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DAS ENDE DER MATERIE?

ÜBER STEVEN WEINBERG BIS ZU MARTIN REES UND JOHN BARROW

von Dietmar Kesten, Gelsenkirchen

Teil II                                          zum 1. Teil

12/1998
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IV. JOHN BARROW und MARTIN REES

JOHN BARROW und MARTIN REES (21) haben 1998 mit ihren Büchern: 'Der Ursprung des Universums' und 'Vor dem Anfang' (22) über die Frage: Was 'vor dem Anfang war', neu nachgedacht: War alles nur Zufall, Zeichen einer 'zielgerichteten Schöpfung', der Urknall als 'Schönheitsfehler der Natur'? Warum ist der Kosmos so gleichförmig, wie er ist, warum haben sich in ihm Strukturen gebildet, die er bis heute erhalten hat, was ist die tiefere Ursache der Naturgesetze, und warum konnte das Universum überhaupt entstehen? Das sind in etwa die Fragen, die beide versuchen zu beantworten.

Sie gehen, wie fast die meisten Forscher davon aus, daß sich mit dem Big -Bang nicht alle Beobachtungsbefunde erklären lassen. Gingen WEINBERG und HAWKING bisher immer davon aus, daß der gewaltige Anfangsschwung des URKNALLS durch die Schwerkraft allmäh- lich abgebremst wurde, so haben die Entdeckungen seit Anfang 1998, die darauf abzielten, die Expansionsgeschwindigkeit des Alls zu be- stimmen (u. a. mit dem HUBBLE-Teleskop) etwas erstaunliches her- auskristallisiert: Offenbar dehnt sich das All immer schneller aus, was auch heißen könnte, daß dies auf eine entgegengesetzte Kraft hinwei- sen würde, die unter 'kosmologischer Konstante' (EINSTEIN setzte die- se Größe als erster in der Welt) zu fassen wäre.

Hängt die Forschung in der Astrophysik/Kosmologie letztlich von der Bestimmung dieser 'kosmischen Konstante' ab? Der Mittelwert der Materiedichte - so BARROW und REES - liegt erstaunliche nahe bei jenem kritischen Wert, an dem sich auf ewig expandierende Universen von jenen trennen, die nach langen Ausdehnungsphasen wieder zusammenfallen, und sich dem ''Big Crunch' (23) nähern.

Die neue Lösung hieße Inflation, Aufblähung. Demnach habe sich der Kosmos unmittelbar nach seiner Entstehung in winzigsten Bruchteilen einer Sekunde (vgl. WEINBERG) um ca. 29 Zehnerpotenzen gestreckt. Durch diese 'Aufblähung' sei der Kosmos einerseits in eine Art Gleichförmigkeit eingetreten, andererseits wurde seine Raumkrümmung fast unmeßbar klein; daher die Nähe zum 'euklidischen Grenzfall' der kritischen Dichte. Aus der Sichtweise von REES, der das anthropische Prinzip vertritt, hält der Kosmos alle Fragen offen: Er scheint fein darauf abgestimmt zu sein, die Entstehung von Leben zu ermöglichen; selbst die kleinen Unregelmäßigkeiten am Anfang waren groß genug, um die Entstehung von Sternen und Galaxien zu erlauben; aber auch klein genug, um den sofortigen Kollaps aller Materie in 'Schwarze Löcher' zu vermeiden; wir befinden uns somit zwangsläufig in einem besonderen, ausgezeichneten Universum, daß offenbar 'unsere kosmische Umwelt auf unsere Lebensweise abgestimmt ist.' (24) 

BARROW erläutert die Konsequenzen: Wenn unser Kosmos eine Ausnahmeerscheinung darstellen sollte, dann setzt dies der Naturerkenntnis Grenzen. Zwar ließe sich der Anfangszustand herleiten, aber die Prinzipien, die diesem Anfangszustand zugrunde liegen, blieben dann wohl für immer verschlossen. So erinnern die Versuche, die Zukunft des Alls vorhersagen zu wollen, an das Wachstum eines Kindes, es unbedingt in Schuhe hineinzuzwängen, die schon lange nicht mehr seiner körperlichen Entwicklung entsprechen; mal dehnt es sich in alle Ewigkeiten aus, mal droht es sich dereinst wieder zusammenzuziehen, mal bleibt es unverändert. (25)

Beide bieten leider nicht mehr als eine intelligente Spekulation, da sie die entscheidenden Größen genausowenig kennen, wie ihre Kollegen: Tatsächlich weiß nienmand, wieviel Masse eigentlich im Universum vorhanden ist, und keiner kennt die 'kosmologische Konstante', lediglich ihr oberer Grenzwert konnte bisher bestimmt werden. Das Dilemma: Alle Konzepte - von den Wurmlöchern bis hin zur Stringtheorie - fördern nur die Einsicht zutage, daß momentan keines von ihnen tauglich und brauchbar, und so diskutierenswert erscheint, daß sich für eine gewisse Zeit Grundzüge mit einer gewissen Gültigkeit herausschälen könnten.

