Kwaku Ananse

Als Einstein die Allgemeine Relativitätstheorie formulierte, ging er noch von einem statischen, d.h. unveränderlichen Universum aus. Da sich die Himmelskörper durch ihre Masse gegenseitig anziehen und aufeinander zufliegen würden, fügte er seinen Gleichungen die kosmologische Konstante hinzu. Diese Konstante war ad-hoc, eine physikalische Ursache konnte Einstein nicht angeben.

Später wurde die sogenannte Rotverschiebung festgestellt. Das ist eine Veränderung des von einem Himmelskörper ausgesandten Lichtspektrums in Richtung größerer Wellenlängen, also Richtung Rot. Diese Verschiebung fällt umso stärker aus, je weiter dieser Himmelskörper von uns entfernt ist. Die damals gefundene Erklärung für diesen Effekt war, dass sich der Abstand aller Himmelskörper voneinander vergrößert. Die Himmelskörper fliegen aber nicht voneinander weg, sondern zwischen ihnen entsteht fortlaufend neuer Raum, das Universum selbst dehnt sich aus. Verfolgt man diesen Prozess nicht in die Zukunft, sondern in die Vergangenheit, dann gelangt man zu einem Zeit-Punkt, bei der das gesamte Universum aus einem winzigen Raum-Punkt entstanden sein muss. Die Urknalltheorie war geboren.

Einige Beobachtungen konnten mit dieser einfachen Form der Urknalltheorie jedoch nicht erklärt werden. Zum einen ist das Universum erstaunlich gleichförmig, egal in welche Richtung man schaut. Das betrifft die kosmische Hintergrundstrahlung und die Materieverteilung im heute für uns sichtbaren Bereich des Universums. Um dieses Problem theoretisch zu erklären, schlug Alan Guth 1980 die Inflationshypothese vor, also dass es unmittelbar nach dem Urknall eine kurze Zeitperiode gegeben haben könnte, in der sich das Universum mit Überlichtgeschwindigkeit ausgedehnt hat. (Das führt zu keiner Verletzung der Relativitätstheorie, da dabei genau wie bei der heutigen Expansion des Weltalls keine Materie bewegt wird.)

Die zweite merkwürdige Beobachtung war, dass einige Sterne offenbar älter als das Universum sein mussten, wenn man ihr Alter in Relation zu ihrem Abstand und ihrer Geschwindigkeit setzte, denn aus den beiden letztgenannten Größen sollte man ja den Zeitpunkt des Urknalls berechnen können. Die derzeit von den meisten akzeptierte Lösung dieses Problems ist, dass sich das Universum heute schneller ausdehnt als früher. Auch das ist sehr merkwürdig, weil man ja durch die gegenseitige Gravitation der Himmelskörper eher mit einer Verlangsamung der Ausdehnung rechnen sollte.

Mit etwa diesem Kenntnisstand habe ich das Buch von Alex Vilenkin zu lesen begonnen. Vilenkin ist einer der führenden Kosmologen unserer Tage, er beginnt sein Buch mit jenem denkwürdigen Vortrag von Alan Guth im Jahr 1980, als dieser die Inflationshypothese aufstellte. Seit dieser Zeit hat sich viel getan, es gibt neue Beobachtungsergebnisse, neue Theorien und viele Spekulationen.

Die erste der für mich neuen Theorien war, dass es sich bei der dunklen Energie, die das Universum auseinander treibt, um die Vakuumenergie handeln könnte. Aus der eingangs bereits erwähnten kosmologischen Konstante folgt, dass Vakuum mit einer positiven Energiedichte abstoßend, d.h. antigravitativ wirken muss. Aus den heutigen und den früheren Fluchtgeschwindigkeiten der Himmelskörper folgt, dass diese Energie (in Masse umgerechnet) etwa 70% des Inhalts des Universums ausmachen muss. Das Verrückte daran ist, dass durch die Expansion des Universums immer mehr Vakuum mit dieser Energiedichte entsteht, während die gravitativ anziehende Massedichte der Himmelskörper in einem sich ausdehnenden Universum immer mehr verdünnt wird, sodass sich die Expansion immer weiter beschleunigen wird.

Die zweite der Haupttheorien ist die des "falschen" Vakuums. Das heutige "richtige" Vakuum ist durch eine vergleichsweise geringe Energiedichte gekennzeichnet. Das "falsche" Vakuum soll eine viel höhere Energiedichte besitzen, viele Zehnerpotenzen höher. Das würde die sehr schnelle Ausdehnung des Universums nach dem Urknall erklären. Eine weitere Hypothese ist, dass der Zerfall des falschen Vakuums zur Freisetzung dieser Energie und zur Entstehung der Materie und zum "richtigen" Vakuum geführt hat.

Der Urknall wird damit zu dem Raumzeitpunkt, an dem das falsche Vakuum zum richtigen Vakuum zerfiel. Nach der von Vilenkin vertretenen Theorie von der ewigen Inflation dehnt sich das falsche Vakuum außerhalb des von uns beobachtbaren Universums beständig weiter aus. Gibt es dort weitere Punkte des Übergangs, dann finden andere Urknalle (Mehrzahl?) statt und es entstehen weitere Universen.

