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DAS ENDE DER MATERIE?

ÜBER STEVEN WEINBERG BIS ZU MARTIN REES UND JOHN BARROW

von Dietmar Kesten, Gelsenkirchen

Teil I

12/1998
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1. STEVEN WEINBERG

Als STEVEN WEINBERG 1977 sein Buch 'The First Three Minutes' (1) veröffentlichte, gelang ihm ein populärwissenschaftliches Husarenstück; ging er doch detailliert auf die neuesten Ergebnisse der Elementarteilchenphysik und deren Anwendung auf die Entwicklung des Weltalls ein; mehr noch: Er gab dem Leser einen guten Einblick in den physikalischen Stand der damaligen Diskussion. 'Die ersten drei Minuten' waren sehr anspruchsvoll, doch sachlich geschrieben und fiel bei der Erklärung von physikalischen Tatsachen nicht auf fragwürdige Bilder und Vergleiche zurück. Sein Buch handelte von den 'Ursprüngen des Universums', eben von seinen 'ersten drei Minuten', von der URKNALL-Theorie (Big - Bang).

 Allgemeinhin war vielleicht bis zu diesem Zeitpunkt die sogenannte 'steady-state' Theorie (2) eine der kosmologischen Theorien, die im Gegensatz zum Big - Bang annahm, daß die mittlere Materiedichte im Universum zu jeder Zeit gleich ist und gleich bleibt, was einem fast 'perfekt kosmologischen Prinzip' nahe kam. Die Entdeckung der 'kosmischen Hintergrundstrahlung' (3) durch PENZIAS/WILSON (1965) führte sie jedoch in beträchtliche Schwierigkeiten, nachdem bereits einige Jahre zuvor durch andere radioastronomische Messungen deutlich wurde, daß in sehr großen Entfernungen von mehreren Milliarden Lichtjahren und damit in der Vergangenheit, die Zahl der Radiquellen größer war, als heute. 

WEINBERG ging nun davon aus, daß die Expansion des Universums vor einem endlichen Zeitraum mit einem Zustand von ungeheurer Dichte und extremen Druck begann (kosmologische Singularität). Das hatte für ihn zur Folge, daß es zu Anfang des Universums eine Explosion gegeben haben muß. Zwar konnte er diese Explosion nicht genau erklären, sie war aber ein Synonym für den nicht näher bekannten Anfang der Expansion. Das wurde auch daran deutlich, daß er nur die Zeit nach dieser Explosion behandelte. Der früheste Zeitpunkt, von dem er redete, war der Zustand nach der ersten Hundertstelsekunde, der in hypothetische Elementarteilchen eingebunden gewesen sein soll, die bis in die jüngste Zeit hinein weiter erforscht wurden und vielversprechende Namen wie QUARKS oder STRINGS erhielten. 

Diese 'kosmische Suppe' hatte bei einem relativen Gleichgewicht dieser Teilchen extrem hohe Temperaturen zur Folge, die nach der Explosion beständig sanken. Am Ende der 'ersten drei Minuten' hatte danach das Universum eine Tem- peratur von ca. 1 Milliarde Grad Celsius (zu Beginn ca. 30 Milliarden Grad Celsius); wobei dann Protonen und Neutronen begannen, komplexe Ker- ne zu bilden, die sich nach einigen hunderttausenden Jahren mit Elektro- nen zu Atomen zusammenschlossen. Die Gravitation (Anziehungskraft) bewirkte dann, daß das so entstandene Gas Klumpen bildete, durch deren Verdichtung schließlich die Galaxien des gegenwärtig beobachtbaren Universums entstanden. 

Diese Vorstellungen schlossen sich an die Überlegungen an, die man sich in der Astrophysik/Kosmologie über die Entwicklung des Universums gemacht hatte; ging man doch von einer sogenannten Expansion aus. Da diese Behauptung zu der Vorstellung Anlaß gegeben hatte, daß das Universum zu einem 'frühen Zeitpunkt' in extremer Dichte existierte, lag es auf der Hand, daß alle Galaxien mit sehr hohen Geschwindigkeiten auseinanderstreben mußten, die dicht beieinander waren, und zwar so dicht, daß sie keine Eigenexistenz gehabt haben konnten. Empirischer Beweis dafür war/ist die sogenannte 'Rotverschiebung' in den Spektren der Galaxien (4), die unter Zuhilfenahme des 'Doppler-Effektes (5) die Erklärungen für die Verschiebungen der Spektrallinien ferner astronomischer Objekte bringen sollte.