Würde WEINBERG recht behalten, der die Symmetrien bevorzugt, dann könnte man sich von allen anderen Modellen verabschieden, weil alle Messungen und Berechnungen nur noch aus statistischen Erwägungen heraus geschehen würden. Die Weltformel, aus der sich alle anderen Größen und Zustände ableiten lassen, wäre dann vielleicht nur noch eine reine mathematische-logische Möglichkeit für die Existenz von irgendetwas, und das heißt nicht unbedingt Leben in der Form, in der wir es kennen! Erhielte HAWKING den Vorzug, der das gesamte Universum auf die Prinzipien eines Ursprung zurückführen will, dann würde eine vielleicht allgemeine 'Vorschrift' für den Anfangszustand die Wege zur Lösung der größten Probleme der Kosmologie charakterisieren. Auch dieser Weg empfiehlt sich nicht besonders; es sind reine Ideen; denn HAWKING kann auch nicht die Strukturen des sichtbaren Universums erklären. Daher ist er eben auch auf Vermutungen, Spekulationen und Wahrscheinlichkeitsrechnungen angewiesen. 

Welche philosophischen Probleme das hervorrufen könnte, die sicherlich engstens mit der Relativitätstheorie und der Quantentheorie zu diskutieren wären, oder vielleicht nur mit der Krümmung der Raum-Zeit (?), kann nicht abgeschätzt werden. Sicher ist eigentlich nur, daß die Diskussion um ein neues Weltbild schon längst geführt wird. Ist das Universum unendlich oder begrenzt? Hat die Raumzeit einen definitiven Anfang gehabt, den URKNALL? Dehnt es sich aus? Wird sie wieder in sich zusammenstürzen; liefe die Zeit dann rückwärts; oder hat es gar keinen URKNALL gegeben? Welche Rolle spielt die Materie noch, spielt sie überhaupt noch eine Rol- le; wenn ja: Was ist sie noch in dem Gewirr von Computeranimationen, Daten vom Fließband, den Schleifen und den Quantenphänomenen, 'ver- schwindet' sie letztlich in den kosmologischen Modellen? Ob die Diskussionen von Philosophen und Geisteswissenschaftlern dann letztlich noch mit Begriffsformalien wie: Idealismus, Positivismus oder Relativismus, oder vielleicht sogar dialektischer Idealismus zu führen sind, wenn es um die Modelle der Kosmologen geht und deren Einschätzungen, ob sie damit dann noch auskommen, ist mehr als fraglich. Jedenfalls: Das Universum ist nicht nur seltsamer, als wir uns vorstellen, sondern seltsamer, als wir uns vorstellen können.

 Anmerkungen: 

(1) STEVEN WEINBERG: Geb. 1933, ist Professor für Physik und Astronomie an der Universität von Texas. Einem größeren Publikum wurde er durch 'The First Three Minutes' (1977) bekannt. 1979 erhielt er mit zwei weiteren Wissenschaftlern den Nobelpreis für Physik. 1993 legte er sein Buch 'Der Traum von der Einheit des Universums' vor.

(2) STEADY - STATE -Theorie: Eine kosmologische Theorie, die 1948 von HERMANN BONDI und THOMAS GOLD vorgeschlagen, später jedoch vor allem von FRED HOYLE weiterentwickelt wurde. Hier wird - im Gegensatz zum Big - Bang angenommen, daß die mittlere Materiedichte im Universum zu jeder Zeit gleich ist. In frühen Entwicklungsepochen war wegen der Expansion des Weltalls das Volumen, das diesem zur Verfügung stand, kleiner als heute. Entsprechend sollen nach íhr damals weniger Materieteilchen im Weltall vorhanden gewesen sein. Mit der Expansion des Universums soll gerade noch so viel neue Materie in dieses 'einfließen', daß die mittlere Materiedichte stets erhalten bleibt (perfektes kosmologisches Prinzip). Die STEADY- STATE -Theorie stand vor allem in der Zeit zwischen 1948 und 1965 als nahezu gleichwertige konkurrierende Theorie zur Theorie vom URKNALL. FRED HOYLE und sein Mitarbeiter J. V. NARLIKAR ver- suchten, die Entdeckung der 'Hintergrundstrahlung' auf andere Effekte zurückzuführen (z.B. auf langwellige Infrarotstrahlung von Galaxien). 

