Naturkräfte: Der Weltäther

Während die Naturwissenschaft heute von vier bekannten Naturkräften ausgeht, bestand noch vor etwa hundert Jahren eine gänzlich andere Vorstellung dessen, was die Welt zusammen hält und alle physikalischen Ereignisse bestimmt. Man glaubte an ein Medium, gleichsam dem unsichtbaren 'Klebstoff des Universums'.

Die uns im Alltag vertrauten Wellen, z.B. Wasser- oder Schallwellen, werden von einer Substanz, einem Medium, übertragen - z.B. Schallwellen von der Luft. Dabei wird die Geschwindigkeit dieser Wellen relativ zu diesem Medium angegeben.
Die 'Schallgeschwindigkeit' von etwa 1200 km/h meint, dass die Schallwellen sich in einer ansonsten ruhenden Luft mit dieser Geschwindigkeit ausbreiten. Von daher nahmen nahmen Physiker im 19. Jahrhundert noch an, dass sich auch Licht, d.h. elektromagnetische Wellen - nur in einem bestimmten Medium ausbreiten könne. Ein solches Medium war zwar weder entdeckt noch jemals bewiesen worden, dennoch wurde seine Existenz wurde schon von den alten Griechen vorausgesetzt.

Diesen unsichtbaren, das Licht übertragenden Stoff bezeichnete man als Weltäther, Lichtäther oder einfach Äther. Dies war schon Aristoteles' Sammelbezeichnung für eine 'magische Substanz' gewesen, aus der seiner Meinung nach alle Himmelskörper bestanden.

Der englische Physiker James Maxwell hatte 1865 seine Theorie über die Ausbreitung des Lichts vorgeschlagen, mit der es gelang, die Teiltheorien über die Kräfte von Elektrizität und Magnetismus zu vereinigen. Nach Maxwells Theorie bewegen sich Radio- oder Lichtwellen mit einer bestimmten konstanten Geschwindigkeit. Wenn Licht sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit fortbewegte, so mußte man angeben, in Bezug worauf diese Geschwindigkeit zu messen sei.
Deshalb war man auf das Konzept des 'Äthers' zurückgekommen - der allgegenwärtig sein musste, auch im leeren Raum. Um Annahme des Äthers mit Maxwells Resultaten zur Deckung zu bringen, ging man davon aus, dass seine Gleichungen implizit den Standpunkt eines Beobachters einnähmen, der sich relativ zum Äther in Ruhe befinde. Die 300 000 Kilometer pro Sekunde, die sich aus seinen Gleichungen ergeben, wären also die Lichtgeschwindigkeit relativ zum ruhenden Äther.

Nur verhielt sich Licht in Relation zum ihn umgebenden Äther ganz und gar nicht so wie eine Wasserwelle im Meereswasser!

Schwimmt man durchs Wasser auf eine entgegenkommende Wasserwelle zu, nähert sich die Welle rascher. Schwimmt man von der Welle weg, nähert sie sich langsamer. Folglich müsste, wenn man sich (durch den Äther) auf eine ankommende Lichtwelle zu- oder von ihr fortbewegt, die Geschwindigkeit dieser Lichtwelle ebenso variieren...eine Lichtgeschwindigkeit von 300.000 km/sec müsste zu- oder abnehmen.
Mit anderen Worten: Beobachter, die sich jeweils relativ zum Äther bewegten, müssten das Licht mit verschiedenen Geschwindigkeiten auf sich zukommen sehen.

Doch Albert Michelson und Edward Morley ermittelten  1887 eine stets konstante Lichtgeschwindigkeit von exakt 300.000 Km pro Sekunde - und zwar unabhängig von ihrer eigenen Bewegung oder der der Lichtquelle. Selbst nach unzähligen Wiederholungen blieb die Lichtgeschwindigkeit stets identisch - diese Beobachtung aber war mit der Hypothese vom ruhenden Lichtäther unvereinbar!

Erst ein bis dahin unbekannter Mitarbeiter des Patentamtes Bern – sein Name war Albert Einstein – fand eine einleuchtende Lösung - er schaffte den Äther einfach ab: Einstein schrieb, die ganze Konstrukt des Lichtäthers sei überflüssig - vorausgesetzt, man sei bereit, die Vorstellung von der absoluten Zeit aufzugeben...


War dieser Paradigmenwechsel womöglich etwas zu voreilig?
Neuerdings glaubt man in der Kosmologie nicht mehr ohne zwei Phänomene namens Dunkle Materie und Dunkle Energie auszukommen.Wir wären dann heute praktisch in derselben Situation wie damals, kurz vor der Entdeckung der Mikro-Quantenwelt.
Wenn nun in der Physik die sog. Quintessenz als eine hypothetische Form dunkler Energie postuliert und für eine zunehmende Expansion des Universums verantwortlich gemacht wird, frage mich, ob zumindest in der Beschreibung des Äthers und der modernen, aber ebenso unbewiesenen (jedoch mathematisch notwendigen?) Dunklen Materie eine Parallele gesehen werden kann.
Es mag Zufall sein, dass Quintessenz war ursprünglich der lateinische Ausdruck für das fünfte Element war, welches u.a. Aristoteles annahm und Äther nannte. Diese fünfte, wichtigste Element sollte gewissermaßen die unwandelbare, ewige Essenz von Allem sein und die vier antiken Elemente Feuer, Wasser, Erde und Luft hervorgebracht haben.


Immerhin spricht der Astrophysiker Prof. Harald Lesch in der nachfolgend eingebetteten AlphaCentauri-Folge davon, dass "wir heute auch unseren Äther haben", auch wenn die Begriffsverwendung und -bedeutung sich gewandelt habe.

