Wissenshorizonte

Grenzen des Universums
Übergeordnete Universen
Das anthropische Prinzip
Der Mikrokosmos

Grenzen des Universums

Es liegt wohl in der Natur des Menschen, dass ihm gesetzte Grenzen einen besonderen Reiz auf ihn ausüben. Er möchte sie zu gerne überwinden! Allerdings stoßen wir sicherlich in jedem Wissenschaftszweig an eine Schranke, die unserem Wissensdurst Einhalt gebietet. Einige dieser Grenzen, die wir weder jetzt oder vielleicht auch in Zukunft nicht überschreiten können sollen an dieser Stelle kurz umrissen werden.


Wie groß mag das Universum sein? Vor etwa 13,7 Milliarden Jahren fand der Urknall statt, und so viele Lichtjahre weit können wir auch in etwa mit unserer Technik "sehen". Dann stoßen wir jedoch nicht an die "Grenze" des Alls - denn eine solche existiert nicht. Eine exakte Größenangabe ist aufgrund fehlender Mess- bzw. Beobachtungsmöglichkeit unmöglich zu machen, wir können hier nur spekulieren. Die deshalb unterschiedlichen Angaben erstrecken sich deshalb von 46 Milliarden Lichtjahren Ausdehnung über 10-fache Größe bis hin zu 10 Billiarden (1016) Lichtjahren, ja sogar bis zur 1026- fachen Ausdehnung wird geschätzt. Ja, wir können nicht einmal ausschließen, dass der Kosmos unendlich groß ist!
Vielfach wird die Frage gestellt, ob wir nicht doch jemals so weit blicken könnten. Das ist sicher nicht möglich, denn je weiter wir in die Tiefe des Alls blicken, umso schneller entfernen sich Objekte von uns. Irgendwann geschieht das mit Überlichtgeschwindigkeit aufgrund der Raumexpansion, sodass Photonen von dort draußen uns nicht mehr erreichen können.


Sollte eventuell durch die Eigengravitation die Expansion der Raumzeit abgebremst werden, so treten in Zukunft immer mehr Galaxien bzw. Quasare in unser Gesichtsfeld, weil dann der Raum wieder kontrahiert und die Fluchtgeschwindigkeit dieser Objekte unter die Lichtgeschwindigkeit fallen würde. Nun wissen wir aber durch unsere Messungen, dass wir in einem euklidischen Raum leben, die Expansion immer weiter voranschreitet. Die Natur hat also unseren Beobachtungen einen Horizont gesetzt, der genau bei der Entfernung angesiedelt ist, bei der die Fluchtgeschwindigkeit einer Galaxie die Lichtgeschwindigkeit erreicht. Deshalb werden wir niemals in der Lage, weiter in die Vergangenheit zu sehen.

Wäre es denn nicht denkbar, wenn wir in Gedanken eine Rakete konstruieren, die mit beliebiger Geschwindigkeit fliegen könnte, doch noch hinter den heutigen Beobachtungshorizont unseres Universums zu blicken, hinter unsere "Grenze"? Nein, das ist leider nicht möglich. Zwar hat der Kosmos wahrscheinlich eine endliche Ausdehnung, dennoch ist er ohne Grenzen. Wir können uns das am Beispiel der Erde verdeutlichen: Denken wir uns die 3 Raumdimensionen des Weltalls auf die zweidimensionale Oberfläche der Erde geschrumpft. Nun können wir von einem beliebigen Punkt aus starten und unendlich lange wandern, niemals würden wir an eine physikalische Grenze stoßen. Es gibt keinen Ort, an welchem die Erde "zu Ende" ist, wir können auch nicht herunterfallen. Man sieht daran, die Erdoberfläche hat zwar eine endliche Ausdehnung (510 100 933,5 [km2]), aber sie ist dennoch gleichzeitig ohne Grenze. Ebenso verhält es sich mit dem All: Niemals werden wir in der Lage sein an eine Grenze zu stoßen oder diese zu erblicken. Auch mit der schnellsten Rakete könnten wir nicht an den Beobachtungshorizont gelangen, denn der Materie ist es nicht gestattet, sich mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen. Der Horizont aber flieht mit mindestens Lichtgeschwindigkeit, und das Licht von dort können wir nicht einholen. Photonen kann man nicht überholen...

Auf der Suche nach Grenzen
Auf der Suche nach Grenzen
Schon immer war der Mensch neugierig und wollte zu gerne wissen, was sich hinter der Grenze befindet, die ihm gesetzt ist. Einfach seinen Kopf durch das Himmelgewölbe zu stecken und alle Geheimnisse zu erblicken, das wäre zu schön gewesen. Doch so leicht macht es die Natur uns nicht, sie hat uns Grenzen gesetzt, die wir nicht überschreiten können.