(3) KOSMISCHE HINTERGRUNDSTRAHLUNG: Eine im extrem kurwelligen Radiowellenbereich aufgefundene Strahlung, deren Entdeckung (1965), den Physikern ARNO PENZIAS/ROBERT WILSON zuzuschreiben ist. Die sog. 'Reststrahlung' wird heute von den meisten Astrophysikern/Kosmologen als die übriggebliebene Strahlung des URKNALLS interpretiert. Sie wurde bereits theoretisch vorhergesagt durch GEORG GAMOW. In seinem Buch: 'The Creation of the Universe' (Die Geburt des Alls, erstmals 1952 erschienen, in einer deutschen Übersetzung 1959), legte er den Grundstein für die spätere URKNALL-Theorie. Sie entspricht der Stahlung eines Körpers mit einer Temperatur von etwa 3 K, der gegenwärtigen Temperatur des gesamten Weltalls. 

(4) ROTVERSCHIEBUNG: Die Verschiebung von Spektrallinien zu längeren (roten) Wellenlängen hin infolge des 'Doppler-Effektes', oder infolge der relativistischen Rotverschiebung (Relativitätstheorie). Am häufigsten wird aber die Bezeichnung auf die in den Spektren der Galaxien festzustellende Rotverschiebung angewandt, die als Folge der Expansion des Weltalls interpretiert wird. 

(5) DOPPLER-EFFEKT: Die scheinbare Veränderung in der Wellenlänge oder Frequenz einer elektromagnetischen Schwingung oder einer anderen Wellenerscheinung (z. B. Schallwellen), wenn die Quelle der Wellen sich dem Betrachter nähert oder entfernt. Nähert sich die Quelle dem Beobachter, so steigt die Zahl der empfangenen Wellenberge und Wellentäler pro Sekunde (also Frequenz) an, umgekehrt wird die Wellenlänge kleiner. Bei einer Entfernung der Quelle sinkt die Frequenz bzw. steigt die Wellenlänge. Im Hinblick auf das Licht zeigt sich der DOPPLER-EFFEKT in einer Verschiebung der Linien im Spektrum. Die Veschiebung erfolgt zum violetten (kurzwelligen) Ende hin, wenn sich ein Himmelskörper, vor allem uns nähert. Bei einer Entfernung der Lichtquelle erfolgt die Verschiebung der Spektrallinien zum roten, langwelligen Ende des Spektrums. Mit Hilfe des DOPPLER-EFFEKTES kann aber nicht nur die Radialgeschwindigkeit von Himmelskörpern bestimmt werden, sondern auch deren Rotation. In der Kosmologie spielt die Feststellung von Doppler-Verschiebungen in den Spektren weit entfernter Galaxien eine besondere Rolle im Hin- blick auf die sog. Expansion. Hinzuweisen wäre in diesem Zusammenhang auf das Buch von E. HUBBLE: 'Das Reich der Nebel'. Er schildert hier eindrucksvoll die Entdeckung der Beziehung zwischen Rotverschiebung und Entfernung.

(6) Neueste Forschungen haben weit entfernte explodierende Sterne  (Supernovae) vermessen, und haben offenbar zutage gebracht, daß sich das All stärker auszudehnen scheint als bisher angenommen (Spekulationen um eine Antischwerkraft). Sollten sich in den nächsten Jahren diese Ergebnisse bestätigen, dann würde das bedeuten können, daß der Großteil des Universums durch den Überschuß einer 'seltsamen Energieform' beeinflußt wird, die eine abstoßende Kraft ausübt. Was würde dann 'seltsame Energieform' bedeuten, und wie würde sie mit der 'kosmischen Hintergrundstahlung' zusammenhängen, die bisher wohl als unumstößlich  gilt? 

(7) Zu verweisen ist auf ALBERT EINSTEIN, der 1917 die Gleichung seiner ALLGEMEINEN RELATIVITÄTSTHEORIE aufstellte, und diese beschrieb zunächst ein ständig expandierendes Univesum, was damals im Gegensatz zur anerkannten Lehrmeinung stand. Um für die gewünschte 'Ruhe' im All zu sorge, sozusagen zu 'korrigieren', setzte er die 'kosmologische Konstante' (EINSTEIN über EINSTEIN: 'Das war die größte Eselei meines Lebens!'), die 10 Jahre später der schon genannte HUBBLE nachwies. 