• Siehe auch: "Der Äther - physikalische Vorstellungen im Wandel der Zeit", Ch. Mohrdieck

Alpha Centauri - Was war der Äther?

Stichwort: Naturkräfte

Bis zu einer gewissen Ebene ist die Frage Goethes, was die Welt im Innersten zusammenhält, bereits heute beantwortet: Wir kennen die vier fundamentalen Naturkräfte ('Wechselwirkungen'), welche die materielle Welt und alle Ereignisse auf ihr (unser Wahrnehmung nach) zu beherrschen scheinen. Zwei von ihnen werden im Inneren der Atomkerne wirksam, wo sie das Zusammenspiel der Kernbausteine bestimmen. 

• Die Schwache Kernkraft verursacht bestimmte Arten der Radioaktivität und spielt eine entscheidende Rolle bei der Elementenbildung in Sternen und im frühen Universum. Im Alltag nehmen wir es mit diese Kraft jedoch nicht wahr.

• Die Starke Kernkraft bindet die Protonen und Neutronen innerhalb eines Atoms. Außerdem hält sie die Protonen und Neutronen selbst zusammen, was notwendig ist, weil diese Teilchen aus noch winzigeren Teilchen bestehen, den bereits erwähnten Quarks. Die starke Kernkraft ist die Energiequelle für die Sonne und für die Kernenergie - doch wie mit der schwachen Kraft haben wir auch mit ihr nicht unmittelbar zu tun.

Die dritte Kraft ist die elektromagnetische Wechselwirkung. 

• Auch die Elektromagnetische Kraft ist eine weitreichende Wechselwirkung, die zwar viel stärker als die Gravitation ist, aber nur auf Teilchen mit einer elektrischen Ladung wirkt - zwischen Ladungen mit gleichem Vorzeichen abstoßend sowie zwischen Ladungen mit umgekehrten Vorzeichen anziehend. Folglich heben sich elektromagnetische Kräfte zwischen großen Körpern auf, aber auf der molekularen Ebene sind diese Kräfte vorherrschend. Die elektromagnetischen Kräfte sind für alle chemischen und biologischen Vorgänge verantwortlich.

Die Schwerkraft als vierte Kraft ist die schwächste von allen, aber sie besitzt die größte Reichweite, sie hält unser gesamtes Universum zusammen und die Planeten auf ihren Bahnen.

• Die Gravitation ist zwar die schwächste der vier Klassen, aber eine weitreichende Kraft, die auf alles im Universum anziehend wirkt. Bei großen Körpern können die Gravitationskräfte sich daher aufaddieren und sich so gegen alle anderen Kräfte durchsetzen.Sie bewirkt die gegenseitige Anziehung von Massen als auch aller weiteren Energieformen aufgrund der Äquivalenz von Masse und Energie. Die Reichweite der Gravitation ist unbegrenzt und sie lässt sich nicht abschirmen. Daher bestimmt sie die großräumige Verteilung der Masse im Universum. Die Gravitation bestimmt die Bahn der Erde um die Sonne bzw. des Mondes um die Erde. Sie spielt in der Astronomie und Kosmologie eine entscheidende Rolle.
  Auf der Erde bewirkt die Gravitation, dass alle Körper „nach unten“ in Richtung des Massemittelpunktes der Erde fallen, wenn sie nicht durch eine andere Kraft daran gehindert werden. Die Gewichtskraft eines Körpers ist seiner Masse proportional.
  In der klassischen Physik wird die Gravitation durch eine Feldtheorie beschrieben. Die Feldstärke der Gravitation wird Gravitationsbeschleunigung genannt. Oberhalb der Erdoberfläche nimmt sie näherungsweise mit dem Quadrat der Entfernung vom Erdmittelpunkt ab.
  Seit der Allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation durch die Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit beschrieben. Die räumlichen und zeitlichen Koordinaten werden als gleichberechtigt betrachtet, alle Änderungen werden nunmehr als geometrisches Problem behandelt. (vgl. Wikipedia)

Nachfolgend eine Dokumentation über die Schwerkraft und die Geschichte ihrer Erforschung. Auf, wie ich meine, unterhaltsame Weise wird in einer Stunde viel Wesentliches über die Beobachtungen und Erkenntnisse nicht allein von Albert Einstein, sondern auch seiner Vorgänger wie Newton und Herschel vermittelt:

Gravitation, die Urkraft des Universums

Stichwort: Raumzeit

Einführung

Dem Verständnis der besonderen Eigenschaften schwarzer Löcher kann man sich offenbar nur annähern, wenn man mit den Begriffen der 'Krümmung von Raum und Zeit' und der Gravitation (Schwerkraft) wenigstens im Ansatz vertraut ist. Schade eigentlich, dass ich Physik als erstes Schulfach abgewählt habe, nur weil ein paar Limes- und Integralsymbole an der Plastiktafel mir spontan zu einer Panikattacke und Pickeln verhalfen :-| 

Formulierungen wie 'Masse krümmt den Raum' vermitteln mir kein anschauliches Bild  - denn Raum war für mich immer das unausgefüllte Innere eines Objektes beliebiger Größe...und dieses Innere stellte gewissermaßen das Potenzial dar, andere (kleinere) massehaltige Objekte aufzunehmen. Raum hatte in meiner beschränkten Vorstellung stets den Charakter eines Gefäßes. Und dieses Gefäß soll gekrümmt werden können ...hä?

