Schlagwort: urknall

Wird die Zeit immer langsamer?

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Eine Uhr vor dem Kosmos

Unser Verständnis der Zeit könnte komplett falsch sein – die Zeit könnte sogar dazu führen, dass der Weltraum bald einfach stoppt und alles vorbei ist. 

Schön, dass Ihr euch die Zeit nehmt, diesen Beitrag zu lesen. Aber: Was ist eigentlich Zeit? Dass die Zeit vergeht, ist eine absolute Naturkonstante unseres Lebens und letztlich das normalste der Welt. Aber je mehr man über die Zeit nachdenkt, desto verwirrender wird das Ganze. 

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Versucht mal, die Zeit in einem Satz zu definieren – ihr werdet feststellen, dass das gar nicht so einfach ist. Es gibt beispielsweise kein Elementarteilchen der Zeit, bei dem wir sagen könnten: Auf Quantenebene ist das die Zeit. Die Zeit ist einfach irgendwie da. Am ehesten wird es greifbar, wenn wir uns die Kosmologie, also die Entwicklung des Universums anschauen. 

Zeit: linearer Ablauf der Dinge

An einem gewissen Punkt in der Zeit geschah der Urknall, nach unseren Definitionen vor 13,8 Milliarden Jahren. Und dann sind andere Dinge geschehen wie die Entstehung der ersten Wasserstoffatome, dann die Bildung der ersten Sterne, die Geburt von Galaxien und jetzt sind wir hier, definitiv an einem anderen Punkt in der Zeit als der Urknall. 

Also ist die Zeit ein linearer Ablauf der Dinge, der, wie der berühmte Physiker John Wheeler gesagt hat, verhindert, dass alles gleichzeitig geschieht. Solche Kategorisierungen wie Vergangenheit und Zukunft sind vielleicht nur menschliche Einstufungen. Vielleicht hat einfach alles seinen eigenen Platz auf der Skala der Zeit. Das einzig Wichtige ist, dass keine zwei Ereignisse gemeinsam einen Punkt in der Zeit belegen können. Nichts ist wirklich jemals vorbei, es ist nur an einer anderen Stelle in der Zeit.

Symbolbild Zeit
Was bedeutet Zeit eigentlich?

Raumzeit: Zeit vergeht nicht gleich

Und dann gibt es noch einen anderen kuriosen Aspekt der Zeit. Sie vergeht nicht überall gleich. Wie Albert Einstein als erster entdeckte, sind Raum und Zeit untrennbar miteinander verbunden und bilden die Raumzeit. Diese Raumzeit lässt sich durch Masse verformen und je größer die Masse ist, desto stärker ist die Verformung der Raumzeit. 

Das ist der Grund, weshalb die Zeit in der Nähe Schwarzer Löcher anders vergeht als auf der Erde. Wer einige Minuten in der Nähe eines sehr massereichen Schwarzen Lochs verbringen würde, würde feststellen, dass auf der Erde mehrere Jahre vergangen sind. Man bezeichnet dies als die Relativität der Zeit. Das macht es nicht unbedingt einfacher zu begreifen, was die Zeit denn nun eigentlich ist. Und jetzt wird es noch verrückter. Man geht davon aus, dass, während die Zeit weiter in Richtung Zukunft vergeht, sich der Weltraum immer weiter ausdehnt. Seit dem Urknall kennt der Weltraum nur eine Richtung und zwar die des Wachstums. 

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Die Zeit verschwindet

Die Zeit vergeht also und die meisten Galaxien – mit einigen Ausnahmen – bewegen sich voneinander weg, so dass auch das Licht länger braucht, um von einer Galaxie zur anderen zu gelangen. Und diese Expansion wird sogar immer schneller, also mit jeder Sekunde die vergeht, legt der Weltraum noch einen Zahn zu. So stellen die meisten sich das vor. Nun haben aber einige Wissenschaftler eine Theorie entwickelt, die absolut unglaublich und unheimlicherweise sehr schlüssig klingt. Kurz gesagt lautet diese Theorie wie folgt: Der Weltraum dehnt sich gar nicht aus. Es gibt keine Expansion, sondern die Zeit vergeht einfach immer langsamer. Der Astronom Gary Gibbons von der Uni Cambridge sagt: “Wir glauben, dass die Zeit beim Urknall entstanden ist, und wenn die Zeit entstehen kann, kann sie auch wieder verschwinden – das ist genau der umgekehrte Effekt.”

Das klingt total verwirrend, aber denkt mal drüber nach und es wird euch einleuchten. Der Grund, weshalb das Licht scheinbar länger von einigen anderen Galaxien zu uns braucht, ist dieser Theorie nach nicht etwa, dass sich diese Galaxien im Zuge der Expansion entfernt hätten. Die Zeit vergeht einfach immer langsamer und langsamer und dementsprechend langsamer ist auch das Licht. 

Beschleunigung der Expansion des Kosmos
Die Zeit wird langsamer: Beschleunigt sich der Kosmos gar nicht? (Quelle: coldcreation -wikipedia)

Hilft die Dunkle Energie weiter?

Wenn wir diesen Gedankengang als Schablone auf die Realität des Kosmos legen, dann brauchen wir plötzlich keine beschleunigte Expansion mehr. Es lässt sich alles wunderbar mit einem “langsamer werden” der Zeit begründen. Das bedeutet nicht, dass die Forscher, die diese Theorie entwickelt haben, davon ausgehen, dass es nie eine Expansion gab. Demnach fand nach dem Urknall schon ein Größerwerden des Kosmos statt, logisch, denn ganz am Anfang war der Weltraum ja winzigst klein, wenn wir uns umsehen, dann können wir ja direkt feststellen, dass er seitdem gewachsen sein muss. 

Aber die sich nun beschleunigende Expansion des Universums, die braucht es nach dieser Zeitverlangsamungstheorie nicht mehr. Und das trifft sich sehr gut, denn kein Mensch weiß oder kann nachweisen, weshalb der Weltraum immer schneller wächst. Und es ist auch eher anti-intuitiv, denn man würde eigentlich meinen, dass die Beschleunigung der Expansion sich verlangsamen müsste, je länger der Urknall zurück liegt. Um dieses Rätsel aufzulösen, haben Kosmologen das Konzept der Dunklen Energie entwickelt.

Verlangsamung der Zeit schlägt Dunkle Materie?

Das hat nichts mit der dunklen Seite der Macht zu tun, sondern es handelt sich um eine mysteriöse Kraft, die den Kosmos eben immer weiter zum Wachsen bringt. Aber ohne handfesten Beweis ist das nicht so überzeugend, also warum nicht mit den Naturkonstanten arbeiten, die wir zweifelsfrei kennen, wie die Zeit. Mit der Zeitverlangsamungstheorie kämen wir elegant um die bisher nicht nachweisbare Dunkle Energie herum. Die beiden spanischen Forscher, die die Theorie entwickelt haben, sagen: “Wir sagen nicht, dass die Expansion des Universums selbst eine Illusion ist. Was wir als Illusion bezeichnen, ist die Beschleunigung dieser Ausdehnung.”

Das klingt alles sehr schlüssig, aber es hat auch eine etwas erschreckende Komponente. Denn wenn das, was wir gemeinhin als die Expansion des Universums wahrnehmen, in Wahrheit nur eine Verlangsamung der Zeit ist, worauf läuft das dann am Ende hinaus? Richtig, darauf, dass die Zeit irgendwann stehen bleibt. Sie wird immer langsamer und langsamer bis wir irgendwann den zeitlichen Nullpunkt erreichen. Wenn die Zeit nicht mehr dafür sorgt, dass die Dinge ablaufen, dann friert einfach alles ein. Ohne Zeit gibt es keine kausalen Abläufe mehr, ohne Zeit ist das Universum tot. Dann wird alles erstarren, wie ein Schnappschuss eines Augenblicks, für immer. Also denkt dran, in diesem Moment in einigen Milliarden Jahren, wenn die Zeit dann einfriert, noch mal richtig nett zu lächeln, denn das wird euer Gesichtsausdruck für die Ewigkeit danach sein.

Menschen vor einer großen Uhr
Wenn die Zeit stehen bleibt: Was ist dann?

