Urknalltheorien: Von Sekunde 0 bis 400.000 Jahre danach

Die Entwicklung des Universums ist ein faszinierendes und komplexes Feld der Astrophysik.

Die Urknalltheorien erforschen die Entwicklung des Universums ab dem Moment des Urknalls, also ab Sekunde 0, bis zu etwa 300.000 bis 400.000 Jahre später, als sich stabile Atome bildeten und das Universum durchsichtig wurde.

Diese Theorien konzentrieren sich jedoch nicht auf den Urknall selbst, sondern befassen sich mit der zeitlichen Entwicklung des Universums unmittelbar nach diesem Ereignis.

Dieser Artikel bietet einen tiefen Einblick in die Urknalltheorien, die diese frühen Phasen des Universums beschreiben.

Das Wichtigste in Kürze

  • Urknall und Universum: Die Urknalltheorien erforschen die Entwicklung des Universums ab dem Urknall bis zur Bildung stabiler Atome, wobei der Fokus nicht auf dem Urknall selbst, sondern auf den Ereignissen unmittelbar danach liegt.
  • Big Bounce Theorie: Martin Bojowalds Theorie des “Big Bounce” deutet auf ein zyklisches Universumsmodell hin, in dem das Universum sich wiederholt zusammenzieht und ausdehnt.
  • Quanten-Kosmologie und Schwarze Löcher: Theorien, die die Entstehung des Universums mit Schwarzen Löchern und Wurmlöchern in Verbindung bringen, bieten neue Perspektiven auf die Zeit vor dem Urknall.
  • Einfluss großer Denker: Wissenschaftler wie Einstein, Hawking und andere haben maßgeblich zum Verständnis des Universums und der Relativitätstheorie beigetragen.
  • Aktuelle Herausforderungen: Wichtige Fragen, wie die genaue Ursache des Urknalls und die Vereinigung von Quantenphysik und Gravitation, bleiben offene Forschungsgebiete.

Die Anfänge der kosmischen Zeit: Vom Urknall bis zur Atomformation

Die Urknalltheorien bieten Erklärungen für die Ausdehnung und den aktuellen Zustand des Universums. Zwei Hauptströmungen der Kosmologie prägen das Verständnis des Urknalls:

  • Während die sog. Quanten-Kosmologen der Auffassung sind, vor dem Urknall könne es bereits etwas gegeben haben, müsse es aber nicht,
  • gehen die klassischen Kosmologen (bislang) davon aus, dass das Universum durch einen singulären Urknall entstanden ist und es davor nichts gegeben hat.

Die Theorie des Big Bounce

Einer der ersten, der mit seinen Berechnungen ein Fenster in die Zeit vor dem „Urknall“ öffnete, war 2004 Martin Bojowald.

Dem Physiker aus Jülich, inzwischen Professor an der Pennsylvania State University, gelang mit Hilfe der Schleifen-Quantengravitation der Blick in eine Welt negativer Zeit, mit umgestülpten Raumverhältnissen und einem Kosmos, der sich maximal zusammenzieht, um im Anschluss wieder zu expandieren.

Seine – recht umstrittene – Theorie vom „Big Bounce“ (englisch Großer Aufsprung) ist eine einfache Variante der möglichen Erweiterungen des Universums zurück vor den Urknall, sodass der „Urknall“ nur ein Übergang zu unserem jetzigen Universum gewesen wäre: Also ein „Big Bounce“ statt eines „Big Bang“.

Die Idee eines zyklischen Universums mit wechselnden Phasen des sich Ausdehnens und wieder Zusammenziehens ist nicht neu. Lange aber galten solche Modelle als veraltet und nicht im Einklang mit modernen Erkenntnissen der Physik und Kosmologie.

Dies aber hat sich nun geändert. Denn immer mehr zeigt sich, dass auch der lange etablierte Urknall einige Fragen aufwirft, die man bisher nicht beantworten kann. Deshalb erlebt nun die Vorstellung eines „Big Bounce“ eine Renaissance: den explosiven Übergang von einem Universum zum nächsten Universum.

Folgt man dieser Theorie, dann gab es vor unserem jetzigen Universum bereits ein früheres, anderes Universum. Es expandierte nicht (mehr), sondern verdichtete sich immer weiter und kollabierte – bis auf den kleinsten Punkt, aus dem heraus sich anschließend das aktuelle Universum wieder aufblähte.

Man kann sich dies wie bei einem aufgeblasenen Luftballon vorstellen, aus dem die Luft entweicht; er schrumpelt zusammen, bis die Hülle aneinanderklebt. Dann durchdringen sich – so das Modell – die Wände des Ballons.

Was vorher innen war, ist jetzt außen. Und mit einem „Big Bounce“, dem großen Abprallen der Ballonwände voneinander, beginnt die Expansion und der Luftballon gewinnt wieder an Volumen.

Messbare Indizien für dieses Modell gibt es noch nicht. Doch die Berechnungen Bojowalds und anderer Forscher lassen durchaus die Existenz eines Vorgängeruniversums zu. Und nicht nur das. Sie geben auch der Möglichkeit und Vorstellung Raum, dass sich der „Ballon“ über Jahrmilliarden hinweg immer wieder aufbläht und anschließend verdichtet: Zusammen, auseinander, zusammen, auseinander. – Auch dies könnte also die Geschichte unseres Universums sein.

Wurmlöcher und der Ursprung des Urknalls

Vor allem die Quanten-Kosmologen und die Stringforscher beschäftigen sich nicht nur mit der Entstehung des Universums; sie lassen auch Aussagen über die Zeit vor dem Urknall zu:

Eine Theorie besagt, dass – als Umkehrung des Urknalls – ein Schwarzes Loch und ein „Weißes Loch“ zusammen ein „Wurmloch“ bilden können und dass der Urknall aus einem Weißen Loch hervorgegangen sein könnte.

Forscher prüfen die Existenz von Wurmlöchern
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Science-Fiction-Fans denken beim Wort „Wurmloch“ bestimmt nicht an wirbellose Tiere mit schlauchförmigem Körper. In einschlägigen Filmen werden kosmische Wurmlöcher von Raumschiffen als Abkürzung zwischen weit entfernten Teilen des Universums.

Mit diesem Kunstgriff lassen sich Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit vermeiden, die ja nach den Gesetzen der Physik nicht möglich sind. In der US-amerikanischen Science-Fiction-Fernsehserie „Raumschiff Enterprise“ (englisch Star Trek) aus den 1960er-Jahren nutzt das Raumschiff Enterprise wie selbstverständlich Wurmlöcher als Abkürzungen im All.

Unter dem Kommando von Captain James T. Kirk erkundet es unbekannte Bereiche des Universums. Dabei wird seine internationale Besatzung mit unbekannten Phänomenen, Lebensformen und Feinden konfrontiert.

Das Raumschiff Enterprise
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Die Existenz der Schwerkraftmonster ist inzwischen belegt. Auch kosmische Wurmlöcher müssen jedoch keine Science-Fiction bleiben. Zwar ist ihre Existenz bislang rein hypothetisch ist, aber gleichwohl beschäftigen sich seriöse Wissenschaftler mit dieser Möglichkeit.

Immerhin lassen die Gleichungen der 1916 von Albert Einstein aufgestellten „Allgemeinen Relativitätstheorie“ die Existenz von Schwarzen Löchern und sog. Wurmlöchern zu. Aus dieser Theorie, die das Universum als ein Raumzeit-Gebilde mit vier Dimensionen – drei Raumdimensionen und die Zeit als vierte Dimension – beschreibt, wurden auch die zunächst rein hypothetischen Schwarzen Löcher vorhergesagt.

Deren Existenz ist allerdings mittlerweile experimentell belegt. Für den Nachweis eines Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Milchstraße wurde Professor Reinhard Genzel, Direktor des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik, im Jahr 2020 mit einem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet.

