Arbeitsblatt: Urknall - Eine Welt vor unserer Zeit

Eine Zeit vor unserer Welt Von Johann Grolle (Spiegel wissen) 30.03.2009 Ein deutscher Physiker hat sich aufgemacht, Einsteins Werk zu vollenden. Dessen Relativitätstheorie beschreibt das Wechselspiel von Massen und leerem Raum. Doch am Urknall kollabiert sie. Eine neue Theorie soll Abhilfe schaffen und öffnet zugleich den Blick in ein früheres Universum. Selbst Martin Bojowald ist nur selten einmal ein Blick zurück vor den Urknall vergönnt, und wenn er sich auftut, dann geschieht es meist unverhofft. Besonders oft klappt es beim Joggen, wenn die Beine wie von selbst zu laufen und die Gedanken zu fließen beginnen. Wenn das Blut so durchs Gehirn pulst, lässt Bojowald im Geiste die Raum-Zeit wallen, bis sich irgendwann wieder ein Fenster öffnet in ein neues, nie zuvor gesehenes Reich. Bojowald, 36, lehrt theoretische Physik an der Pennsylvania State University. Nichts an seiner etwas bubenhaften Erscheinung und seiner stillen, unaufgeregten Art lässt den Revolutionär erahnen, der schon im Alter von 27 eine neue Art der Kosmologie begründet hat. Und doch zählt er zu einer kleinen, sehr exklusiven Gemeinde von Forschern, die sich aufgemacht haben, das Erbe Albert Einsteins anzutreten. Im Alleingang hatte der große Physikpionier eine neue Lehre der Schwerkraft begründet und der Nachwelt seine Allgemeine Relativitätstheorie hinterlassen. Viele halten sie noch heute, gut 90 Jahre später, für das Brillanteste, was die theoretische Physik je hervorgebracht hat. Doch inzwischen ist klar: Selbst Einsteins großer Wurf weist Mängel auf. Nur wenn die Forscher den Weg, den er einst eingeschlagen hat, in aller Radikalität zu Ende gehen, wartet auf sie womöglich eine Formel, die den Namen Weltformel wirklich verdient. Es wird dazu nötig sein, die letzten Rätsel von Raum und Zeit zu knacken. Wie das gehen könnte, das hat Martin Bojowald jetzt in einem neuen Buch beschrieben*. Eher zufällig ist er vor rund zehn Jahren zu seinen heutigen Mitstreitern gestoßen. In einer Mathematikvorlesung an seiner Heimatuniversität in Aachen war am Rande von Einsteins großem Werk die Rede gewesen. Im Physikstudium dagegen war es nie aufgetaucht. Denn eigenartig: Es scheint, als wollten die Physikprofessoren ihren Studenten das Juwel ihres Fachs vorenthalten. Die Allgemeine Relativitätstheorie kommt im normalen Physikstudium oft überhaupt nicht vor: Zu schwierig sei sie, so heißt es, und zu irrelevant für praktische Zwecke. In der Tat hat sich Einstein mit seiner Gravitationslehre sehr weit in eine Welt vorgewagt, die der menschlichen Erfahrung kaum mehr zugänglich ist. Viele Studenten jedoch schreckt das wenig. Mich, sagt Bojowald, hat besonders fasziniert, dass der Raum in der Relativitätstheorie eine ganz neue Rolle spielt. Der nämlich ist bei Einstein nicht mehr bloße Bühne des Weltgeschehens; Raum und Zeit treten vielmehr selbst als Akteure auf. Unter dem Einfluss jedes Körpers verbiegt sich in Einsteins Theorie der Raum in seiner Umgebung. Die Schwerkraft ist dann nichts anderes als die Wirkung, die diese Krümmung des Raums auf andere Körper ausübt. Masse, Raum und Zeit bilden so ein sich wechselseitig bedingendes Ganzes. Beschrieben wird es von den Einsteinschen Feldgleichungen. Gefürchtet und verehrt sind diese Formeln, elegant und äußerst tückisch, wenn es ans praktische Rechnen geht. Und doch bedürfen selbst diese Gleichungen, aller mathematischen Brillanz zum Trotz, noch grundlegender