Die durchgeführten Beobachtungen und Berechnungen führten zum Ergebnis, daß sich sämtliche Galaxien voneinander entfernen. Diese 'Nebelflucht', wie WEINBERG sie bezeichnete, ließe sich zurückverfolgen, und legt die Vermutung nahe, daß der früheste Zeitpunkt vor ca. 15 Milliarden Jahren gelegen haben könnte, wo diese Expansion begonnen habe. Der entscheidende Gesichtspunkt für den Big - Bang war jedoch die Entdeckung der 'kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung' (6) , kurz: 3 Grad Kelvin-Strahlung, die aufgrund der Vorstellungen des frühesten Zustandes des Universums theoretisch vorhergesagt wurde. (7) Die Reststrahlung gibt Aufschlüsse darüber, wie das mögliche Universum ausgesehen haben mag: Im Prinzip soll es überwiegend - bevor es strahlungsdurchlässig wurde - aus Strahlung bestanden haben, isotrop (nach allen Richtungen hin gleich) und homogen (im ganzen Raum). 

Zum Ende des 20. Jahrhunderts scheint sich dieses Bild, daß von WEINBERG und anderen entwickelt wurde, die landläufige Lehrmeinung über die Ausdehnung des Weltalls, aufzulösen, und ein neues entsteht, wobei die Materie, die bisher die Hauptrolle zu spielen schien, ohne die sich der 'normale' Menschenverstand diesen Entwicklungen nicht nähern konnte, nun zu 'verschwinden' scheint. War bis etwa zu Beginn der 80er Jahre die gesamte astrophysikalische Forschung noch darauf ausgerichtet, die kleinsten der kleinen Teilchen zu erforschen, getreu der Devise, daß das 'Elektron unerschöpflich sei', so stehen jetzt vermehrt die Symmetrien in der Natur im Zentrum des Denkens und des Forschens, die in eine sog. Weltformel münden könn- ten. Die treibende Kraft, die hinter dieser Fragestellung steckt, ist die radika- le Umwälzung unseres Weltbildes; die Suche nach den letzten, univer- salen Naturgesetzen, nach der endgültigen Antwort auf die Frage, warum das Universum, die Welt, so ist, wie sie ist?

1993 legte der Nobelpreisträger von 1979, WEINBERG, sein Buch: 'Der Traum von der Einheit des Universums' vor, daß zeitgleich mit S. W. HAWKINGs: 'Einsteins Traum. Expedition an die Grenzen der Raumzeit' (8) erschien. WEINBERG beschreibt dort, was unter einer endgültigen Antwort, unter einer 'endgültigen Theorie' zu verstehen ist, welche Chancen die Hochenergiephysik mit den 'Super Collidern' (9) heute hat, und ob sie tatsächlich ihre historische Aufgabe erfüllen kann, die 'endgültigen Gesetze' (10) zu entdecken. Ein Schritt auf diesem Weg dürfte die japanische Entdeckung aus dem Sommer 1998 gewesen sein, daß Neutrinos eine Masse haben; aber die- se Ergebnisse führen nicht unbedingt zu einer endgültigen Theorie, und die Ablösung des bisherigen Standardmodells könnte über eine der Stringtheorien führen, in denen die Gravitationen mit den anderen Kräften vereint wird. 

