zu unserem Baum-Beispiel zurückzukehren – das ist so, als könnte man überall im Querschnitt des Baums deutliche Macken sehen, die von heftigen singulären Ereignissen herrühren. Vaidehi Paliya, Leiterin der Studie, sagt: “Mit Hilfe von Blazaren haben wir das gesamte Sternenlicht in verschiedenen Zeiträumen gemessen. Wir haben das gesamte Sternenlicht jeder Epoche gemessen – vor 1 Milliarde Jahren, vor 2 Milliarden Jahren, vor 6 Milliarden Jahren und so weiter – bis zurück zur ersten Sternentstehung.“ Durch die Analyse des extragalaktischen Hintergrundlichts und der Stärke der Blazarausbrüche über die Jahrmilliarden hinweg, konten die Astronomen ein sehr akkurates Bild der Photonenzahl und damit der Sternentstehung im Kosmos über die komplette Zeitspanne seiner Existenz hinweg erstellen. Anders gesagt: Die Forscher wissen nun, wann wie viele Sterne im Kosmos entstanden sind und wie viel Licht dabei jeweils abgestrahlt wurde. Und jetzt die deprimierende Nachricht: Der Kosmos stirbt. 

Darstellung eines Sternentstehungsnebels
Im Nebel: Hier entstehen zahlreiche Sterne

Immer weniger Sterne: Der Kosmos stirbt

Die Astronomen konnten aus den Ergebnissen ablesen, dass die Sternentstehungsrate auf dem absteigenden Ast ist. Die Rate von neu entstehenden Sternen erreichte schon vor Milliarden Jahren ihren Höhepunkt und seitdem werden im gesamten Kosmos immer weniger Sterne geboren. In der Milchstraße entstehen pro Jahr nur sieben neue Sterne. Warum die Sternenentstehung so sehr zurückgeht und das Universum von seinen aktiven jungen Jahren in den Herbst seines Lebens übergegangen ist, ist für die Forscher ein großes Rätsel. 

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Natürlich gab es vor Milliarden Jahren noch viel mehr kosmisches Material, vor allem gigantische Wasserstoffwolken, aus denen neue Baby-Sterne entstehen konnten. Und jetzt, wo es schon sehr viele Sterne gibt, mangelt es einfach an Produktionsmaterial – aber das alleine reicht nicht als Erklärung für die so überraschend niedrige Sternentstehungsrate. 

Weniger Sterne, weniger Leben

Die Metapher mit dem “Sterben” des Universums ist tatsächlich akkurat, denn der Prozess der Sternentstehung ist letztlich der Prozess, dem wir unser Leben verdanken. Die Planetenforscherin Dr. Ashley King sagt: “Fast alle Elemente im menschlichen Körper sind in einem Stern entstanden, und viele von ihnen haben mehrere Supernovae überstanden. Eine ganze Reihe verschiedener Sterne haben die Elemente beigesteuert, die wir in unserem eigenen Sonnensystem, auf unserem Planeten und in unserem Körper vorfinden.” Es klingt zwar kitschig, aber im Grunde bestehen wir alle aus Sternenstaub. 

Darstellung der Elemente im menschlichen Körper
Wir sind aus Sternenstaub: Elemente im menschlichen Körper

Nur unter den extremen Bedingungen innerhalb von Sternen konnten die meisten Elemente überhaupt erst entstehen. Sterne sind also die Schmieden für die Elemente des Lebens – und nicht zuletzt spenden sie natürlich für Leben essentielles Licht und Wärme. Man kann also sagen: Weniger neue Sterne bedeutet weniger Quellen für neues Leben.

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Befindet sich das Universum in einem Weißen Loch?

Künstlerische Darstellung Universum und Schwarzes Loch

Befindet sich unser Universum in einem Weißen Loch? Dafür gibt es starke Hinweise!

Wie ist eigentlich das Universum entstanden? Woher kommt all das hier und wie konnte es zu dem seltsamen Umstand kommen, dass wir auf der Erde sind und uns Gedanken über den rätselhaften Kosmos machen? 