Facheute beschreiben Raum weniger verworren, nämlich so:

Raum ermöglicht allen materiellen Objekten eine Ausdehnung, er selbst existiert als grundlegendes Ordnungsmodell, dies aber nur in Relation zu diesen Objekten. Ebenso spielen sich alle physikalischen Vorgänge im Raum ab, er ist somit eine Art „Behälter“ für Materie und Felder.

In diesem Raum, darstellbar durch ein Koordinatensystem, lässt sich jeder beliebige Punkt eindeutig durch die Angabe bezeichnen, wie weit er nach rechts, nach vorn und nach oben von einem gewählten Bezugspunkt entfernt ist. Kennt man noch aus der Schule...diese Angaben sind die Koordinaten des Punktes, man braucht drei Koordinaten (x,y,z), um jeden Punkt eindeutig zu bezeichnen.

Es sind also drei Richtungen (Dimensionen) vonnöten, daher ist der Raum dreidimensional. Die Koordinaten eines Punktes hängen vom Ort des Beobachters ab, d.h. welchen Bezugspunkt dieser Beobachter eingenommen hat. Und dann muss man sich noch einigen, welche Richtungen als rechts, vorn oder oben gewählt werden.

3-dimensionales Koordinatensystem 

Wollte man sich an so einem 'Punkt' verabreden, benötigt man neben dessen Ort noch eine weitere Dimension - die Zeit, zu der man zusammentreffen möchte. So lassen sich alle Ereignisse anhand dieser vier Dimensionen bezeichnen. Diese Menge aller (im Universum ablaufenden) Ereignisse wird als Raumzeit zusammengefasst.

Stellt man sich ein beliebiges Ereignis als festgehalten auf einem Bild (mit Zeitangabe) vor, so kann man sich die gesamte Raumzeit als einen (ziemlich großen:) Stapel solcher Bilder vorstellen (so ähnlich wie ein Daumenkino):

Damit hat vereinfacht die vierdimensionale Raumzeit erfasst, indem man Dreidimensionalität in eine Abfolge zweidimensionaler Teilansichten aufgeteilt hat. Die Zeit als vierte Dimension zeigt sich in der Geschwindigkeit des Durchblätterns.

Im Hinterkopf behalten sollten man, dass die Raumzeit ein Ganzes ist - erst ein Beobachter zerlegt es in Schichten gleicher Zeit. Mit anderen Worten: Nicht allein die Ortsbestimmung (x,y,z-Koordinaten) eines Ereignisses, sondern auch auch dessen Zeit hängen vom Beobachter ab (sind relativ). Es gibt keine universale Zeit, die sich unabhängig vom Beobachter jedem Ereignis zuordnen lässt.

Krümmung

Soweit ich dies verstanden habe, wendet man Ergebnisse geometrischer Berechnungen auf Raum und Zeit an (d.h. anschauliche Vorstellungen von der Raumkrümmung existieren überhaupt nicht!):

Zweidimensionale Betrachtung: In einer (nicht gekrümmten) Ebene beträgt Umfang eines Kreises gleich 2 mal Π (Pi=3,142...) mal dem Kreisradius. Auf einer 'unebenen' Fläche kann der Umfang größer oder kleiner sein. Die Abweichung ist ein Indikator für eine Krümmung (die sich somit auch berechnen lässt).

Dreidimensionale Betrachtung: Betrachtet man einen Globus mit seinen Längengraden, erkennt man deren Krümmung (zumindest optisch). Es wird uns niemals gelingen, in kleines Rechteck aus der Oberfläche (einer beliebigen Kugel) herausschneiden und 'flach hinzulegen'. Vereinfacht könnte man sagen: Die Oberfläche einer Kugel ist eine 2-dimensionale Fläche, die gekrümmt im 3-dimensionalen Raum liegt.

Entsprechende Vorstellungen verbergen sich hinter der Raumkrümmung. Allerdings sind unsere Sinne auf die Wahrnehmung maximal dreidimensionaler geometrischer Strukturen beschränkt. Man kann daher eine Raumkrümmung nicht sehen, man kann sie sich auch nicht vorstellen.

Man unterscheidet bei der Krümmung zwischen der inneren und der äußeren Krümmung:

Die innere Krümmung lässt sich anhand der Geometrie im gekrümmten Raum selbst darstellen. Die innere Krümmung kann positiv sein ("nach außen gewölbt" / konvex, wie eine Kugel) oder negativ ("nach innen gewölbt"/ konkav).

Die äußere Krümmung kann nur festgestellt werden, indem die Lage des Raums im umgebenden, höherdimensionalen Raum, die so genannte Einbettung, betrachtet wird. Flächen mit äußerer Krümmung erhält man, indem man eine Blatt Papier (= eine Ebene) aufrollt, ohne es zu zerreisen oder verknittern. Auf solchen Flächen ändern sich die Gesetze der Geometrie nicht (Beispiel: Die Innenwinkelsumme eines aufs Papier gemalten Dreieck ändert sich nicht, wenn man das Papier aufrollt).

Bezogen auf die Raumkrümmung stellt man sich den Raum als eine solche zweidimensionale Ebene vor:

Diese zweidimensionale Beschreibung, also die Beschreibung ohne einen 3-dimensionalen Orientierungsrahmen zeigt danach die Charakteristik des Raumes.

