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Ist "unser" Universum das Einzige?
Die Frage, ob unser bekanntes Universum das Einzige oder das einzig Mögliche sei, stellen sich Menschen mit Forscherdrang, seitdem sie den Blick ins All richten. Wer der Frage ernsthaft nachgeht, kann nicht darauf verzichten, sich mit einigen physikalischen Begriffen auseinanderzusetzen. Dank des technologischen Fortschritts hat sich der Zugang zu quanten- und astrophysikalischen Erkenntnissen in den vergangenen Jahren stark ausgeweitet. Niemand wird jedoch behaupten, dieser Zugang sei einfach.
Dunkle Materie, die Relativitätstheorie und die Theorie der Quantenmechanik
Heute nehmen wir an, dass das immer schneller expandierende Universum zu 70% aus dunkler Energie besteht. Die übrigen 30% bilden die dunkle und die uns bekannte Materie. Was aber die beiden dunklen Komponenten des Raumes wirklich sind, wissen wir noch nicht. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Relativitätstheorie Einsteins und die Theorie der Quantenmechanik in sich schlüssig sind und hochpräzise, bestätigte Vorhersagen machen, sich jedoch nicht vereinigen lassen. Die makrokosmisch orientierte Relativitätstheorie arbeitet mit grossen Massen, wie sie in der momentanen Unmessbarkeit des Alls auftreten, während sich die mikrokosmisch ausgerichtete Quantenmechanik mit dem unsagbar Kleinen, mit subatomaren Phänomenen, befasst. Eine der seltenen Ausnahmen, worin die beiden Theorien zusammenfallen, bildet die Singularität in einem schwarzen Loch.
Die Schwierigkeit, sich mehr als drei Dimensionen vorzustellen
Wir sind in unserer Anschauung dreier Dimensionen gefangen. Den Punkt, die Strecke, den Raum können wir uns vorstellen, das Koordinatensystem leuchtet uns ein. Eine mögliche vierte Richtung zwingt uns schon komplexe räumlichmathematische Modelle auf. Wie sieht die Zusammensetzung unendlich vieler dreidimensionaler Räume aus? Wie haben wir uns erst die einsteinsche Krümmung der Raumzeit vorzustellen? Nun, die Physiker/innen gehen davon aus, dass ein 4-dimensionales Koordinatensystem aus vier unabhängigen Richtungen besteht und sich dazu eignet, unsere bekannten drei Raumdimensionen und die Zeit-Dimension abzubilden. Im Zusammenhang mit der Superstringtheorie geht die Forschung heute davon aus, dass bis zu 26 Raum-Zeit-Dimensionen existieren. Solche Kategorien bieten selbst für die Mathematik beinahe unüberwindliche Herausforderungen.
Die Theorie der Schleifenquantengravitation
Eine der heute diskutierten Erklärungsversuche komplexer physikalischer Vorgänge bildet die sogenannte Theorie der Schleifenquantengravitation. Man versucht damit, einer der grössten Herausforderungen in der Physik gerecht zu werden und einen Ansatz zur Vereinigung der Quantenphysik mit der allgemeinen Relativitätstheorie zu finden. Die Theorie beschreibt den Raum als dynamisches, quantenmechanisches Spin-Netzwerk, das durch Diagramme aus Linien und Knoten anschaulich darstellbar wird. Raum und Zeit quantisieren sich dabei in den Bereichen der Planck-Länge (ca. 10-35m) und der Planck-Zeit (ca. 10-43s), jedoch nicht innerhalb beliebig kleiner Strukturen. Um sich ein Bild der Dimensionen zu machen: Ein Kubikzentimeter enthält 1099 Knoten – Grössenordnungen im Mikrobereich, die jede Vorstellung unterbieten. Wichtig ist dabei, dass wir uns das erwähnte Netz nicht im Raum eingebettet vorstellen: Das Netz ist der Raum, so, wie sich zwischen den Sandkörnern einer Düne eigentlich kein „Raum“ befindet. Die Zeit kommt als vierte Dimension dazu, die entsprechenden Veränderungen stellen aber wiederum den Zeitfluss selbst dar. Bewegung „dauert“ nicht, sondern geschieht lediglich kausal nacheinander.