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Ein kurzer Rückblick auf das, was bisher geschah: Unser Universum existiert nach der Ansicht der meisten Astrophysiker seit knapp 13,8 Milliarden Jahren. Der Anfangspunkt war nach herrschender Meinung der Urknall, ein Akt der Selbstschöpfung des Kosmos. All die Energie und Materie, die heute in Form von Planeten, Nebeln, Sternen und so weiter durch das All fliegt, war in einem winzigen Punkt zusammengequetscht, einer sogenannten Singularität. Aus ominösen Gründen begann dieser Punkt zu wachsen und zu wachsen – bis heute. 

Mit dem Urknall begann das Universum

Warum ist der Kosmos, wie er ist?

Und heute hat der Weltraum gigantische Ausmaße erreicht. Er ist gefüllt mit Milliarden wenn nicht Billionen von Galaxien. Und er dehnt sich immer noch aus. Die allermeisten Galaxien bewegen sich in diesem Moment von uns weg. Das ist der kosmologische Stand der Dinge, ganz grob zusammengefasst und da könnte man ja eine sehr berechtigte Frage stellen: Warum ist das überhaupt so?

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Die meisten Astrophysiker sagen: Einfach so. Das Universum ist aus dem Nichts entstanden und vor dem Universum war demnach einfach nichts. Es gibt aber auch andere Hypothesen, unter anderem, dass sich unser Universum in einem Schwarzen Loch befindet. Eine andere lautet: Unser Universum ist in einem Weißen Loch. Um das zu verstehen, müssen wir erstmal klären, was ein Weißes Loch überhaupt ist. Ihr könnt euch ein Weißes Loch vorstellen wie das Gegenstück zu einem Schwarzen Loch. Ganz vereinfacht gesprochen: Schwarze Löcher ziehen Dinge an, Weiße Löcher spucken Dinge aus. Während hinter dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs keine Kraft der Physik mehr entkommen kann, noch nicht mal das Licht, könnte den Ereignishorizont eines Weißen Lochs keine Kraft der Physik die Grenze von außen überwinden, man käme also gar nicht rein. 

Die Theorie der Einstein-Rosen-Brücke

Wenn man die Idee weiter spinnt, könnte jedes Schwarze Loch mit einem Weißen Loch verbunden sein. Diese Verbindung, dieser Raumzeittunnel wäre eine Einstein-Rosen-Brücke oder umgangssprachlich auch ein Wurmloch. Wer sich fahrlässigerweise in ein Schwarzes Loch einsaugen lässt, könnte ganz woanders im Universum aus einem Weißen Loch ausgespuckt werden. Das ist aber alles nur Theorie. Der praktische Beweis für die Existenz Weißer Löcher steht noch aus, man hat noch keines in freier Wildbahn gefunden. 

So könnte die Einstein-Rosen-Brücke aussehen

Aber sie sind im Rahmen von Albert Einsteins berühmten Feldgleichungen möglich. Durch die Lösung konnte man schon die Existenz Schwarzer Löcher theoretisch vorhersagen, lange bevor man wirklich das erste Bild eines Schwarzen Lochs machen konnte. Bisher hatte Albert Einstein eigentlich mit allem Recht und deswegen könnte man argumentieren, dass auch Weiße Löcher existieren, wir sie aber eben wegen mangelhafter technischer Mittel noch nicht entdeckt haben. 

Was ist das Informationsparadoxon?

Ein weiteres Argument für die Existenz Weißer Löcher ist das sogenannte Informationsparadoxon. Wenn etwas hinter dem Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs verschwindet und dann Teil der Singularität wird, gehen Informationen des verschluckten Etwas verloren – denn das Innere eines Schwarzen Lochs besitzt keine Informationen mehr außer Informationen über die Masse, die elektrische Ladung und den Drehimpuls. Mehr Daten kann man über ein Schwarzes Loch nicht erheben. Der berühmte Physiker John Wheeler beschrieb das etwas seltsam mit dem Satz: Schwarze Löcher haben keine Haare. Also haben sie quasi nichts, anhand dessen man sie beschreiben könnte. Es gibt einen quantenphysikalischen Grundsatz, der besagt, dass Informationen nicht verloren gehen können, das Postulat der Unitarität der Zeitentwicklung.