Raum und Masse(n)

Der Zusammenhang zwischen Raum und Masse wird vielfach so beschrieben - wiederum am Beispiel eines zweidimensionalen Raumes:

Als zweidimensionalen Fläche wird man ein großes Tuch straff gespannt. In dessen Mitte wird eine Masse, z. B. eine Kugel gelegt: Das Tuch (=der zweidimensionale Raum) beult sich nach unten. Je größer diese Masse ist, desto stärker ist diese Beule! Lässt man wir nun eine kleine Kugel auf diese Beule zurollen, dann können wir sehen, wie sie langsam in diese Loch hinein rollt. Jedes Objekt, das sich dieser Ausbeulung im Bereich der Masse nähert, 'fällt' dort hinein, sofern seine Geschwindigkeit nicht zu groß ist und seine eigene Masse nicht größer ist, als die der ersten Kugel.

Einstein berechnete, das es in unserem dreidimensionalen Weltraum genauso ist: Im Bereich von großen Massen ist der dreidimensionale Raum gekrümmt und zwar in eine weitere (räumliche) Dimension, die für uns nicht mehr spürbar geschweige denn vorstellbar ist. Wir können nicht mit dem Finger auf sie zeigen oder sie sonst irgendwie wahrnehmen. Diese Raumkrümmung im Bereich großer Massen ist daher gleichbedeutend mit der Schwerkraft! Schwerkraft bezeichnet somit eine Verzerrung des Raumes im Bereich großer Massen!

Einstein sagte außerdem voraus, dass auch Licht durch schwere Massen gekrümmt wird: Tatsächlich wird Licht im Bereich großer Massen durch die Raumkrümmung etwas abgelenkt; dieser Effekt wurde auch im Bereich der Sonne nachgewiesen. Dazu hat man während einer totalen Sonnenfinsternis die Positionen der Sterne genau vermessen und sie mit ihren vorher bekannten Positionen verglichen. Dabei ergab sich die von Einstein vorhergesagte, geringe Abweichung, !

Höchste Zeit, das Feld den Profis zu überlassen:


Das Geheimnis von Raum und Zeit
(Eine Dokumentation über Einstein's Relativitätstheorie)




Siehe auch:

• Relativitätstheorie

Anm.: Ich bin jedem Physiker für eine zutreffende(re) Erläuterung dieser Zusammenhänge dankbar, soweit sie denn auch anschaulich und verständlich ist. Im Web habe ich wenig vorgefunden...

"Zurück vor den Urknall" - ein Buch v. Martin Bojowald

Vorab: Ich habe von Physik im allgemeinen und speziell von Quantenmechanik keinen Schimmer ...trotzdem interessiere ich mich für diese Zusammenhänge und deren Implikationen. Nachfolgend versuche ich wieder einmal, mir selber einen Teil der Welt zu erklären. Insoweit sind Schlussfolgerungen mit Vorsicht zu genießen - besonders jene, die ich ich eigenständig anstelle.

Gab es eine Zeit vor dem Urknall?

In seinem Werk "Zurück vor den Urknall" beschreibt der Astrophysiker Martin Bojowald "die ganze Geschichte des Universums" - aus der Sicht seiner neuen Theorie, welche den Urknall nicht länger als Anfang von Allem, sondern als Übergang betrachtet. Obgleich er neues Wissen an seiner Vermittelbarkeit für aufgeschlossene Laien messen will, mutet Bojowald seiner Leserschaft einiges an Komplexität zu; sowohl den Lesefluss als auch das verstandesmäßige Erfassen zentraler Zusammenhänge empfinde ich stellenweise als ausgesprochen schwierig erschwert.


(K)ein einsamer Rufer in der Wüste

In den Forschungs- und Lehranstalten weltweit ist nach wie vor der 'Urknall' angesagt - als singuläres (einmaliges) Anfangsereignis und damit der Beginn der Schöpfung oder einer zufälligen Entstehung des Universums aus dem Nichts. Lohnt es sich da überhaupt schon für Laien, über Bojowalds neues Modell zur Entstehung von Allem verstehen zu wollen?

Dieses Modell basiert bislang weder auf gesichertem Wissen noch wird es von der Wissenschaftsgemeinde mehrheitlich anerkannt:
Wer den Urknall als Anfangspunkt von allem Sein auch aus seiner religiösen Überzeugung gut findet, hat momentan keinen Veranlassung, an diesem Paradigma zu rütteln.

Dennoch ist nicht nur eine Handvoll abtrünniger Physikern zu denjenigen offen für die Idee eines zyklischen Universums, das vielleicht schon immer (oder sehr viel länger als 13,7 Milliarden Jahre) existiert womöglich 'von Ewigkeit zu Ewigkeit' besteht:

Roger Penrose hat die kosmischen Hintergrundstrahlung untersucht und dabei geringfügige Temperaturschwankungen entdeckt hat. Diese könnten eine Beweisführung ("...may provide evidence...") zugunsten einer “konformen zyklischen Kosmologie” ermöglichen:
Laut Penrose könnten Gravitationswellen im Vorgängeruniversum entstanden sein, den Extremzustand des Urknalls überstanden und sich in unserem All erneut ausgebreitet haben. Dabei sollen Ringe in der kosmischen Hintergrundstrahlung entstanden sein.
Der Astronom Florian Freistetter beschreibt das durch Beobachtung bestätigte Phänomen von "Schwarzen Löchern aus der Zeit vor dem Urknall" (Persistence of black holes through a cosmological bounce) in einem Blogartikel auf Astrodicticum Simplex:Offenbar gibt es einen bestimmten Massebereich für sog. primordiale schwarze Löcher, der sie "Big Crunch" unbeschadet überstehen lässt. Würden wir damit Objekte finden, die älter sind als das Universum, würde sich auch die Möglichkeit eröffnen, diese Form des zyklischen Universums durch Beobachtungen zu bestätigen.
Bei der Gelegenheit macht auch Freistetter darauf aufmerksam, dass Modelle von zyklischen Universen keineswegs auf eine Widerlegung der Standardkosmologie abzielen müssen, sondern eher auf eine mögliche Erweiterung.
Und: "...wenn man nicht manchmal etwas spekulativ an die Dinge herangeht, findet man nie etwas Neues heraus."
Paul Steinhardt von der Princeton University publizierte 2002 gemeinsam mit Neil Turok das kosmologische Modell des ekpyrotischen Universums als eine Theorie 'vom Anfang'. Danach kollidiert unser Universum im Entstehungsprozess mit einem Paralleluniversum innerhalb eines (lt. Stringtheorie, s.u.) fünf-dimensionalen Raumes („bulk“). Die bei dieser Kollision freigesetzte Energie reiche aus, um die Entstehung von Materie und Strahlung zu erklären. Das Universum durchlaufe eine endlose Reihe von Zyklen, die jeweils mit einem Urknall beginnen. Danach entfaltet sich das All langsam über einen Zeitraum von Milliarden von Jahren. Treibende Kraft dabei sei die so genannte Dunkle Energie.
"Eine Kollision hat ein Davor und ein Danach" erklärt Steinhardt, "So kommen wir von der Idee weg, dass der Urknall der Anfang sein musste." (→ A Cyclic Model of the Universe, → The Ekpyrotic Universe: Colliding Branes and the Origin of the Hot Big Bang, Paul Steinhardt).

Somit haben sich Bojowald und seine Kollegen (u.a. Abhay Ashtekar, Tomasz Pawlowski und Parampreet Singh) nicht in eine völlig abwegige Idee verrannt, auch wenn dieser Anschein ganz gerne von der Befürwortern der Anfangs-Singularität gerne erweckt wird.

Siehe auch:

• Astrophysik: Ein Universum vor unserer Zeit - gut lesbarer Überblick zu diesen und weiteren Ansätzen zugunsten einer zyklischen Kosmologie auf Focus Online 

Ausgangspunkt: Grenzen des Standard-Urknall-Modells

Nach einer knappen Einführung in Newtons Gravitationsgesetz und Erläuterungen zu Quanten- und Relativitätstheorie stellt Martin Bojowald die Ideen der Quantengravitation vor. Ein kurzer und leicht verständlicher Überblick zu den Inhalten dieser Einleitung findet sich auch hier: → "Auf der Suche nach den Zeit-Atomen". Die Motivation für solche Idee liege in der offensichtlichen Begrenztheit des Grenzen des etablierten Weltbildes: es liefere keine vollständige Beschreibung des Universums.

Anhand des Urknalls erläutert Bojowald den Ausgangspunkt seiner Bemühungen:
Nachdem Gewissheit über die zunehmend schnelle Expansion des Universums bestand, ergab sich für die Vergangenheit ein deutlich kleineres Universum mit unvergleichlich höheren Temperaturen. Denn aus Einsteins Gleichungen der der Allgemeine Relativitätstheorie [nachfolgend als ART abgekürzt] folge, dass im Moment des Urknalls die räumlichen Ausdehnung "beliebig klein" gewesen sei.
Jeder Versuch, mit der ART den zeitlichen Verlauf des Universums zu berechnen, landet an dem als 'Singularität' bezeichneten Punkt, wo die Temperatur des (winzig kleinen) Universums unendlich wird. Kompression bedeutet nun mal Temperaturanstieg. Das Dilemma: bei unendlich großer Energiedichte kann keine Materie entstehen - genau an diesem Punkt breche Einsteins Gleichungssystem in sich zusammen: "Die Raum-Zeit zerreißt an einer Singularität."
Es handelt sich hier um ein vorläufiges Rechenergebnis, aus dem man im Grunde kein unvollkommenes Modell der Realität konstruieren - gegründetauf die Konklusion, vor dem Nullpunkt habe weder Raum noch Zeit (und erst recht kein Universum) existiert.
Wenn Zeit und Raum in der theoretischen Physik rückwärtsgerichtet einen Endpunkt (bzw. ihren Anfang) erreichen, ist dies keineswegs gleichbedeutend mit einer Vorhersage über ein reales Ende (bzw. Anfang) der Welt.

Diese Aussage erscheint mir ausgesprochen einleuchtend. Mit Verwunderung nehme ich als Laie zur Kenntnis, dass bewanderte Fachleute von Hawking bis Lesch an diesem Punkt dicht machen und gebetsmühlenhaft Phrasen wie 'Davor ist nichts definiert' von sich geben. Ein momentan 'nicht definierbarer' Zustand ist nicht zwangsläufig identisch mit 'nicht existent', sondern lediglich ein Indikator dafür, dass man an dieser Stelle mit den bisher verfügbaren Berechnungsmethoden nicht weiterkommt.

Jedenfalls bedeutet das Ergebnis 'Unendlich' als Resultat einer physikalischen Theorie, dass diese für einen bestimmten Wertebereich überstrapaziert wurde.

Dadurch werde sie nicht zur Gänze widerlegt, sondern müsse erweitert werden - etwa in Kombination mit der für winzige Skalen besser geeigneten Quantentheorie:
Die ART betrachte allein die Gravitation ("...lässt sie ungehindert auf die Raum-Zeit los!"), ohne ihr eine adäquate Gegenkraft zur Seite zu stellen. Dies führe in Extrembereichen zu Singularitäten - nicht nur beim Urknall, sondern beispielsweise im Hinblick auf Schwarze Löcher - insoweit führe kein Weg an einer Erweiterung der ART vorbei.

