• Interview mit dem Physiker Hermann Nicolai: „Ein großes Rätsel bleibt“

Interview mit dem Physiker Hermann Nicolai : „Ein großes Rätsel bleibt“

Am Anfang war der Urknall - das lernt heute jedes Kind. Warum der aber möglicherweise gar nicht stattgefunden hat, was in der Zeit davor passierte und warum Physiker wohl noch länger nach der Weltformel suchen werden, erklärt der Direktor des Einstein-Instituts, Hermann Nicolai.

Kosmischer Hintergrund. Das Foto der Raumsonde WMAP (Mission 2001–2010) zeigt Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung des Universums kurz nach dem Urknall.Alle Bilder anzeigen
Foto: Nasa
12.03.2013 20:05Kosmischer Hintergrund. Das Foto der Raumsonde WMAP (Mission 2001–2010) zeigt Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung...

Herr Nicolai, wir sind mit dem Weltbild groß geworden, dass am Anfang des Universums der Urknall stand. Stimmt diese Sichtweise am Ende gar nicht?

Zum Urknall selbst können wir letztlich nichts sagen. Wir wissen aber, dass sich das Weltall ausdehnt. Diese Expansion lässt sich in der Zeit zurückverfolgen, und man kann ausrechnen, dass das Weltall vor rund 13,7 Milliarden Jahren aus einer Explosion entstanden ist. Wie dieses Ereignis im Detail aussah, darüber lässt sich aber noch nichts Genaues sagen.

Warum nicht?

Die Physik kann sich bis auf winzige Sekundenbruchteile diesem Punkt – der „Singularität“ – annähern und die Vorgänge bis dahin erklären. Wir können zwar nicht direkt bis dorthin zurückschauen, aber wir haben mit dem kosmischen Mikrowellenhintergrund ein Foto unseres Universums 300 000 Jahre nach dem Urknall. Zuvor war das Weltall zu heiß, erst danach konnte das Licht das Weltall ungestört durchqueren. Dennoch wissen wir eine Menge darüber, was davor passierte, doch diese Kenntnis wurde auf indirekte Weise und unter anderem unter Zuhilfenahme der modernen Elementarteilchenphysik gewonnen.

Zum Beispiel?

Ursprünglich gab es eine Art „Ursuppe“ aus Elementarteilchen – Quarks und Leptonen –, die sich dann zu Protonen, Neutronen und Atomkernen zusammengefunden haben. So verstehen wir, wie die einfachen chemischen Elemente entstanden sind. Je weiter wir jedoch zurückgehen, desto weniger verstehen wir, und an einem bestimmten Punkt bricht unsere Beschreibung vollständig zusammen.

An welchem Punkt ist das?

Das ist die Nahtstelle, an der Quantentheorie und die Gravitation zusammengebracht werden müssten. Also die Physik der ganz kleinen Dinge mit der Welt der großen Dinge. Hier fehlt eine einheitliche Formel…

…die sogenannte Weltformel.

So ist es. In unseren Theorieansätzen gehen wir davon aus, dass eine vereinheitlichte Theorie nur in den allerersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall das Geschehen bestimmte. Danach haben sich Gravitation und Materie mit ihren Wechselwirkungen getrennt. Die Gravitation kann man klassisch behandeln und die Materie im Rahmen der Quantentheorie. Um über den besagten Punkt hinauszukommen, müsste man über die bekannte Physik – Quantentheorie und allgemeine Relativitätstheorie – hinausgehen.

Ein großer Schritt.

Ein unfassbar großer Schritt. Gravitation und Kernkraft haben auf den ersten Blick nichts miteinander gemein. Daher sind wir auf der Suche nach einer Formel, in der zwischen den Kräften gar nicht mehr zu unterscheiden ist. Das bleibt ein großes Rätsel.

Sie haben nun auf einem Treffen mit weltweit führenden Theoretikern am AEI verschiedene Ansätze betrachtet.