Einfacher formuliert: Gemäß der Quantenphysik können Informationen nicht unwiederbringlich verloren gehen. In einem Schwarzen Loch scheint aber genau dies zu geschehen. Paradox. Die Lösung für dieses Informationsparadoxon könnten – richtig – Weiße Löcher sein. Die Informationen gehen vielleicht gar nicht verloren, versteckt vor unseren neugierigen Blicken werden sie irgendwo anders aus einem Weißen Loch wieder herausgepült. 

Darstellung eines Weißen Lochs

Der Physiker Hal Haggard hält das für sehr gut möglich und sagt: “Warum sollte man nicht untersuchen, ob Weiße Löcher derart interessante Konsequenzen haben? Die Geometrie ist in beiden Fällen sehr ähnlich. Das geht sogar so weit, dass sie manchmal mathematisch identisch sind.” Der Anknüpfungspunkt ist die Singularität. Sowohl im Zentrum von Schwarzen Löchern wie auch von Weißen Löchern befindet sich eine Singularität. Und auch unser Universum begann in einer Singularität. Könnte unser Universum also aus einem Weißen Loch geboren sein, dessen Singularität quasi ein Universumssamen war und aus dem alles nun seit Milliarden Jahren wie ein zartes Pflänzlein erblüht? 

Um das noch besser zu verstehen, müssen wir uns in den Bereich der Quantenphysik bewegen, also dem ominösen Teil der Physik, der sich mit den allerkleinsten Elementarteilchen befasst. Bei Singularitäten versagen die Prinzipien der klassischen Physik ein wenig, da ein unendlich kleiner, unendlich verdichteter Punkt nicht wirklich möglich oder beschreibbar ist. Einige Quantentheorien quantifizieren daher die Raumzeit und postulieren eine Quantentheorie der Schwerkraft. Sie kommen zu dem Schluss, dass die Sichtweise der klassischen Physik auf Schwarze Löcher und Co. unvollständig ist. Nach der Theorie der Schleifen-Quantengravitation haben die Grundbausteine der Raumzeit die Form von extrem kleinen Schleifen. Quantenschleifen. Und diese Schleifen haben eine endliche, beschreibbare Größe, stünden also im Einklang mit der Physik. 

Stellen wir uns mal einen sehr schweren Stern vor, der kurz vor dem Kollaps steht, das heißt er endet in einer Hypernova und verdichtet seine Restmasse derart, dass ein Schwarzes Loch entsteht. Gemäß der Quantenschleifentheorie kann diese Zusammenquetschung des Sterns nicht bis zum Punkt der Singularität, also dem Punkt der unendlichen Dichte, reichen. Stattdessen würde der Stern, bevor er den Punkt der Singularität erreicht, einen Quantensprung erleben. Ab einem gewissen Druck, der auf der Restmasse des Sterns lastet, verwandelt sich das Schwarze Loch in ein Weißes Loch. Dieser Prozess der Umwandlung eines Schwarzen Lochs in ein weißes Loch würde nur Bruchteile einer Sekunde dauern. Und genau dieser Schleifenquantensprung eines sterbenden Sterns könnte doch der Startpunkt eines neuen Universums sein. 

Unser Universum könnte entstanden sein, in dem irgendwo anders, in einem Mutteruniversum ein sehr schweres Objekt kollabiert ist und durch einen Quantensprung ein Weißes Loch erschaffen wurde. Durch einen kosmischen Rülpser, um diesen Fachterminus mal weiter zu verwenden, wurde schließlich die gesamte Masse und Energie über den Ereignishorizont des Weißen Loches geschleudert und unser Universum erblickte das Licht der Welt. Der Physiker Lee Smolins machte diese Theorie populär und er beschreibt es so: “Ein Stern, der zu einem schwarzen Loch kollabiert, wird sehr schnell auf eine unendliche Dichte zusammengedrückt und die Zeit bleibt stehen. Anstatt auf eine unendliche Dichte zu kollabieren, kollabiert der Stern auf eine bestimmte extreme Dichte, prallt dann zurück und beginnt wieder zu expandieren. Der Punkt, an dem die Zeit im Inneren eines Schwarzen Lochs endet, wird mit dem Punkt verbunden, an dem die Zeit in einem Urknall in einem neuen Universum beginnt.”

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Von Raumzeitblasen bis Dark Flow: Was ist neben dem Universum?