Jose Luis Blázquez-Salcedo von der Universidad Complutense de Madrid, Christian Knoll von der Universität Oldenburg und Eugen Radu von der Universidade de Aveiro in Portugal haben 2021 im Fachjournal „Physical Review Letters“ nun ein neues theoretisches Modell präsentiert, das zumindest mikroskopisch kleine Wurmlöcher möglich erscheinen lässt.

Sie vertreten die Ansicht, dass die Raumzeit theoretisch auch ohne schwere Objekte verbogen und gekrümmt werden könnte. Ein Wurmloch wäre demnach ein extrem stark gekrümmter Bereich der Raumzeit, der zwei miteinander verbundenen Trichtern ähnelt und zwei weit entfernte Orte wie ein Tunnel verbindet. Mathematisch gesehen ist so eine Abkürzung möglich, jedoch hat noch nie jemand ein echtes Wurmloch beobachtet.

Die bisherigen theoretischen Berechnungen sagten voraus, dass ein Wurmloch sehr instabil wäre. Wenn ein Raumschiff versuchen würde, in ein Wurmloch hineinzufliegen, würde es sofort zu einem schwarzen Loch kollabieren. Die Verbindung zum anderen Ende des Wurmlochs wäre gekappt und das Raumschiff im schwarzen Loch verloren.

Das Offenhalten von Wurmlöchern für die Passage von Raumschiffen – und damit haben sich Physiker durchaus beschäftigt – würde die Existenz von exotischer Materie mit negativer Masse voraussetzen. Für deren Existenz gibt es indes keinerlei Anhaltspunkte.

Die Forscher um Jose Luis Blázquez-Salcedo rechnen nun aber vor, dass Wurmlöcher auch ohne derart unrealistische Annahmen passiert werden könnten. Die Details dieser Berechnungen lassen sich allerdings schwerlich kommunizieren.

Die Physiker kombinierten Elemente der Relativitätstheorie mit Elementen der Quantentheorie und der klassischen Theorie der Elektrodynamik und rechneten mit der Dirac-Gleichung, eine Formel, die die Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Teilchens gemäß Quantentheorie und Relativitätstheorie beschreibt. Das Ergebnis: Zumindest ein Elektron könnte unbeschadet durch ein Mini-Wurmloch hindurchsausen.

Aber ein Elektron ist eben noch lange kein Raumschiff und so bleibt das Reisen durch Wurmlöcher auch weiterhin eine Fiction. Auch wenn interstellare Reisen von Raumschiffen durch die mikroskopisch kleinen Wurmlöcher nicht möglich sind, so ist es gleichwohl eine spannende Erkenntnis, das dies immerhin für kleine Teilchen möglich ist – vorausgesetzt natürlich, es gibt sie wirklich, die Wurmlöcher. Um das herauszufinden, wird man das dargestellte Modell noch weiter verfeinern müssen.

Selbst wenn es jedoch vor unserem Universum ein anderes Universum gegeben haben sollte, in dem wahrscheinlich dieselben physikalischen Gesetze geherrscht haben wie bei uns, werden wir wohl niemals erfahren, wie groß dieses Universum gewesen ist und ob es dort erdähnliche Planeten gegeben hat oder vielleicht sogar Zivilisationen.

Weshalb es dann überhaupt zum Urknall kam und was genau in dieser Zeit passierte, darüber wird noch heftig spekuliert. So kann die Astrophysik zwar die wesentlichen Merkmale einer Entwicklung von z.B. Sternen, Galaxien oder Universen erklären, nicht aber deren Entstehung. Physiker aus aller Welt suchen deshalb nach einer Erklärung und wollen den „Null-Punkt“ beschreiben – oder aber zeigen, dass es einen solchen gar nicht gab.

Multiversum und Megaversum: Unser Universum im größeren Kontext

Sehr viel populärer als die Theorie vom „Big Bounce“ (englisch Großer Aufsprung) sind deshalb Ideen rund um ein Multiversum oder Megaversum, nach denen unser Universum nicht isoliert, sondern ein winziger Teil eines Multi- oder Megaversums ist, in welchem ständig Universen entstehen oder wieder vergehen.

Ein schwindelerregender Ansatz: Unser sichtbares Weltall mit einem Durchmesser von ungefähr 13,8 Mrd. Lichtjahren wäre dann zwar gigantisch riesig, aber doch nur ein winziger Teil von etwas noch viel Größerem.

Das Fazit der Forscher ist aber bisher so klar wie ernüchternd: Denn bislang ist das Multiversum sehr spekulativ und es kann sein, dass diese Theorie für immer eine Theorie bleibt und sich nicht verifizieren lässt.

Der Urknall und die Entstehung von Raum und Zeit

Folgen wir den klassischen Kosmologen, so ist das Universum durch einen singulären „Urknall“ entstanden. Er war der Anfang von allem und erst von da an können wir von „Raum“ und „Zeit“ sprechen. Vor dem Urknall hat es nichts gegeben.

Als allgemein gültig wird heute angenommen, dass sich die komplette Masse des Universums von heute 1053 Kilogramm beim „Urknall“ in einem einzigen unendlich kleinen „Ur-Punkt“, d.h. in einer Singularität, befand.

Obwohl wir uns grundsätzlich nur dann etwas vorstellen können, wenn es sich in einem großen, ihn umgebenden Raum befindet, muss das nicht so sein; und so war dieser kleine Punkt nirgend worin eingebettet.

Die Singularität ergibt sich formal, indem man die Entwicklung des expandierenden Universums zeitlich rückwärts bis zu demjenigen Punkt betrachtet, an dem die Materie- und Energiedichte unendlich wird:

  • Die Mathematiker lassen zur Betrachtung der Anfangssituation des Universums den Radius des Universums gegen Null gehen und erhält damit eine Singularität, d.h. einen unendlich gegen Null strebenden Bruch. Mathematisch bedeutet dies: Das dreidimensionale, stark gekrümmte, kompakte, punktförmige Universum war einfach da!
  • Die Physiker sehen die Anfangssituation des Universums und des Urknalls dagegen als den Beginn einer Struktur, die die kleinste Informationseinheit sowie die kleinste kausal sinnvolle Länge und Zeiteinheit hat, und den daraus folgenden Herleitungen.

Der Urknall bezeichnet daher keine Explosion in einem bestehenden Raum, sondern aus der ursprünglichen Singularität die gemeinsame Entstehung von

  • Raum,
  • Zeit und
  • Materie.
Illustration der Entstehung des Universums aus dem Urknall
Quelle: Wikipedia

Wegbereiter der Urknall-Theorien

Die Idee des Urknalls war es, dass das Universum auseinanderfliegen musste, da es am Anfang zu klein, heiß, dicht und kompakt war.

Der Anfang von Raum und Zeit muss sich in einem unvorstellbaren Chaos abgespielt haben. Die Naturgesetze galten noch nicht, auch Kräfte wie Gravitation oder Kernkraft gab es noch nicht; stattdessen trieb eine Art Urkraft den 1032 Grad heißen Brei auseinander.

Aus dem „Ur-Punkt“ heraus begann daher bei extrem hoher Temperatur die Entwicklung des Universums, das sich seitdem ausdehnt und abkühlt und dessen Expansion weiter anhält. Aber wenn wir immer weiter in die Welt des Kleinsten herabsteigen, stößt unsere heutige Physik irgendwann an Grenzen, unterhalb derer die physikalischen Gesetze, die wir kennen und die bestätigt sind, ihre Gültigkeit verlieren.

Diese Grenzbereiche in der Zeit von 0 bis 10−44 Sekunden nach dem Urknall, deren winzige Dimensionen kaum noch vorstellbar sind, werden als „Planck-Ära“ bezeichnet.

