Dienstag, 16. September 2014

Spekulationen zum Urknall und zur immer schnelleren Expansion unseres Universums

Galaxie ARP 273 im Sternbild Andromeda

Was war vor dem Urknall? 
Diese Frage hat mich schon seit vielen Jahren immer wieder in ihren Bann gezogen und ich habe mich immer gewundert, dass in den wissenschaftlichen Berichten wenig darüber geschrieben wurde, wenngleich ich sicher war, dass ich nicht der Einzige gewesen sein dürfte, den diese Frage bewegte. 

Sie hat viele Menschen, auch mich, zu Spekulationen verleitet, um nicht zu sagen verführt, die zwar von realen, berechtigten Fragen ausgehen, die aber zu irreführenden oder falsche Vorstellungen führen können.
Aber begann wirklich alles mit dem Urknall? Mir schien es wie ein ehernes Gesetz, unumstößlich und wie in Stein gemeißelt. Vielleicht kam es früher einem Sakrileg gleich, diesen Urknall zu hinterfragen, man zweifelte sozusagen hinter verschlossenen Türen. Etwa erst seit Mitte der 2000er Jahre werden diese Fragen häufiger auch von Astronomen gestellt. In einem neueren Betrag zum Universum sah ich dann eine Konferenz im Video gezeigt, in der die etwa ein Dutzend Astrophysiker per Handzeichen zur Abstimmung gebeten wurden, anzugeben, ob sie an ein irgendwie geartetes Etwas vor dem Urknall glauben oder nicht. Die Mehrheit antwortete mit "ja". 
Zu den Anhängern der Theorie, dass vor dem Urknall schon etwas gewesen sein muss, gehören auch Alan Guth und Alexander Vilenkin. Alan Guth hatte als erster die kosmische Inflationstheorie beschrieben, die besagt, dass sich unser Kosmos zu Beginn des Universums, kurz nach seiner Geburt, - als es so unvorstellbar heiß war, dass gar keine Teilchen miteinander reagieren konnten,  - während einer sehr kurzen Zeitspanne exponentiell ausdehnte. Dies wird auch als kosmische Inflation bezeichnet. Dieser Prozess ist ein unverzichtbarer Baustein im Standardmodell des Universums, allerdings wissen wir noch nicht, welcher physikalische Mechanismus diese Inflation auslöste. 
Alexander Vilenkin geht davon aus, dass die Inflation nicht überall gleichzeitig endete und sie nie aufhören werde. Aufgrund dieser Theorie folgert er, dass der Urknall kein einmaliges Ereignis gewesen ist. 
Wichtige Schritte der Wissenschaft waren im in diesem Zusammenhang das berühmte Hubble-Diagramm, die Entdeckung der Gravitationswellen als kosmische Hinter-grundstrahlung und das Erstellen einer beispiellos genauen Gesamtansicht unseres Mikrowellenhimmels in einer Ebene, der nicht homogen einheitlich ist.


Messung der Variation der kosmischen Hintergrundstrahlung des Weltraumteleskops Planck

Aber was sollte/könnte dieses ETWAS, dieses NICHTS vor dem Urknall sein? 
Wie muss NICHTS definiert werden? 
Das, was bisher als Vakuum bezeichnet wurde kann es ja nicht sein, weil wir inzwischen wissen, dass dieses nicht leer ist. 


