Читать книгу Der Raum so weit, so groß die Welt - Christian Hermenau - Страница 8

Wollten wir die Welt wie ein Gott selber erschaffen oder an einem zukünftigen Quantencomputer simulieren, wäre die Idee, dass alles in einem Punkt in einer Singularität begonnen hat, die denkbar abwegigste aller Ideen. Niemand käme auch nur auf den Gedanken, alles, das ganze riesige Universum, hätte in einem winzigen Moment, aus dem Nichts, wie ein Gottesfunke entstehen können. Es ist einfach zu abwegig. Als Schöpfer der Dinge würden wir von wenigen, aber entscheidenden Grundbedingungen ausgehen. Wir würden uns viel, viel Material von einem Stoff derselben Sorte besorgen und uns lange Gedanken darüber machen, wie wir die Komponenten am geschicktesten miteinander verbinden könnten, so dass die Dinge in Bewegung kommen, sich verkomplizieren, komplexer werden, und das möglichst aus sich selbst heraus. Wir würden uns lange den Kopf zermartern wie man Körper dazu bringt sich in Bewegung zu setzen, denn nur einfach Körper oder irgendetwas Substanzielles zu haben, reicht nicht. Es muss eine Verbindung zwischen ihnen geben, einen Austausch. Sie dürfen nicht nur starr angeordnet sein, sonst würde über Millionen von Jahren alles beim Gleichen bleiben. Umgekehrt wissen wir von der Natur, dass nichts ewig hält, nicht einmal so beständige Dinge wie Steine und Berge. Und in komplexen Welten, wie hier auf unserer Erde, würden sich sogar die gewaltigen Berge innerhalb weniger Millionen Jahren, allein durch Regen und Verwitterung abtragen, gäbe es die Plattentektonik nicht, die die Kontinentalplatten übereinander schiebt und damit aus den Meeren anheben.

Aber wie kommt man dahin wie können wir eine Welt erschaffen?

Unsere Erde, mit dem Leben auf ihr, ist eines der komplexesten Systeme die wir kennen, vielleicht das Komplexeste was die Natur hervorgebracht hat. Wir kennen zumindest nicht eine Einzige andere Welt, die auch nur im Ansatz der unseren nahe kommt. Wie erschafft man so etwas mit einfachen Grundbedingungen, wenn einem als Baummaterial die Materie schon zur Verfügung steht. Wie bekommt man Bewegung in die Teile, und das möglichst ohne äußere Hilfen, alles nur aus sich selbst heraus. Auch hier zeigt es sich, dass makroskopisch die Objekte, über große Zeiträume, scheinbar ruhen können. Mikroskopisch sind hingegen alle Körper aus Atomen und Molekülen aufgebaut. Könnten wir tief in den Mikrokosmos hinein sehen, dann würden wir erleben, wie unmöglich es ist, Ruhe oder Stillstand zu finden. Alles, jedes einzelne der endlos vielen Atome, bewegt sich. Nicht nur die Atome und Moleküle in Gasen und Flüssigkeiten, sondern auch die in Festkörpern. Atome sind zwar in den Gitterverbindungen gefangen, doch gibt es innerhalb ihrer Randbedingungen, trotz der unvorstellbar großen Zahl, nicht eines das ruht. Selbst unser so scheinbar ruhender Fels bewegt sich nur in Bezug auf die Erde nicht. Fels und Erde zusammen bewegen sich aber permanent, in einer Vielzahl überlagerter Bewegungen, durch den Raum.

