Das Universum in der Nußschale

Der Forscher glaubt, möglicherweise sei die Theorie, die zur Weltformel führe, bereits gefunden. Von den Rändern der Theorie hätten wir schon eine ziemlich genaue Vorstellung, doch in der Mitte klaffe noch ein großes Loch.

Schon einmal, gegen Ende des neunzehnten Jahrhunderts, glaubten die Naturwissenschaftler, daß eine vollständige Beschreibung des Universums zum Greifen nahe sei. Nach ihrer Vorstellung war der Raum mit einem kontinuierlichen Medium, dem Äther, angefüllt. Die Lichtstrahlen und die gerade entdeckten Radiowellen hielt man für Wellen in diesem Äther. Um zu einer vollständigen Theorie zu gelangen, seien nur noch dessen elastische Eigenschaften sorgfältig zu messen. Alle Versuche in dieser Richtung schlugen jedoch fehl, bis Einstein 1905 schrieb, der Begriff des Äthers erübrige sich, wenn man überhaupt nicht feststellen könne, ob man sich durch den Raum bewege oder nicht. Die Lichtgeschwindigkeit jedenfalls sei unabhängig von der Bewegung der Beobachter und von der Ausbreitungsrichtung des Lichts.

Ausgehend von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, hat Hawking zusammen mit Roger Penrose vor längerer Zeit den Beweis geführt, daß das Universum einen Anfang gehabt haben muß, genauer daß unsere "klassische" Raumzeitregion in der Vergangenheit - und möglicherweise auch in der Zukunft - durch Regionen begrenzt wird, in denen die Quantengravitation zum Tragen kommt. Um den Ursprung und das Schicksal des Universums zu verstehen, brauchten wir eine Quantentheorie der Gravitation.

Eine solche Theorie haben die Physiker noch nicht entwickeln können. Aber andere Theorien sind entstanden, mit denen die Forscher neue Gedankenexperimente machen. So stellt sich Hawking jetzt die Frage, ob unser Universum überhaupt eine Grenze habe. Sein Kollege Jim Hartle und er hätten nämlich entdeckt, daß das Universum vielleicht doch keine Ränder in Raum und Zeit besitze. Denn es gebe noch eine andere Art der Zeit, die imaginäre Zeit, die senkrecht zur gewöhnlichen Zeit verlaufe. Die Geschichte des Universums in der reellen Zeit bestimme seine Geschichte in der imaginären Zeit und umgekehrt, und insbesondere das Universum in der imaginären Zeit müsse weder einen Anfang noch ein Ende haben.

Wichtige neue Erkenntnisse in der Kosmologie haben in jüngerer Zeit die sogenannten String-Theorien geliefert, in denen die Materie aus schwingenden eindimensionalen Saiten besteht. Deren Schwingungszustände werden als die verschiedenen Teilchen der "klassischen" Theorie der Elementarteilchenphysik interpretiert. Noch neuere Theorien gehen darüber hinaus und lassen außer den eindimensionalen Strings, den 1-Branen, auch mehrdimensionale Branen als elementare Gebilde im Universum zu. Damit stellt sich manches anders dar. Ein Beispiel dafür liefern die Schwarzen Löcher. Entsteht in deren Umgebung aus der Vakuumenergie ein virtuelles Teilchenpaar, von dem ein Teilchen in das Schwarze Loch stürzt, sind die Informationen über dieses Teilchen nach herkömmlicher Sicht verloren. Damit kann es auch über das andere Teilchen, das außerhalb des Schwarzen Lochs bleibt, keine Informationen mehr geben - mit der Folge, daß sich die Zukunft des Universums prinzipiell nicht vorhersagen läßt. Anders, wenn das Schwarze Loch aus p-Branen besteht. Dann werden die Informationen über das, was in dieses Loch fällt, in der Wellenfunktion für die Wellen auf den p-Branen gespeichert, und die Zukunft bleibt vorhersehbar.

Für Hawking sind die String-Theorien und die sogenannte Super-Gravitation, mit der andere Physiker arbeiten, nur verschiedene Seiten ein und derselben Medaille. Die ihnen allen zugrunde liegende M-Theorie hält der Astrophysiker deshalb für den Ansatzpunkt einer Weltformel. Andere Physiker mögen skeptisch sein. Gleichwohl ist es faszinierend zu lesen, wie Hawking über die Suche nach dieser Weltformel berichtet und dabei spannende Ausflüge in die Astrophysik und die Kosmologie macht.

Für Hawking besteht kein Zweifel daran, daß Zeitreisen zumindest auf der Ebene der Elementarteilchen in einer Region der Raumzeit möglich sind, in der es Zeitschleifen gibt - Bahnen, auf denen Objekte, die sich langsamer als das Licht bewegen, dank entsprechender Raumzeitkrümmung zu dem Ort und in die Zeit zurückkehren können, von denen sie aufgebrochen sind. Ein Vergleich mit Schwarzen Löchern zeigt, daß der Horizont einer Zeitmaschine geschlossene Lichtstrahlen enthält, die immer wieder auf den gleichen Bahnen umlaufen. Deshalb wäre die Energiedichte am Horizont - an der Grenze der Zeitmaschine, der Region, in der man in die Vergangenheit reisen könnte - unendlich. Das aber würde bedeuten, daß eine Raumsonde oder eine Person, die versuchte, den Horizont zu durchqueren, um in eine Zeitmaschine zu gelangen, von einem Strahlenblitz vernichtet würde. Hawking schließt seine Überlegung mit dem humorvollen Kommentar ab, die Zukunft sehe also schwarz aus für Zeitreisende - oder sollten wir lieber sagen: blendend weiß?

Stephen Hawking: "Das Universum in der Nußschale". Aus dem Englischen von Hainer Kober. Fachliche Beratung Markus Pössel. Hoffmann und Campe Verlag, Hamburg 2001. 224 S., zahlr. Abb., geb., 49,90 DM.

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