Während die ART den Aufbau des Universums im Großen beschreibt, behandelt die Quantentheorie die übrigen drei Elementarkräfte (elektromagnetische Wechselwirkung, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung) und erörtert so die Wechselwirkung zwischen kleinsten Teilchen in kleinen Raumgebieten. Sie liefert zwar eine genaue Beschreibung von der Materie und der Stabilität ihrer interagierenden Bausteine, lässt aber die Gravitation außer acht (was sich gerade in Extremsituationen wie hoher Kompression als fatal erweise).

Die 'Gralssuche' der Theoretischen Physik - eine Weltformel

Beide Theorien sind also durch eine Skala als ihren 'Zuständigkeitsbereich' begrenzt, außerhalb dessen ihre Formeln das unbeliebte Ergebnis 'Unendlich' hervorbringen. Kurzum: was bis heute fehlt, ist die bereits erwähnte Quantentheorie der Gravitation:

Die zurzeit in Entwicklung befindliche Theorie der Quantengravitation soll die beiden großen physikalischen Theorien - die Quantentheorie und die ART - verbinden und als 'Vereinigte Theorie' aller vier Grundkräfte zu einer TOE (Theory Of Everything) werden.

Mit angestrebten Vereinigung der Gravitation mit den anderen Elementarkräften zu einer Theorie, so die Hoffnung der theoretischen Physiker, sollten keine formal unendlichen Ergebnisse mehr auftreten, sodass sich dann auch die o.a. Extremfälle unter Berücksichtigung aller Elementarkräfte berechnen lassen. Falls die Quantengravitation als Zusammenführung von ART und Quantentheorie Erfolg haben würde, ließen sich vermutlich die gesamten physikalischen Eigenschaften des Universums aus einer einzigen Formel herleiten.
(Mit ihrer Suche nach dieser Weltformel, die alle bekannten physikalischen Phänomene erklären und verknüpfen soll, befindet sich die Physik so gesehen nach wie vor an dem Punkt, den Goethe's Dramenfigur Doktor Heinrich Faust vor gut 200 Jahren zutiefst beklagte:

Faust zieht eine selbstkritische Lebensbilanz und zweifelt am Erkenntniswert der Wissenschaft, weil diese weit davon entfernt sei zu erklären, "was die Welt im Innersten zusammenhält". Auch das intensive Studium der Philosophie, Juristerei und Medizin "und leider auch Theologie" habe ihn kein Stück vorangebracht:

Da steh ich nun, ich armer Tor!
und bin so klug als wie zuvor;
heiße Magister, heiße Doktor gar,
[...] und sehe, dass wir nichts wissen können!
Das will mir schier das Herz verbrennen!

Das Drama aber spielt zur Zeit Martin Luthers (1483–1546) - ketzerisch könnte man also behaupten, in diesem Punkt habe sich seit 500 Jahren nichts geändert...ganz so ist es natürlich nicht.)

Zukunftsmusik: Die Quantengravitation ist gerade für die Berechnung der heißen Phase des Urknalls von Bedeutung - denn mit diesem mathematischen Werkzeug soll das Geschehen am eigentlichen Singularitäts- oder Unendlichkeitspunkt erklärt werden. So ließe sich endlich die Frage beantworten, ob dieser Punkt wirklich den Ursprung von Materie, Raum und Zeit bildet - oder ob es etwas davor gab und wie dieses 'davor' beschaffen war.

In der mathematischen Praxis erweist sich diese Vereinigung dieser beiden 'eigentlich inkompatibler Theorien' als ausgesprochen kompliziert, weshalb trotz erheblicher jahrzehntelanger Bemühungen noch keine vollständige Quantengravitation verfügbar ist. Bisher habe man lediglich Indizien ('Puzzlestücke') sowie ein intuitives Verständnis für ihre möglichen Eigenschaften.

Dass sich die Gravitation bislang nicht in das Quantenmodell einzufügen ließ, beruht darauf, dass alle Kräfte in Elementarportionen, die Quanten zerlegt (=quantifiziert) werden, um sie mit den Gleichungen der Quantentheorie und nur dort exakt berechnen und erklären. Einzig die Gravitation lässt sich nicht ohne weiteres zerlegen - immerhin werden inzwischen Theorien aufgestellt,um die dies zu ermöglichen.

Anwärter 1: die Stringtheorie

Als erster Kandidat für diese Quantengravitation kam die Stringtheorie in Betracht, in der alle Elementarteilchen durch Strings ('Fäden') repräsentiert werden. Was darf man sich nun unter diesen Strings vorstellen?


Physikalische Theorien über Materie, Raum und Zeit definieren in unterschiedlicher Weise kleinste, fundamentale Grundbausteine, aus denen sich höhere Strukturen zusammensetzen. In der Stringtheorie sind diese kleinsten Objekte im Universum keine Punkte, sondern schwingende Saiten: Es existieren vibrierende Fäden in der Größenordnung von einer Planck-Länge; diese Fäden schwingen mit verschiedenen Frequenzen und haben eine eindimensionale räumliche Ausdehnung. Ein Elementarteilchen entspricht dabei dem Schwingungszustand eines elementaren Fadens.

Allerdings lässt sich diese Theorie nach bisherigem Kenntnisstand nur mit 10-, 11- oder 26 'aufgerollten' Dimension formulieren.

Die Hauptschwäche der gegenwärtigen stringtheoretischen Formulierungen liege darin, dass sie einen Raumzeithintergrund voraussetzen, in dem sich die Strings bewegen und schwingen.