Für unsere neu zu erschaffende Welt, brauchen wir sehr viele Grundbausteine, damit wir überhaupt etwas aufbauen können, dann muss es zwischen den Teilen eine Verbindung und darüber einen Austausch geben und wir brauchen zudem für jeden einzelnen Baustein, eine individuelle, innere Unruhe. In dieser individuellen Eigenbewegung muss irgendeine tragende Bedeutung liegen, denn anscheinend hat auch bei den Atomen jedes Einzelne etwas Unberechenbares in seiner Bewegung oder in seiner Position im Raum. Es scheint fast so, als wäre in allen Teilchen etwas Lebendiges mit eingewoben. Seit es Atome gibt, sind sie in Bewegung. In ihnen ist etwas, das sich immer wieder mit der Umgebung, im Nahen wie im Fernen, austauscht. Dabei hat jedes einzelne Partikel seine ganz eigenen Bewegungen, die ihm seine Individualität verleiht. Schon bei den einfachsten Elementen, ist kein Teil wie das Andere, alles bewegt sich oder wie Heraklit sagen würde „panta rhei“, alles fließt.

Doch befassen wir uns vorerst mit dem, wie sich die Wissenschaftler den Anfang von allem vorstellen. Was wird in den Büchern gelehrt? Was ist die Grundlage der physikalischen Forschung? Womit hat, nach der heute anerkannten Lehre, alles begonnen?

Tatsächlich gibt es eine von den meisten Wissenschaftlern akzeptiere Grundlage, nämlich die Theorie vom Urknall, dem Anfang der uns bekannten Welt. Die Urknalltheorie ist die konsequente Umkehrung von all dem, was wir heute beobachten. Anscheinend strebt alles, was wir am Firmament mit den Teleskopen und Messgeräten registrieren, auseinander. Jedes Objekt, das wir noch irgendwie nachweisen können und ist es noch so schwach oder weit weg, scheint sich von uns zu entfernen. Wenn also alles auseinander strebt, dann müssen die Dinge früher Mal viel näher gewesen sein. Gehen wir, in Gedanken, in der Zeit zurück, so erhalten wir ein Universum, in dem sich die Galaxien und Sterne, all die Materie, viel näher waren. Der ganze Kosmos müsste viel kleiner gewesen sein und die Materie dichter gedrängt. Da Masse eine Form von Energie ist, hätten wir auch mehr Energie pro Volumen, also mehr Druck.

Woher dieser Druck kommt, warum das Universum am Anfang mehr Druck hatte, woher überhaupt die viele Energie kommt, bleibt dabei offen. Wir beobachten nur den Weltraum und rechnen, das was wir sehen, in der Zeit zurück, ohne auf den Grund der auseinander strebenden Bewegung einzugehen. Wir stellen auch fest, dass sich nicht alles im Universum gleich schnell von einem Mittelpunkt entfernt, wie das bei einer Explosion der Fall wäre. Bei einem Knall bewegt sich die Materie auf einer Explosionswelle, wie ein Tsunami, vom Zentrum gleich schnell weg. Das passiert hier nicht, also ist der Name Urknall etwas irreführend. Inzwischen können wir, mit unseren Teleskopen, sehr tief in den Raum hineinsehen, viele Milliarden Jahre weit und immer zeigt sich das gleiche Bild: Je weiter wir den Weltraum durchforsten, umso tiefer die zu beobachtenden Galaxien und Quasare sind, die wir ausfindig machen, desto schneller bewegen sie sich von uns weg. Dabei scheinen die Entfernung und Geschwindigkeit im gleichen Maß konstant zuzunehmen. Außerdem wird das Universum nicht plötzlich leerer oder voller, sondern es erscheint in etwa homogen mit Materie gefüllt zu sein. Der Raum wechselt zwar zwischen großen Leerräumen und großen Massenansammlungen, aber das in gleicher Weise im ganzen Universum. Und noch etwas fällt auf. Beim Blick ins Weltall, ganz gleich in welche Richtung wir sehen, scheint es, als wären wir immer der Mittelpunkt der Welt, so als hätte der Urknall genau bei uns angefangen, als wären wir der Nabel von Allem, ganz wie es schon das aristotelische Weltbild behauptet hatte.