Trotzdem deutet immer mehr darauf hin, daß es nicht genug Materie gibt, um die Expansion zu stoppen; Spekulationen werden genährt, daß der bekannte Big - Bang nur ein kleiner Windstoß in einem noch größeren - bisher uns unbekannten - Megauniversum war. Käme er zu einem 'Ende', würden viele andere Big - Bangs überall neue Universen entstehen lassen. Die Vorstellungen verschiedener Universen, die zu allerlei Spekulationen Anlaß gegeben haben (11), sind indes sehr interessant, weil sie helfen könnten, zu verstehen, warum die Naturkonstanten den Wert haben, der heute physikalisch meßbar erscheint, auch aus dem Grunde, weil nicht mehr unbedingt auf die herkömmlichen Auffassungen von Raum und Zeit zurückgegriffen werden muß, die ja bisher immer auf fundamentaler Ebene existierten und als unumstößlich galten; denn bei der Suche nach dem Stringcharakter der Teilchen wird z. B. immer wieder auf sog. Entitäten verwiesen, die man sich als Felder vorstellen müßte. Nur wenn diese entweder sehr große oder sehr kleine Werte annehmen, lassen sie sich sinnvoll als in Raum und Zeit existierend denken. 

2. STEPHEN W. HAWKING

Der Astrophysiker STEPHEN W. HAWKING (12) gilt z.Zt. als einer der herausragenden Größen auf der Suche nach der zu vereinheitlichten kosmologischen Theorie ('Grand Unified Theory' - GUT). Dabei steht für ihn die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik (13) im Mittelpunkt, die er versucht zu verbinden, eine neue Theorie zu entwickeln, die die EINSTEINsche Theorie mit Quantenphänomenen verwendet; sie führt ihn zu sog. 'Baby-Universen' , die 'alles im Universum beschreiben kann'. (14) HAWKING meint, daß u. a. der zur Zeit aussichtsreichste Kandidat für die GUT die 'Superstringtheorie' ist, die man sich so vorstellen könne: Die Raumzeit ist mit kleinen Schleifen, Fadenstücken ähnlich, gefüllt. Was als Elementarteilchen gedacht wird, sind in Wirklichkeit kurze Schleifen, die auf verschiede Weise im Universum 'vibrieren', was bei ihm auch 'verschwinden' heißen kann. 

Es gibt eine Reihe von Wegen, die das 'Verschwinden' von Teilchen im Universum erklären könnten. Ein Erklärungsansatz ist ein sogenanntes 'Schwarzes Loch' . (15) Wenn ein solches Teilchen und Strahlung abgibt, verliert es an Masse. Das hat zur Folge, daß es kleiner wird und Teilchen rascher emittieren kann. Irgendwann wird seine Masse null, und es verschwindet vollständig, was auch heißen kann, daß die Teilchen, die in ein 'Schwarzes Loch' fallen, aus einem anderen Loch von ungefähr gleicher Masse wie- der hervorkommen. Das hätte kolossale Auswirkungen auf unser bisheriges Raum-Zeit Verständnis, der ewigen Frage danach: Was ist Materie eigentlich? HAWKING spricht in diesem Zusammenhang von 'imaginärer und realer Zeit', die für ein 'Schwarzes Loch' und für die Teilchen, die dort verschwinden, gelten würden. 

Für HAWKING lautet die entscheidende Frage, die das Universum in Permanenz stellt: Welche durchschnittliche Dichte hat es? Liegt sie unter dem kritischen Wert, wird es auf ewig expandieren, liegt sie darüber, wird es in sich zusammenstürzen und die Raum-Zeit selbst in einem großen Kollaps enden? Die durchschnittliche Dichte des Universums hängt offensichtlich auch von der Klärung der Frage ab, ob sie groß genug ist, um Galaxien zusammen- zuhalten oder auseinanderfliegen zu lassen (kollabieren/expandieren). Doch keineswegs kann gesagt werden, daß das Universum endlos expandiert, auch nicht, wann es kollabiert, und wie sich dabei die Gravitationskräfte verhalten, die ähnlich wie im Bereich der elektrischen Kräfte wirken, die das Elektron veranlassen, um den Atomkern zu kreisen. 