Für diese erste Phase des Universums verbleibt daher die minimale zeitliche Lücke, die der Physik nicht zugänglich ist. Allerdings gehen unsere heutigen Kenntnisse der Physik schon sehr nah an die kleinste physikalisch sinnvolle Zeitangabe, die sog. „Planck-Zeit, nämlich bis 10-44 Sekunden an den „Null-Punkt“ heran. Erst nach Ablauf dieser Planck-Zeit nach dem Urknall begann die für uns erklärbare Physik.

„Väter der Urknall-Theorien“ waren

  • Robert Grossetestes
  • James Bradley
  • Edwin Powell Hubble
  • Georges Lemaître
  • Albert Einstein
  • Arthur Eddington
  • Stephen Hawking
  • Brian P. Schmidt
  • Adam Riess und
  • Saul Perlmutter.

Die Theorien, die sie sich erdacht, sind ein außerordentlich komplexes Gedankengebäude von Hypothesen. Es handelt von Dingen, die noch fremdartiger sind, als viele unfassbare Phänomene des Universums, für die sich mitunter nur schwer Worte finden lassen.

Robert Grossetestes und seine Grundidee eines Urknalls (*vor 1170; †09.10.1253)

Schon im Jahr 1225 hat der englische Theologe, Philosoph und Bischof von Lincoln Robert Grossetestes in seinem Werk „De luce“ (Über das Licht) die Grundidee eines Urknalls vorweggenommen.

Robert Grossetestes
Quelle: Wikipedia

James Bradley und sein Nachweis der Eigenbewegung der Erde gegenüber der Fixsternsphäre, der Bewegung der Erde um die Sonne sowie der Lichtgeschwindigkeit als die absolute Tempogrenze im Universum (*03.03.1693; †13.07.1762)

Im Jahr 1729 konnte dann der englische Geistliche und Astronom James Bradley (*03.03.1693; †13.07.1762) erstmals die Eigenbewegung der Erde gegenüber der Fixsternsphäre und die Bewegung der Erde um die Sonne nachweisen.

Ferner konnte er die Lichtgeschwindigkeit als die absolute Tempogrenze im Universum darstellen: Die Lichtgeschwindigkeit beträgt ziemlich genau 1 Milliarde Kilometer in der Stunde!

Andererseits legt das Licht im Vakkuum innerhalb des 299.792.485ten Teils einer Sekunde 1 Meter, genauer 1 Pariser Urmeter, zurück. Nähert sich die Geschwindigkeit eines materiellen Objektes der Lichtgeschwindigkeit, so strebt der Energieaufwand für eine weitere Beschleunigung über alle Grenzen, weil die kinetische Energie mit zunehmender Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit mit wachsender Geschwindigkeit immer steiler ansteigt.

James Bradley
Quelle: Wikipedia

Daher gilt für alle Träumereien der Raumfahrt zu fernen Planeten: Nichts im Universum ist schneller als Licht!

Selbst Änderungen der Gravitation und die dabei entstehenden Gravitationswellen bewegen sich „nur“ mit Lichtgeschwindigkeit fort. Auch einem noch so gut konstruierten Raumschiff wird es daher niemals möglich sein, die Lichtgeschwindigkeit zu durchbrechen – wenn es diese überhaupt erreichen kann.

Edwin Hubble und seine Beschreibung der Spiralgalaxien, der Expansion des Weltalls und der Hubble-Konstante als eine der fundamentalen Größen der galaktischen Kosmologie zur Beschreibung der gegenwärtigen Expansion des Universums (*20.11.1889; †28.09.1953)

Edwin Hubble (*20.11.1889; †28.09.1953), nach dem auch das bekannte Teleskop benannt ist, war ein US-amerikanischer Astronom und der erste, der entdeckt hat, dass es nicht nur unsere Galaxie, die Milchstraße, sondern auch noch andere Galaxien gibt.

Er klassifizierte die Spiralgalaxien, befasste sich mit der Expansion des Weltalls und entdeckte die Hubble-Konstante als eine der fundamentalen Größen der galaktischen Kosmologie zur Beschreibung der gegenwärtigen Expansion des Universums.

Edwin Hubble
Quelle: Wikipedia

Georges Edouard Lemaître als eigentlicher Begründer der „Urknall-Theorie“ (*17.07.1894; †20.06.1966)

Als eigentlicher Begründer der „Urknall-Theorie“ gilt schließlich der belgische Theologe, katholische Priester und Astrophysiker Georges Edouard Lemaître (*17.07.1894; †20.06.1966), der die Beobachtungsdaten von Edwin Hubble im Sinne der Schöpfungsgeschichte der katholischen Kirche zu interpretieren versuchte.

Georges Edouard Lemaître (1935)
Quelle: Wikipedia

1931 hat er für den heißen Anfangszustand des Universums den Begriff „Primordiales Atom“ oder „Ur-Atom geprägt. In diesem Ur-Atom soll die gesamte heute im Universum vorhandene Materie zusammengepresst gewesen sein – so dicht, dass keinerlei Licht mehr herausdringen konnte. Danach wurde seine Theorie von Kritikern als „Urknalltheorie“ oder „Big Bang“ bezeichnet.

– Auf einer Tagung im November 1951 akzeptierte die Päpstliche Akademie der Wissenschaften freilich Lemaîtres Theorie. Papst Pius XII. (1876-1958) führte in einem abschließenden Vortrag aus, der mit dem Urknall zeitlich festlegbare Anfang der Welt sei einem göttlichen Schöpfungsakt entsprungen.

Albert Einstein (*14.03.1879; †18.04.1955)

Der nächste, der nach Isaac Newton (*25.12.1642; †20.03.1726) unser Weltbild der Physik und der physikalischen Zusammenhänge tiefgreifend revolutioniert hat, war Albert Einstein (*14.03.1879; †18.04.1955).

Allerdings sah er zunächst nicht wie ein besonders vielversprechender Kandidat dafür aus. Denn er vermasselte seine Aufnahmeprüfungen für die Universität und begann zunächst, in einem Patentamt zu arbeiten. Dann aber erkannte er, dass Innovation für die akademische Arbeit unerlässlich ist und er ließ sich auf Dinge ein, die noch niemand erforscht hatte. Und so machte er nebenbei mit seiner physikalischen Forschung Ernst und veröffentlichte 1905 einen Bericht, der die Welt komplett verändern sollte.

Danach erhielt er dann nach längerem Hin und Her 1921 „für seine Verdienste um die theoretische Physik, besonders für seine Entdeckung des Gesetzes des photoelektrischen Effektes“ den Nobelpreis für Physik.

Er gilt als der berühmteste Physiker aller Zeiten, obwohl er wohl immer zu den bescheidensten Wissenschaftsstars aller Zeiten gehören wird: 1952, 3 Jahre vor seinem Tod, schrieb er: „Ich habe keine besondere Begabung, sondern bin nur leidenschaftlich neugierig.“ Noch heute verbindet ihn sein fröhliches Motto mit den Trends und Technologien in der Start-up-Welt:

„Mehr als die Vergangenheit interessiert mich die Zukunft, denn in ihr gedenke ich zu leben.“

Albert Einstein
Quelle: Wikipedia

Gemeinsam mit Sir Arthur Stanley Eddington, dem ersten Kosmologen, dem die Modellierung des inneren Aufbaus von Sternen gelang, lehnte er zunächst die „Urknall-Theorie“ von Georges Lemaître ab.

Erst nach Jahrzehnten konnte Lemaître Einstein von der Richtigkeit seiner Theorie überzeugen. Albert Einstein hat sodann mit seinen „Relativitätstheorien“ zur Struktur von Materie, Raum und Zeit sowie zum Wesen der Gravitation das zuvor geltende newtonsche Weltbild maßgeblich verändert und dazu beigetragen, wie wir das Universum heute verstehen.

Am 27.09.1905 legte Einstein seine geniale Arbeit Zur Elektrodynamik bewegter Körper vor, in der er seine „Spezielle Relativitätstheorie“ (kurz SRT) formuliert hat. 1916 veröffentlichte er dann seine „Allgemeine Relativitätstheorie“, mit der er das Weltbild der Physik tiefgreifend veränderte.