Multiversum – die Gesamtheit aller möglichen Parallelwelten
Kehren wir zur Anfangsfrage zurück. Unter Parallelwelt oder Paralleluniversum verstehen wir einen ausserhalb des bekannten Universums existierenden Kosmos, wobei die Gesamtheit aller möglichen Parallelwelten als Multiversum bezeichnet wird. Der Begriff wurde schon im Dezember 1960 durch Andy Nimmo von der „British Interplanetary Society“ erstmals eingeführt. Die Viele- Welten-Interpretation der Quantenmechanik basiert auf dem Gedanken, das beobachtbare Universum sei nur ein Teil der gesamten Wirklichkeit, die aus vielen nebeneinander existierenden Welten besteht, in denen quantenmechanische Messungen jeweils andere Resultate ergeben. Das anthropische Prinzip, wonach unser beobachteter Kosmos zu der Teilmenge von Universen gehört, in denen intelligentes Leben existiert – ein vermeintlicher Zufall, der sonst nicht beobachtbar wäre – ist eigentlich die logische Konsequenz der Viele-Welten-Theorie. Man kann sich diese Welten wie Blasen in einem Topf mit kochendem Wasser vorstellen, die entstehen und wieder vergehen. Der Urknall wäre dann quasi das Entstehen einer solchen „Blase“.
Die Idee des Multiversums hat etwas Bestechendes. Die aktuell vorhandenen mathematischen Modelle zeigen, dass sich das neue Universum beim Urknall kurz nach der Zündung mit Überlichtgeschwindigkeit von Null auf astronomische Grössen ausdehnte. Es scheint auf Grund der heutigen Kenntnisse naheliegend, dass dieser Vorgang nicht einmalig sein muss. Falls sich die Randbedingungen des Vorgangs ändern, könnten auch andere Universen entstehen. Aus menschlicher Optik sind die Grenzen des uns bekannten Universums auch die Grenzen unserer momentanen Erkenntnisfähigkeit. Wir sind in der Kontingenz unseres „Horizonts“ gefangen. Es ist heute für uns nicht vorstellbar bzw. möglich, in ein anderes Universum zu sehen. Wechselwirkungen zwischen unserem und anderen möglichen Universen könnten wir jedoch im Prinzip erkennen.
TOE – Theory Of Everything
Was die Physiker/innen schon länger anstreben, ist eine grosse Theorie der Vereinheitlichung, die sogenannte Weltformel oder Theorie von Allem („TOE, Theory Of Everything“), welche – vorerst hypothetisch – auf der Basis der theoretischen Physik und Mathematik alle bekannten physikalischen Phänomene gänzlich zu erklären und zu verknüpfen vermag. Erwünscht ist damit auch ein einzelnes Theoriemodell, das alle grundlegenden Wechselwirkungen der Natur erklärt. Es geht dabei um die Vereinheitlichung der drei Grundkräfte: Der elektromagnetischen, der schwachen und der starken Wechselwirkung. Man nimmt diese Möglichkeit aufgrund der Ähnlichkeit in der mathematischen Struktur der drei Theorien an. Dazu gesellt sich die – grundsätzlich schwach wechselwirkende – Gravitation, der jedoch in ihren physikalischen Voraussetzungen eine Sonderstellung zukommt. Von den augenblicklich im Large Hadron Collider (LHC) am CERN in Genf laufenden Experimenten erwartet man in diesem Zusammenhang mögliche wegweisende Erkenntnisse. Wir leben, wissenschaftlich gesehen, in einer interessanten Zeit! Die Erwartungen an eine solche Theorie sind sehr gross. Nebst anderen Qualitäten soll sie eine supersymmetrische, also einheitliche Grundstruktur aufweisen, sie soll Fragen nach der dunklen Materie und den ungeklärten Vorgängen im frühen Universum beantworten, eine schlüssige Quantentheorie der Gravitation beinhalten, die wesentlichen Parameter des Standardmodelles der Elementarteilchen beschreiben, Singularitäten mathematisch erklären und nicht zuletzt die Einsteinsche und Newtonsche Physik formelmässig verbinden. Ein gar hoher Anspruch!