Zeitverlangsamung nicht wahrnehmbar

Jetzt könnte man natürlich einwenden, dass wir ja dann auch hier auf der Erde merken müssten, dass die Zeit langsamer vergeht. Jeder der schon mal um 8 Uhr Morgens Uni-Vorlesung hatte, weiß ja, dass die Zeit auf der Erde bisweilen sehr langsam vergehen kann. Aber Spaß beiseite, der Grund, weshalb wir das auf der Erde nicht merken würden, ist, dass wir hier über gigantische Zeiträume sprechen. In der kurzen Zeit, in der wir Menschen überhaupt erst Weltraumforschung betreiben, könnte man eine solche Veränderung nicht aktiv wahrnehmen. 

Insgesamt ist die Idee der Zeitverlangsamung aber natürlich trotzdem nur eine Theorie und keinesfalls bewiesen. Aber genau so ist auch die Dunkle Energie nur eine Theorie und keinesfalls bewiesen. Es ist jedenfalls eine spannende Überlegung, die dafür sorgt, dass wir uns Gedanken darüber machen, was Zeit eigentlich genau ist.

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Hawking-Punkte: Hinweis auf anderes Universum gefunden

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Cyclic Conformal Cosmology Theorie

Ist und war unser Universum immer das einzige? Es gibt jetzt einen handfesten Hinweis dafür, dass vor unserem Universum bereits ein anderes existiert hat. 

Jedem Anfang wohnt ein Zauber inne, sagte schon Hermann Hesse. Und im Falle unseres Universums ist das definitiv wahr, denn der Anfang des Kosmos war spektakulär. Laut den meisten Kosmologen begann alles in einem singulären Ereignis namens Urknall. Vor circa 13,8 Milliarden Jahren war das gesamte Universum, all die Materie und Energie, aus der Planeten, Sterne, ganze Galaxien und auch Ihr besteht, in einem winzigen Punkt zusammengequetscht, der keinerlei Ausdehnung besaß. Er war also noch nicht mal einen Millimeter groß, eine sogenannte Singularität. Neben dem Punkt war nichts und aus ominösen Gründen begann er dann zu expandieren. Der Urknall war die Geburt des Universums. 

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Der Start mit dem Uratom

Entgegen des Namens gab es aber keinen Knall. Der Begriff Urknall wurde vielmehr von den Kritikern der Theorie erfunden, um sie lächerlich zu machen. Im frühen 20. Jahrhundert stellte der Physiker und Priester George Lemaître aus Belgien die Theorie eines expandierenden Universums, das in einem singulären Ereignis begann, auf und nannte das ganze “Uratom”. Da damals aber noch die gesamte physikalische Fachwelt, inklusive Albert Einstein, von einem statischen Universum ausging, das sich nicht vergrößert, fanden alle Lemaîtres Theorie unsinnig und wollten ihn mit dem Begriff “Urknall” diskreditieren. Ein schönes Beispiel dafür, dass Wissenschaft sich immer weiter entwickelt und gute Wissenschaft sich dadurch auszeichnet, sich selbst und den Status Quo zu hinterfragen. 

Foto von den drei Wissenschaftlern Millikan, Lemaître und Einstein
Die drei Wissenschaftler Millikan, Lemaître und Einstein

Natürlich ist auch heute die Urknalltheorie nicht in Stein gemeißelt, auch wenn sie derzeit die beste Erklärung für die Entwicklung des Kosmos ist, die wir haben. Aber es gibt viele offene Fragen, vor allem: Was war vor dem Urknall und wie wird der Kosmos enden? Das ist schwer herauszufinden, doch was Forscher jetzt entdeckt haben, wird euch aus den Socken hauen, versprochen! 

Das Modell des Cyclic Conformal Cosmology

Am Anfang der Forschung stand eine Hypothese vom berühmten Mathematiker und Physiker Roger Penrose. Er hat ein kosmologisches Modell namens Cyclic Conformal Cosmology, kurz CCC, entwickelt. Im Prinzip beschreibt er damit ein zyklisches Universum, also ein Universum, das niemals aufhört, weil es immer wieder von vorne anfängt. Die Idee ist nicht neu. Sicherlich habt Ihr schon mal vom Big Bounce gehört, also der kosmologischen Theorie, die besagt, dass unser Universum weiter expandiert, bis es dann irgendwann in einen Schrumpfprozess übergeht und wieder zu einer winzigen Singularität wird. 

Cyclic Conformal Cosmology
Cyclic Conformal Cosmology: Es gab und gibt mehrere, aufeinander folgende Universen

Aber Penroses CCC-Theorie ist anders, den kosmischen Schrumpfprozess gibt es dort nicht. Er stellt sich das Ganze wie folgt vor: Das Universum wächst und ist irgendwann so riesig, dass schon längst alle Sterne gestorben und die letzten Schwarzen Löcher verdampft sind durch die sogenannte Hawking-Strahlung. Alles, was je existierte, hat sich in diesem ultimativen Endstadium des Kosmos aufgelöst. Die Entfernungen sind so unvorstellbar groß, dass selbst das Konzept der Raumzeit hinfällig wird. Das Universum ist nur noch ein eigenschaftsloser, undefinierbarer Blob. 

Expansion des Kosmos nimmt zu

Der Kosmos verliert im Endstadium der Expansion all seine Eigenschaften, selbst seine Größe und ist dadurch de facto wieder zu einer Singularität geworden. In diesem Stadium sind nun die Bedingungen für einen neuen Kosmos gegeben. Penroses CCC-Idee ist ein zyklisches Universum, das niemals schrumpft, sondern nur wächst. Und das passt wunderbar zu den Beobachtungen, die wir derzeit über den Kosmos machen. 

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Man hat festgestellt, dass die Expansion des Kosmos nicht abnimmt, sondern immer schneller wird. Vorausgesetzt, wir leben wirklich in Penroses CCC-Universum, müsste man das nicht irgendwie überprüfen können? Vielleicht irgendwelche schwachen Rückstände des vorherigen, nun gestorbenen Universums aufspüren? Wie geisterhafte Spuren aus einem vergangenen Leben?

B-Modes in der kosmischen Hintergrundstrahlung

Die geisterhaften Beweise konnten von Forschern tatsächlich aufgespürt werden. Sie zeigen sich in Form von wirbelnden Polarisationsmustern, den so genannten B-Modes, in der kosmischen Hintergrundstrahlung. Klingt kompliziert, deswegen dröseln wir das mal komplett auf. Was ist die kosmische Hintergrundstrahlung? Ihr kennt das, wenn man morgens aufsteht, braucht man erst mal ein wenig Zeit, um in Fahrt zu kommen. Nicht anders ging es dem Kosmos. Erst ungefähr 380.000 Jahre nach dem Urknall war das Universum bereit zu starten. Ihm ging genau in diesem Moment im wahrsten Sinne des Wortes ein Licht auf, das bedeutet, dass plötzlich Strahlung ausgesendet wurde, genauer gesagt: die kosmische Mikrowellenstrahlung. 

Das Universum wurde dadurch durchsichtig. Bis zu diesem Moment können wir zurückschauen. Wir sehen dort eine gigantische uns überall umgebende Wand von eben dieser Mikrowellenstrahlung. Man nennt dies die kosmische Hintergrundstrahlung. In dieser Hintergrundstrahlung sehen wir Strahlungs- und Temperaturunterschiede aus dem frühesten Universum und vielleicht auch Abdrücke aus dem Vorgängeruniversum. Denn die These von Roger Penrose und anderen Forschern ist, dass die eben erwähnen B-Modes, diese Polarisationsanomalien in der Hintergrundstrahlung Überbleibsel von Schwarzen Löchern aus einem toten Universum sind. 

Diagramm von B-Modes in der Hintergrundstrahlung
B-Modes in der kosmischen Hintergrundstrahlung

Anomalien in der Hintergrundstrahlung

Konkret geht es um 20 solcher B-Modes, die von einem Mikrowellensensor namens BICEP-2, der in der Antarktis aufgebaut ist, im Jahr 2014 gesammelt wurden. Penrose geht davon aus, dass diese Anomalien in der Hintergrundstrahlung sogenannte Hawking-Punkte sind. Schwarze Löcher sind die faszinierendsten und auch langlebigsten Objekte im Kosmos. Viele dieser Schwerkraftmonster werden alles andere im Kosmos, jeden Stern, jede Galaxie, überdauern. Doch wie Stephen Hawking herausfand, ist selbst das nicht für immer. Schwarze Löcher verdampfen. Sie verlieren in einem langsamen Tempo Masse. Und wie? Im Weltraum finden sich permanent Paare von Teilchen und Anti-Teilchen – wenn die sich treffen, löschen sie sich gegenseitig aus.