Es gibt zahlreiche Vorstellungen und Theorien, die phantastisch klingen, ja klingen müssen, weil sie ja nicht wissenschaftlich zu beweisen sind. Wir haben es offenbar leichter, immer tiefer in das Kleinste und Aberkleinste hineinzusehen und die kleinsten Teilchen unserer Welt zu erforschen, als das Große und Größte unseres Universums zu verstehen. Das CERN ist hierbei vielbestauntes und vielbeschriebenes Beispiel, erregte es zuletzt mit dem "Gottes-Teilchen" - Higgs-Boson - erneut weltweites Aufsehen. Selbst die angenommene Kreation eines winzigen schwarzen Lochs durch die Versuche im CERN gab den reißerischen Medien den Anlass, publikumsspektakulär zu vermuten, unsere Welt könnte darin verschwinden. Doch wie von den Meisten erwartet, blieb alles beim Alten, wieder kein Weltuntergang, der ja schon seit Jahrhunderten von Manchen beschworen wird. Und dies, obwohl das Wissen um die physikalischen Gesetze, die auf unserem Planeten herrschen, zu weitverbreiteter, wenn auch immer noch nicht überall akzeptierter Erkenntnis geführt hat. So gehörte der berühmte "Tellerrand", über den wir noch heute manchmal nicht hinaus blicken können, anfangs zum Weltbild früherer Generationen. Dass sich dieser Teller dann zur Kugel aufblähte, war zunächst ebenso ein Geheimnis unter den "Wissenden" wie später die Tatsache, dass diese Kugel nicht der Mittelpunkt ist, um den sich die Sterne drehen. Das kopernikanische System musste von Galileo Galilei 1616 gegen seine wissenschaftliche Überzeugung noch als "nur Hypothese" bezeichnet werden. Der nächste Schritt von unserem Sonnensystem zu unserer Spiralgalaxie war wissenschaftlich unumstritten, aber wohl nicht weniger spektakulär für den "Normalbürger" wie die umwälzenden Erkenntnisse zum Beginn der Neuzeit. Dass unser Sonnensystem nur in einem winzigen Arm dieser Spiralgalaxie zu finden ist, lässt sicher nicht nur mich erschauern. Und dann  noch die Abermilliarden Galaxien, zu deren bildhaften Erkenntnis - im wahrsten Sinne des Wortes - insbesondere das Hubble-Teleskop seit ca. 20 Jahren beigetragen hat! Wenn man die in Milliarden Lichtjahren bei uns angekommenen Bilder zurückspult, kommt man also auf den Urknall, auf die Singularität? 

Während bisherige Modelle für die Zeit nach dem Urknall vorhersagten, dass die oben genannte kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung im Universum gleichmäßig verteilt sein müsste, zeigt das Bild unseres Mikrowellenhimmels (siehe oben) eine stärkere Konzentration im Süden des Himmels und einen "kalten Fleck", was mit den bisherigen physikalischen Modellen nicht erklärt werden konnte.

Man nimmt an, dass diese Anomalien, möglicherweise durch andere Universen erzeugt, ein 1. Beweis für die Existenz anderer Universum sein könnte, wobei andere Universen durch ihre Anziehungskräfte unser Universum bei der Entstehung beeinflusst hätten. 

Wenn du ein reiner Wissenschaftler bist und von Spekulationen nichts (nichts mehr) hören willst, weil sie für dich sowieso keinen Wert besitzen und weil man sie ja nicht beweisen oder falsifizieren kann, solltest du spätestens hier aufhören, weiterzulesen, du könntest dich vielleicht aufregen über einen solch unwissenschaftlichen Beitrag.