(8) STEPHEN W. HAWKING: 'Einsteins Traum. Expeditionen an die  Grenzen der Raumzeit', Hamburg 1993. 

(9) SUPER - COLLIDER: Sog. Hochenergie-Beschleuniger. In diesen  Tunneln von zig Kilometern Länge sollten Tausende von supraleitenden Magneten dafür sorgen, daß primär zwei Strahlen elektrisch geladener Teilchen, sogenannter Protonen, millionenmal in entgegengesetzter Richtung den Tunnelring durchlaufen, wobei die Protonen auf eine Energie von zwanzig Billionen Elektrovolt beschleunigt werden, was dem Zwangzigfachen der höchsten Energie entspricht, die in bestehenden Teilchenbeschleunigern erreicht wird (z. B. im CERN-Laboratorium in Genf). An mehreren Stellen des Rings sollen die Protonen der beiden Strahlen Hundert Millionen Mal pro Sekunde aufeinanderprallen, und riesige Detektoren, von denen einige Zehntausende von Tonnen wiegen, sollen dann festhalten, was passiert. Der Bau eines SUPER - COLLIDERs für die/den sich in den letzten Jahren WEINBERG sehr stark gemacht hat, wurde als Projekt vor der derzeitigen US-Regierung gestoppt, was vor allem wohl der enormen Bausumme zuzuschreiben ist (ca. 8 Milliarden Dollar). 

(10) Würde hypothetisch gesetzt, daß es gelingen könnte, die GUT gefunden zu haben, könnte immer noch nicht positiv formuliert werden, auf welche Begrifflichkeiten wir dann Raum und Zeit zurückzuführen hätten. 

(11) Die Literatur, die sich mit kosmologischen Fragestellungen/Modellen beschäftigt, ist unübersehbar. Hier eine kleine subjektive Übersicht: ATKINS, Peter W.: 'Schöpfung ohne Schöpfer', Hamburg 1984. FAHR, H.: 'Universum ohne Urknall', Berlin 1994. HAWKING/PENROSE/ROGER: 'Raum und Zeit', Hamburg 1998. KANITSCHNEIDER, Bernulf: 'Kosmologie', Stuttgart 1984. LIEBSCHER,D.: 'Kosmologie', Leipzig 1994. THORNE, Kip S.: 'Gekrümmter Raum und verborgene Zeit', München 1994. SMOOT, George/DAVIDSON, Keay: 'Das Echo der Zeit', München 1993. 

(12) STEPHEN W. HAWKING: Geb. 1942 (Professor); Physiker und Mathematiker an der Universität Cambridge, wo er 1979 zum 'Lukasischen Professor' ernannt wurde, ein Lehramt, das vor ihm NEWTON und PAUL DIRAC bekleideten. 1988 erschien 'Eine kurze Geschichte der Zeit', 1993: 'Einsteins Traum. Expeditionen an die Grenzen der Raumzeit'. HAWKING leidet unter der 'Motoneuronen-Erkrankung', die ihn an den Rollstuhl fesselt; er ist abhängig von Pflegepesonal und Sprachsynthe- sizern. Sehr lesenwert über ihn ist die Biographie von: WHITE, MICHAEL/GRIBBIN, JOHN: 'Stephen Hawking. Die Biographie', Hamburg 1994. 

(13) QUANTENMECHANIK: Die in den zwanziger Jahren dieses Jahrhunderts entwickelte fundamentale physikalische Theorie, welche die klassischen Mechanik (vgl. NEWTON) ersetzte. Nach der Quantenmechanik sind Wellen und Teilchen nur zwei Aspekte einer und derselben zugrunde liegenden Wirklichkeit. Das mit einer Welle verbundene Teilchen ist deren Quant. Auch die Zustände von zusammengesetzten Systemen wie Atome oder Moleküle nehmen nur bestimmte, diskontinuierliche Energieniveaus ein, man spricht von einer Quantisierung der Energie. Philosophisch ist die Interpretation der Quantentheorie zwischen der sog. 'Kopenhagener Schule' (BOHR, BORN, HEISENBERG, JORDAN) und EINSTEIN von Bedeutung (Messung von Wellenfunktionen, Präparation, 'verborgene' Parameter, raumzeitliches Ding). Es ging um etwa folgendes: Beschreibt die Quantentheorie die objektive Wirklichkeit, 'vermittelt' sie (nur) 'Bewußtseinsinhalte', oder entwickelt sie ein Ver- ständnis für 'materielle Vorgänge'?