Aber was ist, wenn so ein Teilchen-Anti-Teilchen-Pärchen genau auf der Grenze des Schwarzen Lochs entsteht, hinter der nichts mehr entkommen kann, dem sogenannten Ereignishorizont. Dann kann es passieren, dass das Teilchen auf der sicheren Seite außerhalb des Ereignishorizonts steht, aber das Anti-Teilchen auf der falschen Seite und nun in das Zentrum des Schwarzen Lochs gesogen wird. Das Anti-Teilchens hat allerdings eine negative Energie, die Masse des Schwarzen Lochs nimmt dann ab. Das dem Schlund entkommene Teilchen hingegen wird als Hawking-Strahlung fortgeschleudert. Also kurzgesagt: Ein masseverringerndes Anti-Teilchen fällt ins Schwarze Loch, das theoretisch den Effekt ausgleichende Teilchen wird hingegen weggeschleudert, sodass das Schwarze Loch insgesamt leichter wird. Die Hawking-Strahlung ist also sowas wie Weight Watchers für Schwarze Löcher.

Dieser Prozess des Verdampfens durch Hawking-Strahlung zieht sich über Ewigkeiten. Wie gesagt, Schwarze Löcher werden noch als letzte Objekte da sein, wenn bereits alles andere gestorben ist. Aber, wenn man ein Schwarzes Loch Milliarden Jahre lang beobachten und aufzeichnen könnte, dann würde sich die Hawking-Strahlung in ihrer Summe als deutlicher Effekt spürbar machen. Das wäre dann ein Hawking-Punkt. 

Schwarze Löcher hinterlassen Hawking-Punkte

Kleiner Einwand: Schwarze Löcher können wir ja gar nicht so lange beobachten. Wirklich nicht? Vielleicht ja doch, wenn die Schwarzen Löcher aus dem vorherigen Universum ihre Hawking-Punkte in der Hintergrundstrahlung hinterlassen haben. Genau das ist Penroses Idee: dass die Nachwirkung des Verdampfens der Schwarzen Löcher den Tod des einen Universums überdauert und in das neue hinüberstrahlt und dann als Artefakt in der Hintergrundstrahlung abgebildet wird. 

Es klingt unglaublich, aber die Anomalien in der Hintergrundstrahlung könnten das Echo von verstorbenen Schwarzen Löchern aus einem vergangenen Universum sein.

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James Webbs kuriose Galaxien: Doch kein Urknall?

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Darstellung von James-Webb-Teleskop vor dem Urknall

Hat das James-Webb-Teleskop den Urknall widerlegt? Das wird nun immer öfter behauptet und einige Entdeckungen könnten tatsächlich darauf hindeuten. 

Es ist vielleicht DIE größte kosmische Frage überhaupt: Wie hat eigentlich der Weltraum begonnen? Es ist doch so: Man schaut nachts in den Sternenhimmel und ist überwältigt davon, man fühlt sich ratlos und ist erstaunt darüber, dass diese wunderbare Welt existiert. Nur, wie kam das alles überhaupt? 

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Durch die Beobachtung fremder Galaxien und vor allem die Messung der Entfernung zwischen unserer Milchstraße und anderen, weit entfernten Galaxien konnte man sich in den letzten Jahrzehnten ein schlüssiges Bild von der Entwicklung des Kosmos machen, von der sogenannten Kosmologie. Hier ist der aktuelle Stand der Kenntnisse: Unser Universum ist ein mehrdimensionaler, mindestens vierdimensionaler Raum, der gefüllt ist mit hunderten Milliarden, vielleicht über einer Billionen Galaxien, die wiederum jeweils Milliarden Sterne und Planeten enthalten. Dieser Raum, gefüllt mit den Galaxien, expandiert. Der Kosmos  wird immer größer und die meisten Galaxien entfernen sich voneinander. Der Kosmos ist wie ein Rosinenkuchen. Man steckt den Teig mit den Rosinen in den Ofen. Aufgrund der Hefe backt der Kuchen auf, wird größer und währenddessen bewegen die Rosinen sich voneinander weg. Der Weltraum ist also der Teig, die Galaxien die Rosinen und die Hefe ist die ominöse Dunkle Energie und die Kraft des Urknalls. Und damit wären wir beim Thema, denn der Beginn dieser ganzen kosmologischen Entwicklung war nach der Ansicht der allermeisten Wissenschaftler der Urknall. 

James Webb Deepfield
Jede Menge Galaxien: Das Deep Field von James Webb

Als die Singularität zu wachsen begann

Grob gesagt, war die gesamte Materie und Energie des Kosmos, alles was es gibt, in einer winzigen Singularität, also einem Punkt ohne Ausdehnung zusammengequetscht. Ihr wart irgendwie also schon dabei. Neben und vor dieser Ursingularität war nach dieser allgemein anerkannten Theorie nichts. Plötzlich begann die Singularität zu wachsen und zu wachsen. Anfangs war der Kosmos winzig klein wie ein Staubkorn, dann wie ein Fußball und dann immer größer bis heute. 

Die Energie des Urknalls wirkt immer noch nach und wird ergänzt durch die Dunkle Energie, die dafür sorgt, dass der Kosmos nicht langsamer wächst oder gar schrumpft, sondern dass er immer schneller immer größer wird. Sozusagen eine Art Super-Hefe. Dieses Anfangsereignis kann man ziemlich genau auf einen Zeitpunkt von vor 13,8 Milliarden Jahren zurück rechnen. So weit, so gut, ist ja eigentlich alles geklärt. 

Die älteste Galaxie des Kosmos

Leider ist es doch nicht so unkompliziert. Denn jetzt kommt das James-Webb-Teleskop ins Spiel. Dieses revolutionäre Weltraumteleskop versorgt uns seit einigen Wochen mit fantastischen Bildern des Kosmos und hat wohl schon die Rekorde früherer Weltraumteleskope wie Hubble gebrochen und direkt mehrere Kandidaten für die älteste Galaxie des Kosmos aufgespürt. Und diese Galaxien sind gelinde gesagt… seltsam. Einige von ihnen sehen wir so, wie sie nur 200 bis 300 Millionen Jahre nach dem Urknall aussahen. Zur Erinnerung: Der Urknall geschah vor fast 14 Milliarden Jahren, diese Galaxien waren schon wenige 100 Millionen Jahre danach da. Jetzt könnte man ja sagen: Ok, kein Problem, auch Galaxien müssen ja mal klein anfangen… Grundsätzlich ja, aber diese Galaxien sind voll ausgebildet. Sie sind so leuchtstark wie unsere Milchstraße, besitzen hunderte Milliarden Sterne und eine Masse, die mit ausgewachsenen Galaxien mithalten kann. Das bedeutet wahrscheinlich, dass sie in ihrem Zentrum auch schon schwere supermassive Schwarze Löcher haben. Einfacher gesagt: Es handelt sich nicht um kosmische Babies, sondern um ausgewachsene, fertige Galaxien. Und das so kurz nach dem Urknall. 

Symbolbild für James-Webb-Teleskop
Das James-Webb-Teleskop liefert bahnbrechende Erkenntnisse

Der durchschnittliche Stern existiert zehn Milliarden Jahre lang. Wenige 100 Millionen Jahre sind für Sterne also wirklich noch Kindesalter. Die Tatsache, dass James Webb Galaxien entdeckt hat, die schon so erwachsen sind, ist zumindest sehr kurios. Und hat in der astronomischen Szene zu einiger Unruhe geführt. 

Das Problem mit den Zitaten des Eric Lerner

Seit einigen Tagen geistern sogar vermeintliche Zitate von Kosmologen durch die Medien, in denen behauptet wird, James Webb hätte den Urknall widerlegt. Die Hintergrundstory ist ein wenig kurios, denn diese Zitate wurden vom amerikanischen Populärwissenschaftler Eric Lerner in die Welt gesetzt, der schon seit langer Zeit gegen den Urknall argumentiert. Das Problem ist nur, dass die von Lerner zitierten Kosmologen bestreiten, diese Dinge jemals in diesem Zusammenhang behauptet zu haben. Zum Beispiel hat Eric Lerner in einem viel geteilten Artikel die Astronomin Allison Kirkpatrick mit den Worten zitiert: “Im Moment liege ich nachts um drei Uhr wach und frage mich, ob alles, was ich getan habe, falsch war.” Und behauptet, dass sie damit den Urknall anzweifeln würde. Allerdings ist die Aussage komplett aus dem Zusammenhang gerissen und Allison Kirkpatrick hat nun sogar ihren Twitternamen in Allison the Big Bang happened Kirkpatrick geändert, um zu zeigen, dass sie fehlerhaft zitiert wurde. 