Die grundsätzliche Komplexität zeigt sich analog bei der Heisenbergschen Unschärferelation: Durch das Experiment, die Messung, verändern wir den Gegenstand der Untersuchung und werden so Teil des Experiments. Wir können z.B. beim Elektron nicht gleichzeitig seinen Wellen- und Partikelaspekt untersuchen. Beim Doppelspaltexperiment erscheinen die Photonen, je nach Art, Betrachtungsweise und Ort der Untersuchung, als Welle oder als Partikel, obwohl sie beides zugleich sind und gleichzeitig an verschiedenen Orten interferieren (Welle-Teilchen-Dualismus).
Die TOE strebt, wie erwähnt, eine widerspruchsfreie, unzweideutige Beschreibung und Vorhersage der in der Natur beobachteten Phänomene mit Hilfe eines möglichst einfachen Formelsatzes an. Heute sind wir noch daran gebunden, uns an einzelne Theorien zu halten, die erfahrungsgemäss die grössten Übereinstimmungen mit den dazu gehörigen Experimenten aufweisen. Die mögliche Lösung wird eben darin bestehen, ein System übergeordneter Differenzialgleichungen, also ein mathematisches Weltgleichungssystem, zu finden. Eine Weltgleichung muss dabei unabhängig von Vorschriften sein, wie die in den Formeln vorkommenden Grösse zu messen sind. Die oben erwähnte Loop-Quantengravitation und die Stringtheorie bieten zwei Ansätze, wobei beide Theorien unvollständig sind und dabei noch wesentliche Probleme gelöst werden müssen.
Die Superstringtheorie
Die besagte Superstringtheorie versucht ebenfalls, die Schwerkraft (Gravitation) mit den Quantenfeldtheorien der nicht gravitativen Wechselwirkungen zu vereinheitlichen, ist jedoch bisher experimentell noch nicht überprüft. Unter einem String – das englische Wort für „Saite“ – müssen wir uns ein eindimensionales, hochenergetisch vibrierendes und extrem kleines Objekt vorstellen, das entweder kreisförmig geschlossen oder, analog einer kurzen Linie, offen ist und zwei Enden aufweist. Einerseits kann z.B. eine bestimmte Vibration eines geschlossenen Strings als Graviton identifiziert werden, anderseits ein anderer Schwingungszustand als Photon, ein weiterer als Quark usw. Das Interessante dabei ist, dass Strings, im Gegensatz zur Nulldimension des mathematischen Punkts, eine bis mehrere Dimensionen haben und eine Quantengravitation beinhalten. Um jedoch ein beobachtbares, realistisches Modell der Elementarteilchen in den uns bekannten vier Dimensionen zu erhalten, müssten wir uns die Extra- Dimensionen quasi „eingerollt“ vorstellen. Die Raumkrümmung lässt grüssen!
Die Physiker/innen postulieren gemäss der Stringtheorie ein Vibrationsspektrum von unendlich vielen Schwingungsmodi, welche aber nicht direkt beobachtet werden können, weil sie viel zu hohe Massen (Energien) haben. In wissenschaftlicher Hinsicht stellt sich die Frage, wie weit die Superstringtheorie experimentell verifiziert oder falsifiziert werden kann. Bedenken wir, dass wir uns dabei allein schon dimensionsmässig auf der Ebene der Planck-Länge bewegen. Strings haben Abmessungen von wenigen milliardstel billionstel Metern! Der griechische Philosoph Heraklit hat behauptet: „panta rhei – alles fliesst“. Etwas salopp können wir heute behaupten: Alles schwingt. Ob wir Strings als Elektronen oder Quarks, als Bosonen oder Fermionen wahrnehmen, hängt von ihrer Schwingung ab. Auf einer Violinsaite können wir schliesslich auch höhere und tiefere Töne spielen. Was uns dabei herausfordert, ist die Hypothese, dass unser Universum nicht nur aus den vier „offiziellen“ Dimensionen Länge, Breite, Tiefe und Zeit besteht, sondern aus zehn oder gar elf. Diese Extradimensionen sind zu nicht mehr wahrnehmbaren Gebilden aufgerollt. Das Blatt Papier erkennen wir, seine Dicke übersehen wir meistens!