(14) BABY - UNIVERSEN: Bei neuen Versuchen, eine quantentheoretische Beschreibung des Universums und seines Anfangsstadiums zu entwickeln, geht HAWKING von der Annahme aus, daß das Universum sich bei extremen Dichten, wo seine Quanteneingeschaften überwiegen, wie eine vierdimensionale Kugel verhält. Wenn die Kugelflächen nicht gleichmäßig glatt wären, sondern Röhren  aufwiesen, die einen Teil der Oberfläche mit einem anderen verbindet, wären Wurmlöcher die Folge. Das würde eine theoretische Möglichkeit schaffen, Verbindungen zwischen Regionen der Raumzeit zu schaffen, die sonst unzugänglich füreinander wären.Sie unterstellt auch, daß die Wurmlochverbindungen alle Eigenschaf- ten der Quantenunschärfe besitzen, also ein Netzwerk von Wurmlö- chern; Wurmlöcher trennen sich sich vom 'Mutter - Universum' ab, um neue Universen zu bilden und Wurmlochverbindungen zu sich sel- ber haben, oder sie spalten sich nicht auf, was für die Diskussion über die 'kosmologische Konstante' weitreichende Folgen haben kann (ein hoher oder niedriger Wert ist bedeutsam für die Wurmlochfunktionen). Bereits EINSTEIN und sein Mitarbeiter NATHAN ROSEN haben dafür mathematische Gleichungen aufgestellt, die als EINSTEIN - ROSEN -Brücke bekannt sind. Der Pseudowissenschaftler JOHANNES V. BUTTLAR nimmt in seinem Buch:'Die Einstein-Rosen-Brücke' diese Berechnungen zum Anlaß, über 'zeitlose Reisen' mittels dieser Ideen 'nachzudenken'.  Daß diese Reisen 'interstellar oder intergalaktisch' möglich sind, steht für ihn außer Frage. So versucht er ständig, eine Synthese zwischen Irrationalismus und Naturwissenschaften herzustellen (vgl. JOHANNES v. BUTTLAR: 'Die Einstein-Rosen-Brücke. Unterwegs zu außerirdischer Intelligenz', München 1982. 

(15) HAWKING schuf eine Theorie der sog. 'Schwarzen Löcher'. Damit legte er bahnbrechende Arbeiten über Ursprung und Entwicklung des Kosmos vor. 'Schwarze Löcher' sollen nach ihm aus extrem hoher Materiedichte 'bestehen', in denen die Gravitationskräfte so groß werden, daß die zugehörige Entweichgeschwindigkeit größer ist als die Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/s); sie werden als das Endstadium massenreicher Sterne bezeichnet, und geben vermutlich durch quantenmechanische Effekte Strahlungen durch den Ereignishorizont nach außen ab (sog. 'Hawking-Strahlung') und 'verdampfen' schließlich. 

(16) Vgl. HAWKING: Einsteins Traum, S. 149. 

(17) Vgl. PAUL DAVIES: 'Die letzten drei Minuten. Das Ende des Universums', München 1996. DAVIES geht wie andere davon aus, daß der 'Anfangszustand' ein Zustand der höchsten Symmetrie war. Bei gleich großen Mengen von Materie und Antimaterie in den ersten 10 -35, dürfte die Energie jene Schwelle überschritten haben, bei der imRahmen der GUT elektromagnetische, schwache und starke Wech- selwirkung vereinigt und die Unterschiede zwischen den Materieteil- chen aufgehoben sind. Auch für DAVIES versucht die GUT oberhalb bestimmter Energien die wechselwirkenden Kräfte in einer einheitlichen Feldtheorie zu vereinigen.

(18) Vgl. DAVIES: Die letzten drei Minuten, S. 152. 

(19) Ebd. S. 167 

(20) Ebd. S. 168 

(21) JOHN BARROW: 'Der Ursprung des Universums.Wie Raum, Zeit und Materie entstanden', München 1998.

(22) MARTIN REES: 'Vor dem Anfang. Eine Geschichte des Universums,' Frankfurt/M. 1998.

(23) Vgl. REES, S. 191. 

(24) Ebd. S. 316 

(25) Vgl. BARROW, S. 151ff.

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