Allison Kirkpatrick hat sich noch etwas ausführlicher zu der Sache geäußert und zwar wie folgt: “Wir als Wissenschaftler haben die Verantwortung, die Öffentlichkeit aufzuklären, und ich nehme diese Verantwortung sehr ernst. Wenn man die Öffentlichkeit absichtlich in die Irre führt, wird es für sie schwierig, echten Wissenschaftlern zu vertrauen und Fakten von Fiktion zu unterscheiden.”

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Starke Beweise für Urknall bleiben bestehen

Die Situation ist ein wenig undurchschaubar. So oder so existiert aber gerade jede Menge Unruhe über die Funde von James Webb. Und eine wirkliche Erklärung gibt es für die rätselhaften Entdeckungen noch nicht. Aber – und das ist ein großes aber – das bedeutet nicht, dass die Urknalltheorie widerlegt sei. All die Hinweise, die auf ein Ereignis wie den Urknall hindeuten, sind noch da. Die Expansion des Universums, die kosmische Hintergrundstrahlung, die uns beweist, dass der Weltraum einst viel kleiner war und der Umstand, dass es eine gewisse Raum- und Zeitgrenze des Universums zu geben scheint, hinter die wir schlicht nicht schauen können. 

All diese Fragmente sind starke Anhaltspunkte dafür, dass das Universum in einem singulären Ereignis begonnen hat. Und die Mehrheit der Kosmologen hält trotz der James-Webb-Funde weiterhin am Urknall fest. Die kuriosen Galaxien, die James Webb gefunden hat, deuten womöglich “nur” darauf hin, dass wir vielleicht beim Alter des Universums falsch liegen.

Vielleicht hatten diese Galaxien doch mehr Zeit, um sich zu entwickeln und unsere Altersschätzung von 13,8 Milliarden Jahren ist falsch. Aber das bedeutet doch nicht, dass es keinen Anfangspunkt gab. Gegner der Urknalltheorie müssen sich letztlich auch die Frage gefallen lassen, wie der Weltraum denn dann begonnen hat. Die Expansion des Kosmos zeigt uns eindeutig, dass der Weltraum eine Entwicklung durchläuft. Was war der Anfang dieser Entwicklung, wenn man den Urknall ablehnt? 

Also: Die James-Webb-Entdeckungen sind revolutionär und sicherlich rütteln sie an unseren bisherigen kosmologischen Thesen über das Alter des Universums. Aber am Urknall selbst? Wohl eher nicht. 

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Statt Urknall: Die kosmische Inflation

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Urknall oder Kosmische Inflation

Ist der Urknall doch nicht der Anfang des Universums? Das behaupten immer mehr Wissenschaftler. Aber würde das nicht all unsere Erkenntnisse über den Kosmos über den Haufen werfen? 

Irgendwie ist es schon ein wenig seltsam, wenn man länger drüber nachdenkt: Wir sitzen hier auf dieser Kugel, die um einen gigantischen Wasserstoffball rotiert und die Atome in unserem Kopf sind genau richtig angeordnet, so dass wir in der Lage sind, uns Gedanken über den Kosmos zu machen. Dieser Kosmos beinhaltet Milliarden von Galaxien, gigantische Sterneninseln, von denen die meisten sich voneinander weg bewegen, weil der Kosmos als Ganzes expandiert. Seien wir mal ehrlich: Das klingt doch so, als hätte sich irgendein höheres Wesen diese Szenen nur ausgedacht. 

Und es wird noch kurioser: Nach Ansicht der meisten Astrophysiker hat die Expansion des Kosmos in einem singulären Ereignis begonnen: dem Urknall. Alles, was existiert, all die Materie des Universums, all die Energie, alles, woraus Planeten und Sterne bestehen, alles woraus Ihr besteht, war in einem winzigen Punkt ohne Ausdehnung zusammengequetscht, in einer Singularität. Aus ominösen Gründen begann dieser Punkt zu expandieren und nun, 13,8 Milliarden Jahre später, sind wir irgendwie hier gelandet. 

Woher stammt der Name Urknall?

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Das Wort Urknall ist übrigens irreführend und wurde ursprünglich von den Kritikern der Theorie entwickelt. Der belgische Physiker und Priester George Lemaître entwickelte im frühen 20. Jahrhundert die Urknalltheorie und nannte das Ganze Uratom. Damals ging allerdings die komplette Mainstreamwissenschaft davon aus, dass das Universum statisch sei. Man wollte George Lemaître daher lächerlich machen und entwickelte das Wort Urknall. 

Heute wissen wir, dass George Lemaître grundsätzlich Recht hatte: Der Weltraum ist nicht statisch, seine Expansion kann durch moderne Beobachtungstechnik als definitiv bewiesen gelten und es sieht alles danach aus, als hätte es ein kosmisches Anfangsereignis gegeben. Wir können auch bis fast dahin zurückgucken, aber nicht ganz. 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. Man nennt dies die kosmische Hintergrundstrahlung. 

War der Urknall wirklich der Beginn von allem?

Da damals das Universum viel kleiner war als heute, ist es für Kosmologen sehr praktisch, diese kosmische Hintergrundstrahlung nach Elementen abzusuchen, um mehr über das frühe Universum zu lernen. Doch hinter die kosmische Hintergrundstrahlung zu schauen, gestaltet sich als schwierig und deswegen ist höchst umstritten, wie genau das Anfangsereignis des Universums aussah und ob es wirklich eine Singularität war, wie meistens behauptet wird. Und tatsächlich sagen immer mehr Astrophysiker: Das mit der Singularität könnte die falsche Fährte sein. Der amerikanische Astrophysiker Ethan Siegel sagt: “Die Vorstellung eines singulären Beginns von Raum, Zeit und Universum war lange Zeit als Urknall bekannt. Doch als wir genau hinsahen, stellten wir fest, dass das Universum eine andere Geschichte erzählte. Die Extrapolation bis zu einer Singularität führt zu Vorhersagen, die nicht mit dem übereinstimmen, was wir beobachten.”

Singularitäten stehen ohnehin ein wenig auf Kriegsfuß mit den Gesetzen der klassischen Physik. Ein unendlich verdichteter Punkt ohne Ausdehnung lässt sich mit den einsteinschen Gesetzen der Relativitätstheorie nicht beschreiben. Deswegen behelfen sich die meisten Astrophysiker einfach, indem sie sagen, dass am Anfang des Universums eben alles noch so kurios war, dass die Gesetze der Physik da nicht wirklich funktioniert haben. Aber selbst wenn man die anfängliche kosmische Singularität als gegebenes Kuriosum hinnimmt, ergeben sich weitere Probleme. 

Was gegen den singulären Start des Weltalls spricht

Laut Ethan Siegel gibt es vor allem drei Umstände unseres Universums, die nicht wirklich zu einem singulären Beginn passen, und zwar: 

  1. Warum gibt es, wenn das Universum diese ultrahohen Energien schon früh erreicht hat, keine hochenergetischen Relikte (wie magnetische Monopole), die durch die Urknalltheorie eigentlich vorhergesagt werden?
  2. Warum hat das Universum in allen Richtungen mit einer Genauigkeit von 99,997 % genau die gleiche Temperatur, obwohl das Universum noch nicht lange genug existiert, um die verschiedenen Regionen zu thermisieren und einen Gleichgewichtszustand zu erreichen?
  3. Warum wurde das Universum in einer vollkommen flachen Umgebung geboren, in der die gesamte Materie- und Energiedichte die anfängliche Expansionsrate perfekt ausgleicht?

Alles etwas kompliziert, aber für den Moment reicht es zu verstehen, dass die Urknalltheorie einige Dinge vorhersagt, die wir im Kosmos nicht feststellen können. Irgendwas passt also nicht so ganz. 

Kosmische Inflation als Alternative zum Urknall

Eine Alternative, die besser zu dem passt, was wir beobachten, könnte die kosmische Inflation sein. Astrophysiker wie Ethan Siegel sehen in ihr den eigentlichen Anfang des Kosmos. Die Idee ist im Prinzip simpel: Statt die Expansion so weit zurückzuführen bis wir in Bereiche kommen, die derart verdichtet und heiß sind, dass sie die Gesetze der Physik sprengen, gehen wir einfach nur so weit zurück, wie die Gesetze der Physik es zulassen. Und dann erhalten wir als Startpunkt des Kosmos nicht eine unendlich verdichtete Singularität, sondern bereits einen größeren Bereich, der gefüllt war mit einer bestimmten, definierbaren Energie und eine bestimmte, definierbare Dichte besaß und daher absolut im Einklang mit den physikalischen Gesetzen steht. 