Die maximale Geschwindigkeit mit der sich etwas ausbreiten kann ist die Lichtgeschwindigkeit. Folglich vergeht immer Zeit, bis das Licht der fernen Objekte am Firmament bei uns ankommt. Da alle Sterne die wir sehen weit weg sind, ist das was wir sehen immer aus der Vergangenheit; je weiter weg, desto älter. Erstaunlich ist, wie weit wir mit unseren Teleskopen sehen können. Das Universum muss also überwiegend extrem leer sein. Erst Menschen des 20. Jahrhunderts waren mental so weit, dass sie sich auf solch gewaltige Massen und Räume einlassen konnten. Die Fülle an Sternen, nur einer einzelnen großen Spiralgalaxie, ist immens, doch ist das Universum angefüllt mit hunderten von Milliarden solcher Galaxien. Gleichzeitig, und das hört sich fast widersprüchlich an, ist das was wir am meisten im Universum finden, die Leere, der materielose freie Raum. Sterne und Galaxien konzentrieren sich auf bestimmte Bereiche. Dazwischen ist nichts, eine endlose Leere, so leer, dass selbst entferntestes Licht noch zu uns gelangt, ohne von irgendwelchem Staub oder Partikeln dazwischen verschluckt zu werden. Wenn wir uns das Licht von Himmelskörpern ansehen, die Milliarden von Lichtjahren entfernt sind, so ist das was wir sehen auch vor Milliarden von Jahren passiert, eben weil das Licht so lange unterwegs war. Und doch bleibt gerade bei so großen Entfernungen die Frage, ist das was wir zum Beispiel in 13,7 Mrd. Jahren Entfernung anschauen, der Rand unseres Universums, wie man intuitiv glaubt, wenn man von einer großen Weltenkugel ausgeht oder ist es ein winzig kleines Universum, fast nur ein Punkt, in den man hineinsieht. Denn das wäre der Fall, wenn das Universum in einem Urknall begann und wir in der Zeit rückwärts sehen.

Öffnet sich der Blickwinkel nach außen oder verkrümmt sich der Raum in der Ferne tatsächlich zu etwas Kleinem?

Diese verwirrende Vorstellung, die Idee, dass wir in der größten Entfernung auf einen Punkt sehen, ist schon viel schwieriger nachzuvollziehen. Die meisten Menschen denken nach wie vor, in der vertrauten Reihenfolge, von innen nach außen. Sehen wir in die Tiefe des Weltraums, dann ist das Licht alt, aber es kommt vom Rand her, von den entfernten äußeren Bereichen zu uns ins Innere und nicht vom Anfang des Weltalls, nicht von einem noch ganz jungen Universums. Das wäre ja so als könnten wir in genügend großer Entfernung eine Erde finden, bei der das Leben erst beginnt.

Ist das Universum damit eine Zeitmaschine?

Nach der Urknallhypothese schon. Danach müssen wir das genau annehmen. Und nach Einsteins Feldgleichungen ist das eine der möglichen Konsequenzen, wenn der Raum etwas ist, das sich dehnen und stauchen lässt oder die Zeit eine eigene Dimension darstellt.

Die Urknalltheorie, wie sie heute favorisiert wird, ist dabei nur eine von vielen möglichen Lösungen der einsteinschen Gleichungen. Einsteins Feldgleichungen verknüpft eine verallgemeinerte, geometrische Idee über den Raum der Mathematik, mit der Energiedichte und dem Impuls unserer physikalischen Welt. Sie beschreibt das Zusammenspiel von Raum und Materie oder allgemeiner von Raum und Zeit auf der einen Seite und Impuls und Energie auf der anderen. Raum und Zeit, Impuls und Energie, also den Grundgrößen der Physik. Damit ist die allgemeine Relativitätstheorie eine Übertheorie. Etwas, das über allem steht und stets mit erfüllt sein muss.

Newtons Gravitationstheorie bezieht sich nur auf das Wechselspiel von Massen. Es ist wegen seiner Einfachheit sehr robust und wird für alle normalen Probleme weiter verwendet.