Obwohl die Titel suggerieren, die Allgemeine Relativitätstheorie sei lediglich die Verallgemeinerung der Speziellen Relativitätstheorie, haben beide Theorien kaum etwas miteinander zu tun:

  • Einsteins Spezielle Relativitätstheorie (SRT) ist nämlich eine Beschreibung, wie sich bei einer nahezu lichtschnellen Bewegung eines Körpers der wahrgenommene Raum, die Zeit und viele andere physikalische Eigenschaften, etwa die Energie, ändern. Ganz kurz gefasst besagt diese Theorie, dass die Lichtgeschwindigkeit immer konstant ist. Auch wenn ein Beobachter sich unterschiedlich schnell bewegt, die Lichtgeschwindigkeit bleibt gleich. Das bedeutet: Wenn jemand sich sehr schnell bewegt, dann wird für ihn die Zeit langsamer.
  • Mit der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) beschrieb er die Wechselwirkung zwischen Materie (einschließlich Feldern) einerseits sowie Raum und Zeit andererseits: Sie deutet Gravitation als geometrische Eigenschaft der gekrümmten vierdimensionalen Raumzeit. Mit ihr lassen sich erklären:
    – der Urknall
    – das Alter und die stetige Ausdehnung des Universums und
    – die sichtbare und Dunkle Materie (Schwarzen Löcher) des Universums.

Bei seinen Theorien ging Einstein im Wesentlichen von 2 Annahmen aus:

  • dem Relativitätsprinzip, dem zufolge die Naturgesetze für alle Beobachter dieselbe Form haben und es unmöglich ist, einen bevorzugten oder absoluten Bewegungszustand irgendeines Beobachters oder Objekts festzustellen, sowie
  • der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit mit der Konsequenz, dass sich Materie im Vakuum niemals schneller als Licht durch den Raum bewegen kann.

Einsteins „Spezielle Relativitätstheorie“ (SRT) und seine berühmteste Formel der Wissenschaftsgeschichte: E = mc²

Bereits als Kinder haben wir aus der biblischen Schöpfungsgeschichte gelernt, dass als erstes das Licht und mit ihm der erste Tag erschaffen wurde.

Auch in der naturwissenschaftlichen Schöpfungsgeschichte stand am Anfang der Zeit Licht, als sich ein Feuerball aus Licht und Materie zum Universum formte.

Albert Einstein erkannte 1905, dass auf dem tiefsten Niveau des Universums alles aus Licht und Energie besteht.

In seiner „Speziellen Relativitätstheorie“ wies er zudem nach, dass die Zeit relativ ist. Dies ist eine Idee, die für die meisten Menschen ziemlich schwer zu begreifen ist, weil sie unseren alltäglichen Erfahrungen widerspricht. Eine Sekunde dauert nun mal eine Sekunde, egal, was wir mit der Uhr anstellen.

Trotzdem hatte Einstein recht und seine Theorie hatte riesigen Einfluss auf das Verständnis von Licht, Schwerkraft und dem Universum selbst. Im Rahmen seiner Speziellen Relativitätstheorie definierte er das Naturgesetz, dass Energie und Masse eines Körpers im Vakuum äquivalent sind. Er hielt diese Erkenntnis in der berühmtesten Formel der Wissenschaftsgeschichte fest:

E = mc².

Diese Formel bedeutet, dass die Energie „E“ gleichzusetzen ist mit der Masse „m“ multipliziert mit dem der Lichtgeschwindigkeit „c“ zum Quadrat, oder dass die Masse und die Ruheenergie eines Objekts zueinander proportional sind.

Jede Masse ist auch gleichzeitig Energie und jede Energie ist auch Masse.

Im Prinzip gibt es für diese Gleichung noch eine andere Variante, nämlich: E = hv. Dabei steht das „h“ für die sog. Plank-Konstante, die Licht in Energie übersetzt, und der griechische Buchstabe „v“ („nü“) für die Frequenz von Licht. Dies ist die einfachste Gleichung der Quantentheorie, deren Begründer der deutsche Physiker Max Planck (*23.04.1858; †04.10.1947) war.

In den kleinsten Dimensionen, z.B. in Atomen, kann Energie in Form von Licht immer nur in bestimmten Energieeinheiten, den sog. Lichtquanten, abgegeben bzw. aufgenommen werden.

Licht ist also auch Energie und je höher die Frequenz, desto höher die Energie. Materie und Licht sind Energien und können ineinander umgewandelt werden.

Einstein fand heraus, dass sich Licht bei hohen Energien manchmal wie ein Teilchen verhält. Dann sprechen wir von Photonen, kurzen Wellenpaketen, in denen das Licht weiterhin schwingt, die aber wie kleine Lichtpäckchen durch den Raum schwirren.

Die sog. Masse-Energie-Äquivalenz wurde später zur Grundlage der Nutzung von Atomenergie, spielte aber – im Gegensatz zu einer weit verbreiteten Meinung – beim Bau der Atombombe und der Entwicklung der Kernenergie nur eine indirekte Rolle.

Denn in der Kernphysik, der Elementarteilchenphysik und der Astrophysik tritt die Äquivalenz von Masse und Energie besonders stark in Erscheinung. Die Masse von Atomkernen ist aufgrund der bei ihrer Entstehung freigesetzten Bindungsenergie um knapp 1 % kleiner als die Summe der Massen ihrer ungebundenen Kernbausteine.

Durch Annihilation eines Teilchens mit seinem Antiteilchen kann sogar die gesamte in der Masse der Teilchen steckende Energie in Strahlungsenergie umgewandelt werden.

In der Elementarteilchenphysik versteht man unter Annihilation (lateinisch annihilatio „das Zunichtemachen“) den Prozess der Paarvernichtung (auch: Paarzerstrahlung), bei dem ein Elementarteilchen und sein Antiteilchen sich zusammen in andere Teilchen verwandeln.

Die Paarerzeugung ist der der Annihilation entgegengesetzte Prozess, d.h. die Bildung eines Teilchen-Antiteilchen-Paares aus anderer Energie als derjenigen einer Paarvernichtung, z.B. die Umwandlung eines Photons im Feld eines schweren Kerns in ein Elektron und ein Positron.

Die Gültigkeit dieses Naturgesetzes ist experimentell in vielen Tests der relativistischen Energie-Impuls-Beziehung überprüft und mit hoher Genauigkeit bestätigt worden.

Acht Jahre lang grübelte Einstein, bis er 1915 zu der verblüffenden Erkenntnis gelangte, dass die allgegenwärtige Schwerkraft, physikalisch Gravitation genannt, gar keine Kraft im herkömmlichen Sinne ist, wie wir sie im Alltag kennen, sondern eine Eigenschaft von Raum und Zeit.

Jede Art von Materie krümmt den Raum um sich herum und andere Körper sowie Lichtstrahlen müssen diesen Veränderungen folgen, da sie aus dem Raum nicht heraus können.

In seinen „Feldgleichungen der Gravitation“ hat Einstein dieses Wechselspiel genau beschrieben: Massen (und Energien) krümmen Raum und gekrümmter Raum wiederum beeinflusst das Verhalten anderer Massen (und Energien). Auch die Raumzeit wird durch Masse verzerrt.

So umkreist z.B. der Mond die Erde, weil die beiden Himmelskörper den umgebenden Raum eindellen, wie schwere Kugeln ein gespanntes Gummituch, und sich in diesen Mulden umeinander bewegen. Die Schwerkraft bestimmt das Geschehen im All in gleicher Weise wie auf der Erde. Deshalb gilt: Auch ein zu Boden fallendes Glas folgt der Raumkrümmung.