Waren auch schon im Urknall drin: Die Ammoniten

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Dieser Inflationszeitraum ging – der Theorie nach – dem plötzlichen massiven Anwachsen des Universums, das wir bis heute spüren, voraus. Den Beginn des plötzlichen Anwachsens könnte man dann immer noch als Urknall bezeichnen, aber er geschah demnach eben nicht mehr aus einer mysteriösen Singularität heraus, sondern aus einem bereits existierenden Raum, einer Art kosmischen Ursuppe gefüllt mit undefinierter Energie. Ethan Siegel formuliert es so: “Vielleicht ging dem heißen Urknall eine Periode voraus, in der eine extrem hohe Energiedichte in der Struktur des Raums selbst vorhanden war, was dazu führte, dass sich das Universum inflationär ausdehnte, und dann, als die Inflation endete, wurde diese Energie in Materie, Antimaterie und Strahlung umgewandelt, wodurch das entstand, was wir als den heißen Urknall sehen: die Nachwirkungen der Inflation.”

Während also derzeit viele die Wirkung der Inflation in ihrem Portemonnaie merken, könnte auch unser gesamtes Universum ein Produkt kosmischer Inflation vor dem Urknall sein. Eine super faszinierende Theorie, die viele kosmologische Beobachtungen besser zu erklären vermag, als die Urknall-Singularitäts-Theorie. Aber ein Problem hat auch die Inflations-Erklärung: Sie liefert keine Antwort darauf, was vor der Inflation war, vor dem Beginn des Kosmos. Wodurch wurde die Inflationsphase ausgelöst? Gab es den energiegefüllten Vor-Urknall-Raum schon immer? Falls nicht, wer oder was hat ihn erschaffen?

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Ist die Schwerkraft schneller als das Licht? 

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Das Verhältnis von Schwerkraft und Licht

Nichts ist schneller als das Licht. Oder doch? Könnte es sein, dass die Schwerkraft schneller als das Licht ist? Und wir alle einsteinschen Naturgesetze über den Haufen werfen müssen? 

Wer genauer über die Schwerkraft nachdenkt, wird schnell verwirrt. Was ist Schwerkraft überhaupt? Der Nachweis eines Schwerkraftteilchens ist nach wie vor nicht gelungen und die Erklärung der Ursache dieser Kraft ist eines der größten Rätsel der Physik. Aber unabhängig davon, wie und ob die Gravitation quantenphysikalisch zu erklären ist, ist sie jedenfalls da. 

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Jeder beeinflusst die Raumzeit

Einer der verwirrendsten Aspekte der Gravitation ist, dass sie sofort, also instantan zu wirken scheint. Oder reist die Schwerkraft der Sonne, die die Erde festhält, etwa auch mit der Geschwindigkeit des Lichts zu uns? Um dieses Rätsel zu lösen, müssen wir etwas tiefer in die einsteinsche Physik eintauchen. Albert Einstein fand in seiner allgemeinen Relativitätstheorie heraus, dass Raum und Zeit untrennbar zusammengehören. Gemeinsam bilden sie die Raumzeit. Und Schwerkraft beeinflusst diese Raumzeit. Je schwerer ein Objekt ist, desto mehr wird die Raumzeit, die wir uns der Einfachheit wie eine Art Gitternetz vorstellen können, gekrümmt. Auch Ihr beeinflusst gerade durch euer Gewicht die Raumzeit.

Diagramm der Raumzeit

Eine weitere wichtige Erkenntnis Einsteins war, dass es eine maximale Geschwindigkeit im Kosmos gibt, diese bezeichnet man als Geschwindigkeit C. Die Relativitätstheorie besagt, dass sich die Geschwindigkeit von Licht, das sich durch ein Vakuum bewegt, nie verändert. Mit gerundet 300.000 Kilometern pro Sekunde hat Licht die höchste erreichbare Geschwindigkeit im Universum. Und das gilt übrigens nicht nur für Licht, auch wenn man landläufig immer von Lichtgeschwindigkeit spricht, sondern auch für alle anderen elektromagnetischen Wellen. 

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Warum nichts schneller als das Licht ist

Woraus ergibt sich diese maximale Geschwindigkeit? Ein Raumschiff, das durch den Kosmos fliegt, bewegt sich durch Raum und Zeit. Je schneller es sich durch den Raum bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit. Ihr erinnert euch an das Konzept der Raumzeit. Jetzt stellen wir uns ein Photon vor, ein Lichtteilchen. Das bewegt sich natürlich wesentlich schneller als ein Raumschiff, nämlich mit der maximalen Geschwindigkeit C. Diese Geschwindigkeit hat einen derart massiven Einfluss auf die Raumzeit, dass die Zeitkomponente komplett entfällt. Die Zeit wird so sehr verlangsamt, dass sie stillsteht – für das Licht existiert so gesehen keine Zeit. Und das stellt die maximale Ausreizung der Beziehung zwischen Raum und Zeit dar. Mehr als das Wegfallen der Zeitkomponente geht nicht und deswegen ist an diesem Geschwindigkeitspunkt die maximale Geschwindigkeit erreicht.

Das Licht von der Sonne braucht zu uns 8 Minuten – die Schwerkraft auch?

Warum ausgerechnet bei dieser Geschwindigkeit? Im Prinzip ist das die philosophische Frage, weshalb die Naturgesetze genau so sind wie sie sind. Es ist der Programmiercode unserer Realität. Wie die Gesetze der Matrix, die uns vorgeschrieben sind. Aber zurück zur Schwerkraft. Wie verhält sich die Gravitation in diesem Zusammenspiel von Geschwindigkeit, Raum und Zeit? 

Isaac Newton: Schwerkraft existiert ohne Zeit

Isaac Newton, der Entdecker der Schwerkraft, dem der Legende nach ein Apfel auf den Kopf gefallen sein soll, glaubte, dass sich diese Kraftwirkung ganz ohne zeitliche Verzögerung ausbreitet. Albert Einstein sagte in seiner Relativitätstheorie hingegen voraus, dass Gravitation sich ebenfalls nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegen könne. Was stimmt denn nun? Wirkt denn nicht die Schwerkraft der Sonne sofort auf uns? Würde die Sonne nun verschwinden, wäre ihre Schwerkraft dann sofort weg oder würde es rund acht Minuten dauern, bis wir es bemerken? Das ist die Zeit, die auch das Licht von der Sonne bis zur Erde benötigt. 

Der Entdecker der Schwerkraft: Isaac Newton

Ein Forscherteam der University of Columbia hat vor Jahren ein cleveres Experiment gestartet, um diese Frage ein für alle mal zu klären und dabei half ihnen das Planetenschwergewicht unseres Sonnensystems, der Jupiter. Der Jupiter ist doppelt so schwer wie alle anderen Planeten des Sonnensystems zusammen, er bringt ordentlich was auf die Waage. Und so sah das Experiment der Forscher aus: Während der Jupiter durchs Blickfeld zog, beobachteten die Forscher mit mehreren kombinierten Teleskopen das Licht eines Quasars, also dem aktiven, energiereichen Zentrum einer weit entfernten Galaxie. Die von Jupiter ausgehende Gravitationskraft lenkte das Licht dieses Quasars minimal ab. Sie nutzten den Jupiter also als eine Gravitationslinse. Daraus konnten die Wissenschaftler die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwerkraft berechnen. Eine ebenso einfache wie geniale Methode. 

Schwerkraft ist so schnell wie das Licht

Und das Ergebnis: Die Schwerkraft wirkt nicht instantan, sie breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Dies wurde später auch durch die ersten Messungen von Gravitationswellen bestätigt. Gravitationswellen bezeichnen eine Art Vibrieren der Raumzeit, wenn zwei massereiche Objekte kollidieren. Wenn beispielsweise zwei Schwarze Löcher verschmelzen, beginnt das Gitternetz der Raumzeit zu wackeln und dieses Wackeln wurde erstmals im September 2015 von Wissenschaftlern der LIGO-Kollaboration erfolgreich nachgewiesen, nachdem Albert Einstein es schon knapp 100 Jahre zuvor vorausgesagt hatte. Gravitationswellen sind nur möglich, wenn die Schwerkraft sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Nach der newtonschen Physik, der bis dahin noch einige Wissenschaftler anhingen, wäre eine solche Welle nicht denkbar, denn die Schwerkraftwirkung würde die Erde ja sofort erreichen. 