 


Seit einigen Jahren kristallisiert sich zunehmend heraus, wie schon angedeutet, dass wir unsere Existenz in einem offenen Universum fristen, dessen Expansionsgeschwindigkeit immer weiter beschleunigt. Das bedeutet, unser Kosmos wird ewig weiter expandieren und eines fernen Tages eine Ausdehnung unendlicher Größe erreichen. Daraus ergibt sich der Kältetod des Universums: In absehbarer Zukunft wird der letzte Stern erlöschen, alle Galaxien lösen sich auf, die Materie wird zerfallen und irgendwann das letzte Schwarze Loch verdampft sein. Übrig bleibt dann ein sich stetig verdünnendes Gemisch aus Photonen, Elektronen und Quarks oder Preonen (Subteilchen, aus denen Quarks zusammengesetzt sein könnten), welches bis zum absoluten Nullpunkt abgekühlt ist. Das Universum wird dann kalt und ohne jedes Licht, die Bruchstücke der einstigen Materie und Energie unendlich verdünnt sein. Schuld an diesem Desaster ist möglicherweise eine so genannte Dunkle Energie, die zu etwa 72 % unseren Kosmos erfüllt (die restlichen 28 % verteilen sich auf Leuchtende und Dunkle Materie sowie Strahlung). Sie soll gravitationsabstoßend wirken und deshalb die beschleunigte Expansion verursachen. Bisher weiß allerdings niemand genaueres über das Wesen dieser mysteriösen dark energy. Doch selbst wenn die Expansion einmal zum Stillstand käme oder sich gar in eine Kontraktion umkehrte, gäbe es doch keine Hoffnung für die weitere Existenz der Materie. Entweder Hitze- oder Kältetod, des Ende ist unausweichlich. In jedem Fall aber ist damit dem Kosmos eine weitere Grenze gesetzt: Weder Sterne, noch Planeten oder das Leben überhaupt können für immer existieren. Auf der ewigen kosmischen Uhr ist die derzeitige, aktive und lebensbejahende Phase nur ein winziger Augenblick.


Übergeordnete Universen

Einige Theorien, wie beispielsweise die Stringtheorie, die steady state- Theorie des unveränderlichen Kosmos, die Inflationstheorie, das anthropische Prinzip (siehe weiter unten) oder auch Hawkings Keine-Grenzen-Hypothese räumen die Möglichkeit ein, dass es neben unserem Universum viele weitere, sogar bis zu unendlich viele Kosmen geben könnte. Solch einen "Überkosmos", oder besser gesagt einen Hyperraum (Multiversum) kann man sich vielleicht vorstellen wie eine Blase in einem Seifenschaum: Die Kosmen entstehen, entwickeln sich und vergehen wieder.

Entwicklung von Kosmen
Entwicklung von Kosmen
Nebenstehend sind einige mögliche Entwicklungen von Universen dargestellt. Ganz links ist ein Kosmos zu sehen, der zu schnell expandiert und sich daher zu stark verdünnt. Daneben sieht man ein Universum mit zwar kritischer Expansionsrate, aber die Bedingungen sind geeignet für die Entwicklung von Leben. Die Universen rechts kollabieren bereits wieder, bevor sich Leben bilden kann.


Nun kann man sich fragen, wie mögen wohl diese anderen Kosmen beschaffen sein? Es ist einleuchtend, dass niemand in der Lage ist, eine derartige Frage zu beantworten. Wir

Aber wir dürfen durchaus mutmaßen, dass diese Kosmen vollkommen andersartig gestaltet sein könnten als unser eigenes Universum. Wie man vielleicht von der Stringtheorie her weiß, besteht die Möglichkeit, dass es neben der vierdimensionalen Raumzeit noch weitere 7 oder 8 Dimensionen in unserem All gibt, die allerdings ineinander aufgewickelt sind und sich auf Ausdehnungen unterhalb der Planck- Länge (10-35 [m]) beschränken, lediglich die Raumzeit konnte sich nach dem Urknall entwickeln. Das kann in anderen Kosmen anders sein, es ist denkbar, dass sich in ihnen 5, 6 oder noch mehr Dimensionen ausgedehnt haben. Oder das Multiversum ist ein hochenergetisches Quantenvakuum. Es ist auch möglich, dass andere Universen aus vollkommen anderen Teilchen aufgebaut sind (die String- Theorie lässt prinzipiell eine unendliche Anzahl verschiedener Teilchen zu!), oder völlig ohne Materie oder Zeit sind. Vielleicht haben die Teilchen, wie wir sie kennen, auch nur andere Größenordnungen hinsichtlich Ladung, Masse usw. (Antimaterie- Kosmos). Solche Universen wären in jedem Fall absolut lebensfeindlich (für uns), die Vorgänge in ihnen beruhten auf anderen Gesetzen und jedes bei uns existierende Atom könnte dort nicht bestehen.