Darstellung des Universums und dem Raum daneben

Die größte kosmische Frage unserer Zeit lautet: Was ist eigentlich außerhalb des Universums? Einige Astrophysiker behaupten, die Antwort gefunden zu haben. 

Vermutlich die größte kosmische Frage überhaupt ist: Was ist außerhalb des Universums? Diese Frage bringt uns an den Rand unserer Vorstellungskraft. Viele sehr seriöse Astrophysiker sagen schlicht, dass da nichts ist. Aber dennoch gibt es mittlerweile jede Menge Theorien über die Beschaffenheit dieses Außerhalbs. 

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Rekapitulieren wir kurz, wie der Weltraum nach dem derzeitigen Stand der Kenntnisse entstanden und aufgebaut ist. Der Kosmos ist ein großer mehrdimensionaler Raum, gefüllt mit Billionen von Galaxien, die wiederum jeweils meist aus Milliarden von Sternen und Planeten bestehen. Wir befinden uns in einer dieser Galaxien, der Milchstraße, und sitzen auf unserem planetaren Raumschiff namens Erde.

Der Urknall: War vorher Nichts?

Seit Anfang des 20. Jahrhunderts weiß man, dass der Kosmos nicht statisch ist, sondern expandiert. Er wächst wie ein vierdimensionaler Luftballon und durch seine Expansionsbewegung expandieren die meisten Galaxien voneinander weg. Begonnen hat das Ganze nach der derzeit herrschenden Meinung im sogenannten Urknall. Am Anfang der Expansionsbewegung war alles in einem unendlich kleinen, unendlich verdichteten Punkt zusammengequetscht, der kosmischen Singularität. 

Den Moment, in dem dieser Punkt zu expandieren begann, bezeichnet man als Urknall und soweit man weiß, geschah das vor 13,8 Milliarden Jahren. Da stellen sich natürlich einige Fragen: Was war vor dem Urknall? Was ist neben dem Universum? Und gibt es ein nach dem Universum? Die simple Antwort “Nichts” ist unbefriedigend und auch ein wenig anmaßend. Wir wissen so gut wie gar nichts über das Wesen des Universums. Um es mit Isaac Newton zu sagen: Was wir wissen, ist ein Tropfen, was wir nicht wissen, ein Ozean. Ist es da nicht ein wenig anmaßend, zu sagen: Ich habe das Universum so gut verstanden, dass ich mit Gewissheit sagen kann, dass daneben nichts ist. Insbesondere weil es auch ziemlich schwer wird, das “Nichts” zu definieren. 

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Was ist der Hubble-Flow?

Einige Astrophysiker denken, dass sie der Lösung dieser Frage auf die Schliche gekommen sind und zwar durch den sogenannten Dunklen Fluss, oder auf Englisch Dark Flow. Dies ist eine Eigenschaft des Kosmos, die wir von innen beobachten können und dadurch Schlüsse auf das Universum als Ganzes und den Bereich außerhalb ziehen können. Wir haben bereits festgestellt, dass das Universum vor 13,8 Milliarden Jahren auf einem gemeinsamen Punkt begann. Demnach müsste sich das Universum seitdem in alle Richtungen gleichermaßen stark ausdehnen. Diese These der gleichmäßigen Ausdehnung bezeichnet man auch als Hubble-Fluss oder Hubble-Flow. 

2008 entdeckten Astronomen allerdings etwas sehr Seltsames und Unerwartetes, das dem Hubble-Flow widerspricht. Sie untersuchten die kosmische Hintergrundstrahlung. Erst ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall wurde das Universum durchsichtig, das bedeutet, dass plötzlich Strahlung ausgesendet wurde, genauer gesagt kosmische Mikrowellenstrahlung. Bis zu diesem Moment können wir zurückschauen. Wir sehen dort eine gigantische uns überall umgebende Wand von eben dieser Mikrowellenstrahlung. Und das nennt man eben kosmische Hintergrundstrahlung. Als die Forscher die kosmische Hintergrundstrahlung auf unregelmäßige Bewegungen untersuchten, entdeckten sie Folgendes: Galaxienhaufen, also Gruppen von Galaxien, die durch ihre Schwerkraft miteinander verbunden sind, strömen alle in dieselbe Richtung mit einer enormen Geschwindigkeit. Sie bewegen sich auf einen Punkt jenseits des wahrnehmbaren Universums zu. So als würden sie dort von etwas angezogen werden. Eine geheimnisvolle Kraft aus einem Bereich jenseits unserer Wahrnehmung. 

