Das Buch der Universen

VORWORT

"Irgendetwas Unbekanntes tut etwas, doch wissen wir nicht was." Arthur S. Eddington Universen sind gerade der große Renner. Und dies ist ein Buch über Universen. Es ist eine Geschichte, die sich um eine ungewöhnliche Tatsache dreht, die im Hintergrund verborgen ist: die geniale Leistung Albert Einsteins, der uns gezeigt hat, wie man alle Universen beschreiben kann, die möglich sind. Zuvor hat man Tausende von Jahren die Struktur unseres Universums diskutiert. Jede Menge exotischer Bilder wurden entworfen, um es zu beschreiben und zu erklären. Die Resultate waren oft von religi­ösen, nationalistischen, künstlerischen und ganz persönlichen Vorurteilen geprägt. Im frühen 20. Jahrhundert änderten sich die Dinge aber plötzlich: Einstein zeigte uns, wie wir alle Universen, die mit den physikalischen Gesetzen und den Eigenschaften der Gravitation in Einklang stehen, beschreiben können. Er zeigte uns, wie wir ihre Vergangenheit rekonstruieren und ihre Zukunft vorhersagen können. Diese Universen aber wirklich zu finden, war keine leichte Aufgabe. Seit damals haben sich Astronomen, Mathematiker und Physiker damit abgemüht, Einsteins komplizierte Gleichungen zu lösen. Mein Buch ist diesem Ringen gewidmet - und den Möglichkeiten, die bei diesem Kampf aufgedeckt wurden.

Was für eine Galerie von Welten! Viele tragen den Namen der berühmtesten Naturwissenschaftler des 20. Jahrhunderts. Einige Universen blähen sich auf, andere kollabieren, einige rotieren wie ein Kreisel, während wieder andere völlig chaotisch sind. Manche sind perfekt geglättet und homogen, in anderen ist die Materie zusammengeklumpt oder wird von kosmischen Gezeiten in alle Richtungen geschüttelt. Einige oszillieren bis in alle Ewigkeit, andere werden leblos und kalt, wieder andere eilen auf eine Zukunft mit immer schnellerer Expansion zu und laufen aus dem Ruder. Es gibt Universen, die Zeitreisen in die Vergangenheit erlauben, während andere damit drohen, dass in einem endlichen Zeitabschnitt unendlich viele Dinge passieren. Nur ganz wenige erlauben, dass sich in ihnen Leben entwickelt, während der große Rest niemals von bewussten Wesen erforscht werden wird. Einige enden mit einem großen Knall, andere mit einem kläglichen Winseln. Wieder andere enden überhaupt nie.

Das Buch setzt sich mit Universen auseinander, in denen sich die Gesetze der Physik von Zeit zu Zeit und von Ort zu Ort ändern können, mit Universen, die verborgene Zeit- und Raumdimensionen haben, mit Universen, die ewig existieren oder in Schwarzen Löchern leben, ohne Warnung sterben werden oder mit anderen kollidieren. Es wird um inflationäre Universen gehen und um Universen, die aus etwas ganz anderem entstehen - oder sogar aus dem Nichts. Nach und nach werden wir dann zu den neuesten und derzeit besten Beschreibungen unseres Universums vorstoßen, also des Universums, das wir heute beobachten können, und uns mit dem Konzept des Multiversums auseinandersetzen, dem Universum aller möglichen Universen, dessen Existenz die modernen physikalischen Theorien behaupten. Das sind dann die fantastischsten und am weitesten reichenden Spekulationen, die derzeit in den Naturwissenschaften zu finden sind. Sie konfrontieren uns mit der Frage, ob die Ausstellungsstücke in unserer Bildergalerie möglicher Universen wirklich existieren oder ob es vielleicht doch nur ein einziges Universum gibt, das diesen Namen verdient - nämlich unseres.