Dabei sollte man nicht den Irrtum verfallen, zu glauben, dass sich mit einem einfachen Grundgesetz auch alles einfach berechnen lässt. Hat man nur drei Himmelskörper und wirkt auf sie nur das Gravitationsgesetz nach Newton, dann ist es mathematisch schon nicht mehr möglich, den Bahnverlauf exakt analytisch vorherzusagen. Schon Nicolaus Copernicus und Johannes Kepler erkannten die Schwierigkeiten der Berechnungen und selbst bedeutende Mathematiker wie Euler, Lagrange oder Poincare´ bissen sich daran die Zähne aus. Es ist kaum zu glauben, aber trotz dieses einfachen Grundgesetzes der Gravitation, ist die Bewegung schon von nur drei Körpern im Allgemeinen chaotisch und kann auch heute nur in Näherungsverfahren gelöst werden. Da wundert es einen, wie unser Sonnensystem mit ihren ehemals neun Planeten und der Sonne, über einen so langen Zeitraum stabil bleiben konnte.

Isaak Newton ging noch davon aus, dass sich die Kräfte unmittelbar übertragen. Instantan, also augenblicklich ist die Kraft da. Für ihn hatten der Raum und die Zeit noch etwas Absolutes. Im ganzen Universum gibt es nur eine Zeit und nur eine Raumgröße, eine Länge die sich nicht ändert, genauso wie die meisten es intuitiv annehmen. Denn so deckt sich unsere Vorstellung mit der Alltagserfahrung. Zeit fließt, unabhängig davon, ob wir subjektiv etwas als schnell oder langsam erleben und auch Entfernungen lassen sich nicht durch irgendwelche geheimnisvollen Kräfte, durch etwas Magisches verändern. Raum und Zeit stehen da, als die Säulen des Beständigen. Entsprechend groß war die Erschütterung, dass dies keinesfalls, in jeder Situation, der Fall sein muss und die Menschen, auch die Physiker, haben lange dafür gebraucht sich darauf einzulassen, dass Zeit unter bestimmten Bedingungen nicht so gleichmäßig vergeht, wie wir das annehmen. Die Vorstellung von einer kontinuierlich fließenden Zeit ist das, womit jeder Mensch zunächst einmal groß wird. Doch die Welt der Längen und der Uhren ist auch weiterhin so lange in Ordnung, wie wir uns mit Geschwindigkeiten bewegen die vertraut sind, die zu unserer komplexen, irdischen Welt gehören. Sie gilt auch für große Massen, wie Himmelskörper oder Planeten, solange sie sich mit normalen Geschwindigkeiten bewegen. Sie stimmt nur noch halb, wenn wir es mit großen Geschwindigkeiten zu tun haben. Aber die Logik der vertrauten Welt verändert sich vollends, wenn wir in den Grenzbereich zur Lichtgeschwindigkeit kommen. Das ist aber nur bei Extremobjekten im Weltraum oder auf der Erde bei Teilchenexperimenten, die knapp unterhalb der Lichtgeschwindigkeiten abgehen und bei Präzisionsmessungen mit extrem genauen Atomuhren, der Fall. Zählt man in einer Cäsiumatomuhr die Zustandswechsel der Atome und berechnet daraus die Weltzeit, dann hat man eine Präzision die von den Urbausteinen selber stammt. Bei solch einer Präzision stellt sich heraus, dass jede noch so kleine Bewegung die Zeit ändert und Längen nicht gleich Längen sind. Jede Bewegung verändert unsere Raum- und unsere Zeitkoordinaten und jeder Körper tut dies, allein weil er eine Masse hat. Der Grund warum wir nichts davon mitbekommen ist zum einen, dass diese Zeitverschiebungen viel zu klein und zum anderen, dass unsere Beobachtungen im Alltag viel zu grob sind, wenn wir uns in makroskopischen Größenordnungen bewegen. Doch versuchen wir Aussagen über das Ganze zu machen, über alle Massen, Bewegungen, Energien und über den ganzen Raum und der Zeit, dann muss man von den

einsteinschen Gleichungen ausgehen, die als einzige Theorie die Raum-Zeit-Krümmung durch Massen und Energien mit berücksichtigt. Dann ergeben sich auch Lösungen, dieser hoffentlich allgemein gültigen Gleichungen, die das Ganze als Punktanfang zulassen oder zumindest einen Zustand bei dem sich auch der Raum selber dehnen und stauchen kann.