Die Zukunft des Universums, sein gegenwärtiger Zustand, hat auch viel mit sog.'Dunkler Materie' zu tun, die zwar nicht beobachtbar ist, sich nur aus der Vermutung nährt, daß die Rotationsgeschwindigkeit der Spiralgalaxien von starken Schwerkräften zusammengehalten werden, die, würde es nicht irgendeine Form von unsichtbarer Materie geben, sonst auseinanderfliegen würden. Daraus folgt für HAWKING, daß eine Masse erforderlich ist, die 'beträchtlich größer sein muß, als die aller im Haufen vorhandenen Galaxien...es muß also zusätzlich dunkle Materie in den Galaxienhaufen außerhalb der Galaxien, geben.' (16) Hat 'Dunkle Materie' Einfluß auf die 'durchschnittliche Dichte' des Universums? Offensichtlich ja; denn die Festlegung der Dichte und Expansionsrate am Anfang des Universums, würde heißen können, die Frage nach dem kriti- schen Wert zu beantworten, und damit, ob die Größe des Universums sich immer weiter verdoppelt hat, ob es auch noch heute nicht sehr weit von diesem Wert entfernt wäre, der es zusammenstürzen ließe. HAWKING läßt diese Fragen letztlich offen, auch die, was überhaupt noch Materie heißt; denn die Forschungen konzentrieren sich zwischenzeitlich nur auf das meßbare ERSCHEINEN und das VERSCHWINDEN am Horizont. 

Die Angabe aller Daten, die Materie besitzt, wenn sie in Erscheinung tritt, die räumliche Verteilung, die Entstehungsrate, Anfangsgeschwindigkeit, Temperatur, atomare Struktur u. dgl., diese 'Eigenschaften' werden gesetzmäßig mit den astrophysikalischen Gegebenheiten verknüpft; was bei HAWKING skurille Formen annimmt, und zwar dort, wo er sich auf die 'Schwarzen Löcher' konzentriert, und eine Entweichgeschwindigkeit für Materieteilchen setzt, die größer sein muß, als die Lichtgeschwindigkeit. Dieses Vorhaben erklärt allerdings nicht, wie sie praktisch aus einem Nichts heraus erfaßt werden könne; denn kein 'Etwas' kann mit 'Nichts' in Beziehung stehen. Der ontologische Grund dafür ist einfach: Es gibt keine negativen Dinge, zu keinem Ding existiert ein zugehöriges Antiding; also existiert auch zum umfassendsten System (bei ihm die 'Schwarzen Löcher') kein Antisystem. Aus einer begrifflichen Fiktion kann nichts entstehen. Und in diesem Augenblick hätte sich der Entstehungsbegriff = Universums schon semantisch gewandelt, wenn das neue Objekt ('Schwarze Löcher') sich auf die Wiedergabe der Anfangsdaten gründet. Auf diese Weise lassen sich spezielle Erklärungen gut umgehen; etwa die, warum auf eine empirische Deutung verzichtet wird, wenn es etwa um die Bestimmung der Größe der Entweichgeschwindigkeit (größer als die Lichtgeschwindigkeit!) geht, oder die Frage nach dem Schicksal der Ma- terieelemente/teilchen. Die Exnihilo Entstehung erhält hier einen erkenntnistheoretischen Aspekt: Ein Auftreten von Materie dort, wo vorher keine war, ohne daß sie von einem anderen Ort 'herbeigeschafft' wurde, die aus einem 'Nichts' entstanden ist, muß als sehr widerspenstig gelten.  

3. PAUL DAVIES  

In Anlehnung an WEINBERGs 'Die ersten drei Minuten ', veröffentlichte der Wissenschaftspublizist und Physiker PAUL DAVIES sein Buch: 'Die letzten drei Minuten - Das Ende des Universums' . (17) Die vielleicht ironische Antwort auf WEINGERG, stellt die vielen, denkbaren Theorien, von denen hier einige skizziert werden, über das definitive Ende des Kosmos vor. Wird das Universum mit einem Knall oder mit einem Klanglaut enden, wird es überhaupt enden? DAVIES läßt sich von diesen Fragestellungen leiten. Er spannt den Bogen vom 'Olberschen Paradoxon' bis zur 'Hawking-Strahlung' und hat dabei im- mer den gegenwärtigen Stand der astrophysikalischen Forschung im Blick. Das ist schon bemerkenswert! Er zeichnet ein Bild des kommenden Zusammenbruchs des Universums: Die kosmische Katastrophe, bei der die Materie so stark zusammengepreßt wird, daß es keine Protonen und Neutronen mehr gibt (alles ist nur noch eine Suppe aus Quarks). Die stabilen Gefüge, die Atomkerne, werden durch extrem hohe Temperaturen auf einmal zerschmettert, und mit Ausnahme der 'Schwarzen Löcher' verglühen sie einfach. 