Es gibt eine Vielzahl von Büchern über Kosmologie und Astronomie, die sich mit einzelnen Aspekten von Universen wie ihrem Anfang und ihrem Ende, der dunklen Energie, der dunklen Materie, der inflationären Expansion und den Bedingungen für Leben auseinandersetzen. Mein Buch soll Ihnen, liebe Leserinnen und Leser, einen Überblick über ganze Universen und die Geschichte ihrer Entdeckung und Erforschung geben - wobei ich nicht vergessen werde, die Lebensgeschichten der Wissenschaftler zu erzählen, die das alles erforscht haben.

Mein besonderer Dank für die Hilfe bei der Abfassung des Texts, beim Sammeln der Abbildungen und für die vielen historischen Informationen gilt Katherine Ailes, Allen Attard, Donato Bini, Arthur Chernin, Hyong Choi, Pamela Contractor, Cecile DeWitt, Charles Dyer, Ken Ford, Carl Freytag, Gary Gibbons, Owen Gingerich, Jörg Hensgen, Bob Jantzen, Andrei Linde, Kay Peddle, Arno Penzias, Remo Ruffini, Doug Shaw, Will Sulkin, Kip Thorne und Don York. Ganz besonders danke ich Elizabeth für ihre liebevolle Unterstützung, unseren nun nicht mehr so jungen Kindern für ihre Fragen und meiner Enkeltochter, der ich dieses Buch widme.

John D. Barrow 1. ZUR RECHTEN ZEITAM RECHTEN ORT "Es hat mich immer überrascht, wenn mir ein junger Mann sagte, er würde gern als Kosmologe arbeiten. Ich meine, Kosmologie ist etwas, was einen heimsucht, nicht etwas, was man sich aussucht." William H. McCrea, irischer Astronom Zwei ältere Herren und das Universum Der alte Herr, der langsam die Straße hinabging, sah aus wie immer - vornehm, aber ein wenig unkonventionell, ja fast unordentlich. Ein Europäer in Amerika, mit einem traurigen Gesichtsausdruck, entschlossen, aber ohne besonders auf seine Umgebung zu achten. Er zog die Aufmerksamkeit der Leute auf sich, wenn er sich höflich den Weg durch die Käufer bahnte und durch die Studentenmassen, die in die andere Richtung strömten, um nicht zu spät zu ihren Vorlesungen zu kommen. Jeder schien ihn zu kennen, aber er vermied es, die Blicke zu erwidern. Heute hatte er einen neuen Begleiter: groß und stämmig, mit abgetragenen Kleidern, fast schon ungepflegt. Die beiden waren tief in ein Gespräch verstrickt und hatten kein Auge für die Auslagen der Geschäfte. Der ältere der beiden Herren hörte nachdenklich zu, manchmal runzelte er leicht die Stirn. Sein jüngerer Begleiter vertrat vehement seine Position und gestikulierte hin und wieder wild herum. Für keinen von beiden war Englisch die Muttersprache, und jeder von ihnen hatte seinen ganz eigenen Akzent, der die Spuren vieler fremder Länder trug. Sie wollten über die Straße und gingen ohne Hast bei Grün los, um sich für einen Augenblick ganz und gar auf das Licht, die Töne und die Bewegung des Verkehrs um sie herum zu konzentrieren. Plötzlich passierte aber etwas. Der Jüngere setzte neu an und stach mit seiner Hand in die Luft. Inzwischen war der Verkehr wieder in Bewegung geraten, aber der ältere Mann war wie angewurzelt stehen geblieben, ohne auf die Autos und die hastenden Fußgänger zu achten. Die Worte seines Kollegen hatten seine volle Aufmerksamkeit beansprucht. Die Autos donnerten links und rechts an den beiden vorbei, die nun eine menschliche Verkehrsinsel bildeten - abgeschnitten vom Rest des Universums. Der ältere Mann war weiter tief in Gedanken versunken, während der jüngere vehement seinen Standpunkt wiederholte. Schließlich nahmen sie die Verbindung zu der Welt der Bewegungen um sie herum wieder auf, hatten aber offenbar vergessen, wo sie eigentlich hin wollten. Der ältere Mann drehte um und dirigierte den jüngeren auf den Gehsteig zurück, den sie vor einer Minute verlassen hatten, und die beiden gingen den Weg zurück, den sie gerade gekommen waren - ganz verloren in den neuen Gedanken, auf die sie gestoßen waren.