Aber was ereignete sich davor? Wenn wir uns das fragen, ist die Suche mit dem Fernrohr  in die Vergangenheit unseres Universums eng verknüpft mit dem Blick in das Mikroskop auf der Suche nach dem Kleinsten. Früher glaubte man, ein Atom sei der kleinste Baustein alles Seins, doch wurden Positronen, Neutronen und Elektronen entdeckt. Und es wurde noch kleiner mit Quarks und Strings. Diese Strings haben einen ständig wechselnden schwingenden Zustand. Da bekommt der Satz "alles ist Schwingung" seine wahre Bedeutung. Besonders hat mich auch die bildhafte Beschreibung der Dimensionen eines Atoms beeindruckt, bei der eine Fliege in der Mitte einer Kathedrale den Kern des Atoms darstellt, um den die Elektronen entlang der äußeren Mauern kreisen, das heißt also, der große Raum um diesen Kern ist leer. Und so scheint es auch mit unserem Universum für den Betrachter zu sein, der immense Raum zwischen den Sternen und Galaxien erscheint leer. Und doch wirken dort Kräfte, ähnlich dem Zustand in einem Atom, das auch seine Elektronen in den Bahnen hält. In den letzten Jahren wurde entdeckt, dass das Universum nicht leer ist, es wird von der dunklen Materie (knapp 30%) und der großen Unbekannten, der dunklen Energie, gesprochen, nur ca. 5% sollen die Atome, die sichtbare Materie,  ausmachen. Das bedeutet, dass - wie im Kleinen, so auch im Großen - Kräfte wirken, die wir erkennen, aber noch nicht wirklich erklären können. Bei allem scheint es jedoch unumstößliche Grundformen/-prinzipien und Grundgesetze zu geben. Dazu gehört m.E. der Satz "alles ist Schwingung" und das Gesetz, dass alles schwingend - im Sinne einer Sinuskurve - zu seinem Ausgang, zu Null, zurückkehrt. Deshalb ist mein Gedanke, dass auch unser Universum zu seinem Ursprung zurückkehrt, nicht neu. Aber wie sollte das geschehen, da doch inzwischen feststeht, dass unser Universum immer schneller expandiert, ein Phänomen, das die Wissenschaftler überrascht hat. Zuvor dachte man ja, es würde sich immer langsamer ausdehnen und dann wie ein hochgeworfener Ball wieder zum Ausgang zurückkehren, wieder in sich zusammenfallen; das war die Big-Crunch-Theorie, bis man die immer schnellere Expansion erkannte. Es folgten die Big-Whimper-Theorie, die Theorie, dass sich das Universum immer weiter ausdehnt, bis alles langsam vergeht, und dann die Big-Rip-Theorie, bei der unser Universum regelrecht auseinander gerissen wird.  All diese Spekulationen, Fantasien und Hypothesen haben der Science-Fiction Industrie zu einem ungeheuren Aufschwung verholfen. Besonders hervorzuheben ist hier die Theorie der Parallel-Universen und die der Wurmlöcher für Zeitreisen zu den fernsten Sternen und Galaxien.  Inzwischen werden Milliarden von Universen, ein Multiversum diskutiert, natürlich nicht wissenschaftlich, und von den meisten Astronomen und  Astrophysikern wird dies alles - doch eher geringschätzend - als reine Spekulation verworfen, abgewertet.  Trotzdem wird dieses Thema auch von seriösen Wissenschaftlern immer wieder aufgegriffen und man könnte sogar sagen, dass es in den letzten Jahren geradezu so scheint, als ob sich die Wissenschaftler mit neuen Theorien zum Universum/Multiversum überschlagen. I
ch habe von der Theorie gehört, dass man sich die vielen Universen entsprechend der Hohlräume in einem Schweizer Käse vorstellen könnte. 

Inzwischen wird die Vorstellung von einem Multiversum durch drei verschiedene Theorien gestützt; sie alle deuten in die gleiche Richtung: die ewige Inflation, die dunklen Energie und die Stringtheorie.

Ich stelle mir ein paralleles Universum oder mehrere parallele Universen nicht isoliert vor, sondern in Kontakt mit allen anderen, ähnlich einem Seifenschaum mit vielen Blasen. Sie berühren sich und sie zerplatzen oder gehen ineinander auf, wie im letzten Bild dieses Postes.

Ausgehend von zwei Universen, dem unseren und einem weiteren, habe ich zwei Versionen, zwei Möglichkeiten vor Augen.
In der einen Version prallen beide Universen aufeinander und vermischen sich, ähnlich wie sich zwei Galaxien, die aufeinander zurasen, vermischen und verwirbeln, so dass ein neues Gebilde entsteht, wie in dem folgenden Bild.

"Die Mäuse" - IC 820 und IC 819 verschmelzen.

Dabei wird unser Universum in Teilen beschleunigt, einerseits expandiert es ja noch immer nach dem Urknall, andererseits geraten manche Teile in einen Sog eines zweiten Universums, so dass sich daraus, unter der Addition zweier Geschwindigkeiten in die gleiche Richtung, eine noch schneller Ausdehnung ergibt. Diese Teile würden dann der immer schnelleren Expansion unseres bekannten Universums entsprechen, deren Ursachen wissenschaftlich bisher nicht geklärt sind. Dazu würde gut die "dark flow"-Theorie von Alexander Kashlinsky passen, der glaubt entdeckt zu haben, dass die Galaxien sich schneller in eine bestimmte Richtung bewegen, ähnlich wie Kugeln auf einer schiefen Ebene.