In der allgemeinen Relativitätstheorie wurden die Grundgrößen, das Fundament auf dem alles aufgebaut ist, dem Raum und der Zeit, die bisher absolut und beständig immer da waren, erschüttert. Doch war dies nicht das erste Mal, dass unsere Vorstellungen korrigiert werden mussten. Galilei stürzte Archimedes vom Sockel, als er die Sonne ins Zentrum rückte oder Newton als er die Himmelsmechanik der Massen erkannte. Doch auch die Kenntnis, durch die modernen Teleskope, von der unvorstellbaren Größe des Weltalls und ihrer Anzahl an Sonnen, erschütterte unsere geborgene, übersichtliche Vorstellung der Dimensionen. Heute, durch die Revolution der Computer und Netzwerke, stehen wir den rasanten Veränderungen, in immer kürzeren Zeitspannen, recht gelassen gegenüber. Ja wir warten schon fast wieder auf den neusten Hype. Inzwischen sind wir bald gottesgläubig, was das Machbare in der Technik angeht und verlieren beinahe den Boden unter den Füßen.

Seit Albert Einstein seine verallgemeinerte Relativitätstheorie veröffentlichte, müssen auch Raum und Zeit erst erschaffen werden. Es sind auf einmal Größen, die man verändern, mit denen man arbeiten kann, ähnlich wie zuvor schon mit der Energie und der Materie. Das Problem für uns Welterschaffer daran ist nur, das wir immer mehr Teile aus dem Nichts erfinden müssen. Wir können nicht nur die Materie als Baumaterial nehmen, Energie hinzufügen und unser Universum damit in etwas hinein erschaffen, das schon immer da war, dem Gefüge von Raum und Zeit - nein, wir müssen uns auch noch Gedanken darüber machen, was denn der Raum und die Zeit darstellen sollen. Wie kann Zeit oder Raum entstehen und wo kommen sie her?

Die Fragen werden nicht leichter und bevor wir uns verlieren, gehen wir erst mal zurück zum Anfang der Welt nach der Urknalltheorie. Blicken wir nach dieser Theorie tief in den Weltraum hinein, dann bleibt die Frage, was sehen wir eigentlich?

In großen Entfernungen sind Einzelsterne zu lichtschwach, um sie noch beobachten zu können, aber große Sternansammlungen, wie Galaxien, können wir auch sehr weit weg gut erkennen. Ist dann eine solche Galaxie jünger in ihrer Entwicklung, weil sie zeitlich nach uns entstanden ist, das zumindest wäre eine uns vertraute Vorstellung oder sehen wir eine jüngere Galaxie, weil wir, nach der Urknalltheorie, in die Vergangenheit sehen können? Ist das was hier ankommt vor unserer Zeit oder nach unserer Zeit entstanden? Falls es vor unserer Zeit entstand, würden wir tatsächlich in der Zeit rückwärtsgehen. Das heißt nicht, dass wir veraltetes sehen, sondern was wir dann betrachten, ist die Vergangenheit des Universums.

Der Raum wird kleiner, je weiter wir blicken und könnten wir Details auf fernen Planeten beobachten, dann wäre es etwas aus der Vergangenheit. Das Universum wird danach, je tiefer wir vordringen, immer jünger und jünger. Und das ist etwas sehr schwer Vorstellbares. Eine sehr harte Nuss, die uns da angeboten wird.

Falls man mit einem Teleskop in einer Million Lichtjahren Entfernung die Erde sehen könnte, dann sähe es dort wie vor eine Million Jahre aus. Mit der Erde geht das nicht, weil bei uns die Gegenwart liegt und die Zeit ihren Nullpunkt hat, aber mit dem Universum als Ganzes, würde das so funktionieren. Es wäre die Konsequenz der Urknalltheorie. Sie steht dabei zumindest nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie. Ist die allgemeine Relativitätstheorie richtig, dann kann sich die Urknalltheorie bestens darauf stützen. Sie steht im Einklang dazu.