Doch alle diese Aussagen sind reine Spekulation, es wird wohl niemals gelingen, die Existenz eines anderen Universums nachzuweisen, geschweige denn zu ihm zu gelangen. Und sollte es sie doch geben, so haben sie keinen Einfluss auf die Entwicklung unseres Alls. Daher kann man sie mit gutem Gewissen aus allen Betrachtungen ausklammern, es ist sinnlos sich mit ihnen zu beschäftigen. Viel wichtiger sollte uns die Frage sein, warum unser Kosmos gerade so geworden ist, wie er heute ist. Er hätte doch auch einen anderen Entwicklungsverlauf nehmen können. Eine mögliche Antwort darauf gibt uns vielleicht das anthropische Prinzip:


Das anthropische Prinzip

Es gibt zwei Ausführungen des anthropischen Prinzips, eine schwache und eine starke Version.

Das schwache anthropische Prinzip besagt, dass es in unserem Universum, welches hinsichtlich seiner Ausdehnung und Zeit sehr groß oder gar unendlich ist, bestimmte Bereiche gibt, in denen die Bedingungen für die Entwicklung intelligenten Lebens gegeben sind. Diese Bereiche sind zeitlich und räumlich abgegrenzt. Nach diesem Prinzip ist es eine zwangsläufige Schlussfolgerung, dass das Universum aus einem Urknall entstand, nach gewisser Abkühlung Materiebildung einsetzte, die später zu Sternen und Galaxien kondensierte. Die Sterne erbrüteten schwere Elemente, die, zurückgegeben an das interstellare Medium, wiederum zu Sternen kontrahieren konnten und letztendlich zur Planetenbildung führten. Nach deren Abkühlung wiederum konnte unter günstigen Umständen die Evolution ihren Lauf nehmen. Auf dem vorläufigen Höhepunkt der Evolution stehen intelligente Geschöpfe, die diese Entwicklung nicht verwundert weil sie in der Lage sind, den Entwicklungsweg bis hin zum Urknall nachzuvollziehen.

So einfach und einleuchtend das schwache anthropische Prinzip auch ist, geht das starke anthropische Prinzip noch einen Schritt weiter:

Danach gibt es viele verschiedene Regionen in unserem Universum, oder es gibt viele verschiedene Universen, aber nur in sehr wenigen davon können die Bedingungen für die Entwicklung intelligenten Lebens günstig sein. Die "Hardcore-" Version dieses Prinzips gar sagt aus, dass der gesamte "Aufwand" des Kosmos nur unserer Existenz gilt!

Das ist allerdings etwas weit hergeholt und wissenschaftlich nicht haltbar.

Man kann sich auch zurecht fragen, warum die Bausteine der Natur, Teilchen wie Elektronen oder Protonen, gerade die Größen einnehmen, die wir beobachten. Wären sie nur um winzige Beträge abweichend, würde unser Universum völlig andersartig sein. Dann könnten sich keine Sterne bilden, die diejenigen Elemente erzeugen, aus denen wir bestehen. Ladung, Masse oder Spin dieser Teilchen können von Universum zu Universum unterschiedlich sein, ja es ist sogar möglich, dass sich diese konstanten Eigenschaften in unserem Universum ändern. Wir wissen es nicht, aber alles weist darauf hin, dass diese Werte sehr genau aufeinander abgestimmt sind und die Entwicklung von Leben erst ermöglichen. Der Spielraum der Teilchen- Zustandsgrößen jedenfalls ist sehr eingeschränkt.

Unsere Heimat im Kosmos- die Milchstraße
Unsere Heimat im Kosmos- die Milchstraße
Sollte es wirklich möglich sein, dass nach dem starken anthropischen Prinzip unsere Galaxis die einzige im All ist, in der sich Leben entwickeln konnte? Es ist wohl mehr als vermessen das zu glauben, bedenkt man, dass vielleicht 1 Billion Galaxien den Kosmos bevölkern, und jede von ihnen besteht wiederum aus Milliarden Sternen, von denen die meisten Planeten besitzen.

