Interview zur Kosmologie: „Wir gehen bis an die äußerste Grenze“

Potsdam - Herr Lehners, Sie befassen sich mit der Theoretischen Kosmologie. Was wissen wir heute über das Universum, in dem wir leben?
 

Wir wissen, dass das Universum heutzutage unglaublich groß ist, jedoch auch, dass dies nicht immer so war. Die Kosmologie treibt mit der Frage danach, was vorher war, die Weltgeschichte bis an ihre äußerste Grenze. Wir gehen bis an den Punkt, an dem es vorher vielleicht noch nichts gegeben hat. Wenn der Urknall wirklich der Anfang war, müsste sich die Entstehung von Raum, Zeit und Materie aus dem Nichts beschreiben lassen.

Wie das?

Vor rund 100 Jahren schon hat die Physik herausgefunden, dass sich der Raum zwischen den Galaxien immer weiter ausdehnt. Das Universum wird also immer größer. Wenn wir weit genug zurückgehen, war alles einmal sehr dicht und heiß, was wir bislang als Urknall bezeichnet haben. Dass das Universum tatsächlich einmal äußerst heiß und dicht war, kann die Radioastronomie heute mit Hilfe der kosmischen Hintergrundstrahlung messen. An dem Punkt vor 13,8 Milliarden Jahren gibt es aber eine rechnerische Singularität, hier wird alles unendlich dicht. Wenn die Physik an eine solche Unendlichkeit gelangt, wissen wir, dass etwas nicht stimmen kann.

Und weiter?

Wir können nicht sehen, was beim Urknall war, weil die kosmische Hintergrundstrahlung eine Art Mauer ist, wir können nicht dahinter schauen. Diese Strahlung wurde in dem Moment ausgestrahlt, als das Universum erstmals durchsichtig wurde, davor war es eine für Licht undurchdringbare Suppe aus Teilchen. Daher müssen wir mit Theorien arbeiten. Irgendwann in der Zukunft werden wir mit Hilfe der Gravitationswellen vielleicht bis an den Anfang schauen können. Diese Wellen, die auch hier am AEI erforscht werden, werden nicht durch Hindernisse gebremst.

Heute aber …

… müssen wir uns noch mit der Theorie alleine behelfen. Wenn wir nicht bis zum Urknall sehen können, stellt sich die Frage, ob es den Urknall überhaupt gegeben hat. Wenn es ihn aber nicht gab, stellt sich wiederum die Frage, was anstelle dessen hätte geschehen sein können. Falls es ihn doch gab, bleibt die Frage, wie beim Urknall das Universum überhaupt entstanden ist. Denn es müsste damals nicht nur die Materie, sondern auch Raum und Zeit selbst entstanden sein. Wir arbeiten dazu an verschiedenen Vorstellungen, weil niemand genau weiß, wie es wirklich war. Eine davon ist die Idee, dass es statt des Urknalls einen kosmischen Rückprall gab.

Können Sie das genauer erklären?

Es geht um Lösungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, bei denen das Universum von einer Kontraktionsphase zu einer Expansionsphase übergeht. In dieser Phase der Ausdehnung befinden wir uns aktuell. Nach dieser Theorie käme ein Umschwung und das Ganze zieht sich wieder zusammen, bis es wieder in die Ausdehnung übergeht. Das wird in der Physik als Rückprall bezeichnet. Was wir heute als Urknall bezeichnen, wäre demnach einfach der Umschwung zwischen der Phase des Zusammenziehens und der erneuten Ausdehnung.

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Wie ein pulsierendes Pumpen also?

Genau. Und bei einem solchen Rückprall kann sich das Universum sogar stark deformieren, also stark gekrümmt werden, bevor es sich wieder ausdehnt. Ziemlich spannend ist, dass diese Lösungen erstaunliche Ähnlichkeiten mit den Vorgängen im Inneren von sehr exotischen Schwarzen Löchern zeigen. Es ist interessant, dass dieselbe Geometrie, die wir vom gesamten Universum annehmen, auch im Inneren von Schwarzen Löchern erwartet wird. Das ist aber etwas, das wir noch genauer erforschen müssen.