Obwohl sie experimentell nicht überprüfbar ist, sind nach wie vor viele renommierte Physiker der Ansicht, daß sich die (Super-)Stringtheorie möglicherweise als jene einheitliche Theorie oder sogar die TOE erweisen wird, nach der sie seit langem suchen.


Anwärter 2: Schleifen-Quantengravitation

Eine Alternative zur Stringtheorie ist die Loop- oder Schleifen-Quantengravitation (LQG), in welcher auch Raum und Zeit in Quanten zerlegt sind: Bereits 1971 entwickelte der eingangs erwähnte Roger Penrose die sogenannten Spin-Netzwerke, als kombinatorischen Zugang zur Raumzeit der ART. Dieser mathematische Formalismus wurde nun in der Schleifen-Quantengravitation wieder entdeckt und erweitert. Im Bereich der winzigen Planck-Einheiten sind Raum und Zeit quantisiert. Die Quantenzustände des Raumes werden in der LQG durch Diagramme aus Linien und Knoten beschrieben.

Durch Hinzufügen der Zeit als vierte Dimension kommt es zu strukturellen Veränderungen: Aus den Knoten werden nun Linien in der Raumzeit - und aus den Linien, welche die Knoten verbinden, werden Flächen. Man spricht daher von einem Spin-Schaum der Raumzeit (→ Loop-Quantengravitation, Astro-Lexikon von Andreas Müller).

Im Gegensatz zur Stringtheorie liegt die größte Leistung der Schleifen-Quantengravitation darin, dass sie keinen Raumzeit-Hintergrund annimmt. 

Die LQG besagt somit, dass auch Raum und Zeit analog zum Aufbau der Materie aus diskreten Stücken, d.h. kleinsten, nicht weiter teilbaren Bausteinen bestehen. Diese "Raum-Zeit-Atome" sind kleinste ringförmige Gebilde, auch Loops oder Schleifen genannt. Die Ausdehnung der Loops, der 'elementaren Raumschleifen', liegt im Bereich von 10–32 Millimetern, der sog. Planck-Länge. Sie gibt die Größenordnung an, bei der die Geometrie des Raumes nicht mehr kontinuierlich ist.
(Es ist nicht leicht, sich dieses Prinzip verständlich zu veranschaulichen...und ohne etwas weiter auszuholen, geht dies m.E. gar nicht. Etwas detaillierter wird im nachfolgenden Beitrag "LQG - Versuch einer Veranschaulichung" darauf eingegangen.)

Der Zustand des Urknall-Ereignisses werde erst durch die diskrete ('körnige') Raumzeit stabilisiert...

Bojowald vergleicht diese bildhaft mit einem Schwamm in kleinem Maßstab: wie ein Schwamm erscheint die Raumzeit porös. Von weitem ist diese Beschaffenheit jedoch nicht erkennbar - analog erscheinen uns im Alltag auch Raum und Zeit wie kontinuierlich.

Ein Schwamm saugt Wasser auf, solange seine Kapazität dies zulässt, danach gibt er allerdings das Wasser ab und verliert an Größe. Ähnlich nehme die Raumzeit immer mehr Energie auf, wenn man sich der Urknall-Singularität nähert. Doch auch das Fassungsvermögen der Raumzeit ist begrenzt. Ihre Energie nimmt nicht bis ins Unendliche zu, sondern führt zu einer abstoßenden Schwerkraft. Nachdem der Punkt maximaler Energieaufnahme sowie maximaler Kompression überschritten war, ließ diese gravitative Abstoßung den Raum extrem rasch expandieren. Diese bereits seit 1981 als Hypothese diskutierte Inflationsphase des Kosmos hätte jedoch nur solange gedauert, bis das heute sichtbare Universum danach nur einen Durchmesser von etwa einem Meter 1 m erreicht hatte, gefolgt von einer anschließend 'normalen' Expansion (entsprechend dem Standard-Urknall-Modell).

Im Rahmen dieses Modells der Quantengravitation können Lösungen folgen, nach denen die in Quanten zerlegte Zeit nicht in eine Singularität führt. Aus den Gleichungen der ART folgerten Einstein und andere bekanntermaßen einen Anfangszeitpunkt; diese Schlussfolgerung wird von der Quantenphysik ignoriert . Die Loop-Rechnungen von Martin Bojowald ergeben, dass der Urknall (big bang) eigentlich ein Urprall (big bounce) war; vor diesem Prall zog sich das Universum rapide zusammen. Resultierend würde die Zeit durch den Urknall durchlaufen, es würde also bereits vor dem Urknall ein Universum existiert haben!

Auf dessen Eigenschaften sind bislang nur grobe Rückschlüsse möglich, denn das Urknall-Ereignis bildet eine Art Vorhang, welcher das 'Davor' verhüllt. Nach Bojowalds Ansatz wird der Urknall zu einem engen Übergangspunkt (manchmal auch 'Tunnelprozess' genannt), durch den das extrem komprimierte Universum hindurch gelangt und sich 'auf der anderen Seite' wieder ausdehnt, wobei es sich bei der Passage invertiert (umgestülpt) hat. Es folgt eine weitere Expansionsphase, die nach mehreren Milliarden Jahren zum Erliegen kommt, bevor das Universum allmählich wieder kollabiert und schließlich in sich zusammenstürzt.