Entstehung von Gravitationswellen

Also lange Rede, kurzer Sinn: Gravitation bewegt sich ebenso schnell wie das Licht, obwohl dies lange umstritten war, kann es nun als bewiesen betrachtet werden. Ein paar Folgefragen stellen sich da aber trotzdem noch, zum Beispiel: Wenn das so ist, weshalb kann dann Licht ein Schwarzes Loch nicht verlassen, Gravitation aber schon? Diese Vorstellung beruht auf einer falschen Vorstellung eines Schwarzen Lochs. Das Schwarze Loch sendet keine Gravitation aus seinem Inneren aus, sondern das Schwarze Loch ist selbst das Gravitationsfeld. Anders gesagt: Gravitation muss das Schwarze Loch gar nicht erst verlassen, das Schwarze Loch an sich ist ein eingefrorenes Gravitationsfeld. Gravitation kann statisch sein. Gravitationswellen sind so schnell wie Licht.

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Leben wir in einem Schwarzen Loch?

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Schwarzes Loch

Befindet sich unser Universum in einem Schwarzen Loch? Dafür gibt es neue Hinweise. Was es damit auf sich hat, erfahrt Ihr in diesem Beitrag.

Wir könnten in einem Schwarzen Loch leben – und auch wenn Ihr jetzt denkt, dass ich vielleicht übergeschnappt bin: Ich bin mir sicher, dass ich euch gute Argumente dafür liefern kann. Starten wir mit einer Idee von Stephen Hawking. Hawking hielt es für möglich, dass jedes Mal, wenn in unserem Universum ein Schwarzes Loch erzeugt wird, ein “Baby-Universum” entstehen könnte, das nur für einen Beobachter zugänglich ist, der sich innerhalb des Ereignishorizonts des Schwarzen Lochs befindet. Was für ein faszinierender Gedanke: Stellt euch mal vor, Ihr würdet von der Gravitation eines Schwarzen Loches erfasst, übertretet den Ereignishorizont und vielleicht erwartet euch dann nicht der Tod sondern ein gänzlich neues, aufregendes Universum. 

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Wenn man diese Idee von Stephen Hawking weiterspinnt, dann liegt der Gedanke nahe, dass auch unser Universum sich in einem Schwarzen Loch befinden könnte. Der Astrophysiker Ethan Siegel hat sich damit beschäftigt und viele Indizien zusammengetragen, die diese Theorie wahrscheinlich erscheinen lassen: “Könnte unser Universum tatsächlich von einem schwarzen Loch hervorgebracht worden sein, das in einer Art großem “Mutteruniversum” entstanden ist, und gebären wir jedes Mal ein neues Universum, wenn ein neues schwarzes Loch entsteht? Das ist eine faszinierende Idee, die es wert ist, erforscht zu werden.”

Was ist ein Schwarzes Loch?

Dazu erstmal ein paar Grundlagen: Ein Schwarzes Loch ist ein Objekt, das verdichtet ist und so viel Schwerkraft besitzt, dass in einem gewissen Bereich selbst das Licht nicht mehr entkommen kann. Die Grenze dieses lichtverschluckenden Bereiches nennt man Ereignishorizont. Je schwerer das Schwarze Loch ist, desto weiter verschiebt sich der Ereignishorizont nach außen. Was hinter diesem Ereignishorizont geschieht, wissen wir nicht, denn, wenn dort selbst Licht nicht mehr herausdringt, dann kommen gar keine Informationen mehr heraus. Das bietet also jede Menge Raum für Spekulationen. 

Darstellung eines Schwarzen Lochs

Unser Universum ist ein mehrdimensionaler Raum, der permanent expandiert. Er expandiert zwar mit Überlichtgeschwindigkeit, so dass wir das Ende des Kosmos nicht erreichen können, aber entgegen weit verbreiteter Ansicht gibt es ein Ende – auch wenn es vermutlich nicht einfach eine Wand sein dürfte wie im Film die Truman Show. Oder vielleicht doch? Was wäre, wenn die Grenze unseres Universums der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs wäre, das sich in einem noch größeren Mutteruniversum befindet?

Größe des Ereignishorizontes = Größe des Universums?

Außergewöhnliche Behauptungen erfordern außergewöhnliche Beweise, hat schon Carl Sagan gesagt. Deswegen kommen hier nun einige Indizien, die eure Meinung ändern werden. Es gibt Schätzungen darüber, welches Gesamtgewicht das Universum wohl ungefähr haben müsste. Wenn man die Masse und Energie aller im sichtbaren Universum enthaltenen Teilchen zusammenzählt, kann man sich die Frage stellen: “Wie groß wäre der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs mit dieser Masse?” Und das Ergebnis: Der Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs mit der Masse unseres Universums wäre ungefähr so groß wie die Ausmaße des beobachtbaren Universums. Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass das ein Zufall ist? 

Vielleicht wehren sich einige von euch immer noch und sagen: Das Universum ist viel zu groß, das kann nicht in einem Schwarzen Loch zusammengequetscht sein… oder?!

Befinden wir uns in einer Singularität?

Dröseln wir das mal auf. Was würde das bedeuten, wenn unser Schwarzes Loch im Zentrum eines Schwarzen Loches wäre. Das würde in der Tat bedeuten, dass es komplett zusammengequetscht wäre – um es mal sehr wissenschaftlich zu formulieren. Denn das Schwarze Loch selbst ist ein stark verdichteter, kleiner Punkt, eine Singularität, eine Masseansammlung ohne Ausdehnung. Je mehr das Schwarze Loch verschluckt, desto schwerer wird die Singularität – aber nicht größer, denn die besondere Eigenheit einer Singularität ist ja gerade, dass sie immer unfassbar klein bleibt und eine so winzige Ausdehnung besitzt, dass man sie nicht mit irgendeiner Größenangabe beschreiben könnte. Dieses Konzept der Singularität bereitet den Physikern schon lange Kopfzerbrechen. Denn ein unfassbar verdichteter Punkt ohne Ausdehnung steht ein bisschen auf Kriegsfuß mit den Gesetzen der Physik. 

Selbst Albert Einstein hat oft versucht, um das Ergebnis herumzukommen, dass Schwarze Löcher und Singularitäten existieren könnten – obwohl seine entdeckten einsteinschen Gesetze die Existenz von Schwarzen Löchern und damit auch Singularitäten voraussagten. Es ist unglaublich, dass er es selbst nicht wahrhaben wollte. Lange Rede, kurzer Sinn: Da wir keine Ahnung haben, welche bizarren Gesetze das Wesen der Singularität bestimmen, könnte es möglich sein, dass wir uns innerhalb einer solchen Singularität befinden und es nicht wissen. 

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Die Expansion des Kosmos durch Dunkle Energie

Die passende Größe des Ereignishorizonts eines potentiellen Schwarzen Loches und die des beobachtbaren Universums sind ein starkes Indiz. Ein weiteres könnte die Expansion unseres Kosmos sein. Seit der Entstehung des Universums, nach weit verbreiteter Meinung im sogenannten Urknall, vor etwa 13,8 Milliarden Jahren wächst das Universum. Und begonnen hat es nach der Urknalltheorie in einer Singularität. Wie ein Schwarzes Loch. 

Der sichtbare Kosmos

Doch mysteriöserweise schwächt sich die Expansion nicht ab je länger der Urknall her ist – was ja zu erwarten wäre – sondern sie nimmt immer weiter zu. Warum ist unerklärlich und Physiker haben das Konzept der Dunklen Energie entwickelt. Dunkle Energie bringt den Kosmos scheinbar zum schnelleren Wachsen, aber niemand weiß, was Dunkle Energie ist. Wie wär’s damit: Dunkle Energie ist eine Interaktion unseres Kosmos mit dem Bereich außerhalb des Schwarzen Lochs, eine Interaktion mit dem Mutteruniversum. Vielleicht befindet sich das Schwarze Loch, in dem wir uns befinden, seit Anbeginn der Kosmologie in der Wachstumsphase, weil es weitere Materie verschluckt. Dadurch wird es schwerer und der Ereignishorizont, also die Grenze des beobachtbaren Universums, verschiebt sich nach außen. Ich weiß, es klingt fast zu nachvollziehbar, um wahr zu sein. 