Mit freundlicher Genehmigung von Axel Mellinger und NASA


Der Mikrokosmos

Viele Vorgänge im Universum beruhen auf Grundlagen, die wir in der Welt des Mikrokosmos zu suchen haben. So ist beispielsweise der so genannte Tunneleffekt dafür verantwortlich, dass Sterne wie unsere Sonne überhaupt leuchten. Der Druck und die Temperatur im Sternzentrum sind zwar beachtlich hoch, genügen aber nicht um die elektrische Abstoßung der positiven Ladungen von Protonen zu überwinden. Diese Wasserstoffkerne sollen schließlich zu Helium fusionieren. Es gelingt nur, weil sich hin und wieder ein Proton zusätzliche Energie aus dem Quantenvakuum leiht, um so ausgestattet die Energiebarriere aus positiver elektrischer Ladung eines "gegnerischen" Protons wie durch einen Tunnel zu unterwandern. Ist das geschehen, übernimmt die Starke Wechselwirkung den Zusammenhalt der Teilchen.

Oder denken wir an die Gravitation, die schwächste aller Naturkräfte. Sie summiert sich durch große Massen zu solchen Höhen auf, dass Sterne, Planeten und Galaxien kondensieren können oder sich gar Schwarze Löcher von milliardenfacher Sonnenmasse bilden, wahren Raummonstern. Dies alles ist möglicherweise auf allerkleinste Teilchen, Gravitonen genannt, zurückzuführen. Sie sind so winzig und energiearm, dass die Wissenschaftler bisher vergeblich größte Mühen für ihren Nachweis aufbrachten. Neue Experimente mit immer noch größeren Teilchenbeschleunigern bringen vielleicht irgendwann die Bestätigung.


Trotz enormer Erfolge der Teilchenphysiker in den letzten Jahrzehnten, selbst der Entdeckung des Higgs- Teilchens, sind uns auch im Mikrokosmos Grenzen gesetzt. Wir können nicht ein einzelnes Teilchen beliebig beobachten, das verbietet die Heisenbergsche Unschärferelation. Sie besagt, dass wir nicht gleichzeitig Ort und Impuls eines Teilchens exakt beobachten können. Würden wir hierzu beispielsweise ein einzelnes Elektron in einen Kasten sperren und diesen dann immer kleiner machen, um das Teilchen mehr und mehr genau zu lokalisieren, so würde es sich immer schneller bewegen. Zum Schluss sogar fast mit Lichtgeschwindigkeit, als würde das Elektron unsere Beobachtungsversuche spüren. Wir können es nicht in "Ruhe" beobachten, es entzieht sich unserem Zugriff.

Eine weitere Grenze stellen die Größenordnungen im Quantenkosmos dar. Wenn wir etwas über physikalische oder auch chemische Reaktionen erfahren wollen, müssen wir im Experiment eine Beobachtung anstellen. Jede Beobachtung aber übt einen Einfluss auf das beobachtete Objekt aus, dessen Eigenschaften dadurch verändert werden. Um z.B. ein Teilchen zu beobachten, müssen wir es "beleuchten", was bedeutet, es entweder mit kleineren Teilchen oder besser gleich Photonen irgendeiner Wellenlänge zu bestrahlen, um so aus Reflexionen, Absorption oder Emission an Informationen zu gelangen. Bei einem Zusammenprall mit einem Photon aber kann ein Teilchen dieses absorbieren und mit der so gewonnenen Energie seinen Ort oder seinen Impuls verändern. Das allein ist bereits sehr problematisch, hinzu kommt aber, dass man die Wellenlänge des anregenden Lichts möglichst klein wählen muss, um akzeptable Abbildungsgenauigkeiten zu erzielen. Je kleiner aber die Wellenlänge, umso höher ist die Energie der Photonen und umso mehr Energie nimmt das beobachtete Teilchen auf. Wir können also gar nicht "sehen", wie es sich im unbeobachteten Zustand verhalten würde. Ein wirkliches Dilemma! Auch ist unserem Forschungsdrang noch eine weitere natürliche Grenze gesetzt: Wir können Wellenlängen nicht beliebig klein machen! Und so sind uns erst recht Vorgänge, die sich im Bereich der Planck- Länge abspielen, nicht mehr zugänglich.

Die gesamte Materie des Universums ist prinzipiell aus zwei Teilchensorten zusammen gesetzt: Elektronen und Quarks (wobei letztere in einigen verschiedenen "Geschacksrichtungen" existieren. Neutrinos und ein paar andere Teilchen betrachten wir jetzt nicht). Die Quarks bilden die Protonen und Neutronen, die Elektronen neutralisieren die positive Ladung der Atomkerne. Rein theoretisch könnten die Quarks aus noch kleineren, elementaren Teilchen bestehen, den so genannten Preonen. Vielleicht wird es eines fernen Tages gelingen, mit neuartigen Teilchenbeschleunigern bei höchsten Energien den Nachweis ihrer Existenz zu führen. Dies dürfte dann den Mikrokosmos nach unten endgültig abgrenzen, in noch kleinere Bereiche werden wir sicherlich nicht vordringen können.