In der zweiten Version wird unser Universum von einem noch viel größeren verschlungen und wir befinden uns gerade am Rande des strudelförmigen Trichters (wie bei einem schwarzen Loch). Während wir glauben, unser Universum dehnt sich immer schneller aus, befinden wir uns aber in Wirklichkeit schon am Abgrund und bewegen uns bereits auf einen neuen Urknall, eine neue Singularität, einen Big-Crash zu.

Diese Theorie des Verschlungen-Werdens  würde auch erklären, warum das Universum, entgegen den ursprünglichen Erwartungen, sich immer schneller ausdehnt, bis wir dann, weiter, immer schneller expandierend, dem "neuen" Ende/Anfang, einem Big-Crash, zusteuern. 
Im Ende liegt der Anfang.


Unsere Erde ist Teil des Sonnensystems, unser Sonnensystem ein Teil unserer Galaxie, unsere Galaxie ein Teil unseres Universums.
Warum sollte nicht unser Universum wiederum ein Teil eines Multiversums sein?

Und noch eine Frage beschäftigt mich sehr: was muss das für ein Raum sein, in dem sich unser Universum ausdehnt. Im Nichts heißt es oft, aber dieses Nichts muss doch auch etwas sein. Wo sind die Grenzen? Für meine Begriffe ist eines aber sicher: dass uns letztlich immer noch nicht in vollem Umfang bewusst ist, wie klein und unbedeutend wir sind.
bildhafte Fantasie zu zusammenhängenden und einzelnen Universen mit Kollisionen von Universum-Blasen
eine andere Modellvorstellung von einem zusammenhängendem Multiversum, in dem immer wieder ein Urknall zündet (helle Punkte)

Vor kurzem hatte ich die Gelegenheit und das Vergnügen einen Vortrag von Lawrence M. Krauss zum Thema "Universum aus NICHTS" zu hören.
Sein Buch mit dem gleichnamigen Titel kann ich sehr empfehlen, auch deshalb, weil er mit einfachen Worten die schwierige Materie gut verständlich macht.

Lawrence M. KRAUSS ISBN 978-3-641-09114-9  www.knaus-verlag.de


hier auch ein interessanter Artikel zum Thema von Jean-Luc Lehners von der Max-Planck-Gesellschaft




Kommentare:

  1. ACHTUNG!
    1)LA QUESTION DE SAVOIR CE QU’IL Y A EU AVANT LE BIG BANG N’A PAS DE SENS (SINNLOS); la théorie du BiG BANG , liée étroitement à la théorie de la relativité générale indique que le BIGBANG n’est pas seulement le DEBUT DE l’UNIVERS VISIBLE MAIS LE DEBUT DU TEMPS! Il n’existe PAS DE TEMPS SANS MATIERE. IL N’EXISTE PAS DE MATIERE SANS TEMPS; par UNIVERS VISIBLE IL FAUT COMPRENDRE NON PAS CE QUE NOS APPAREILS PEUVENT PERCEVOIR MAIS tout ce qui peut être atteint par la LUMIERE c’est-à-dire le RAYONNEMENT ELECTOMAGNETIQUE et TOUT CE QUI PEUT EN RECEVOIR.
    2) Il ne faut pas parler de cordes comme constituant de la matière; la THEORIE DES CORDES EST UNE THEORIE NON PREDICTIVE A CE STADE; ELLE EST UTILE COMME OUTIL INTELLECTUEL MAIS TRES CONTROVERSEE EN TANT QUE THEORIE EXPLICATIVE.
    3) SEUL UN DEPASSEMENT ENCORE OBSCUR DE LA RELATIVITE GENERALE QUI DOIT INCLURE LA THEORIE QUANTIQUE DES CHAMPS DONC DU CHAMP GRAVITATIONNEL: ON EN EST TRES TRÈS LOIN MÊME AVEC LE BOSON DE HIGGS ( dont il n’est pas assuré que ce soit le BON BOSON !!!!!).
    Les théories multiverselles sont DE PURES SPECULATIONS INTELLECTUELLES QUI EVITENT LA QUESTION CENTRALE 3); POUR MOI ELLES N’ONT AUCUNE VALEUR.