Foto der Kosmischen Hintergrundstrahlung
Die Kosmische Hintergrundstrahlung

Dark Flow: Indiz für ein Nebenan im Universum

Eine mögliche Ursache: Es könnte massive Strukturen außerhalb des Universums geben, die einen gravitativen Einfluss ausüben. Der Dark Flow ist zumindest ein Indiz dafür, dass außerhalb des Universums irgendwas ist. Der an der Entdeckung des Dark Flow beteiligte NASA-Forscher Alexander Kashlinsky beschrieb es so: “Wir haben eine sehr signifikante Geschwindigkeit von Galaxien gefunden, und außerdem nimmt diese Geschwindigkeit nicht mit der Entfernung ab, soweit wir das messen können. Die Materie im beobachtbaren Universum kann den von uns gemessenen Fluss einfach nicht erzeugen.”

Was das für Strukturen außerhalb des Kosmos sein könnten, ist natürlich absolute Spekulation: Vielleicht immense Ansammlungen von Materie und Energie in Größenordnungen, die alles, was wir aus unserem Universum kennen, übersteigen oder sogar bizarre Verwerfungen in der Raumzeit, die durch Gravitationskräfte aus anderen Universen ausgelöst würden. Hier würde dann der Dark Flow mit der Theorie des sogenannten Multiversums gut zusammenpassen. Aber insgesamt muss man natürlich sagen: Wir wissen einfach nicht, was diese massiven Objekte von jenseits der Grenze des Universums sein könnten. 

Darstellung der Galaxienbewegung im Dark Flow
Der Dark Flow: So bewegen sich die Galaxien

Dark Flow Theorie ist umstritten

Und die Theorie des Dark Flow ist auch nicht unumstritten: Es gibt einige Forscher, die die Messungen, die zur Annahme des Dark Flow führten, anzweifeln. In den letzten Jahren wurden immer wieder verschiedene Studien veröffentlicht, die behaupteten, dass die Datenlage für den Dark Flow nicht ausreichend und dann wieder, dass doch aus den Daten mehrerer Weltraumteleskope der Dark Flow ersichtlich sei. Fakt ist aber, der Dark Flow ist nicht allgemeingültig widerlegt und irgendwas Seltsames zeigen die Daten jedenfalls. Alexander Kashlinsky sagt: “Zum jetzigen Zeitpunkt haben wir nicht genug Informationen, um zu erkennen, was es ist, oder um es einzugrenzen. Wir können nur mit Sicherheit sagen, dass die Welt irgendwo in weiter Ferne ganz anders ist als das, was wir lokal sehen. Ob es sich dabei um ein ‘anderes Universum’ oder ein anderes Raum-Zeit-Gefüge handelt, wissen wir nicht.”

Blasen mit verschiedenen Universen
Künstlerische Darstellung: Befinden wir uns in einer Raumzeitblase?

Durch die Existenz des Dark Flow erscheint es jedenfalls wahrscheinlich, dass es irgendetwas außerhalb des Kosmos gibt, das mit unserem Universum interagiert. Vielleicht ist der Dark Flow wie eine externe Lichtquelle außerhalb eines Aquariums, in deren Richtung alle Wasserpflanzen wachsen und die Fische fragen sich: Warum bewegen die Pflanzen sich alle in diese Richtung? Man könnte sich beispielsweise folgendes vorstellen: Das von uns beobachtete Universum ist nur eine kleine Blase der Raumzeit, die nach dem Urknall begonnen hat sich auszudehnen – aber jenseits unserer Blase gibt es noch weitere Teile des Multiversums, weitere Raumzeitblasen, die wir nicht sehen können. In diesen Regionen jenseits unserer kosmischen Blase könnte sich die Raumzeit völlig von dem unterscheiden, wie wir sie erleben. Außerdem gibt es dort vielleicht gar keine Sterne oder Galaxien, sondern womöglich supermassive Strukturen, die viel größer sind als alles in unserem Universum. Diese anderen Raumzeitblasen und die Interaktion zwischen ihnen könnten die Ursache für den Dark Flow sein, der Galaxienhaufen von außerhalb unserer Blase anzieht.

