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Der totale Energieinhalt des Universums ist Null. Daraus lässt sich vielleicht ableiten, dass ein Urknall keine Energie braucht – könnten wir also eines Tages unseren eigenen Urknall produzieren?
Es gehört zu den überraschendsten Einsichten der modernen Kosmologie, dass der Energieinhalt des gesamten Universums Null ist. Wie kann das gehen? Natürlich haben die Masse von Sternen, Planeten, Gaswolken, sowie deren relative Bewegung zueinander, eine positive Energie. Diese lässt sich mit Einstein’s Formel E = mc^2 berechnen. Aber das Universum enthält auch eine gewaltige Menge an negativer Energie. Negative Energie? Das gibt es, sogar im Alltag: es ist Energie, die – gewissermassen – bereits in etwas investiert wurde. So hat etwa ein Ball, den man aus einer bestimmten Höhe fallen lässt, „potentielle“ (negative) Energie. Er beschleunigt beim Fallen und wird immer schneller, gewinnt also rasch an kinetischer Energie – doch woher kommt diese? Sie kann nicht einfach aus dem Nichts kommen: Der Energieerhaltungssatz verbietet das. Die Energie kommt gewissermassen aus seiner „Höhe über dem Boden“ und wird, in dieser Form, „potentielle“ Energie genannt. Sie wurde, als der Ball angehoben wurde, bereits investiert. Ein anderes Beispiel ist ein gespanntes Gummiband: auch dessen Energie scheint aus dem „Nichts“ zu kommen, doch wieder handelt es sich um Energie, die zuvor ins Spannen des Gummibands investiert wurde. Ein drittes Beispiel ist ein Wärmebeutel, in dem eine Substanz auskristallisiert und dabei Energie in Form von Wärme freisetzt.
Genauso verhält es sich beim Universum: Es besteht eben nicht nur aus Sternen, Planeten, Gaswolken sowie deren Bewegung, sondern es wurde eine gewaltige Menge an Energie investiert, diese an ihre heutigen Positionen zu bringen. Das Universum hätte nämlich nicht expandieren müssen, als es kurz nach dem Urknall noch ultrakompakt war. Die Expansionsbewegung des Universum – von der Inflation in den allerersten Sekundenbruchteilen bis zur heutigen Expansion – kann als gewaltiges, negatives „Potential“ ausgedrückt werden. Addiert man die tatsächlich im Universum vorhandenen positiven und negativen Energien, kommt gerade etwa Null raus.
Das kann man sogar recht einfach zeigen (alle Angaben stammen aus einer kurzen Arbeit von Edward P. Tryon, die 1973 in der Zeitschrift Nature erschienen ist). Potentzielle Energie, die eine Testmasse m relativ zum Rest des Universums hat, berechnet sich zu
E(g) = – GmM/R (1)
wobei G die Gravitationskonstante, M (hier) die Masse des Universums und R den Radius des (sichtbaren) Universums ist. R ist auch näherungsweise c/H, also die Lichtgeschwindigkeit geteilt durch die Hubble-Konstante.
Da das Universum eine flache Geometrie hat (der Raum ist auf grossen Skalen „euklidisch“, also ein perfekter, ungekrümmter 3D-Raum), muss sein totaler Energieinhalt gerade der kritischen Dichte entsprechen. Diese berechnet sich zu
rho(krit) = (3*H^3)/(8*Pi*G) (2)
Setzt man nun für M in (1) die kritische Dichte in, gemäss M = rho(krit) * 4/3*Pi*R^3 (dh, im sichtbaren Universum, einer Kugel mit Radius R, herrscht die kritische Dichte), und ersetzt man R überall durch c/H, dann erhält man, nach dem Kürzen
E(g) = -mc^2/2
Die potentielle Energie, die jede Testmasse relativ zu allen anderen Massen im Universum hat, entspricht also gerade ihrer Massen-Energie (mc^2). Zwar innerhalb eines Faktors 2, der uns aber nicht gross zu kümmern braucht, angesichts dessen, dass hier völlig voneinander unabhängige Faktoren eingeflossen sind, die genauso gut ein um viele Grössenordnungen „falsches“ Ergebnis hätten liefern können (z.B. -mc^3 oder -mc, und schon wären wir extrem weit von diesem Ergebnis weg gewesen).
Höchst erstaunlich. Das Universum insgesamt, oder „von aussen betrachtet“, hat also gar keine Energie.
Dieser Gedankengang hat einerseits etwas beruhigendes, ja sogar ästhetisches an sich: denn wenn das Universum tatsächlich aus dem Nichts kam, sollte es auch keine Energie haben. Nicht einmal der Urknall verletzt also die Energieerhaltung: vorher war Nichts, und nachher ebenso – bloss liegt das „Nichts“ nach dem Urknall in einer anderen Form vor. In diesem Kontext scheint es so, als sei der Urknall lediglich eine Art Kipp-Punkt oder Kristallisations-Keim, an dem das „Nichts“ einen Phasenübergang in einen neuen Zustand machte. Doch wie kam es zu diesem Kipp-Punkt, zu diesem Keim?