Korrekturen. Denn so befriedigend sie auch den ewigen Umlauf der Planeten, das Kreiseln von Galaxien, ja sogar die Blähung des gesamten Kosmos beschreiben, so versagen sie doch am Beginn allen Seins. Nach rund 14 Milliarden Jahren der Expansion sei das Universum zu dem geworden, was es heute ist, so die Aussage von Einsteins Theorie. Doch wie ist das Ganze entstanden? Angesichts dieser Frage kapituliert Einsteins Formelwerk. Je näher darin der Anfang der Zeit rückt, desto mächtiger ballt sich die Materie, immer dichter presst sie den Raum zusammen, bis die Gleichungen schließlich im Strudel des Ursprungs nichts mehr als bedeutungslose Unendlichkeiten ausspucken. Urknall nennen die Physiker dieses pathologische Verhalten und wissen dabei doch ganz genau: Der inzwischen so vertraut klingende Name kann nicht darüber hinwegtäuschen, dass die Theorie hier an ihre Grenze gelangt. Was, so fragt sich die Forschergemeinde um Bojowald, ist eine noch so schöne Theorie wert, die zwar die Geschichte des Kosmos richtig beschreibt, an dessen Anfang aber nichts als Unsinn gebiert? Immer wieder haben junge Physiker versucht, dem Mangel mit gewagten gedanklichen Kapriolen abzuhelfen. Keine Idee schien ihnen dabei zu absurd, um sie nicht wenigstens auszuprobieren doch vergebens, es blieb dabei: Im Urknall verlor alles Sein seinen Sinn. Besonders hoch im Kurs standen zuletzt komplizierte Konstrukte, die unter dem Namen Stringtheorie selbst unter Laien Berühmtheit erlangt haben. Teilchen jedweder Art, gleichgültig ob Elektron, Neutrino, Quark oder Photon, werden darin als Schwingungszustände aberwitzig winziger Saiten beschrieben. Alles Weltgeschehen stellt sich dar als eine phantastische kosmische Stringsymphonie. In den drei sinnlich erfahrbaren Raumdimensionen jedoch lassen sich die Stringgleichungen nicht formulieren; die Forscher waren gezwungen, dem Raum noch sechs oder sieben weitere Dimensionen hinzuzufügen. Und weil diese sich in der wirklichen Welt nicht wahrnehmen lassen, wurden sie von den Stringforschern kurzerhand durch eine Art mathematischen Taschenspielertrick zu unsichtbar winzigen Knäueln verschnürt. Doch ist all das nicht nur ein großes mathematisches Glasperlenspiel? Lässt sich so wirklich der Welt ihr letztes Geheimnis entreißen? Bojowald und seine Mitstreiter haben ihre Zweifel daran. Sie wollen auf andere Weise die Mängel des derzeitigen Weltbildes beheben. Nicht die Materie ist Ausgangspunkt ihres Denkens. Sie beginnen, wie schon ihr großes Vorbild Einstein, mit dem Raum selbst. Wenn schon die Materie aus kleinsten Teilchen besteht, so ihre Argumentation, könnte es dann nicht sein, dass der Raum, in dem sich diese Materie bewegt, ebenfalls aus einer Art kleinsten, nicht weiter teilbaren Raumatomen zusammengesetzt ist? Ermutigt fühlen sie sich dadurch, dass sich durch geschicktes Hantieren mit den wichtigsten Naturkonstanten eine Art Elementarlänge errechnen lässt. 2. Teil: Kein Anfang, kein Ende Plancklänge wird sie genannt, und sie beträgt etwa 10 hoch minus 33 Zentimeter eine unvorstellbar winzige Zahl. In einem einzigen Atomkern finden mehr dieser Raumatome Platz als Staubkörner im gesamten Sonnensystem. Als Bojowald sich vor gut zehn Jahren den Fragen der Gravitation zuwandte, da war es seinen heutigen Mitstreitern bereits gelungen, den Raum zu zerstückeln. Ihre Gleichungen erzeugten eine Art Granulat aus Raum und aus Zeit. Eng verwoben wogt und wallt dieses Raum-Zeit-Geflecht, wenn es von der