Einsteins „Allgemeine Relativitätstheorie“ (ART) und sein Konzept der Raumzeit

Seit Isaac Newton (*25.12.1642; †20.03.1726) war bekannt, dass es die Gravitation gibt und welchen Gesetzen sie folgt. Warum dies so ist, erklärte dann Albert Einstein mit seiner – noch komplizierteren – „Allgemeinen Relativitätstheorie“, mit der er die Gravitation auf eine Krümmung von Raum und Zeit zurückführte, die unter anderem durch die beteiligten Massen verursacht wird.

Einstein begann darüber nachzudenken, als er einen Dachdecker vom Dach fallen sah. Denn bisher konnte er die Gravitation mit seiner Speziellen Relativitätstheorie nicht ausreichend erklären.

1917 führte er daher das Konzept der Raumzeit ein. Dabei können wir uns die Raumzeit etwa wie eine gespannte Gummifolie vorstellen. Wenn wir auf eine solche Folie einen Stein legen, dann dellt sie sich an dieser Stelle etwas ein. Genau das machen schwere Objekte wie z.B. die Sonne mit der Raumzeit.

Wenn wir jetzt eine kleine Murmel um den Stein auf der Folie kreisen lassen, wird sie nach und nach immer mehr vom Stein angezogen: Die Anziehungskraft ist also nichts anderes als eine Auswirkung einer Krümmung in der Raumzeit!

Nach der Allgemeinen Relativitätstheorie ist die Schwerkraft also keine Kraft im üblichen Sinn, sondern eine Folge der verkrümmten Geometrie von

  • Raum und
  • Zeit.

Jede Art von Materie krümmt den Raum um sich herum, und andere Körper sowie Lichtstrahlen müssen diesen Verbiegungen folgen. Deshalb wird durch die Verkrümmung der Raumzeit auch das Licht messbar abgelenkt, wenn sein Weg an einer großen Masse – wie etwa an der Sonne – vorbeiführt: Wenn die große Masse der Sonne den sie umgebenden Raum krümmt, dann folgt auch ein Lichtstrahl dieser Krümmung.

Die einsteinschen Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie lassen sich mit oder ohne kosmologische Konstante formulieren. Allerdings kann ein materieerfülltes Universum, dessen Entwicklung durch Gleichungen ohne die Konstante beschrieben wird, nicht statisch sein, sondern muss notwendigerweise expandieren oder kollabieren.

Als Einstein seine Gleichungen aufstellte, verstand er das Universum jedoch als statisch und unveränderlich. – Damals wußte er noch nicht, dass das Universum nicht statisch ist und auch nicht allein aus unserer Milchstraße besteht, sondern ständig und zunehmend rascher expandiert.

Damit die Gleichungen mit Materie ein statisches Universum beschreiben (und nicht ein aufgrund der gravitativen Anziehung kollabierendes), führte Einstein die kosmologische Konstante in einer Ad-hoc-Hypothese ein.

Die kosmologische Konstante (gewöhnlich abgekürzt durch das große griechische Lambda (Λάμδα, Λ) ist eine physikalische Konstante in Albert Einsteins Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie, welche die Gravitationskraft als geometrische Krümmung der Raumzeit beschreibt.

Sie wirkt (falls sie positiv ist) wie eine der gravitativen Anziehung entgegengesetzte „Expansions-Kraft“. Allerdings ist diese statische Lösung instabil, und kleinste Abweichungen von der idealen Materieverteilung lassen das Universum doch wieder je nach Vorzeichen der Störung kollabieren oder expandieren.

Als dann Edwin Hubble die Expansion des Universums anhand der Galaxienflucht entdeckte und außerdem Alexander Alexandrowitsch Friedmann (1922, 1924) und Georges Lemaître (1927) kosmologische expandierende Lösungen der Feldgleichungen entdeckten, verwarf Einstein die Idee der kosmologischen Konstante und bezeichnete diese angeblich als die „größte Eselei meines Lebens“.

Die Aufgabe der kosmologischen Konstanten geschah allerdings nicht sofort, sondern setzte sich erst Anfang der 1930er Jahre durch.

Während in der Physik lange Zeit die Meinung vorherrschte, dass der Wert der kosmologischen Konstante null sei, kommen jüngste Beobachtungen zu einem sehr kleinen, positiven Wert.

Die kosmologische Konstante wird heute nicht mehr als Parameter der allgemeinen Relativitätstheorie (wie von Einstein eingeführt) interpretiert, sondern als die zeitlich konstante Energiedichte des Vakuums: Die Verallgemeinerung der kosmologischen Konstante auf zeitlich variable Energiedichten dieser Art wird als Dunkle Energie bezeichnet.

Aus einer Reihe verschiedener Beobachtungen wird der Wert der kosmologischen Konstante heute abgeschätzt, das heißt etwa 70 % der Energiedichte im Universum liegt in Form der kosmologischen Konstante oder Dunkler Energie vor.

Nachdem die kosmologische Konstante durch die Entdeckung der Expansion des Weltalls an Bedeutung verloren hatte, war sie eher von akademischem Interesse.

Sie gewann wieder an Bedeutung durch Versuche, eine vereinheitlichte Theorie aller Naturkräfte aufzustellen. Diese werden durch Quantenfeldtheorien beschrieben, und die Vakuumfluktuationen der Felder dieser Quantenfeldtheorien würden einen um viele Größenordnungen zu hohen Beitrag zur kosmologischen Konstante liefern.

Dies wird als Problem der kosmologischen Konstante bezeichnet, das bis heute ungelöst ist. Beispielsweise haben heute vielfach favorisierte Theorien mit Supersymmetrie den Vorteil, dass sich zwar die Beiträge der Fermionen und Bosonen in den Vakuumfluktuationen zur kosmologischen Konstante bei exakter Supersymmetrie aufheben, die Symmetrie ist aber in der Natur gebrochen.

Ein weiterer Ansatzpunkt zum Verständnis der kosmologischen Konstante liegt in der Theorie vom inflationären Universum.

Diese kann gut durch eine positive kosmologische Konstante erklärt werden. Bisher weiß niemand, was für die zunehmende Expansion des Universums verantwortlich sein könnte.

Dies veranlasste James Peebles (Kanada/USA) 1984 zu seiner vielleicht größten wissenschaftlichen Leistung und einem radikalen Schritt: Er rehabilitierte Einsteins „Eselei“ und führte die ursprünglich von Albert Einstein ersonnene sog. kosmologische Konstante wieder ein, die heute unter dem Namen „Dunkle Energie“ bekannt ist.

Im Jahr 2019 erhielt James Peebles für seine grundlegenden Erkenntnisse zur Entwicklung des Universums die eine Hälfte des Physik-Nobelpreises.

Ab 1998 hat die kosmologische Konstante dann eine Renaissance erlebt: Seit dem Urknall vor 13,79 Milliarden Jahren dehnt sich das Universum aus – und mit ihm das Licht, das von fernen Himmelsobjekten zur Erde gelangt. Dadurch vergrößert sich die Wellenlänge der Strahlung, sie wird „rotverschoben“.

Aus dieser Rotverschiebung können Astronomen ermitteln, wie lange das Licht unterwegs war. Zudem kann man anhand der Helligkeit bzw. Rotverschiebung von fernen Supernovae vom Typ Ia kann man feststellen, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt.

Diese beschleunigte Expansion lässt sich sehr gut mit einer kosmologischen Konstante beschreiben und ist Bestandteil des erfolgreichen Lambda-CDM-Modells, des Standardmodells der Kosmologie.

Inzwischen wurde die Allgemeinen Relativitätstheorie in zahlreichen Tests experimentell bestätigt.

Einsteins „Theorie der Gravitationswellen“

Im Rahmen seiner „Allgemeinen Relativitätstheorie“ kam Einstein Mitte des Jahres 1916 zu dem Ergebnis: Wenn diese Theorie stimmt, muss es im Gefüge der Raumzeit auch Gravitationswellen, d.h. Schwingungen geben.