Diese Überlegung erklärt auch den Namen des Buchs, "Kosmische Doppelgänger". Da das Universum ein endliches Volumen hat und eine endliche Menge Materie enthält, ist die Zahl der darin möglichen Quantenzustände endlich. Wenn das falsche Vakuum sich unendlich weiter ausdehnt und eine unendliche Anzahl von Universen entsteht, dann muss es rein rechnerisch eine beliebig große Zahl von Universen geben, die unserem bis auf das letzte Elementarteilchen gleichen. - Diese Überlegung hat nur den entscheidenden Nachteil, dass die Physik das niemals beweisen kann, weil es keine Möglichkeit der Beobachtung dieser hypothetischen fremden Universen gibt. Sie können so schnell expandieren wie sie wollen, das falsche Vakuum, durch das sie voneinander getrennt sind, dehnt sich noch schneller aus. Das ist Metaphysik!

Wenn einem diese Geschichten als äußerst abgedreht vorkommen, sollte man sich vor Augen halten, dass sie von den führenden Physikern und Kosmologen unserer Zeit gesponnen werden: Andrej Linde, Alan Guth, Max Tegmark, Stephen Hawking, Edward Witten. Doch jetzt soll Alex Vilenkin selbst sein Modell des Urknalls vorstellen:

Der Vorstellung von einem Universum, das aus dem Nichts Gestalt annimmt, lässt sich nur sehr schwer folgen. Was genau ist mit „Nichts" gemeint? Und wenn dieses „Nichts" zu etwas durchtunneln konnte, was konnte den ersten Tunneleffekt verursacht haben? Und wie steht es mit dem Gebot der Energieerhaltung? Und doch - je länger ich darüber nachdachte, desto einleuchtender erschien mir die Idee.

Der Anfangszustand vor dem Tunneleffekt ist ein Universum mit einem verschwindenden Radius - also überhaupt kein Universum. In diesem Zustand gibt es weder Materie noch Raum. Auch Zeit existiert nicht. Zeit hat nur dann Bedeutung, wenn im Universum etwas geschieht. Wir messen die Zeit nach regelmäßig ablaufenden Prozessen wie der Rotation der Erde um ihre Achse oder deren Kreisbahn um die Sonne. Ohne Raum und Materie lässt sich Zeit nicht definieren.

Dennoch darf der Zustand des „Nichts" nicht mit einem absoluten Nichts gleichgesetzt werden. Da der Tunneleffekt mit den Gesetzen der Quantenmechanik beschrieben wird, muss das „Nichts" diesen Gesetzen unterliegen. Die Gesetze der Physik müssen demnach existiert haben, obwohl es kein Universum gab. Auf diesen Aspekt werde ich in Kapitel 19 näher eingehen.

Ausgelöst durch das Ereignis des Tunneleffekts entsteht aus dem Nirgendwo spontan ein mit einem Falschen Vakuum gefülltes Universum endlicher Größe und beginnt sich sofort aufzublähen. Der Radius des neu entstandenen Universums leitet sich von der Energiedichte des Vakuums ab: je höher die Dichte, desto kleiner der Radius. Der Radius eines Großen Vereinheitlichten Vakuums liegt bei einem Hundertstel Billionstel Zentimeter. Aufgrund der Inflation bläht sich dieses winzige Universum in Schwindel erregendem Tempo auf und ist binnen eines winzigen Sekundenbruchteils viel größer als unsere beobachtbare Region.

Wenn vor der spontanen Entstehung des Universums nichts existierte, was konnte dann den Tunneleffekt verursacht haben? Erstaunlicherweise bedarf dieser Prozess keiner Ursache. Während in der klassischen Physik aufeinander folgende Ereignisse dem Diktat der Kausalität unterliegen, ist das Verhalten physikalischer Objekte in der Quantenmechanik inhärent unvorhersehbar; manche Quantenprozesse haben keinerlei Ursache. Ein radioaktives Atom beispielsweise wird mit einem Grad an Wahrscheinlichkeit zerfallen, der zu jedem Zeitpunkt gleich ist. Irgendwann wird es zerfallen, ohne dass jedoch irgendetwas den Zerfall in genau diesem Moment ausgelöst hätte. Die spontane Entstehung des Universum ist ebenfalls ein Quantenprozess und erfordert keine Ursache.

Die meisten unserer Gedankengänge sind in Raum und Zeit verwurzelt, sodass wir uns ein spontan aus dem Nichts entstehendes Universum nur schwer vorstellen können. Ein Szenario, in dem wir im „Nichts" sitzen und auf die Materialisation eines Universums warten, ist undenkbar - denn weder gibt es dort einen Raum, in dem wir sitzen könnten, noch eine Zeit.