Die beiden hatten sich über Universen unterhalten und waren gestikulierend durch Princeton, New Jersey, gegangen, irgendwann während des Zweiten Weltkriegs. Der jüngere Mann war George Gamow (1904-1968), oder "Gee-Gee", wie ihn seine Freunde nannten, ein Russe, der in die Vereinigten Staaten emigriert war. Der ältere Mann war Albert Einstein (1879-1955). Er hatte die letzten dreißig Jahre damit verbracht, zu zeigen, wie man das Verhalten ganzer Universen mit einfachen mathematischen Gesetzen beschreiben konnte. Gamow hingegen hatte erkannt, dass diese Universen eine Geschichte haben mussten, eine Vergangenheit, die von der Gegenwart in einer Weise abwich, die nur schwer vorstellbar war. Was die beiden auf ihrem Weg innehalten ließ, war Gamows Idee, dass die physikalischen Gesetze die Entstehung von "Etwas" aus dem Nichts beschreiben könnten. Dieses "Etwas" könnte ein einzelner Stern sein - aber auch ein ganzes Universum!

Was ist ein Universum?

Was ist das Universum? Wo kommt es her? Was ist sein Ziel? Diese Fragen klingen einfach, sie zählen aber zu denen, die tiefer gehen als die meisten anderen. Die Antworten hängen davon ab, wie viel man vom Universum weiß. Ist es einfach das, was man am Nachthimmel sehen kann - vielleicht zusammen mit all dem leeren Raum zwischen den sichtbaren Dingen, der dem Ganzen Maß und Ordnung gibt? Oder ist das Universum alles, was physikalisch existiert? Wenn wir versuchen, eine Liste der Dinge aufzustellen, die dieses "alles" ausmachen, treffen wir auch auf Dinge, die gar nicht greifbar sind: die Naturgesetze der Physiker, den Raum und die Zeit - also Dinge, die wir zwar nicht sehen oder anfassen können, die aber doch ihren Einfluss geltend machen. Sie scheinen ziemlich wichtig zu sein, und sie scheinen wirklich zu existieren, ungefähr so, wie die Spielregeln beim Fußball existieren. Wir tun also gut daran, sie auch mit in den Korb zu legen, der die Aufschrift "Universum" trägt. Und was ist mit Vergangenheit und Zukunft? Den Blick nur auf das zu werfen, was jetzt existiert, schließt zu viel aus. Und wenn wir schon alles mit einschließen, was irgendwann einmal zum Universum gehört hat, warum dann nicht auch die Zukunft? All das führt uns zu einer neuen Definition des Universums: Es ist alles, was jemals existiert hat, heute existiert und irgendwann einmal existieren wird.

Wenn wir es ganz genau nehmen, müssen wir nicht nur das mit einbeziehen, was irgendwann existieren wird, sondern auch all das, was existieren könnte. Einige Philosophen des Mittelalters waren von dieser Idee der Vollständigkeit so begeistert, dass sie zum Katalog dessen, was war, ist und sein wird auch hinzufügten, was nicht existiert hat und auch nicht existieren wird. Dieser Ansatz macht das Ganze, das ohnehin schon problematisch genug ist, auch nicht einfacher. Trotzdem wurde er in den modernen Untersuchungen des Universums wieder aufgegriffen, wenn auch in einer etwas abgewandelten Gestalt. Die heutigen Kosmologen interessieren sich nämlich nicht nur für die Struktur und die Geschichte unseres Universums, sondern auch für andere Arten von Universen, die nach Aussage der physikalischen Gesetze möglich sind, aber nicht unbedingt auch real existieren. Solche anderen Universen konstruieren zu können, öffnet den Weg, unser Universum zu vergleichen und zu untersuchen, ob seine vielen besonderen Eigenschaften, die (zumindest für uns) überraschend sind, auch anders hätten ausfallen können.