Wie wahrscheinlich ist die Theorie vom Rückprall?

Ein solcher Rückprall kann nur unter ganz speziellen Bedingungen passieren. Eigentlich wäre nach der Allgemeinen Relativitätstheorie zu erwarten, dass ein solches Universum in den meisten Fällen zu einer Singularität zusammenfällt. Bislang ist es noch offen, ob ein solches Modell realistisch ist oder eine mathematische Kuriosität. Falls es nur eine Kuriosität ist, bleibt wieder die Frage, wie man diesen Anfang beschreiben kann.

Was ist noch denkbar?

Das Universum könnte auch aus dem Nichts heraus entstanden sein.

Wie bitte?

Die Quantentheorie würde dies erlauben. Das ist eine alte und reizvolle Idee der Kosmologie. Die Quantentheorie erlaubt ja vieles, was in der klassischen Physik – also den Gesetzmäßigkeiten unserer Welt der großen Dinge – nicht möglich ist. Etwa die Option, dass das Universum einfach so entsteht, als eine Art Blase, aber nicht in einem Raum, sondern als eine Blase, die selbst aus Raum und Zeit besteht. Das Universum würde mit seiner Ausdehnung seinen Raum und seine Zeit sozusagen selbst generieren.

Wie soll man sich so etwas vorstellen?

Am besten, wenn wir – zur Verbildlichung – einfach ein paar Dimensionen weglassen: als Kreis der sich immer weiter ausdehnt. Wenn wir in der Zeit weiter zurückgehen, wird der Kreis – also das Universum – immer kleiner, ohne dass es jemals aufhört. Wir wollen aber wissen, was vorher kam. Dazu gibt es eine schöne Idee von James Hartle und Stephen Hawking. Nämlich, dass man das ganze Gebilde nach unten hin – also in Richtung Ursprung – abrundet. Dann gibt es keinen Rand mehr in der Vergangenheit, nur noch eine Rundung, ähnlich einem umgedrehten Kegel. Dann bräuchte man nicht mehr fragen, was davor kam, denn alles wäre darin enthalten. Die Zeit wäre so gekrümmt, dass sie zu einer Raumdimension würde. Damit könnte man den Urknall durch diese abgerundete Raumzeit ersetzen. Die Konsequenzen dieser Idee konnte man lange Zeit aber nicht ausrechnen. Vor zwei Jahren ist es uns am AEI zusammen mit Kollegen in Kanada mit verfeinerten Rechenmethoden aber gelungen.

Mit welchem Ergebnis?

Wir erhielten Wahrscheinlichkeiten für verschiedene Arten von Universen. Demnach ist es wahrscheinlicher, dass das Universum gekrümmt als flach ist. Je mehr es gekrümmt ist, umso wahrscheinlicher wird es. Ein solches Universum würde durch seine eigene Krümmung allerdings gleich wieder zusammenfallen.

Eine wertlose Idee also?

Nicht unbedingt. Wir haben die Frage untersucht, wie das Universum überhaupt aus dem Nichts kommen kann. Das Merkwürdige daran ist aber, dass die Abwesenheit von Raum und Zeit in der Quantentheorie vielleicht doch nicht möglich ist. Denn die Quantentheorie besagt, dass es immer Schwankungen gibt. So kann man zum Beispiel bei einem Teilchen, sagen wir einem Elektron, nie die Position und die Geschwindigkeit gleichzeitig beliebig genau kennen. In diesem Beispiel würde das Nichts dann der Situation entsprechen, wo man sagen würde das Elektron sei bei Position Null mit Geschwindigkeit Null. Das geht eben nicht, und bei der Raumzeit ist es wohl ähnlich. Es würde also immer Raumzeitschwankungen geben, und man könnte Raum und Zeit nicht vollkommen wegdenken. Wenn man die Quantentheorie auf die Raumzeit anwendet, gibt es also nie gar nichts. Kürzlich haben wir herausgefunden, dass aus diesen Schwankungen heraus dann doch ein solches abgerundetes Universum entstehen kann. Demnach kann man die Urknallsingularität durch diese gerundete Geometrie ersetzen, jedoch beschreibt dies dann nicht das Entstehen aus dem Nichts, sondern aus Fluktuationen von Raum und Zeit.

