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Astronomie und Raumfahrt

17. Oktober 2012

Universum Kosmologie: Wie aus dem Nichts etwas wird

 Von Wolfgang Silvanus
Mehrere Wissenschafts-Modelle kommen ohne die Annahme eines Schöpfers aus. Foto: ddp

Physiker entwerfen Szenarien, wie der Kosmos entstanden sein könnte - ganz ohne göttliche Hilfe. Die Grundlage solcher Modelle ist die Quantentheorie.

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Physiker entwerfen Szenarien, wie der Kosmos entstanden sein könnte - ganz ohne göttliche Hilfe. Die Grundlage solcher Modelle ist die Quantentheorie.

"Im Anfang war das Wort, und das Wort war bei Gott, und Gott war das Wort.“ So beschreibt der Evangelist Johannes den Weltenbeginn. Demnach steht am Urgrund allen Seins ein allmächtiger Schöpfer. Nur er konnte ein so erhabenes Gebilde wie das Universum und die Lebewesen darin hervorbringen.

Darin stimmen die großen Weltreligionen überein. Eine wachsende Zahl von Menschen glaubt dagegen nicht, dass der Kosmos aus einem übernatürlichen Schöpfungsakt hervorging. Nach ihrer Überzeugung entstand er vielmehr infolge natürlicher physikalischer Prozesse. Sie lösten den Urknall aus – jene gewaltige Explosion, aus der vor 13,7 Milliarden Jahren Raum, Zeit und Materie hervorgingen.

Einer von ihnen ist der an den Rollstuhl gefesselte britische Physiker Stephen Hawking. Dem Kosmos, erklärt er, liege durchaus ein Entwurf zugrunde. Dieser beruhe jedoch auf Naturgesetzen. „Spontane Erzeugung ist der Grund, warum etwas ist und nicht einfach nichts, warum es das Universum gibt, warum es uns gibt“, so Hawking. „Es ist nicht nötig, Gott als den ersten Beweger zu bemühen, der das Licht entzündet und das Universum in Gang gesetzt hat.“

Noch ist unklar, wie der spontane Schöpfungsakt abgelaufen sein könnte. Mittlerweile aber ersinnen Physiker und Kosmologen dazu einige Szenarien. Sie beruhen auf sogenannten Quantenfluktuationen, also spontanen und nicht berechenbaren Ereignissen in der zufallsbestimmten Welt der Quanten. In seinem Buch „A Universe from Nothing“ (Ein Universum aus dem Nichts) fasst der US-Kosmologe Lawrence Krauss jetzt den Stand der Diskussion zusammen. Krauss leitet das Origins Project der Arizona State University, in dessen Rahmen Forscher den Ursprung des Universums und des Lebens untersuchen.

In den USA entfachte das Buch den religiösen und philosophischen Disput über die Existenz Gottes neu. Eine der provokanten Thesen von Krauss lautet: Von nichts kommt nicht nichts, wie der Volksmund sagt, sondern durchaus „etwas“. Mehr noch: Dieses Etwas müsse sogar zwangsläufig entstehen. Entscheidend dafür sei jedoch die Definition des Nichts.

Energie aus dem Nichts

Noch vor 100 Jahren galt als das Nichts ein absolut leerer Raum, der keine Materie enthielt und selbst keine materiellen Eigenschaften aufwies – es ist also ein Vakuum. Dann aber trat die Quantenmechanik ihren Siegeszug an. Ihre Gesetze beschrieben ein völlig anders geartetes Vakuum. Nun sollte es nicht mehr leer, sondern von Quantenfeldern erfüllt sein. Damit gleicht es einem See brodelnder Energie.

Diese Hypothese beruht auf der von dem Physiker Werner Heisenberg erdachten Unschärferelation. In ihrer populärsten Version besagt sie, dass es unmöglich ist, Impuls beziehungsweise Geschwindigkeit und Aufenthaltsort eines Teilchens gleichzeitig exakt zu bestimmen. Hätte ein Feld in einem Vakuum nun die Stärke – oder besser einen Energiegehalt – von null, wäre auch die Veränderungsrate gleich null.

Beide Größen wären damit exakt bestimmt, es würde jedoch gar kein Feld existieren. Dies aber widerspricht der Unschärferelation. Folglich muss auch in einem zunächst feldfreien und masselosen Raum Energie vorhanden sein. Ein Vakuum, wie es die klassische Physik definiert, kann es somit nicht geben, es müssen darin stets gewisse Energieschwankungen auftreten – eben die Quantenfluktuationen.