Das sind die Fragen, mit denen sich heute die Kosmologen herumschlagen. Sie sehen also ihre Aufgabe nicht nur darin, unser Universum so vollständig und genau wie möglich zu beschreiben, sondern auch darin, es in einer Vielfalt anderer Möglichkeiten einzuordnen. Die Kosmologen fragen heute, warum unser Universum bestimmte Eigenschaften hat und keine anderen. Das Ergebnis dieser Überlegungen könnte natürlich sein, dass außer unserem Universum keine anderen mit unterschiedlichen Strukturen, Bestandteilen, Gesetzen und unterschiedlichem Alter möglich sind. Lange Zeit haben die Kosmologen angenommen, ja gehofft, dass es so ausgehen würde. Aber neuerdings geht der Trend eher in die umgekehrte Richtung, und wir scheinen damit konfrontiert zu sein, dass es viele verschiedene Universen geben kann, die alle im Einklang mit den Naturgesetzen stehen. Und zu allem Überfluss könnte es sein, dass diese anderen Universen nicht nur möglich sind, sondern in der gleichen Weise existieren wie alle anderen Dinge, die wir kennen: wie Sie und ich.

Die Bedeutung des Standorts "Und ihm träumte; und siehe, eine Leiter stand auf der Erde, die rührte mit der Spitze an den Himmel, und siehe, die Engel Gottes stiegen daran auf und nieder." Traum Jakobs, 1. Mose 28, 12 Die Menschen sprechen schon seit Tausenden von Jahren über das Universum. Es ging natürlich immer um ihr Universum, das man nicht mit unserem verwechseln darf. Für viele umfasste es nur das Land, soweit sie es bereisen konnten. Oder es war der nächtliche Himmel mit den Planeten und Fixsternen, die sie mit bloßem Auge sehen konnten. Die meisten alten Kulturen haben versucht, ein Weltbild aus dem zu konstruieren, was sie um sich herum sehen konnten, und Geschichten zu erzählen, die in dieser Welt - am Himmel, auf der Erde oder in den Tiefen des Meeres - spielten und dem Ganzen einen sinnvollen Zusammenhang gaben. Der Drang, ein Bild zu entwerfen, das über den Tellerrand, über die Erfahrungen in der Alltagswelt, hinausreicht, entsprang ursprünglich nicht einem Interesse an der Kosmologie. Es erschien vielmehr wichtig, sich selbst und andere davon zu überzeugen, dass alles einen Sinn hat und dass man selbst Teil eines solchen Sinnzusammenhangs ist. Der Boden gerät aber gefährlich ins Schwanken, wenn wir von einem Teil der Wirklichkeit keine konkrete Vorstellung haben und ihn nicht kontrollieren können. Daher waren die alten Mythen über die Natur des Universums immer abgeschlossene Geschichten: Alles hatte seinen Sinn, und für alles gab es einen Platz. Es gab kein vielleicht, keine Widersprüche, nichts Ungewisses, und es gab nichts, was auf seine Erforschung noch warten musste. Die Mythen waren im wahrsten Sinne des Wortes "Theorien von allem" - aber sie dürfen nicht mit wissenschaftlichen Erkenntnissen verwechselt werden und den "Theorien von allem", um die sich heute die Kosmologen und Elementarteilchenphysiker bemühen.