Nun ist es nicht so, dass Strings nur eine Dimension hätten. Aus einem String kann durchaus eine zweidimensionale Membran werden. Es sind bis zu neun Dimensionen möglich. Man spricht in diesem Zusammenhang von „Branen“. Ein Punkt wäre dann eine „Null-Bran“, ein String eine „Eins-Bran“ und ein Objekt mit drei Raumdimensionen eine „Drei-Bran“. Die D0-Bran – ein Punkt in der Raumzeit – beschreibt eine Situation, worin sich die Strings nur noch in der Zeit bewegen können. Die D9-Bran hingegen füllt die ganze Raumzeit aus und die offenen Strings können sich frei bewegen. Wenn wir von extremen Energien, wie z.B. kurz nach dem Urknall, ausgehen, dann können durchaus Branen in der Grösse unseres Universums entstanden sein. Nach dem sogenannten ADD-Szenario ist unser All eine riesige Drei-Bran, die in eine Raumzeit von elf Dimensionen eingebettet ist. Die aus offenen Strings bestehenden Photonen (Lichtteilchen) können sich ungehindert in unserem Universum bewegen, es jedoch nicht verlassen. Die von einem geschlossenen String repräsentierten Gravitonen hingegen können theoretisch in den Hyperraum gelangen.
Daraus ergeben sich frappante Vorstellungen: Neben unserem Universum könnten noch weitere Universen in Drei-Branen existieren, die alle Parallel in einer weiteren Dimension zu einem sogenannten „Bulk“ angeordnet sind. Die einzelnen drei Branen innerhalb des Bulks können mittels Gravitonen wechselwirken, da diese nicht an die Branen gebunden sind und sich frei in der elfdimensionalen Raumzeit bewegen können. Diese Perspektiven sind verrückt, jedoch nicht ganz von der Hand zu weisen. Die Ameise an der Unterseite eines Blatt Papiers weiss nichts von der Fliege, die über die Oberseite spaziert, obwohl beide Tiere weniger als ein Millimeter voneinander entfernt sind. Der Tropfen auf der Innenseite des Duschvorhangs hat keine Kenntnis von der Welt ausserhalb der Dusche, trotzdem existiert sie. So könnte theoretisch ein Millimeter neben uns ein weiteres Universum existieren, das wir nicht wahrnehmen können.
Zwei Modelle zur Entstehung des Urknalls
Heute kennen wir zwei Modelle zur Entstehung des Urknalls und des Universums. Beim ekpyrotischen „Weltenbrand“-Modell kollidierte unser Universum vor rund 15 Milliarden Jahren mit einer anderen, parallel liegenden Drei-Bran, mit den entsprechenden Folgen. Dem zyklischen Modell entsprechend durchläuft unser All bzw. durchlaufen die beiden Branen einen endlosen Zyklus von Kollision, Expansion, Kontraktion, Kollision usw. Ein gewisses Problem bildet dabei die Tatsache, dass wir nicht erklären können, wann der erste Zyklus begonnen hat.