Zur noch diffusen Vorstellung dieser Umstülpung (wie eine auf links gedrehte Socke mag man sich das Vorgängeruniversum vielleicht nicht unbedingt vorstellen) spricht der Autor von Spiegelsymmetrie und einer "Umkehrung der räumlichen Orientierung: ...Ein Rechtshänder, sollte er die Reise durch den Urknall überleben, würde also danach zu einem Linkshänder werden".

An anderer Stelle konstatiert Bojowald:

„Wir können die Zeit jetzt weiter zurückverfolgen, über den Urknall hinaus – sogar so lange, bis wir die negative Unendlichkeit erreichen. ... Das Universum hat somit keinen Anfang, es existierte ewig.“

Wenn es wirklich zutrifft, dass bei bei der Umwandlung des Vorläuferkosmos in unser gegenwärtiges All die Naturgesetze erhalten blieben, hätte eine weitere 'Sorge' von Vertretern der Anfangssingularität ebenfalls erledigt: Das Argument, Naturwissenschaft dürfe nur innerhalb der Naturgesetze operieren und habe daher keinen Zugriff auf das 'Davor', würde dann wegfallen.

Offen bleibt die Frage, ob das Universum von Zyklus zu Zyklus mit 100%iger Genauigkeit ein (Negativ-) Abbild von sich selbst erstellt - oder ob von Zyklus zu Zyklus eine qualitative Veränderung (Optimierung) eintritt.

Bojowald geht natürlich sehr viel tiefer ins Detail - mir diente dieses Buch primär als Hilfestellung auf der Suche nach Hinweisen auf eine zyklisch verlaufende Geschichte des Universums. Die Schleifen-Quantengravitation mag ein zyklisches Weltbild zeichnen, das im Gegensatz zur linearen Vorstellung der Weltgeschichte steht, an die wir in christlich geprägten Regionen gewöhnt sind. Doch könnte könnte sich das Modell bzw. seine nicht-lineare Interpretation sich immer noch als Sackgasse erweisen, denn die Schleifen-Quantengravitation ist einem 'Frühstadium', die Zeichnung gleicht einer hoch-spekulativen Skizze. Und ihre empirische Überprüfung wird sich zumindest als schwierig erweisen...

"Der Boden der Physik ist übersät mit Leichen von vereinheitlichten Theorien"

Freeman Dyson

Die Versuchung, jeden modernen Schlenker der Physik vorschnell in traditionelle Weltbilder einzubauen, sieht Martin Bojowald vor diesem Hintergrund durchweg kritisch.
Auf der anderen Seite besteht keine Veranlassung, sich dogmatisch an das eine Modell vom singulären Urknall und der Entstehung des Universums aus dem Nichts zu klammern. Reizvoller ist die vergleichende Betrachtung verschiedener Weltbilder, insoweit diese nicht auf reiner Phantasie beruhen (Zwar hat auch pure Sciencefiction ihren eigenen Reiz; sie muss dann aber beim Namen genannt werden).

Schließlich zeigt die Wissenschaftsgeschichte die Unterschiede zwischen der Realität und ihren unvollkommenen Abbildern und Rekonstruktionen deutlich auf. Die jeweiligen Weltbilder der einzelnen Epochen entstanden zunächst aus philosophischer Naturbeobachtung und Schlussfolgerung. Später dominierten die temporär gültigen Modelle und Theorien von Naturwissenschaftlern. Doch die Beschränkungen beider Arten von Weltbildern resultierten stets aus einem begrenzten, idealisierten Beobachtungsfeld.

Eben diese Tatsache der fehlenden (Berechnungs- und) Beobachtungsmöglichkeit macht die Singularität des Urknalls zu einer Mutmaßung. Mit ihr umschreiben die Physiker die unangenehme Tatsache, das sie über diesen Zustand nichts wissen. Martin Bojowald skizziert die Singularität sogar als Scheintatsache, die Ausdruck ungenügender Naturgesetze sei. Er fügt ein Zitat des Philosophen Rudolf Carnap hinzu, einem erklärten Vertreter des Logischen Empirismus:

"Es (ein Naturgesetz) kann richtig, aber auch falsch sein.Wenn es nicht richtig ist, ist der Wissenschaftler, nicht die Natur, der Schuldige."

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Anmerkungen 

Eine Fragestellung wurde bislang noch nicht erörtert: welche philosophisch-theologischen Auswirkungen wären zu erwarten, falls sich in den nächsten Jahrzehnten ein zyklisches Bild unseres Universums und seiner Geschichte durchsetzen sollte. (To be continued)
Die von Bojowald ausführlich behandelte Singularität von Schwarzen Löchern habe ich, wie vieles andere auch, diskret verschlampt. Als weiterführende, wissenschaftliche Abhandlung hierzu wie auch zum inflationären Universum sei die Diplomarbeit "Primordiale Schwarze Löcher im inflationären Universum" von Torsten Bringmann empfohlen.

Der Fairness halber sei auch nochmal auf die Argumentation von Prof. Harald Lesch hingewiesen, der sich konsequent-konservativ die Auffassung verteidigt, ein 'Davor' lasse sich mit den Naturwissenschaften nicht beschreiben. Schade, dass er sich darauf beschränkt, das momentan (noch?) Nicht-Definierbare als undenkbar darzustellen ("Keine Chance"):alpha centauri: Was war vor dem Big Bang? / alpha centauri: "Wo war der Big Bang?"

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Scobel (3SAT): Universum ohne Anfang?

Am nachfolgend wiedergegebenen Gesprächskreis nimmt u.a. auch Autor Martin Bojowald teil; seine Thesen werden vorgestellt und kritisch-vergleichend beleuchtet.

• Teil 2 des Videos