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Die Zeit existiert nicht: wahr oder falsch?

Die Zeit im Universum

Die Zeit existiert nicht. Zu diesem Ergebnis kommen Forscher aus Australien. Wenn Ihr eine quantenphysikalische Existenzkrise haben wollt, lest euch unbedingt diesen Beitrag durch. 

Die Zeit – es ist so schwer sie zu beschreiben und zu erklären, was die Zeit genau ist. Eines aber ist klar: Die Zeit ist die knappste Ressource im Universum. Selbst Milliardäre können sich logischerweise nicht mehr Zeit dazu kaufen. Und auch wenn wir irgendwann große Durchbrüche in der Medizin erzielen und Menschen nicht mehr sterben müssen, wird das Universum dennoch nur für einen endlichen Zeitraum existieren. Irgendwann ist – so zumindest der aktuelle Stand der Kosmologie – Schluss. Das Universum wird auf die ein oder andere Art und Weise sterben.

Wird verarbeitet …
Erledigt! Sie sind auf der Liste.

Was ist die Definition von Zeit? 

Zeit ist also ein knappes Gut, das steht fest. Aber dennoch dürfte es den meisten von uns schwer fallen, zu beschreiben, was Zeit eigentlich ist. Ist Zeit physikalisch greifbar? Wo hier im Raum ist die Zeit? Für unsere Zwecke reicht folgende Definition: Das Universum bewegt sich nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich, und zwar von einem Anfangspunkt, dem Urknall, hin zu einem Endpunkt. Die Zeit ist also ein linearer Ablauf der Dinge. Der bekannte Physiker John Wheeler hat es so formuliert: “Die Zeit ist das, was verhindert, dass alles gleichzeitig passiert.” In unserem Alltag ist die Zeit ein Fakt, egal, ob wir sie definieren können oder nicht. 

Ausdehnung des Universums
DIe Ausdehnung des Universums

Doch nun kommen einige australische Physiker mit einer wirklich schockierenden Nachricht um die Ecke: Die Zeit gibt es gar nicht! Aber wo wäre dann der Anfang dieses Beitrags und wo das Ende? Ganz so einfach ist die Sache nicht. Um die Nicht-Existenz der Zeit zu verstehen, müssen wir uns mit einigen Grundlagen der Physik vertraut machen. 

Die theoretischen Werkzeugkkästen der Physiker

Zum einen gibt es die einsteinsche Physik, vor allem die allgemeine und spezielle Relativitätstheorie und zum anderen die Quantenmechanik. Während die klassische einsteinsche Physik wunderbar die großen Abläufe im Kosmos erklärt, die Einflüsse von Zeit und Raum, ist die Quantenmechanik die klassische Theorie für die Abläufe im ganz Kleinen. Oftmals stehen klassische Physik und Quantenmechanik im scheinbaren Widerspruch. Kleinste Teilchen können etwa eine sogenannte Superposition einnehmen. Sie können also gleichzeitig zwei verschiedene Zustände aufweisen. In der klassischen Physik ist das undenkbar. Der Physiker Erwin Schrödinger hat etwa sein berühmtes Gedankenexperiment, Schrödingers Katze, aufgestellt, um darzulegen, dass die quantenmechanischen Regeln nicht auf die klassische Physik anwendbar sind. Eine Katze kann nicht gleichzeitig tot und lebendig sein. Ein Elementarteilchen hingegen kann gleichzeitig verschiedene Drehrichtungen, sogenannte Spins haben. Und erst, wenn man hinschaut, legt es sich auf eine fest. Schrödingers Katze war also nur ein Gedankenexperiment, um die Unmöglichkeit der Übertragbarkeit von quantenmechanischen Grundsätzen auf die normale Physik darzulegen.

Der Physiker Erwin Schrödinger und sein berühmtes Katzen-Experiment

Wie lösen wir den Konflikt zwischen Klassischer Physik und Quantenmechanik? 