Wir hatten sowohl den Erfinder der Stringtheorie, Gabriele Veneziano, wie auch den Vater der Schleifenquantengravitation, Abhay Ashtekar, zu Gast. Das war ein hochkarätig besetztes und in dieser Zusammensetzung äußerst seltenes Treffen, bei dem die verschiedenen Ansätze diskutiert wurden. Dieses ganze Wissen müssen wir nun zusammenbringen, sodass sich zum Schluss alles nahtlos zusammenfügt. Keine einzelne Theorie schafft es aber bislang, ein kohärentes Bild zu präsentieren, wie das Kleine mit dem Großen zusammenpasst.

Die Weltformel wird also noch auf sich warten lassen?

Physik betreibt der Mensch seit Aristoteles. Dass wir nun gerade in dem kleinen Zeitfenster unserer Existenz die Lösung für die Frage der Weltformel finden sollten, halte ich für sehr unwahrscheinlich. Aber vielleicht können wir in nicht allzu ferner Zukunft neue Einblicke gewinnen, indem wir mit Gravitationswellen, an deren Nachweis auch das AEI arbeitet, bis zum Urknall zurückschauen. Allerdings dürfte es frühestens 2030 so weit sein. Unabhängig davon warten mit großer Spannung auf die Messdaten der Planck-Satelliten in etwa zwei Wochen. Das Bild von der Materieverteilung im All wird sich dann wesentlich verfeinern. Diese Daten helfen uns dabei, zahlreiche Modelle zu eliminieren, sodass sich vielleicht am Ende ein besserer Theorieansatz herausschält.

Gibt es einen gemeinsamen Nenner?

Das Bild vom inflationären Universum, dem zufolge es zwischen dem Urknall und der heißen Phase des Alls noch eine Phase der Inflation gab, wird inzwischen weithin akzeptiert. Die Hypothese ist, dass sich das Universum in einer äußerst kurzen Zeit ungeheuer stark – exponenziell – aufgeblasen hat.

Wie ist man darauf gekommen?

Wenn man, bildlich gesprochen, ein Thermometer ins Weltall hält, stellt man fest, dass die Temperatur in jeder Richtung und überall – mit Ausnahme heißer Sterne natürlich – die gleiche ist, bis auf die fünfte Stelle hinter dem Komma! Das ist äußerst seltsam: Stellen Sie sich vor, die Wetterkarte von Deutschland heute Abend würde überall mit dieser Genauigkeit die gleiche Temperatur zeigen. Das wäre viel unwahrscheinlicher als ein Lotto-Gewinn, und für das riesige Universum ist es noch viel unwahrscheinlicher! Diesen „Zufall“ vermag die Theorie vom inflationären Universum zu erklären. Denken Sie sich einen Ballon, bei dem eine extrem schnelle Aufblähung alle Unebenheiten auseinanderzieht, sodass nur winzigste Abweichungen übrig bleiben.

Was folgt daraus?

Wir glauben heute, dass diese minimalen Temperaturabweichungen die Saat für die Strukturbildung im Weltall waren. Die Entstehung der Galaxien aus einem ursprünglich nahezu homogenen Universum lässt sich so mit der Inflations-Theorie im Prinzip erklären. Allerdings kann die Theorie nicht die Frage beantworten, wo alles herkommt. Was hat diesen Prozess in Gang gesetzt? Und was war vorher?

Was ist denkbar?

Aktuell wird zum Beispiel die Möglichkeit diskutiert, dass es gar keinen Urknall gab, vor dem nichts war und aus dem alles entstanden ist, sondern es gibt auch Ansätze, die ein Universum „vor“ unserem Universum postulieren, das kollabierte und dann wieder expandierte, die sogenannte Bounce-Theorie. Ein weiterer Ansatz spricht von der „ewigen Inflation“: Demnach wäre unser Universum nur ein winziges Unteruniversum in einem Megaversum, in dem ständig Universen geboren werden und wieder vergehen. Nur sehr wenige von diesen Unteruniversen könnten aber eine Grundlage für intelligentes Leben bieten.

Warum ist das nicht in jedem Fall möglich?