Wirkung einer Masse in Bewegung versetzt wird. Schleifen-Quantengravitation: So hatten die Forscher ihre Kopfgeburt getauft. Doch erst Bojowald gelang es, sich mit Hilfe dieser Gleichungen bis zum Beginn allen Seins vorzutasten. Wie, so seine Frage, spielt sich ein Urknall in diesem Raum-Zeit-Gewebe ab? Und vor allem: Würde er auch dieses Mal nur in sinnlose Unendlichkeiten münden? Der Durchbruch, meint Bojowald, sei seiner Unkonzentriertheit zu verdanken gewesen. Noch sehr gut kann er sich an den Sommer des Jahres 2000 erinnern, als das nervende Zirpen der Grillen kein Ende nehmen wollte und drückende Hitze seinen Kopf bis spät in die Nacht umnebelte. Der junge Forscher hatte gerade den Umzug von Aachen in die USA hinter sich, alles war neu für ihn hier an der Penn State, und einige Wochen lang hatte für ihn einmal nicht die Physik allein im Mittelpunkt gestanden. Wahrscheinlich sei nur so zu erklären, dass er, als er sich wieder an den Schreibtisch setzte, alle Sorgfalt fahrenließ und sich in Rechnungen stürzte, die eigentlich zu gar keinem vernünftigen Ergebnis hätten führen dürfen: Bei etwas klarerem Kopf hätte ich das wohl gar nicht erst versucht, sagt er heute. Bojowald hatte Glück. Plötzlich schien sich alles zu fügen, und der Forscher erkannte, wie sich in seinen Gleichungen in groben Konturen die Geburt eines Universums abzuzeichnen begann. Je weiter Bojowald die Zeit zurücklaufen ließ, desto höher sah er die Dichte wachsen. Irgendwann war in jedem Kubikzentimeter die Masse von Abermilliarden Sonnen vereint. Dann aber, fast scheint der Urknall schon erreicht, verändert sich das Verhalten des Modell-Universums: Plötzlich weigert sich der Raum, sich noch weiter zusammenzuziehen. Einem Schwamm gleich hat er sich bis zum Äußersten voll mit Energie gesogen. Und dann geschieht es: Der Raum prallt an sich selbst ab. Mehr noch: Als Bojowald die Uhr in seiner Modellwelt noch weiter bis vor den Ursprung zurückstellte, begann sich der Raum sogar wieder zu spreizen; das Universum, das sich gerade noch in einem unaufhaltbar scheinenden Schrumpfprozess befunden hatte, schwoll wieder an. Zweierlei war dem jungen Physiker damit gelungen: Er hatte seine Modellwelt heil durch den Urknall manövriert, ohne dass die Gleichungen zusammengebrochen waren. Und: Durch das Nadelöhr des Raum-Abpralls hindurch war es ihm gelungen, einen Blick in ein Universum zu erhaschen, wie es vor dem Urknall existiert haben muss. Viel kann Bojowald bisher freilich noch nicht über diese Welt vor unserer Welt sagen: Das Einzige, was wir wissen, ist, dass das Universum vor dem Urknall offenbar invertiert war. Ähnlich wie bei einem Luftballon, der verkehrt herum aufgeblasen wird, war sozusagen das Innere nach außen gekehrt. Welche Bedeutung dies für das Dasein in dem eigenartigen Spiegeluniversum hatte? Das vermag der Forscher nicht zu sagen. Doch so spärlich auch Bojowalds Erkenntnisse noch sind, könnten sich seine Gleichungen doch als Beginn einer neuen Ära erweisen. Denn erstmals erlauben sie handfeste Aussagen über eine Welt jenseits des bekannten Universums. Das ewige Vergehen und Entstehen von Welten könnte so Gegenstand beobachtender Forschung werden. Helfen soll dabei eine neue Generation von Satelliten, die empfindlich wie nie zuvor Signale vom anderen Ende des Kosmos auffangen. Bereits im vergangenen Jahr Stellung bezogen hat das Fermi Gammaray Space Telescope, das rätselhafte Blitze extrem hochenergetischer Strahlung am Himmel untersuchen