Das Nichtvorhandensein Weißer Löcher

Und noch ein drittes Argument: Die Abwesenheit der Weißen Löcher. Klingt wie eine Fortsetzung zu Das Schweigen der Lämmer, meint aber einfach den Umstand, dass wir noch nie ein Weißes Loch in “freier Wildbahn” irgendwo im Kosmos entdeckt haben. Weiße Löcher sind das theoretische Gegenteil Schwarzer Löcher. Den Ereignishorizonts eines Schwarzen Loches kann man nicht mehr von innen nach außen überschreiten, man ist im Schwarzen Loch gefangen. Den Ereignishorizont eines Weißen Lochs kann man nicht von außen nach innen überschreiten, ihr kommt nicht rein. Man könnte also sagen, dass Schwarze Löcher Materie verschlucken, Weiße Löcher spucken sie wieder aus. Und die Verbindung zwischen einem Schwarzen Loch und einem Weißen Loch könnte eine Einstein-Rosen-Brücke sein, besser bekannt unter dem Begriff Wurmloch. 

So könnte es in einer Einstein-Rosen-Brücke aussehen

Und jetzt das Mysteriöse: Weiße Löcher sind nach Albert Einsteins Relativitätstheorie denkbar. Und bisher hat man eigentlich irgendwann noch alles entdeckt, was laut Einsteins Theorien denkbar ist – Weiße Löcher aber noch nicht. Vielleicht ja aus folgendem Grund: Unser Universum ist durch eine Einstein-Rosen-Brücke mit dem Mutteruniversum verknüpft. Und deswegen haben wir noch ein Weißes Loch gefunden, weil uns der Blick in das Mutteruniversum, jenseits unseres Ereignishorizonts nicht möglich ist. Und genau so gut könnte es sein, dass jedes Schwarze Loch in unserem Universum euch in einem Tochteruniversum aus einem Weißen Loch ausspucken würde. Schwarze Löcher als Eingang in ein Wurmloch, dessen Ausgang ein Weißes Loch in einem anderen Universum sind. 

Das waren nun einige Argumente für die Hypothese, aber man muss natürlich auch festhalten, dass es keine Beweise sind. Ethan Siegel schreibt: “Was leider fehlt, ist der entscheidende Schritt einer eindeutig identifizierbaren Signatur. Wir wissen nicht, ob unser Universum durch die Entstehung eines schwarzen Lochs entstanden ist, aber zum jetzigen Zeitpunkt ist es eine verlockende Möglichkeit, die wir nicht ausschließen sollten.” 

Ich finde die Indizien relativ stark, aber denke mir auch, dass die Schwarze-Loch-Hypothese einen großen Nachteil hat: Sie verlagert die Frage nach dem Ursprung unseres Kosmos wieder nur auf eine andere Ebene. Wir wüssten dann zwar, dass unser Universum innerhalb eines Schwarzen Lochs entstanden ist – aber wie ist das Mutteruniversum entstanden? Auch so? Aber was war dann der Anfang von allem?! Und schon stehen wir wieder vor der größten Frage von allen und sind nicht wirklich weiter gekommen. 

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Mit dem Universum stimmt was nicht

von By
Expansion des Universums

Astrophysiker sind angesichts neuer Daten absolut ratlos: Irgendwas stimmt mit dem Universum nicht. Müssen wir unsere Annahmen über die Physik über den Haufen werfen? 

Irgendwas stimmt mit dem Universum nicht. Den Eindruck könnte man derzeit auch jedes Mal bekommen, wenn man sich die Nachrichten ansieht. Aber darum geht es heute nicht, es geht um die Kosmologie. Neue Daten des Hubble Teleskops zeigen: Unser Verständnis des Universums passt hinten und vorne nicht zusammen. 

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Alles begann mit dem Urknall

Um das zu verstehen, gibt es zunächst ein paar grundsätzliche Fakten über das, was wir glauben, über die Kosmologie zu wissen. Das Universum begann nach herrschender Ansicht vor etwa 13,8 Milliarden Jahren mit dem Urknall. Alles, was es gibt, alles woraus Planeten bestehen, Sterne bestehen, alles woraus Ihr besteht, war in einem kleinen winzigen Punkt, einer sogenannten Singularität, zusammengequetscht. Zumindest die Grundlage dafür. Und aus ominösen Gründen begann diese Singularität plötzlich zu expandieren. Das Universum hat sich im Urknall selbst geboren. Am Anfang war es so klein wie eine Erbse, dann wie ein Keks und dann immer größer und größer.

Dunkle Energie treibt Expansion des Universums voran

Seitdem expandiert das Universum. Ob sich diese Expansion irgendwann mal abschwächen wird? Immerhin ist der Urknall fast 14 Milliarden Jahre her. Aber tatsächlich beschleunigt sich die Expansion des Universums – die Galaxien bewegen sich mit einer immer schnelleren Geschwindigkeit voneinander weg. Das ist unerklärlich und deswegen haben die Astrophysiker das Konzept der Dunklen Energie entwickelt. Es muss eine rätselhafte Kraft geben, die die Beschleunigung der Expansion antreibt. Was Dunkle Energie aber ist, weiß kein Mensch. Aber es muss sie in der ein oder anderen Form geben, ansonsten würde das Universum nicht immer schneller wachsen. 

Was bezeichnet die Hubble-Konstante?

So weit, so gut, das ist ganz grob zusammengefasst der aktuelle Stand der Kosmologie (in absoluter Kurzform natürlich). Der Vater der Kosmologie ist Edwin Hubble, der berühmteste amerikanische Astronom, der im frühen 20. Jahrhundert entdeckte, dass sich die meisten Galaxien voneinander weg bewegen. Nach ihm sind zwei Dinge benannt, die für diesen Beitrag wichtig sind: Die Hubble-Konstante und das Hubble-Weltraumteleskop. Die Hubble-Konstante bezeichnet die aktuelle Rate der Expansion des Universums. Da die Beschleunigung der Expansion sich verändert, braucht man diese Konstante und kann sie nicht einfach mit einer Zahl angeben wie z.B. 80 km/h oder so.

Edwin Hubble am Teleskop

Das Hubble-Teleskop war lange das beste Weltraumteleskop, das die Menschheit hatte – und es ist immer noch im Einsatz, obwohl jetzt bald das neue James-Webb-Teleskop seinen normalen Betrieb aufnehmen wird. Durch das Hubble-Teleskop haben wir viel über die Expansionsrate des Kosmos und die Position einzelner Galaxien gelernt, so dass man die Hubble-Konstante immer weiter präzisieren konnte. 

Auswertung der Hubble-Daten zeigt: Da stimmt was nicht

Aber jetzt kommt’s: Ein Forscherteam hat in mühsamer Arbeit nun Daten des Hubble-Teleskops ausgewertet, die seit über 30 Jahren erhoben wurden. Und diese Auswertung von Daten hat ergeben: Alles, was wir über die Expansion des Kosmos zu wissen glauben, passt nicht zusammen. Irgendwas kann nicht stimmen oder wir haben ein essentielles Detail noch nicht gefunden. Zwischen der Expansionsrate des Universums aktuell und der Expansionsrate des frühen Universums kurz nach dem Urknall gibt es eine Diskrepanz, die sich weder mit Theorien über die Dunkle Energie noch mit dem aktuellen Wissen über die Hubble-Konstante erklären lassen. Keine unserer vorhandenen kosmologischen Theorien können ansatzweise erklären, weshalb die Daten des Hubble-Teleskops diesen Unterschied zwischen den Expansionsgeschwindigkeiten des Universums in seinen jeweiligen Entwicklungsstufen ausgespuckt haben. 

Die von Hubble untersuchten Galaxien

Bei solchen Erkenntnissen, die das Verständnis der Astrophysik grundsätzlich durcheinander bringen, fragt man normalerweise immer zuerst: Das war doch bestimmt ein Messfehler, oder?! Aber in diesem Fall lässt sich das ausschließen. Angesichts der großen Hubble-Stichprobe besteht nur eine Chance von eins zu einer Million, dass sich die Astronomen aufgrund eines Messfehlers irren. Das Forscherteam hat über 40 Supernova-Explosionen ausgewertet, die über den gesamten Zeitraum von Hubbles Mission stattgefunden haben. Supernovae, die Explosion von Sternen am Ende ihrer Lebensspanne, eignen sich perfekt für Entfernungsbestimmungen im Weltraum. Der Leiter des Forschungsteams, Nobelpreisträger Adam Riess vom Space Telescope Science Institute sagt: “Wir haben eine vollständige Stichprobe aller Supernovae, die das Hubble-Teleskop in den letzten Jahrzehnten gesehen hat. Wir erhalten die präziseste Messung der Expansionsrate des Universums durch den Goldstandard der Teleskope.”