Wenn sich das Universum zu schnell ausdehnen würde, würde sich keine Materie bilden, dann gäbe es auch keine Sonnensysteme, Planeten und Leben. Wir haben letztlich zwei Fragen zu beantworten: einmal, wie das Universum überhaupt entstehen konnte. Und dann, wie es sich so entwickeln konnte, dass Leben entstand. Die Erde gibt es seit viereinhalb Milliarden Jahren. So lange hat es ungefähr auch gebraucht, bis der Mensch auf den Plan trat. Intelligentes Leben braucht eben eine gewisse Zeit zur Entwicklung und ein Universum, das die Bedingungen dafür zur Verfügung stellt.

Vielleicht ist die menschliche Sicht zu sehr durch Anfang und Ende – den Zyklus von Leben und Tod – determiniert?

Es gibt tatsächlich Ansätze, die behaupten, ohne Anfang und Ende auskommen zu können. Heute wird auch diskutiert, wie die ferne Zukunft unseres Universums aussehen könnte. Lange Zeit dachte man, dass die Expansion durch die Gravitationskräfte der Materie verlangsamt und irgendwann sogar aufgehalten werden könnte. Das hängt davon ab, wie viel Materie im Weltall ist. Die sichtbare Materie alleine würde allerdings nicht ausreichen, einen Kollaps zu verursachen. Auch nicht, wenn man die dunkle Materie hinzurechnet, von der es zehnmal so viel gibt wie von der sichtbaren Materie. Mit der dunklen Energie kommt noch eine weitere Komponente hinzu. Diese drei Komponenten sind genau so austariert, dass die Existenz unseres Universums überhaupt erst möglich wird. Etwas mehr oder weniger von einer dieser Komponenten, und es würde kollabieren oder zu schnell expandieren.

Und wie geht es weiter?

Nach heutigem Kenntnisstand wird das Weltall weiter expandieren, weil die dunkle Energie als eine Art Antigravitation dafür sorgt, dass das Universum immer größer, leerer und kälter wird. Alles wird auseinandergetrieben, ein Vorgang, der sich sogar noch beschleunigt. Dann würden wir in fernster Zukunft, in hundert oder gar tausend Milliarden Jahren, keine anderen Galaxien mehr sehen, es würde völlig dunkel. Allerdings nur, wenn die dunkle Energie einer kosmologischen Konstanten entspricht; sollte sich diese Konstante in der Zeit ändern, wäre wieder alles offen. Für das Ende der Welt bietet die Physik viele interessante Szenarien.

Ich habe mal bei der Konkurrenz nachgeschaut. Die haben ein einfacheres Bild. Das sichtbare Universum sei dazu bestimmt, umgewandelt zu werden, die Erde verliere ihre sichtbare Gestalt, heißt es im katholischen Weltkatechismus.

Wenn damit gemeint ist, dass die Erde von der zum Roten Riesen mutierten Sonne verschluckt wird, dann weiß die Wissenschaft das ja bereits. Man kann natürlich auch fragen, warum überhaupt etwas existiert, und nicht einfach Nichts ist. Aber die Wissenschaft braucht letztlich immer empirisch überprüfbare Aussagen.

Das Gespräch führte Jan Kixmüller

Der Physiker Hermann Nicolai (60) ist seit 1997 Direktor und derzeit auch geschäftsführender Direktor am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert Einstein Institut) in Golm. Der Physikprofessor und Träger der Albert-Einstein-Medaille bekommt am 15. April in Paris den Gay-Lussac-Humboldt-Preis verliehen. Vom 5.-8. März hatte er weltweit führende Kosmologen und theoretische Physiker nach Golm eingeaden.

Kurzer Lebenslauf:
Geboren am 11. Juli 1952 in Friedberg (Hessen). Studium der Physik und Mathematik TH Karlsruhe, Promotion Univ. Karlsruhe (1978), Fellow und Staff-Member am CERN Genf von 1979 bis 1986, Habilitation im Fach Theoretische Physik Univ. Heidelberg (1983), C3-Professor an der Univ. Karlsruhe (1983), C4-Professor an der Univ. Hamburg, Direktor und Wissenschaftliches Mitglied am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (seit 1997).

Wichtige Preise:
1991 Klung-Wilhelmy-Weberbank Preis
2010 Albert-Einstein-Medaille (http://de.wikipedia.org/wiki/Albert-Einstein-Medaille)