soll. Hinter sich haben diese Strahlen eine Durchquerung fast des gesamten sichtbaren Weltalls. Wenn aber der Raum tatsächlich, wie von den Schleifen-Quantentheoretikern angenommen, aus Raumatomen besteht, dann müsste sich diese Körnung nach der weiten Reise in Form kleiner Laufzeitänderungen bemerkbar machen. Die Mikrostruktur des Raums lässt sich so also direkt unter die Lupe nehmen. Aber auch den Urknall selbst hoffen die Forscher schon bald beobachtend studieren zu können. Ein erster Schritt dorthin steht bereits im April auf dem Programm. Dann startet der europäische Forschungssatellit Planck. Mit nie zuvor erreichter Präzision soll er Fotos der Hintergrundstrahlung schießen, die den gesamten Kosmos erfüllt. Entstanden ist diese zwar erst rund 380.000 Jahre nach dem turbulenten Ursprung, der die Schleifen-Quantentheoretiker interessiert. Doch weist die Strahlung winzige Schwankungen auf, die Rückschlüsse auch auf die Zeit zuvor erlauben. Noch gut zehn Jahre wird es dauern, dann, so die Hoffnung von Bojowald und seiner Forschergemeinde, könnten sogar die ersten direkten Signale vom Urknall eintreffen. Im Jahr 2019 nämlich soll das Weltraumobservatorium Lisa starten, bestehend aus einem Satellitentrio, das möglicherweise empfindlich genug sein wird, um Gravitationssignale aus den ersten Sekunden dieser Welt auffangen zu können. Bojowald darf sich also freuen: Es besteht Aussicht, dass er seine Theorie noch zu Lebzeiten durch einen Schnappschuss aus dem Kreißsaal des Universums bestätigt sehen wird Aufgabe A. Fassen Sie den Text auf ca. A4 Seite zusammen (wichtigste Aussagen). B. Beantworten Sie in 2er Gruppen die folgenden Fragen Fragen: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Wie stellt sich der Raum in der neuen Relativitätstheorie dar? Wo liegt der Fehler in Einsteins Theorie? Mit welchen Problemen haben die Stringforscher zu kämpfen? Was ist die Planck-Länge und wie gross ist sie? Was geschah, als Bojowald die Zeit zurücklaufen liess? Welche neuen Techniken sollen zur Aufklärung zur Entstehung des Universums angewendet werden? Eine Zeit vor unserer Welt – Zeitungsartikel (Spiegel wissen) Von Johann Grolle 30.03.2009 7. Wie stellt sich der Raum in der neuen Relativitätstheorie dar? Er stellt nicht mehr nur eine Bühne dar, sondern wird selbst zum Akteur. Ebenso die Zeit. 8. Wo liegt der Fehler in Einsteins Theorie? Einsteins Gleichungen geben für den Ursprung des Kosmos nichts als bedeutungslose Unendlichkeiten heraus. 9. Mit welchen Problemen haben die Stringforscher zu kämpfen? Sie können ihre Gleichungen in den drei gängigen Raumdimensionen nicht formulieren und müssen weitere Dimensionen hinzuziehen, welche aber in der wirklichen Welt nicht wahrgenommen werden können. 10. Was ist die Planck-Länge und wie gross ist sie? Eine Elementarlänge zusammengesetzt aus den wichtigsten Naturkonstanten. 10-33 cm. 11. Was geschah, als Bojowald die Zeit zurücklaufen liess? Die Dichte des Universums wuchs anfänglich, bis sich der Raum plötzlich weigerte sich weiter zusammen zu ziehen. Er prallte an sich selbst ab! Danach begann sich der Raum sogar wieder zu spreizen. 12. Welche neuen Techniken sollen zur Aufklärung zur Entstehung des Universums angewendet werden? Fermi Gammaray Space Telescope: Untersucht Blitze hochenergetischer Strahlungen Planck-Satellit: Macht Fotos von der kosmischen Hintergrundstrahlung Satellitentrio „Lisa: Misst Gravitationssignale aus den ersten Sekunden dieser Welt (2019)