Wie ist die aktuelle Lage? Und was sind unsere Perspektiven? Die Zeit, in der wir leben und unser Standort auf der Erde bestimmen den Sinn, den wir dem Universum um uns herum verleihen. Für Menschen am Äquator sind die scheinbaren Bewegungen der Sterne klar und einfach: Sie gehen auf, wandern während der Nacht über ihren Kopf hinweg und verschwinden am gegenüberliegenden Horizont. In jeder Nacht passiert das Gleiche, und alle haben den Eindruck, im Mittelpunkt dieser himmlischen Bewegungen zu stehen. Leben Menschen aber weit entfernt von den Tropen, sieht ihr Nachthimmel ganz anders aus. Auch hier gehen einige Sterne auf und später wieder unter, aber andere sind die ganze Nacht zu sehen. Sie kreisen um einen Punkt am Himmel, wie wenn sie auf einem Mühlrad befestigt wären, dessen Achse durch diesen Punkt geht. Viele Mythen und Legenden vom großen Mühlrad am Himmel sind von den Bewohnern der nördlichen Breiten erfunden worden, um diesem nächtlichen Wirbel der Sterne einen Sinn zu geben. Und Sie werden sich natürlich fragen, was an der Achse des Mühlrades so besonders ist.

Der Grund für diese Unterschiede des Nachthimmels von Standort zu Standort ist die Neigung der Achse, um die sich die Erde einmal am Tag dreht (Abbildung 1.1). Diese Neigung hat einige bemerkenswerte Folgen: Ohne sie gäbe es keine Jahreszeiten. Wäre die Neigung erheblich größer, würden sich die Jahreszeiten weit dramatischer unterscheiden. Und diese Neigung sorgt dafür, dass wir in verschiedenen geografischen Breiten einen ganz unterschiedlichen Nachthimmel beobachten. Verlängern wir nun die Linie vom Süd- zum Nordpol in den Raum, zeigt sie in die Richtung des sogenannten nördlichen Himmelspols, der heute ziemlich genau durch den Polarstern markiert wird. Da sich die Erde dreht, scheinen sich die Fixsterne am Nachthimmel für uns in entgegengesetzter Richtung zu drehen. Gehen sie weder auf noch unter, umkreisen sie auf der Nordhalbkugel im Verlauf eines Tages einmal den nördlichen Himmelspol. Auch die Sterne, die auf- und untergehen, beschreiben solche Kreisbahnen - nur dass bei ihnen ein Teil der Bahn unter dem Horizont liegt. Abbildung 1.2 zeigt, was ein Himmelsbeobachter auf der Nordhalbkugel von einem Standort mit der geografischen Breite B im Verlauf einer sternklaren Nacht sieht.

Der Horizont unseres Sternenguckers teilt den Himmel in zwei Hälften, von denen er nur eine sehen kann. Wenn er von einem Ort mit nördlicher Breite B aus den Himmel beobachtet, heißt das, dass der nördliche Himmelspol B Grad über dem Horizont liegt und der südliche Himmelspol B Grad darunter. Die Erdrotation täuscht ihm vor, dass sich der Himmel in westlicher Richtung um den nördlichen Himmelspol dreht. Die Sterne gehen am östlichen Horizont auf, um zum höchsten Punkt ihrer Bahn, dem Zenit, aufzusteigen und dann wieder herabzusinken und am westlichen Horizont zu verschwinden. Es gibt zwei Gruppen von Sternen, die nicht diesem allnächtlichen Wechsel von Auf- und Untergang folgen. Das sind einmal die Sterne innerhalb eines Kreises um den nördlichen Himmelspol mit einem Radius von B Grad: Sie drehen ihre himmlischen Runden, ohne jemals unter dem Horizont zu verschwinden. Diese Zirkumpolarsterne, wie sie auch genannt werden, kann man bei Dunkelheit und klarem Himmel immer sehen. Für den europäischen Himmelsbeobachter gehören heute die Sterne im Großen Wagen (auch Großer Bär) und der Kassiopeia dazu. Umgekehrt gibt es eine Anzahl südlicher Sterne innerhalb eines Kreises mit dem gleichen Radius um den südlichen Himmelspol, die unser Sternengucker im Norden nie sehen kann, weil sie nie über seinen Horizont kommen. Deshalb bekommen Nordeuropäer nie das Kreuz des Südens zu Gesicht.