Trotzdem sollten wir kritisch bleiben, denn auch die Relativitätstheorie gründet sich auf einer Vorstellung von Raum und Zeit, die noch nicht ganz zu Ende gedacht wurde. Und allein aus dem was wir von fernen Galaxien oder andere Objekte beobachten können, lässt sich nicht entscheiden, ob es unsere Vergangenheit zeigt oder nur junge Objekte, Sterne die gerade erst entstanden sind.

Warum nehmen wir eigentlich überhaupt an, dass alles aus einem Punkt entstanden ist, dass alles im winzig Kleinen hervorgebracht wurde. Was treibt diese Theorie an, was ist ihr Anfang, was ihr Kern?

Ausgangspunkt der Urknalltheorie ist die Entdeckung von Edwin Hubble, dass zum einen fast alle Galaxien rot verschoben sind und zum anderen, das diese Rotverschiebung mit zunehmender Entfernung zunimmt. Dabei ist es sehr schwer zu entscheiden ob ein stärker rotverschobenes Objekt auch wirklich weiter weg ist, denn eine zweite unabhängige Entfernungsmessung gibt es nur für nahe Galaxien. Trotzdem ist man sich beim Zusammenhang zwischen der Rotverschiebung und der Entfernung von Himmelsobjekten inzwischen so sicher, dass man sie nicht mehr zu beweisen versucht, sondern umgekehrt, sie für die Entfernungsbestimmung, wirklich weit entfernter Objekte, benutzt.

Der Grund, dieser Verschiebung des Spektrums zum Roten hin, wird ähnlich angenommen, wie der Effekt, dass bei einem hupenden, vorbeifahrenden Auto sich die Tonhöhe ändert - dem Dopplereffekt. Schall ist eine Welle und auch Licht hat Welleneigenschaften die sich ändern, wenn die Quelle auf einen zukommt oder sich entfernt. Weißes Licht, dass sich auf jemanden zubewegt, wird leicht bläulich, entfernt sich umgekehrt das Licht, so haben wir eine Verschiebung der Farben zum Roten hin. Genauso könnte es bei der Rotverschiebung der Galaxien sein, doch vergrößert sich das Universum nicht, weil sich die Massen in ihm, wie bei einer Explosion vom Explosionszentrum entfernen, hinein in einen leeren noch freien Raum, nein hier ist es umgekehrt. Der beim Urknall neu entstandene Raum, dehnt sich ins Nichts hinein. Der Raum dehnt sich und er bewegt sich in etwas, das erst durch ihn Raum und Zeit bekommt. Damit scheinen sich die Himmelskörper voneinander zu entfernen, aber nicht weil sie sich wirklich bewegen, sondern weil das auch passiert, wenn sich der Raum zwischen den Sternen streckt. Irgendeine noch ungeklärte Kraft drückt den Raum zwischen den großen Himmelsobjekten auseinander. Darum haben wir überall das Gefühl, die Dinge bewegen sich nahezu alle von uns weg, und das je weiter, desto schneller. Es ist sogar denkbar, dass sich sehr weit entfernte Objekte mit Überlichtgeschwindigkeit entfernen. Diese Streckung des Raums führt zu einer Rotverschiebung des Lichts, die wir sehen und als Bewegung der Galaxien interpretieren, auch wenn es eigentlich nur eine scheinbare Bewegung ist, denn nicht die Objekte bewegen sich, sondern der Raum streckt sich. Der Effekt bleibt allerdings gleich, das eine sieht genauso aus wie das Andere.

Aber ist das so, interpretieren wir das was wir sehen richtig? Ist Raum wirklich etwas, hat er eine Substanz die sich modellieren lässt, etwas indem die Massen schwimmen, wie in einem Fluss? Denn auch die Existenz von Raum und Zeit wird damit, wie nebenbei, postuliert. Raum und Zeit sind nun nichts abstrakt absolutes mehr, sondern haben eine ganz eigene Art von Wirklichkeit. Etwas, mit der nun weiter gearbeitet wird, wie mit Energie und Impuls.