Es gibt Kosmologen, die vorschlagen, dass vor dem Urknall nur ein gewaltiger, leerer (vielleicht expandierender) Raum vorlag. In diesem Raum finden Quantenfluktuationen statt: Teilchen entstehen und verschwinden wieder in den leeren Raum. Wenn man nur lange genug wartet, wird jedes erdenkliche Teilchen, jede erdenkliche Kombination von Teilchen (sogar Boltzmann-Gehirne) irgendwann auftreten. Das heisst, wie auch immer der oben genannte „Keim“ geartet ist, was auch immer nötig ist, um einen Urknall auszulösen: Es wird irgendwann ohnehin geschehen. Da wir das leere, expandierende Universum nicht beobachten können, wohl aber das, was auf einen Urknall folgt, glauben wir, das ganze Universum sei im Urknall entstanden. Das einzige, was wir über diesen „Keim“ sagen können ist, dass er wohl seltener als einmal alle 14 Mrd Jahre auftritt, sonst wären wir ja – vermutlich – nicht hier.
Doch damit kommen wir zum beunruhigenden (wenn auch spekulativen) Teil: Wenn es so einfach ist, einen Urknall zu erzeugen, könnte es doch sein, dass nicht nur zufällige Quanten-Fluktuationen, sondern auch speziell dafür entworfene Technologie einen solchen hervorbringen kann. Was wären die Folgen einer solchen „Urknallmaschine“? Würde es bedeuten, dass unser Universum durch den neuen, „künstlichen“ Urknall zerstört wird, oder gelänge es, den Urknall vielmehr in einer „Flasche“, die nicht in direktem Kontakt mit unserem eigenen Universum steht, durchzuführen? Wir wissen es nicht. Ähnliche Ideen von theoretischen Physikern wie Lee Smolin gehen dahin, dass jedes Schwarze Loch seinerseits ein Universum beinhalten könnte (dies nennt man die Idee vom fruchtbaren Universum), wobei die Entstehung des Schwarzen Lochs dem jeweiligen Urknall entspricht. In diesem Fall entsteht ein Universum im Universum, ohne dass das „übergeordnete“ Univesum zerstört wird. Doch genauso ist es denkbar, dass der neue, künstliche Urknall sich einfach in denselben Raum hinein ausbreiten würde wie jener, in dem unser Universum angesiedelt ist… (vielleicht enthält der Mikrowellenhintergrund des Universums ja, in stark verdünnter Form, die erstaunten, überraschten, neugierigen Gesichtsausdrücke einiger eifriger, aber glückloser Forscher in der letzten Inkarnation des Universums?)
In diesem Fall wäre die Urknallmaschine natürlich auch die ultimative Waffe. Nicht nur eine Stadt, oder den ganzen Planeten kann man damit zerstören – das ganze Universum läge in den Händen all jener, die die Technologie der Urknallmaschine verstehen und anwenden können. Natürlich wäre allen bewusst, dass der Einsatz der Urknallmaschine auch ihr eigenes Ende bedeuten würde. Aber können wir wirklich sicher sein, dass das niemand wollen wird? Was ist mit religiösen Fundamentalisten, die glauben werden, endlich den Schlüssel zum Paradies gefunden zu haben? Das bringt uns natürlich auch zurück zum berühmten Red Mercury Problem: Wie überlebt eine Zivilisation in einer Welt, in der sich jeder eine Weltuntergangswaffe basteln kann? Wie würde die Zivilisation auf die Entdeckung reagieren, das Urknallmaschinen möglich sind? Sofortiges Verbot jeglicher Forschung? Verbot jeglicher Religion? Rigorose Überwachung aller Menschen? Zurück in die Steinzeit?
Es gäbe – in dieser Situation – ein gutes Argument dafür, eben gerade nicht in die Steinzeit zurückzukehren. Denn niemand weiss, wieviele ausserirdische Zivilisationen da draussen existieren. Was, wenn eine von ihnen beschliesst, die Urknallmaschine einzusetzen? Würden wir unser Schicksal, irgendwann durch den Willen einer weit, weit entfernten ausserirdischen Zivilisation zu sterben, einfach akzeptieren? Oder würden wir versuchen, etwas dagegen zu unternehmen? Das können wir jedoch nur, wenn wir nach ihnen suchen, wenn wir versuchen, mit ihnen in Kontakt zu treten, oder sogar, sie davon abzuhalten, jemals die Technologie für die Urknallmaschine zu entwickeln. Gut denkbar, dass die Verhinderung von Urknallmaschinen sogar eine starke – oder gar die einzige? – Motivation für ein Inhibitor-Netzwerk sein könnte.
Natrürlich ist das alles hypothetisch. Wir wissen nicht, ob der Energieinhalt des Universums wirklich exakt Null ist: schon eine irrsinnig kleine Abweichung könnte den Aufwand für eine Urknallmaschine unerreichbar hoch setzen. Aber, und das ist der Punkt, es ist nicht ganz ausgeschlossen. Es ist nicht falsch oder sinnlos, sich darüber Gedanken zu machen, was in einem solchen Fall geschehen würde, könnte, müsste. Die Menschheit wird in der Zukunft ohnehin immer heftiger mit dem Red Mercury Problem in Kontakt kommen: immer mehr Menschen haben Zugang zu immer mächtigerer Technologie. Die Frage, ob, und wie wir damit umgehen, könnte darüber entscheiden, ob die Menschheit eine langfristige Zukunft hat.