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Unbekannter Faktor sorgt für Diskrepanz

Wie hoch ist die Diskrepanz genau? Den Ergebnissen von Professor Riess zufolge liegen die Hubble-Messungen für die Expansion des Kosmos im nahen Bereich bei etwa 73 Kilometern pro Megaparsec. Berücksichtigt man jedoch die Beobachtungen des tiefen, frühen Universums, verlangsamt sich die Rate auf etwa 67,5 Kilometer pro Megaparsec. Megaparsec sind eine astronomische Längeneinheit für wirklich wirklich große Maßstäbe. Jetzt ist natürlich die Frage, wie diese erhebliche Diskrepanz zu erklären ist? Und warum selbst diese größte Auswertung von Hubble-Daten hinsichtlich der Expansionsrate keine Klarheit bezüglich der Hubble-Konstante gebracht hat. 

Im Prinzip bedeutet das, dass es einen gigantischen kosmologischen Faktor gibt, den wir einfach nicht kennen. Irgendein Faktor der Physik, der für diese extrem unterschiedlichen Ausbreitungsraten im lokalen und im frühen Universum sorgt, ist uns noch absolut unbekannt. Interessanterweise sieht Professor Riess das ganze locker. Er sagt: “Es ist am besten, die Expansionsrate nicht nach ihrem genauen Wert hinsichtlich der Zeit zu betrachten, sondern nach ihren Auswirkungen. Es ist mir egal, wie hoch der Expansionswert genau ist, aber ich möchte ihn nutzen, um etwas über das Universum zu lernen.”

Bringt James Webb die Auflösung?

Das neue James-Webb-Teleskop wird den Kosmos in noch nie dagewesener Genauigkeit untersuchen können. Es wird wie Hubble Entfernungsmessungen anhand von Supernovae und sogenannten Cepheiden vornehmen. Das sind Sterne, bei denen es extremst periodische Schwankungen in ihrer Helligkeit gibt. Anhand der Beziehung zwischen Leuchtkraft und Periodendauer dieser Sterne kann man sie zur Entfernungsmessung verwenden. James Webb wird uns vermutlich eine Antwort auf das Hubble-Paradoxon liefern und damit unser Verständnis des Kosmos revolutionieren. 

Cepheiden Periode

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Quantendomänenwand aus dem Labor

von By

Wissenschaftlern ist es gelungen, ein mysteriöses Quantenobjekt im Labor zu erschaffen, eine sogenannte Quantendomänenwand. Das könnte uns einen Durchbruch beim Bau eines Quantencomputers und sogar bei der Erforschung des Urknalls bescheren.

Die Quantenmechanik – also das Verhalten des Universums und seinen Objekten in kleinsten Maßstäben – ist ein ebenso komplexes wie faszinierendes Thema. Nun haben Forscher einen weiteren Durchbruch erzielt, der beim ersten Lesen nicht ganz einfach zu verstehen ist. Sie haben eine Quantumdomänenwand erschaffen.

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Eine solche Domänenwand ist ein Quantenobjekt und dementsprechend sehr klein. Die Forscher haben nicht irgendeine riesige Wand im Labor rumstehen und fragen, was sie damit tun sollen, sondern sie haben ein Objekt auf Quantenebene erschaffen, das am ehesten einer Art Wand nahe kommt.  Solche Domänenwände entstehen, wenn Atome bei sehr kalten Temperaturen gelagert werden. Es entsteht dann ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat. Das ist ein extremer Aggregatzustand, also im Prinzip ein Zustand wie flüssig oder gasförmig, nur eben viel extremer. Es handelt sich um ein System nicht unterscheidbarer Teilchen, in dem sich der überwiegende Anteil der Teilchen im selben quantenmechanischen Zustand befindet. Innerhalb des Bose-Einstein-Kondensat kann es geschehen, dass bestimmte Atome sich zu gemeinsamen Gruppen, also Domänen, zusammenschließen. Und eine Domänenwand ist die Verbindungsstelle zwischen mehreren Domänen innerhalb des Bose-Einstein-Kondensat.

Bose Einstein Kondensat

“Es ist wie eine Sanddüne”

Domänenwände wurden schon früher erforscht, aber bisher konnten sie noch nie im Labor nach Belieben erzeugt werden. Das ermöglicht den Wissenschaftlern sie auf neue Weise zu analysieren. Und dabei haben sie etwas Erstaunliches entdeckt: Es stellte sich heraus, dass die Wände sogenannte emergente Phänomene sind. Das bedeutet, dass sich die Wand als Gesamtes anders verhält und anderen physikalischen Gesetzen folgt als die einzelnen Teilchen aus denen sie besteht. Der beteiligte Physiker Kai-Xuan Yao von der University of Chicago hat dafür einen sehr schönen Vergleich gefunden: “Es ist wie eine Sanddüne in der Wüste – sie besteht aus Sand, aber die Düne insgesamt verhält sich anders als einzelne Sandkörner.”

Mit einer Sanddüne lässt sich eine Quantendomänenwand besser verstehen

Und was macht man jetzt mit diesen Quantendomänenwänden? Erst mal herausfinden, mit welcher Art physikalischer Gesetze wir es hier überhaupt zu tun haben, denn das Ganze ist auch für die beteiligten Forscher noch rätselhaft. Also grämt euch nicht, wenn Ihr es noch nicht komplett versteht – die Forscher verstehens auch nicht. Der Physiker Cheng Chin sagt etwas ratlos: “Wir haben viel Erfahrung mit der Kontrolle von Atomen. Wir wissen, wenn man Atome nach rechts schiebt, bewegen sie sich nach rechts. Aber wenn man hier die Domänenwand nach rechts schiebt, bewegt sie sich nach links.”

Parallelen zum frühen Universum

Wenn wir das Geheimnis der Quantenwände entschlüsseln, können sie uns vielleicht dabei helfen, die Geheimnisse des Urknalls und des frühen Universums zu lösen. Denn einige Kosmologen denken, dass ein rasant expandierendes Bose-Einstein-Kondensat verblüffende Parallelen mit dem frühen expandierenden Universum aufweist. Und bezüglich dieser Phase des Kosmos stellen sich Millionen ungeklärter Fragen: Teilchen, die einst zusammengeklumpt waren, expandierten schließlich und bildeten Sterne und Planeten. Die Erforschung von emergenten Phänomenen wie den Quantendomänenwänden könnte der Schlüssel zu der Antwort sein, wie aus zusammengepappten Teilchen im jungen Universum irgendwann all die schönen kosmischen Objekte wurden, die wir heute kennen.

Mit Quantendomänenwänden mehr über den Urknall lernen

Sobald mehr darüber bekannt ist, wie Domänenwände kontrolliert werden können, könnte dies aber auch Möglichkeiten für neue Quantentechnologien eröffnen. Cheng Chin sagt: “Es könnte Anwendungen für dieses Phänomen geben, wenn es darum geht, programmierbares Quantenmaterial oder Quanteninformationsprozessoren herzustellen. Es kann genutzt werden, um eine robustere Methode zur Speicherung von Quanteninformationen zu schaffen oder neue Funktionen in Materialien zu ermöglichen. Aber bevor wir das herausfinden können, müssen wir erst einmal verstehen, wie wir sie kontrollieren können.”

Quantenwände als Grundlage für Fortschritte in Quantentechnologie

Momentan handelt es sich also im wahrsten Sinne des Wortes erst mal nur um einen Quantensprung – also einen sehr kleinen Schritt nach vorne, aber letztlich könnte diese Fähigkeit, Quantenwände nach Belieben im Labor zu erschaffen, die Grundlage für unglaubliche neue Entwicklung in der Quantentechnologie sein. Und davon bin ich überzeugt: Irgendwann wird die Menschheit einen voll funktionsfähigen Quantencomputer herstellen, der die Rechenleistung aller bisherigen Geräte in den Schatten stellen wird und unsere Zivilisation auf ein komplett neues Level heben wird. 

Mehr über Quantendomänenwände erfahrt Ihr im folgenden Video:

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