Wenn Sie sagen, dass in dieser Vorstellung Raum und Zeit aus Quantenschwankungen hervorgegangen ist, dann muss es davor doch etwas gegeben haben?

Gewissermaßen schon. Das Problem ist aber, dass wir Menschen immer räumlich und zeitlich denken. Diese Schwankungen von Raum und Zeit wären eben nur Schwankungen, man kann also nicht so richtig sagen, dass es etwas „davor“ gab, dafür bräuchte man eine kontinuierliche Zeit, und nicht nur Zeitfluktuationen. Das können wir mit unserer Vorstellung schwer erfassen. Das würde aber auch bedeuten, dass aus solch einem Zustand nicht nur ein Universum, sondern viele entstehen könnten. In diesem Kontext wäre ein Universum einfach dort, wo sich Zeit und Raum bilden und ausdehnen. Auch bei einem solchen Universum gäbe es nichts, was um das Universum herum ist.

Aber noch einmal, es muss doch etwas dahinter geben!

Diese Frage ist sinnlos, weil der Begriff „dahinter“ immer die Vorstellung von einem Raum voraussetzt. Ein Universum hat aber einfach seinen eigenen Raum.

Was kann dann fluktuieren, wenn dort Nichts ist?

Das ist die große Frage. Wir wissen nicht, wie wir das mit Worten beschreiben sollen. Wir können das nur mit Formeln berechnen und dann versuchen, diese anschaulich zu machen. Da stoßen wir an Grenzen der Darstellung.

Ist das nicht vielmehr auch eine philosophische Frage?

In der Kosmologie stoßen wir oft an philosophische Fragen, da wir uns eben gerade mit den Grenzen des Wissens beschäftigen. Unser Ziel ist es jedoch wissenschaftliche Antworten zu finden, die hoffentlich auch einmal durch Beobachtungen überprüft werden können.

Landen Sie dabei nicht zwangsläufig auch auf dem Terrain der Religion?

Die kosmologischen Fragen streifen die Religion nur, wenn man denkt, dass die Fragen nicht anders beantwortet werden können. In den Religionen wird die vermeintliche Wahrheit ja einfach dogmatisch deklariert. Wir versuchen jedoch durch das Zusammenspiel von Beobachtungen, Experimenten und Theorien herauszufinden, was wirklich passiert ist. Da muss man auch bereit sein, seine bisherigen Überzeugungen über Bord zu werfen, und dies passt nicht mit einer dogmatischen Auffassung von Religion zusammen.

Sind Sie religiös?

Nur in dem Sinn, dass die Erkenntnis der Einheit der Natur nicht emotionslos an mir vorbeizieht.

Die Forschung hat auch eine zunehmende Unordnung im Weltall festgestellt. Was hat es damit auf sich?

Das ist ein weiteres Rätsel des frühen Universums. Mit zunehmender Ausdehnung des Alls nimmt die Unordnung immer weiter zu. Das besagt der zweite Hauptsatz der klassischen Thermodynamik – und das ist experimentell bewiesen. Bislang ist aber nicht geklärt, warum am Anfang des Universums alles ordentlich gewesen sein soll. Im Zusammenhang mit der Gravitationskraft müsste man fragen, warum das Universum so wenig gekrümmt war, denn die Unordnung nimmt mit der Krümmung zu. Mein früherer Doktorvater Kellogg Stelle aus London und ich haben jetzt herausgefunden, dass eine bestimmte Veränderung der Relativitätstheorie, welche auch dabei hilft die Relativitätstheorie mit der Quantentheorie zu verknüpfen, automatisch auch noch die Ordnung im frühen Universum erklären würde. Dann hätten wir schon mal ein Rätsel weniger zu lösen!