Gravitationswellen entstehen immer, wenn große Himmelskörper – wie etwa Sterne – bzw. Massen beschleunigt werden, und sie sind umso stärker, je größer Masse und Beschleunigung sind.

Gravitationswellen
Quelle: Wikipedia

Die Schwingungen im Raum breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Wellen stauchen und strecken den Raum; zugleich führen sie zu Verzerrungen der vierdimensionalen Raumzeit.

Jede Masse im Raum verändert dessen Struktur bzw. Krümmung, und diese Strukturänderung wirkt als Gravitationskraft auf andere Massen. Dies wirkt so, als würde eine unsichtbare Kraft die Körper gegenseitig anziehen. Zur Veranschaulichung kann man sich die Gravitationswellen ähnlich vorstellen, wie Wellen auf der Oberfläche eines Sees, in den man einen Stein geworfen hat.

Ebenso kann man sich den Raum, wie es schon Einstein tat, wie ein gespanntes Gummituch vorstellen, in dem schwere Kugeln Mulden erzeugen. Dies wirkt so, als würde eine unsichtbare Kraft die Körper gegenseitig anziehen, – so wie ein Tennisball auf einem anderen Weg über ein Trampolin rollt, wenn dieses durch eine Bowlingkugel eingebeult wird.

Ähnlich, wie konzentrisch von den Körpern ausgehende Wellen auf der Oberfläche des Gummituches, bewegen sich alle Himmelskörper wie die Murmeln in diesen Mulden umeinander. Wo eine solche Gravitationswelle auftaucht, staucht und dehnt sie kurzzeitig den Raum, d.h. die Abstände zwischen allen Objekten ändern sich. Die Form einer Kugel würde z.B. wie ein mit Wasser gefüllter Ballon zwischen der eines Rugby-Balls und einer Kugel hin und her schwingen.

Zugleich ist Einstein anhand seiner Allgemeinen Relativitätstheorie zu der Ansicht gelangt, dass sich die Bahnen von Himmelskörpern selbst nach und nach drehen, und zwar um denjengen Punkt, den der jeweilige Himmelskörper umkreist. Da Umlaufbahnen in der Regel keine perfekten Kreise, sondern Ellipsen sind, ergibt sich nach und nach die Form einer Rosette, indem sich die Ellipse bei jedem Umlauf ein Stück dreht. Diese Drehung wird Periheldrehung genannt.

Die Newtonsche Gravitationstheorie sagte hingegen eine weiterhin ellipsenförmige Umlaufbahn voraus. Der von Einstein erkannte minimale Effekt wurde zuerst beim Planeten Merkur festgestellt, der sich um die Sonne dreht und wurde im April 2020 auch durch die Bewegung eines Sterns um das Schwarze Loch Sagittarius (Sgr) A* im Zentrum der Milchstraße bestätigt.

Gravitationswellen sollen insbesondere auch beim Urknall entstanden sein und bis heute nahezu ungehindert das Universum durchziehen.

Sie bergen damit Informationen über den Beginn der Welt, die auf keine andere Art zu gewinnen sind. Die Gravitation bewirkt auf der Erde, dass Gegenstände nach unten fallen, wenn sie nicht daran gehindert werden. Im Sonnensystem bestimmt die Schwerkraft unter anderem die Bahnen von Planeten, Kometen und Satelliten. Besonders bedeutsam ist dies auch für die sog. Schwarzen Löcher.

Doch Einstein hat nicht damit gerechnet, dass man dies jemals würde nachweisen können. Wie Recht Einstein mit seiner Voraussage gehabt hat, zeigte sich am 14.09.2015, als erstmals der sensationelle Nachweis der Gravitationswellen von zwei zu einem größeren schwarzen Loch verschmelzenden schwarzen Löchern „GW150914“ gelungen ist.

– Übrigens benutzen heute Kosmologen und Teilchenphysiker die Spezielle sowie die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein wie selbstverständlich in ihrem Forscheralltag.

Doch auch für Nicht-Wissenschaftler spielen die beiden Relativitätstheorien Einsteins durchaus eine Rolle – auch wenn dies nur wenigen bewusst ist. So wären Satelliten-gestützte Navigationssysteme wie GPS, das heute wie selbstverständlich von uns als Autofahrer oder Wanderer genutzt wird, ohne die Anwendung von Einsteins Gleichungen nicht funktionsfähig. Denn letztlich basiert die Genauigkeit der Satellitennavigation und der Positionsbestimmung auf extrem präzisen Zeitmessungen, die nur gelingen, wenn man Zeit nicht einfach als Zeit, sondern als vierdimensionale Raumzeit denkt.

Die Untersuchung der Richtigkeit der Relativitätstheorie

Bislang hat sich die Relativitätstheorie mehr als 100 Jahre stets bewährt und sie gilt zwar als richtig. Jedoch gibt es theoretische Gründe, die ihr Grenzen auferlegen.

Im Mikrokosmos gelten die Gesetze der Quantenphysik, und bis heute ist es nicht gelungen, die Relativitäts- mit der Quantentheorie unter einen Hut zu bringen. Im Mikrokosmos kann die Relativitätstheorie nicht stimmen. Einige Wissenschaftler wollen ihre Grenzen daher am Ereignishorizont von Schwarzen Löchern aufspüren. Andere versuchen das mit der Messung von Gravitationswellen, die bei extremen Vorgängen wie der Fusion von Schwarzen Löchern entstehen.

Möglicherweise scheitert die Vereinigung von Quantentheorie und Relativitätstheorie schlicht am Geld. Wenn die benötigten Beschleuniger und Experimente zu teuer sind, wird man es nicht machen können. Überdies gibt es grundsätzliche Grenzen der Erkenntnis, die sich von der Wissenschaft nicht überwinden lassen.

Gleichwohl gilt: Schwarze Löcher, Gravitationswellen, Relativitätstheorie – das alles geht letztlich auf Albert Einstein zurück. Auf der Skala der fantastischen Leistungen des menschlichen Geistes steht er zweifelsohne ganz oben.

Doch von seinem Genius machen sich viele eine falsche Vorstellung. Einstein hat nicht einfach mal eben die allgemeine Relativitätstheorie aufgeschrieben. Im Gegenteil. Er hat 10 Jahre lang gekämpft, ist in falsche Richtungen gelaufen und musste erst einmal von anderen die richtige Mathematik lernen.

An der Vorhersage der Schwarzen Löcher und der Gravitationswellen war er weniger oder gar nicht beteiligt. Von Einstein stammt gleichsam nur der Überbau. Die konkreten Details haben dann andere geliefert.

Arthur Stanley Eddington und sein entscheidender Beitrag zur Durchsetzung der einsteinschen Allgemeinen Relativitätstheorie sowie sein erstes echtes Modell der in Sternen ablaufenden Prozesse  (*28.12 1882; †22.11.1944)

Der britischer Astrophysiker Sir Arthur Stanley Eddington (*28.12 1882; †22.11.1944) war der Erste, dem die Modellierung des inneren Aufbaus von Sternen gelang. Weitere Schwerpunkte seiner Forschungen waren Dynamik der Sternbewegungen, astronomische Anwendungen der Relativitätstheorie und die Philosophie der Naturwissenschaften.

Er gehörte zu den ersten Physikern, die ab 1915 die Bedeutung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie erkannten.

Sir Arthur Stanley Eddington
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Eddington trug darüber auf dem Treffen der British Association for the Advancement of Science 1916 vor und schrieb 1923 sein Buch „Mathematical Theory of Relativity“ als eines der frühesten Lehrbücher.

Außerdem trug er entscheidend dazu bei, die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Ablenkung des Lichts nahe der Sonne weltweit durchzusetzen.

Denn die Allgemeine Relativitätstheorie postuliert, dass eine Masse von der Größe der Sonne in der Lage sein müsse, den sie umgebenden Raum deutlich zu krümmen. Demnach müssten Sterne, die, von der Erde aus gesehen, in der Nähe der Sonne stehen, ein wenig verschoben erscheinen, weil die Lichtstrahlen durch das Gravitationsfeld der Sonne gekrümmt würden.