11. Ausgefranste Universen (S. 267-268)

»Theorien, Theorien, Myriaden und Abermyriaden von ihnen überschütteten mich wie Blätter, die der Wind herbeiweht, wie das Inventar einer gigantischen Papierfabrik, das vom Sturm aufgewirbelt wurde, wie die Staubwolken vor dem Hurrikan. Wenn ich in dieser weiten trocknen Wüste nach Luft rang, hatte ich fast vergessen, dass in jedem Staubpartikel ein paar Sporen einer organischen Wahrheit liegen, die meisten von ihnen ausgedörrt und tot, aber manchmal lebendig, schwanger, bedeutsam.«
Olaf Stapledon

Eingerollte Universen

Wenn Universen aus dem Nichts entstehen können, ohne die Gesetze der Physik zu verletzen, kann vielleicht auch der Geburtsvorgang des Universums mit diesen Gesetzen beschrieben werden. Die Kosmologen, die an einen Anfang des Universums glaubten, waren üblicherweise zufrieden damit, dieses Ereignis mit einem Ort und einem Zeitpunkt zu identifi- zieren, wo alle Gesetze versagen. Die Gesetze des Universums entstanden demnach zusammen mit dem Raum, der Zeit und dem physikalischen Universum. Unsere Rede von anderen Universen und einem Multiversum scheint diesen Standpunkt in Frage zu stellen.

Mehr und mehr sehen wir unser Universum als ein Produkt der Naturgesetze, vielleicht als eines unter vielen in einem Multiversum: ein kleines lokales Ereignis in einer ewigen Geschichte. Während diese Haltung den Rang des weiten Universums herabsetzt, das wir um uns herum sehen, wertet es die Naturgesetze auf. Sie scheinen in der Lage zu sein, mehr als das eine sichtbare Universum zuzulassen und zu bestimmen. Während des 20. Jahrhunderts übten sich die Kosmologen darin, verschiedene Arten von Universen zu untersuchen, die als Lösungen der Einsteinschen Gleichungen in Frage kommen.

Sie erwarteten aber, dass irgendein besonderes Prinzip oder besondere Anfangsbedingungen aus dieser Fülle ein Universum hervorhebt, das unser aktuelles Universum am besten beschreibt. Nun haben wir ganz unerwartet herausgefunden, dass es für viele, ja vielleicht für alle möglichen Universen irgendwo im Multiversum einen Platz gibt. Wir können nun fragen, welche Art von Universum aus dem Nichts am wahrscheinlichsten ist. Alle Universen, die den Einsteinschen Gleichungen genügen, scheinen null Energie und null elektrische Ladung zu haben.

Das sind zwei der drei wichtigsten Eigenschaften, für die in allen physikalischen Prozessen ein Erhaltungssatz gilt. Energie und Ladung können transportiert und neu verteilt werden, aber wenn man sie aufaddiert, bleibt die Summe immer gleich. Mit der dritten Größe, dem Drehimpuls, sieht es ein wenig anders aus. Er ist das Maß für die Rotation, und wir haben schon gesehen, dass er im Gegensatz zu Energie und Ladung nicht null sein muss, damit die Einsteinschen Gleichungen erfüllt werden. Gödel fand heraus, dass es rotierende Universen geben kann, aber bis jetzt kennen wir keinerlei Belege für eine Rotation unseres Universums als Ganzem. Wir erwarten sie auch nicht, denn wenn eine Inflation stattgefunden hat, hat sie jegliche vorher existierende Rotation auf ein Niveau herabgedrückt, das wir nicht mehr wahrnehmen können.2 1973 trat der amerikanische Physiker und Spezialist für Elementarteilchen Edward Tryon3 mit einer derartigen Spekulation auf, über die sich zuvor schon Pascual Jordan und George Gamow Gedanken gemacht hatten.