Die Folge davon ist, dass in einem Vakuum paarweise Elementarteilchen wie Quarks oder Elektronen sowie ihre Antiteilchen entstehen können, denn Materie und Energie sind einander äquivalent, wie es Albert Einsteins berühmte Formel E=mc2 beschreibt. Sie leihen sich gewissermaßen für einen kurzen Augenblick aus dem Nichts Energie, treffen aber nach winzigen Sekundenbruchteilen wieder aufeinander und zerstrahlen sich beim Zusammenstoß, wobei sie dem Vakuum die geliehene Energie wieder zurückgeben. Im realen Universum treten die Partikel indes nicht in Erscheinung, die Quantenphysiker sprechen deshalb von virtuellen Teilchen. „Diese Fluktuationen zeigen etwas essenzielles über die Quantenwelt“, urteilt Krauss. „Nichts erzeugt immer etwas, wenn auch nur für einen winzigen Moment.“

In gleicher Weise, sagen manche Naturforscher, sei auch das Universum entstanden. Am Anfang existierte diesem Modell zufolge nichts als eine winzige, mit Vakuumenergie gefüllte kosmische Blase. Irgendwann änderte eines der darin irrlichternden Quantenfelder zufallsbedingt seinen Energiezustand. Diese Fluktuation war stark genug, um den Urknall auszulösen. Nur: Dies wäre keine Schöpfung aus dem Nichts. Denn der leere Raum, und sei er noch so klein, war vorhanden. Er ist jedoch etwas und nicht nichts. Also muss es einen Prozess geben, der den Raum ins Dasein zwingt. Einen solchen Mechanismus, glaubt Krauss, gibt es wirklich. Er lässt sich aber nur mit Hilfe der Quantengravitation darstellen. Für dieses Theoriegebäude müssen die Physiker die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik vereinen.

Stark gekrümmter Raum

„Die Quantengravitation würde ermöglichen, die Regeln der Quantenmechanik auf den Raum selbst anzuwenden und nicht nur auf die Eigenschaften von Objekten, die im Raum existieren, wie dies die konventionelle Quantenmechanik tut“, beschreibt Krauss die Bedeutung der vereinheitlichten Theorie.

Dann könnten auch, analog zu den virtuellen Teilchen, winzige Raumbereiche entstehen und den gleichen Sekundenbruchteilen wieder vergehen. Sie müssten aber so stark gekrümmt sein, dass ihre Ausdehnung gegen null geht. Wiederum könnte eine Fluktuation bewirken, dass einer dieser aus dem Nichts – also der Nichtexistenz von Raum und Zeit – aufspringenden Räume sich öffnet und zu einem Universum anschwillt.

Für die Entstehung des Universums fehlt noch eine entscheidende Zutat, nämlich die Naturgesetze. „Das zentrale Problem mit der Schöpfung ist, dass sie etwas vorher Existierendes vorauszusetzen scheint, das außerhalb des Systems existiert“, erkennt Krauss. „Hier kommt gewöhnlich der Begriff Gott ins Spiel – ein externes Agens, das unabhängig von Raum, Zeit und der physikalischen Realität existiert.“ Ebenso gut lasse sich sagen, dass die Gesetze der Physik als Regeln für die Erschaffung der Welt vorgegeben waren. Wo aber kommen sie her?

Krauss stellt dem Gottesbegriff eine physikalische Antwort entgegen. Sie beruht auf der Idee, dass es nicht nur ein Universum gibt, sondern viele. Die Gleichungen der Stringtheorie, die als ein Kandidat für die Weltformel gilt, haben 10500 Lösungen. Jede davon könnte ein Universum beschreiben, in dem eigene Naturgesetze und -konstanten gelten. In manchen können sich Himmelskörper bilden. In anderen, in denen etwa die Gravitation schwächer ist, würde sich die Materie nicht zu Sternen zusammenballen, sie wären stattdessen von einem dünnen Gasnebel erfüllt.

Aus diesen Überlegungen zieht Krauss eine überraschende Schlussfolgerung: Die Quantengravitation scheine die Entstehung der Raumzeit aus den Nichts nicht nur zu erlauben, sondern regelrecht zu erfordern. Selbst im Nichts gebe es also das Potenzial, etwas hervorzubringen – sogar ein ganzes Universum.

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