Zur Beobachtung dieses Effekts braucht man allerdings eine totale Sonnenfinsternis, da eine optische Beobachtung von Sternen im Umfeld des hellen Sonnenlichts unmöglich ist. Er leitete mit dem Astronomer Royal Frank Watson Dyson die Sonnenfinsternis-Expedition auf die Vulkaninsel Príncipe im Golf von Guinea in Westafrika, um dort am 29.05.1919 die Sonnenfinsternis zu beobachten. Ein weiteres Team beobachtete gleichzeitig die Sonnenfinsternis von Sobral (Ceará) in Brasilien aus.

Eddingtons Beobachtungen wurden durch Bewölkung erschwert, trotzdem gelang es ihm, Aufnahmen zu machen. In der nachfolgenden Analyse wurden sie von Eddington als Bestätigung von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie gewertet.

Bei der „Cambridge-Δ2-V-Club-Zusammenkunft“ präsentierte Eddington 1919 seine Beobachtungen der Ablenkung des Lichts nahe der Sonne im Einklang mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Spätere Auswertungen kamen allerdings zur Schlussfolgerung, dass die damaligen Beobachtungen dazu zu ungenau waren.

Eddington entwickelte auch das erste echte Modell der in Sternen ablaufenden Prozesse.

Anfang des 20. Jahrhunderts waren sich Astronomen zwar ziemlich sicher, dass Sterne aus glühendem Gas bestehen. Man konnte sich jedoch nicht erklären, weshalb der durch ihre Masse entstehende große Druck von außen nach innen den Stern nicht kollabieren lässt.

Eddington stellte die heute anerkannte Theorie auf, dass sich zwar mit zunehmender Tiefe Druck und Temperatur im Stern erhöhen, aber das Wechselspiel von Gravitations- und Strahlungsdruck einen Kollaps des Sterns verhindern kann. Er schrieb darüber das seinerzeit maßgebliche Lehrbuch „The Internal Constitution of Stars“ (1926), in der er auch die Masse-Leuchtkraft-Beziehung einführte.

Die Eddington-Grenze, welche die maximale Leuchtkraft beschreibt, die ein Stern im hydrostatischen Gleichgewicht haben kann, ist nach ihm benannt.

Eddington hatte in den 1930er-Jahren eine Auseinandersetzung mit dem jungen Subrahmanyan Chandrasekhar über die Grenze für die Masse Weißer Zwerge. Er lehnte dessen Theorien kategorisch ab und nutzte dabei seinen Einfluss als berühmtester Astrophysiker der damaligen Zeit.

Der ungleiche Streit war ausschlaggebend dafür, dass Chandrasekhar in die USA wechselte. Für diese Theorie gewann Chandrasekhar später den Nobelpreis für Physik, und die Chandrasekhar-Grenze wurde nach ihm benannt.

Stephen Hawking und sein Streben nach einer universellen „Weltformel“ („Theory of Everything“) (*08.01.1942; †14.03.2018)

Wie bereits beschrieben war die Beziehung zwischen der katholischen Kirche und den Wissenschaften seit jeher mehr als kompliziert und Jahrhunderte lang hat man man sich bekriegt.

Exakt 300 Jahre nach dem Tod von Galileo Galilei wurde der britische theoretische Physiker und Astrophysiker Stephen William Hawking am 08.01.1942 geboren (†14.03.2018). Er war einer der bedeutendsten theoretischen Physiker und bekanntesten Wissenschaftler des 20. Jh.s.

Durch eine degenerative Erkrankung seines motorischen Nervensystems (Amyotrophe Lateralsklerose – ALS) benötigte er seit seinem jungen Erwachsenenalter einen Rollstuhl. So lange es ihm möglich war, schrieb er mit den Fingern. Dann steuerte er viele Jahre den Cursor auf dem Computerbildschirm mit winzigen Wangenbewegungen. Als er auch das nicht mehr konnte, wählte er Buchstaben und Wörter allein durch Augenbewegungen aus, aber er konnte so nur noch 2 bis 3 Wörter pro Minute generieren. Für die verbale Kommunikation konnte Hawking seit 1985 nur noch mithilfe eines Sprachcomputers kommunizieren.

Stephen Hawking bei der NASA
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Allerdings konnte die schwere Krankheit seinem Geist nichts anhaben. Und so hat Hawking eindrucksvoll den Beweis dafür geliefert, dass ein menschliches Gehirn durch bloßes Nachdenken Wissen über das Universum generieren kann. Hawking verstarb am 14.03.2018 und seine Asche wurde in der Westminster Abbey in London zwischen den Gräbern der anderen Wissenschaftsgrößen Charles Darwin und Isaac Newton beigesetzt.

Keine Widrigkeit stand seinem Denken im Weg. Immer wieder hat Hawking sein Lebensziel betont:

„My goal is simple. It is the complete understanding of the universe, why it is as it is and why it exists at all.“

Er wollte den Ursprung des Universums erklären:

  • warum es so ist, wie es ist, und
  • warum es überhaupt existiert.

Stephen Hawkings Suche nach der universellen „Weltformel“ („Theory of Everything“), die die 4 Grundkräfte der Physik einheitlich erklären soll

Hierfür wollte er die universelle „Weltformel“ („Theory of Everything“) finden, die die 4 Grundkräfte der Physik einheitlich erklären soll, d.h. die 4 fundamentalen Wechselwirkungen, durch die physikalische Objekte (Körper, Felder, Teilchen, Systeme) auf verschiedenen Wegen einander beeinflussen können:

  • Gravitation
  • Elektromagnetismus
  • schwache Wechselwirkung und
  • starke Wechselwirkung.

Weder ihm noch anderen Wissenschaftlern ist es freilich bisher trotz aller Bemühungen gelungen, die beiden großen physikalischen Theorien der allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenphysik in einer Theorie der Quantengravitation zusammenzufassen.

Die Vereinigung der 2 zentralen Theoriegebäuden des Standardmodells der Elementarteilchenphysik und der Gravitation gilt heute nach wie vor als eine der größten Herausforderungen in der Physik.

Aber dies sind eben nur zwei Theorien, daneben gibt es noch eine ganze Reihe anderer Erklärungsmodelle. Wahrscheinlich wird ein solch erweitertes Verständnis des Universums erst erreicht, wenn die Physik eine besondere Quantentheorie der Gravitation erkennt.

Sein Forscherleben lang hat sich Hawking aber auch mit seinen wichtigsten Forschungsthemen befasst:

  • der Theorie des Urknalls und
  • den Schwarzen Löchern.

Bereits in seiner Doktorarbeit „Merkmale sich ausdehnender Universen“ („Properties of Expanding Universes“), die er 1966 an der britischen Cambridge University abschloss und bei der er beim Schreiben unterstützt werden musste, war es ihm gelungen, aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie die Existenz sog. Singularitäten im Raumzeitgefüge abzuleiten und daraus gemeinsam mit Roger Penrose zu berechnen, dass das Universum einen Anfang haben muss.

Nach seiner Ansicht war der Urknall eine solche Singularität: Bei der Geburt des Universums herrschte an einem Punkt eine unendlich hohe Energiedichte, Raum und Zeit waren hingegen „Null“.

Sodann konnte Hawking den Beweis dafür erbringen, dass die Zeit erst mit dem Big Bang in die Welt gekommen ist und es vor dem Urknall keine Zeit gegeben hat. Vor diesem Beweis hatte es auch in Fachkreisen noch viel Skepsis gegenüber der Urknall-Theorie gegeben. Dagegen hat sich heute der sog. Urknall („Big Bang“) als wissenschaftliche Theorie etabliert.