In der Tat ist das Bemerkenswerte, dass die Entstehung eines Universums nach den Gesetzen der Quantenmechanik erfordert, dass die Gesetze dieser Quantenmechanik bereits vorher gegolten haben (was auch immer vorher bedeutet). Dazu schreibt Vilenkin in Kapitel 19:

Frühere kosmologische Modelle sahen einen Schöpfer vor, der das Universum mit peinlicher Sorgfalt entwirft und justiert. Jedes Detail der Teilchenphysik, jede Naturkonstante und sämtliche anfänglichen Inhomogenitäten galt es auf den exakt richtigen Wert abzustimmen. Wie viele Bände muss die Bedienungsanleitung umfasst haben, die der Schöpfer seinen Assistenten an die Hand gab! Die neue Sicht auf die Welt zeichnet ein anderes Bild vom Schöpfer. Nach reiflicher Überlegung präsentiert er eine Reihe von Gleichungen für die Endgültige Theorie der Naturkräfte. Dies setzt den Prozess der galoppierenden Schöpfung in Gang. Weiterer Anweisungen bedarf es nicht: Die Theorie beschreibt ad infinitum die quantenmechanische spontane Entstehung von Universen aus dem Nichts, den Ablauf der Ewigen Inflation und die Entstehung von Regionen mit jeder erdenklichen Art teilchenphysikalischer Eigenschaften, jeder einzelne Bestandteil dieses Universengefüges ist unvorstellbar kompliziert und ließe sich nur durch eine gigantische Informationsmenge beschreiben. Das Gefüge als Ganzes jedoch lässt sich in eine relativ einfache Gleichungsreihe fassen.
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Bei genauerem Hinsehen zeigt sich, dass der Schöpfer eine obsessive Vorliebe für die Mathematik hat. Wahrscheinlich als Erster sah im 6. Jahrhundert v. Chr. Pythagoras mathematische Beziehungen im Zentrum aller physikalischen Phänomene. Jahrhunderte wissenschaftlicher Forschung bestätigten seine Erkenntnis, und heute gehen wir ganz selbstverständlich davon aus, dass die Natur präzisen mathematischen Gesetzen folgt. Denkt man jedoch einmal darüber nach, erscheint diese Tatsache äußerst merkwürdig.

Dem Anschein nach ist die Mathematik ein reines Gedankenprodukt und hat nur sehr wenig mit der Praxis zu tun. Doch warum eignet sie sich dann so hervorragend zur Beschreibung des physikalischen Universums? Der Physiker Eugene Wigner beschrieb diesen Umstand als „die erstaunliche Effizienz der Mathematik in den Naturwissenschaften".
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Der Physiker Max Tegmark formulierte dies so: „Warum sollte eine und nur diese einzige mathematische Struktur aus all den zahllosen mathematischen Strukturen für die physikalische Existenz stehen? Tegmark, der heute am Massachusetts Institute of Technology arbeitet, schlug einen möglichen Ausweg aus der Sackgasse vor.

Sein Vorschlag ist so einfach wie radikal: Er behauptet, es müsse zu jeder einzelnen mathematischen Struktur ein Universum geben. So postuliert er ein Newton'sches Universum, das den Gesetzen der Euklidischen Geometrie, der klassischen Mechanik und Newtons Gravitationstheorie unterliegt. In anderen Universen besitzt der Raum unendlich viele Dimensionen, wieder andere haben zwei Zeitdimensionen. Noch schwerer vorstellbar ist ein Universum, das von der Algebra der Quaternionen beherrscht wird und in dem weder Raum noch Zeit existieren.

Für Tegmark sind all diese Universen „da draußen" real existent. Wir sind uns ihrer ebenso wenig bewusst, wie wir von anderen Universen wissen, die spontan aus dem Nichts entstehen. Die mathematischen Strukturen in manchen Universen sind ausreichend komplex, um die Entwicklung „selbst-bewusster Substrukturen" wie uns Menschen zuzulassen. Solche Universen sind selten, gleichzeitig aber natürlich die einzigen ihrer Art, die beobachtet werden können.

Für diese dramatische Erweiterung der Realität haben wir keinerlei Indizien. Wenn wir Universen mit anderen mathematischen Strukturen in den Rang des Existierenden erheben, tun wir dies allein, um nicht erklären zu müssen, warum es sie nicht gibt.

In der Tat ist das alles sehr seltsam, auch in Hinblick auf etwas anderes: Die Abkehr von den Jahrtausende alten Religionen führt dazu, dass andere Formen von Metaphysik entwickelt werden. Nicht einmal die besten Wissenschaftler der Welt können sich davon frei machen. Die heute entwickelten Gleichungen werden in der Zukunft sicher als Sonderfälle verallgemeinerter Gesetze bestehen bleiben, weil sie ja unsere Beobachtungen weitgehend zutreffend beschreiben. Aber die mit ihnen verknüpften Bilder wird man wohl belächeln, so wie wir manche Vorstellungen aus der Vergangenheit belächeln. Aber ohne sie scheinen wir nicht auszukommen.

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