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  2. Il est très facile avec le développement de la Physique actuelle qui malgré des progrès phénoménaux connaît une crise profonde, de conduire à des représentations métaphysiques comme cela a été le cas de tout temps; la Bible fait de la création du monde l’Œuvre de Dieu et il existe d’innombrables tentatives d’interprétations de la Bible comme PREDISANT des Millénaires auparavant, ce que la Science met tant de temps à découvrir; on ne peut pas empêcher ce processus mais il FAUT être conscient que cela n’a pas de sens; le récit Biblique n’est rien d’autre qu’ une tentative DATÉE de l’esprit humain de concevoir l’Harmonie du monde; mais cette tentative remarquable qui tente de libérer l’Humanité de la terreur devant l’INCONNU est préscientifique et aucune relecture a posteriori n’a le pouvoir d’en faire autre chose; L’Église a mis 5 Siècles pour reconnaître le crime commis à l’encontre de Galilée; personne ne doit oublier ça.
    L’esprit humain a toujours cherché à mettre de l’ordre dans le désordre apparent; la Bible ne fait pas exception; plus étonnant est la question de la Théorie des cordes; celle-ci a une histoire; d’une part, avec la théorie de la relativité, il était devenu banal de considérer que nous vivions en fait dans un espace à 4 DIMENSIONS et pas à 3 comme on pouvait le penser; ensuite, les développements de la physique des particules et les tentatives de concevoir une THÉORIE UNIFIEE DU CHAMP, c’est-à-dire une théorie permettant de comprendre comment les forces fondamentales de l’Univers s’échangent et se transforment les unes dans les autres, ont conduit à la nécessité absolue d’une théorie capable d’englober la Mécanique Quantique et la Relativité Générale, c’est-à-dire la GRAVITATION; la nécessité d’une telle théorie provient du FAIT que, pour plusieurs FORCES fondamentales, cette théorie EST POSSIBLE; mais la tentative de réunir les FORCES FONDAMENTALES, GRAVITATION INCLUE, dans une seule théorie, échoue depuis des années et des dizaines d’années.
    Comme il est impossible de se satisfaire de cet échec et que l’IDÉE de la GRANDE UNIFICATION EST NATURELLE, on se mit à spéculer sur d’autres pistes plus ou moins inexplorées. Comme toute théorie, dès lors que des progrès évidents se manifestaient, la théorie se mit à VIVRE SA VIE DE THEORIE de façon autonome; je n’ai pas de doute sur le fait que un jour ou l’autre elle sera réellement utile - il n’existe PAS de théorie mathématique qui ne soit d’une façon ou d’autre le reflet d’une propriété de l’Univers même si au départ cette théorie apparaît comme complètement abstraite (on ne peut PAS PENSER LES PHENOMENES ONDULATOIRES SANS NOMBRES COMPLEXES ) – MAIS développer mathématiquement une théorie est une chose, savoir si elle EST le soubassement de la Physique une TOUT AUTRE QUESTION; or justement c’est là la catastrophe de la théorie des cordes; d’abord, il n’y a pas UNE MAIS DES théories de cordes compatibles avec la relativité générale et la Mécanique quantique; c’est déjà un problème: comment choisir?
    Ensuite, et c’est beaucoup plus grave, la théorie n’est PAS PREDICTIVE; elle ne permet de prévoir AUCUN PHENOMÈNE NOUVEAU jusque là ignoré; elle a beaucoup d’autres inconvénients et NE PEUT EN AUCUN CAS être retenue comme le point de départ d’une nouvelle physique; c’est éventuellement un outil performant pour FAIRE DES CALCULS qu’on ne saurait pas faire autrement mais elle ne RESOUD AUCUNE DES DIIFICULTÉS RENCONTRÉES ANTERIEUREMENT, au contraire elle en crée des nouvelles.
    A ce stade je dois préciser quelque chose de très important: je suis mathématicien, pas physicien; j’ai les connaissances nécessaires POUR COMPRENDRE DES LIVRES DE PHYSIQUE CONTEMPORAINE et j’essaie de le faire pour moi-même, pour rester « lebendig » MAIS, JE NE SUIS PAS PHYSICIEN; il y a beaucoup de questions centrales où les connaissances requises ne sont pas à ma portée; par exemple la question de l’expansion de l’Univers; je SAIS ce que cela signifie. MAIS contrairement à ce qui précède je n’ai PAS ASSEZ DE CONNAISSANCES pour FAIRE COMPRENDRE ce dont il s’agit.

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