Stephen Hawkings Beweis der notwendigen Existenz von Singularitäten, seine quantenmechanische Interpretation der „Schwarzen Löcher“ und der kosmischen Hintergrundstrahlung

Der englische Naturphilosoph John Michel hat bereits 1783 die Existenz von „Schwarzen Löchern” vorhergesagt, aber ohne dabei diesen Begriff zu verwenden. Inspiriert von der Newtonschen Gravitationsphysik hatte er spekuliert, ob es Sterne geben könnte, die so massiv sind, dass selbst Licht ihnen nicht entkommen könnte.

Diese Sterne wären also unsichtbar, könnten sich indirekt durch die Bewegung benachbarter, leuchtender Sterne verraten, die unter dem Einfluss der Schwerkraft eines Dunkelsterns stünden.

Es war dann Stephen Hawking, der nach seinem Beweis der notwendigen Existenz von Singularitäten in der allgemeinen Relativitätstheorie mit seiner quantenmechanischen Interpretation der „Schwarzen Löcher begann.

Schwarze Löcher sind jene Schwerkraftmonster, die alles verschlucken. Nichts kann ihnen entkommen, nicht einmal Licht. Das war jedenfalls die Lehrmeinung, bevor Hawking 1974 darstellte, dass Schwarze Löcher in der Quantenfeldtheorie im Laufe der Zeit (je nach der Masse des schwarzen Lochs mehr oder weniger schnell) doch Materie nach außen abgeben können, langsam verdampfen und sich am Ende vollständig auflösen bzw. zerstrahlen. Der Teilchenstrom, der von Schwarzen Löchern ins Universum abgegeben wird, wird ihm zu Ehren „Hawking-Strahlung“ genannt.

In den 1980er Jahren entwickelte Hawking dann gemeinsam mit James Hartle einen Zugang zur Quantengravitation und deren Kosmologie über eine sog. „euklidische Pfadintegralformulierung“.

Das Problem spielt eine wichtige Rolle in der Quantengravitation und war dort seit der Formulierung des Problems durch Hawking 1975 Gegenstand kontroverser Debatten. Auf der 17. „General Relativity“ Konferenz in Dublin 2004 kündigte Hawking an, das Problem des Informationsverlusts Schwarzer Löcher gelöst zu haben, dies stieß aber auf Kritik.

Das Problem besteht darin, dass Schwarze Löcher, die nur durch wenige Quantenzahlen beschrieben werden, aber Materie (Informationen) „verschlucken“ und nur, wie Hawking gezeigt hatte, thermisch strahlen (die einzige „Information“ dabei ist ihre Temperatur und Entropie, die proportional zu ihrer Oberfläche ist), Informationen vernichten, oder anders ausgedrückt in der Quantenmechanik zu einer „nicht unitären“, die Wahrscheinlichkeiten nicht erhaltenden Zeitentwicklung führen.

Schließlich gelangte er zu der Ansicht, dass es doch einen Ausweg gibt, was er mit einer Pfadintegral-Formulierung der Quantengravitation in nicht-trivialen Topologien bewiesen zu haben glaubte.

1988 erschien Hawkings Bestseller A Brief History of Time („Eine kurze Geschichte der Zeit“ – Rowohlt Taschenbuch Verlag). In diesem Buch hat Hawking die Fragen gestellt, woher wir kommen und warum das Universum so ist, wie es ist.

Anhand der Urknalltheorie hat er die Entstehung des Universums erklärt und seine Theorien zur Entstehung Schwarzer Löcher beschrieben. Dabei verzichtete er beinahe vollständig auf komplizierte Berechnungen, denn er wußte: „jede mathematische Formel in einem Buch halbiert die Verkaufszahl“.

Hawkings Plan ging auf: Sein populärwissenschaftliches Buch wurde in 40 Sprachen übersetzt und verkaufte sich mehr als 10 Mio. Mal. Das Buch befasst sich mit Fragen zur Kosmologie und beleuchtet dabei insbesondere die Rolle der Zeit. Es enthält Betrachtungen zum Urknall und versucht, Eigenschaften schwarzer Löcher mit Hilfe der Stringtheorie zu erklären.

1981 nahm Hawking an einer Kosmologietagung im Vatikan teil, auf der er sein Konzept vorstellte, laut dem das Universum keine Grenzen haben solle. In diesem Vortrag stellte er das All zugleich als ein Phänomen dar, das einfach vorhanden ist und dementsprechend keines Schöpfergottes bedarf:

„Wenn das Universum einen Anfang hatte, können wir von der Annahme ausgehen, dass es durch einen Schöpfer geschaffen worden sei. Doch wenn das Universum wirklich völlig in sich selbst abgeschlossen ist, wenn es wirklich keine Grenze und keinen Rand hat, dann hätte es auch weder einen Anfang noch ein Ende; es würde einfach sein. Wo wäre dann noch Raum für einen Schöpfer?“

Im September 2010 hat Stephen Hawking dann erstmals ausdrücklich das Weltall als ein Phänomen erklärt, das einfach vorhanden ist, sodass für die Entstehung des Universums kein Schöpfergott notwendig gewesen sei.

Obwohl Hawking Atheist war, hat Papst Franziskus ihn im November 2016 im Vatikan empfangen. Trotz dessen Äußerungen sah der Papst keinen Grund, dessen Mitgliedschaft in der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften aufzukündigen, in die er 1986 auf Lebenszeit berufen worden war. Vielmehr segnete er Hawking sogar und dankte ihm für sein „stetiges Engagement“ für die Akademie.

Doch kommen wir zurück zum Anfang und zum Konsens unter den Wissenschaftlern: Die dargestellten Urknall-Modelle sind die anerkanntesten Modelle zur Erklärung des heutigen Zustandes des Universums.

Der Grund dafür ist, dass sie einige zentrale Vorhersagen machen, die sich gut mit dem beobachteten Zustand des Universums decken. Auf die Frage, was vor dem Urknall war (sofern es einen solchen gab), kann bislang niemand eine Antwort geben. Und selbst, wenn das Multiversum nachweislich Realität wäre: Das Rätsel des „Davor“ wäre damit noch nicht gelöst.

Im Kern besteht die Herausforderung darin, die Gravitation mit Quanteneffekten beschreiben zu können. An einer solchen Quantengravitation wird aktuell geforscht und die Wissenschaftler versuchen, die Allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik zu verknüpfen. Ihre wichtigsten Vorhersagen der Urknall-Modelle sind:

  • die Expansion des Universums;
  • die Entkopplung der Materie von der kosmischen Hintergrundstrahlung und die Elementverteilung, insbesondere der Anteil an Helium an der Gesamtmasse der baryonischen Materie;
  • die wichtigsten Eigenschaften der Temperaturfluktuationen der kosmischen Hintergrundstrahlung, die mittels der sog. kosmologischen Störungstheorie sehr erfolgreich erklärt werden;
  • die Theorie der Temperaturfluktuationen, die außerdem ein Modell zur Entstehung großräumiger Strukturen bietet, nämlich der Filamente und Voids, die die beschriebene Wabenstruktur bilden.

Bislang sind aber die großen Rätsel noch nicht gelöst,

  • wodurch der Urknall überhaupt ausgelöst werden konnte,
  • wodurch der Urknall tatsächlich ausgelöst worden ist,
  • erst recht weiß niemand, ob sich bereits vor diesem Urknall etwas ereignet hat und was dies gewesen sein könnte und
  • ob etwa die Schöpfungsgeschichte neu geschrieben werden muss.

Fazit: Das Unbekannte im Bekannten

Trotz der Fortschritte in der Astrophysik bleiben viele Fragen offen, insbesondere was den genauen Auslöser des Urknalls betrifft und was, wenn überhaupt, davor existierte. Die Suche nach einer umfassenden Theorie, die sowohl die Relativitätstheorie als auch die Quantenmechanik vereint, bleibt eine der größten Herausforderungen der modernen Wissenschaft.

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