Ist die Schwerkraft schneller als das Licht? 

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?

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

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

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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