Könnte es nicht eine vereinheitlichte Theorie geben, die beides unter einen Hut bringt? Die gibt es und die nennt sich String-Theorie. Bei der String-Theorie werden die kleinsten Teilchen des Kosmos durch Strings, also auf Deutsch Fäden, ersetzt, die in bis zu elf Dimensionen schwingen können. Eine extremst ausgetüftelte Theorie, an der Astrophysiker nun schon seit Jahrzehnten forschen – und keine definitiven Beweise für die Existenz der Strings gefunden haben. Deswegen haben sich im Laufe der Zeit auch andere Ansätze entwickelt, um die Regeln der klassischen Physik, vor allem die Schwerkraft, auch auf Quantenebene zu übertragen.

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Was ist die Schleifenquantengravitation?

Eine der bekanntesten Ideen ist die Schleifenquantengravitation, die davon ausgeht, dass das Gefüge von Raum und Zeit aus einem Netzwerk extrem kleiner diskreter Teile, sogenannter „Schleifen“, besteht. Die Hauptidee der Schleifenquantengravitation ist, dass der Raum selbst kein universales Gefäß ist, in dem sich die Naturgesetze abspielen, sondern, dass der Raum selbst ein Objekt ist, das den Gesetzen der Quantenphysik folgt. 

Den Quantenzustand des Raums beschreibt man dabei mit einem Netz von winzigen Schleifen, die jeweils einen gewissen Zustand haben können – ähnlich dem Spin eines Elementarteilchens in der Quantenphysik. Dadurch, dass der Raum selbst ein Quantenobjekt ist, lässt sich die Gravitation als Zustand der einzelnen Schleifen erklären und damit nur als eine quantenphysikalische Veränderung des gesamten Raums. So hätte man dann Relativitätstheorie und Quantenphysik unter einen Hut gebracht. 

Existiert die Zeit gar nicht?

Warum überhaupt diese kosmologischen Theorien in diesem Beitrag? Weil es in den meisten der Verbindungstheorien von klassischer Physik und Quantenmechanik, zum Beispiel in der Schleifenquantengravitation, keine Zeit gibt. Sie wird als Faktor einfach abgeschafft. Aber bedeutet dass auch, dass die Zeit nicht existiert? Weder in der Quantenmechanik noch in der Schleifenquantengravitation werden beispielsweise Schokokekse als Faktor erwähnt. Sie spielen für diese Theorien komischerweise keine Rolle. Dennoch sind wir uns ziemlich sicher, dass Schokokekse existieren. Doch diese Theorien beschreiben sehr wohl kleinste Teilchen, die sich dann zum Beispiel zu Schokokeksen zusammensetzen können. Schokokekse stehen also nicht im Widerspruch zur physikalischen Theorie.

Die Zeit im Universum
Existiert die Zeit?

Doch bei der Zeit sieht das anders aus. Keine der großen physikalischen Theorien sieht Teilchen vor, aus denen die Zeit bestehen könnte. Es gibt nichts, woraus sie sich zusammensetzen könnte. Wenn also die Zeit als Faktor in der Schleifenquantengravitation nicht vorkommt und auch keine Faktoren ersichtlich sind, aus denen Zeit sich zusammenbauen könnte, dann müssen wir davon ausgehen, dass die Zeit nicht existiert. Und vielleicht erklärt das auch, weshalb wir am Anfang solche Schwierigkeiten hatten, zu definieren, was Zeit ist. Weil es sie nicht gibt. 

Und jetzt? Was machen wir nun mit unserem Leben ohne Zeit? Dr. Sam Baron, einer der australischen Forscher, die in ihrem neuen Buch für die Nicht-Existenz der Zeit argumentieren, löst das Dilemma wie folgt auf: “Während die Physik die Zeit abschafft, scheint sie die Kausalität intakt zu lassen: den Sinn, in dem eine Sache eine andere bewirken kann. Vielleicht sagt uns die Physik also, dass Kausalität und nicht Zeit das grundlegende Merkmal unseres Universums ist.” Vielleicht war es schon immer nur die Kausalität, die unser Leben weitergebracht hat und nicht die Zeit. Eine Sache bewirkt eine Andere. Aktion und Reaktion. Wenn Ihr etwa unseren Newsletter abonniert, dann freuen wir uns – keine zeitliche Folge, sondern eine rein kausale. 

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