Die 'Schwarzen Löcher' spielen auch für ihn eine besondere Rolle bei der zukünftigen Deutung des Schicksals des Universums; denn sie beginnen miteinander zu verschmelzen (vgl. 'Baby - Universen'), 'wobei sich ihr Inne- res kaum vom allgemeinen, im Zusammenbruch befindlichen Zustand des Universums unterscheidet. Nur Raumzeitbereiche, die etwas verfrüht an ihr Ende gelangt sind, werden noch dem Rest des Kosmos einverleibt.' (18) Die Gravitation wird im letzten Augenblick zur alles beherrschenden Kraft, die Materie und Raum zerstört. DAVIES folgend, verschwindet die Materie für alle Zeiten, einschließlich Raum und Zeit in einer sog. Raumzeit-Singularität. Der 'große Kollaps' - vielleicht auch hier eine Persiflage auf WEINBERG - ist für ihn nicht nur das Ende der Materie, sonderen ein Ende von allem; denn wenn auch die Zeit aufhört, ist die Frage, was anschließend geschieht, ebenso sinnlos wie die, was vor dem Urknall war oder geschah. Nach DAVIES gibt es 'danach' nichts, was noch geschehen könnte, ein Universum, daß aus dem Nichts entstand, verschwindet einfach in einem Nichts. 

Paradoxerweise hält er sich ein Hintertürchen offen, um als theoretischer Physiker überhaupt noch einen Erklärungsansatz für mögliche andere Theorien parat zu haben: Die 'Baby - Universen' seien die 'einzige sichere Möglichkeit, dem Tod des Universums zu entgehen.' (19) Dazu müßte das Kind-Universums mit dem Mutter-Universum verbunden sein. Über eine Öffnung (Wurmloch) würde der Weg frei für den 'Zugang' zu vielen anderen Universen. Die Öffnung würde wie ein 'Schwarzes Loch' wirken, deren Anordnung in- stabil ist, und unter der Einwirkung der 'Hawking-Strahlung' vollständig aus dem Mutter-Universum verschwinden würde. Als Ergebnis daraus würde das Wurmloch abgetrennt, und aus dem nunmehr vom Mutter-Universum abgetrennten Kind-Universum würde ein 'neues unabhängiges und eigen- ständiges Universum' entstehen. (20) 

Diese Gedanken sind recht hypothetisch, lassen aber die Frage nach kommenden Zyklen des oder der Universen offen. Dieser Vorgang könnte auch durchaus für alle Zeiten so weiter gehen; in diesen oder ähnlichen Fällen hätte das Universum weder einen richtigen Anfang noch ein richtiges Ende gehabt. Wird das Universum einen Hitzetod erleiden; gibt es eine Zusammenzie- hungsphasen-Zeit eines sich immer wieder neu zusammenziehenden Uni- versum, daß rückwärts laufen könnte; hat das Universum einen Zweck, haben Zeit und Raum einen Zweck gehabt? Wenn es ewig fortdauert, dann kann man sich schwer vorstellen, daß es letztlich überhaupt eine Zweckrichtung hat, die Fortdauer seiner Existenz ist sinnlos und überflüssig. So sinnlos und überflüssig wie die Frage nach der Herkunft der entstandenen Materie. Welche faktische Bedeutung hat dieser Term noch, wenn alle erklärenden Kontexte, in denen er vorkommen kann, als unzulässig zurückgewiesen werden kann und jede Bedeutung durch die Seltenheit des Vorgangs aus- geschlossen ist? Wenn der Big - Bang als einmalige Entstehung alles Seienden gedeutet wird, dann läßt sich in der Vergangenheit und in der Zukunft nichts mehr rekonstruieren, allenfalls ist die Frage der Zeit dann ein Axiom.

Zum 2. Teil und den Anmerkungen

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