Lisa Randall – Expertin für Teilchenphysik, Stringtheorie und Kosmologie
Eine hervorragende Kapazität auf diesem Gebiet ist die am 18. Juni 1962 in New York City geborene Professorin für theoretische Physik an der Princeton und Harvard University, Lisa Randall. Sie gilt als Expertin für Teilchenphysik, Stringtheorie und Kosmologie und war zwischen 1999 und 2004 die meistzitierte Hochenergiephysikerin der Welt. In ihrer Forschung führt sie Relativität, Quantenmechanik, Gravitation und die erweiterte Stringtheorie zusammen und entwickelt ein Modell sich durchdringender, überlagernder und verwerfender „Multiversen“. Dabei geht sie, zusammen mit ihrem Mitarbeiter Raman Sundrum, von einem fünfdimensionalen Modell des Universums aus. Das Positive: Randall behauptet nicht, es sei so, sie glaubt, dass es so sein könnte. Ein weiterer Vorteil: Randalls Vorstellungen sind überprüfbar, was die Spekulationen zur Wissenschaft macht. Zur Erläuterung ihrer Hypothesen hat sie ein populärwissenschaftliches Werk von rund 550 Seiten verfasst, mit dem Originaltitel „Warped Passages, Unraveling the Mysteries oft The Universe’s Hidden Dimensions“, oder auf Deutsch: „Verborgene Universen, eine Reise in den extradimensionalen Raum“. Das Buch mutet den Lesenden einiges zu: Stringtheorie, Supersymmetrie, Einsteins Relativitätstheorie im Rückblick und die Grundlagen der Quantenmechanik sind thematisiert. Randalls Kompetenz als theoretische Physikerin ist heute unbestritten: Sogar Steven Hawking hielt den Stuhl neben sich anlässlich eines Konferenzbanketts für sie frei. Lisa Randall stellt die abstrakten Theorien verständlich dar, trotzdem ist das Buch für wissenschaftliche Laien nicht leicht zu lesen. Zu Beginn jedes Kapitels erleichtert aber eine kurze Geschichte den Zugang und am Kapitelende folgt jeweils eine kurze Zusammenfassung des Gelesenen. Ein ausführliches Glossar, mathematische Anmerkungen und ein detaillierter Quellennachweis ergänzen das Werk. Auch wenn das relativ umfangreiche Buch Ansprüche stellt, ist es für interessierte Lesende doch sehr anregend und im Rahmen der Thematik anschaulich geschrieben. Wer sich für Fragen der Physik, der Kosmologie und für ähnliche Fragen interessiert, der oder dem sei das Buch Randalls wärmstens empfohlen. Man mag von den vorgestellten Konzepten halten, was man will, zur Diskussion und zum Weiterdenken regen sie alleweil an.
Die Ansichten sind verschieden
Nun, nicht alle können mit den Vorstellungen von Hyperflächen in höheren Dimensionen des Universums und mit zwischen Branen liegenden, höher dimensionierten Räumen etwas anfangen. Der Konstanzer Wissenschaftshistoriker Professor Ernst Peter Fischer z.B. kann sich mit einer Theorie der Weltformel darum nicht anfreunden, weil unser ganzes Weltverständnis auf Dualität angelegt ist. Die Quantentheorie einerseits beschreibt das Innenleben der kleinsten Teilchen, der Atome. Die Feldtheorie anderseits befasst sich mit der Gravitation der Kräfte zwischen sichtbaren Objekten. In der Quantentheorie stellen wir ein Element der Unstetigkeit fest: Teilchen springen von einer zu einer anderen Energieebene. Die Feldtheorie muss grundsätzlich kontinuierlich sein. Nach Heisenbergs Theorie bleibt alles so lange unbestimmt, bis der Beobachter im Experiment entscheidet, was passiert. Niels Bohr hingegen ging von der Idee der Komplementarität, der wechselseitigen Ergänzung, aus. Fischer betont, dass es kein Sein im Sinne Platons gebe, sondern nur ein stetes Werden in der Optik Heraklits. Die sogenannte Zweiheit findet sich überall: Ich/Du, Yang/Yin, positive und negative Ladung, Tag/Nacht usw. Natur ist keine Darstellung, sondern eine Gestaltung, kein Sein, sondern ein fortwährendes Gestalten. Dazu braucht es jedoch zwei: das Gestaltende und das Gestaltete. Gestaltung ist laut Fischer ein kommunikativer Prozess; die Welt ist Kommunikation. Die Weltformel sei darum „nicht als Punkt zu haben, sondern als eine Spannung zwischen Punkten.“
Fazit
Wie dem auch sei, ob wir Leben, Kosmos, Erkenntnis und Existenz als getrennt anschauen wollen oder ob wir der Ansicht sind, alles hänge in einer umfassenderen Weise zusammen und unterliege einer permanenten Entwicklung, diese Frage stellt sich immer neu, ist überaus interessant und wird wohl noch zu Antworten von grosser Tragweite führen. Nur schon das Wissen um die Tatsache, dass im Weltraum ein gigantisches Loch von rund einer Milliarde Lichtjahren besteht, worin es wirklich NICHTS – keine Materie, keine Energie – geben soll, gibt uns zu denken. Wie erwähnt: Auch wissenschaftlich gesehen leben wir in einer interessanten Zeit. Und übrigens: Alles schwingt!
Fred Dolp - Bucher, Dozent TEKO Luzern