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Martin Bojowald: Zurück vor den Urknall : Phantasievoll muss der Kosmologe sein

  • -Aktualisiert am

Bild: S. Fischer Verlag

Gravitationstheorie und Qantenmechanik wollen zueinander nicht passen. Doch in der Kosmologie braucht man beide. Martin Bojowald versucht es mit einer Näherung, die überraschende Ergebnisse hervorbringt.

          Über das Universum haben die Astronomen zwar viel herausgefunden, stoßen aber immer wieder an Grenzen. Mancher Befund scheint sich einer einfachen Erklärung zu widersetzen. So etwa die Frage, wie sich eigentlich geordnete Strukturen wie Sterne und Planeten oder auch Galaxien bilden können, wo doch eigentlich nach den Gesetzen der Physik überall, folglich auch im gesamten Kosmos, der Grad der Unordnung größer werden sollte. So wie Scherben aus Glaskaraffen entstehen, aber nicht Glaskaraffen aus Scherben. Der Physiker Martin Bojowald hat dafür eine verblüffende Erklärung: Für das Universum in seiner Gesamtheit seien die einzelnen Galaxien, Sterne und Planeten völlig irrelevant – und so gleiche der heutige Kosmos eher einem in feinste Scherben zerbrochenen als einem wohlgeformten intakten Gefäß.

          Es braucht wohl diese Art Phantasie, um in der Kosmologie weiterzukommen, zumal die dabei in Anschlag gebrachten physikalischen Gesetze nur unvollständig verstanden sind. In seinem Buch weist Bojowald darauf hin, dass man selbst für die den Physikern seit Jahrzehnten geläufigen Feldgleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie bislang nur die einfachsten Lösungen gefunden hat. Beispielsweise weiß man, dass bei Kollisionen schwerer Sterne Gravitationswellen entstehen müssten, aber nicht, welche Form diese Wellen haben und wie sich deren Intensität zeitlich entwickelt. Als das Satellitennavigationssystem GPS aufgebaut wurde, sind – noch bis zur offiziellen Inbetriebnahme im Jahr 1995 – ganze Konferenzen zur Rolle der Allgemeinen Relativitätstheorie für den Betrieb dieses Systems abgehalten worden. Unter anderem hängt die eminent wichtige Qualität der Synchronisierung der Satellitenuhren von dieser Theorie ab.

          Ohne Quantentheorie geht's nicht

          Überdies gilt, dass die Allgemeine Relativitätstheorie selbst dann, wenn ihre Lösungen vorlägen, zum Verständnis vieler kosmischer Phänomene nicht ausreichte. Denn ebenso wichtig ist, betrachtet man Phänomene wie den Urknall oder Schwarze Löcher, die Quantentheorie. Die beiden Fundamentaltheorien lassen sich in ihrer vorliegenden Gestalt aber ganz und gar nicht vereinen. Trotzdem sind phantasiebegabte Physiker wie Bojowald darangegangen, eine zumindest vereinfachte Beschreibung zu entwickeln, in der beide Theorien berücksichtigt sind. Man erhält damit zwar keine streng gültigen Ergebnisse, kann aber zumindest Lösungen erahnen. Die Theorie, der sich Bojowald verschrieben hat, ist die Schleifen-Quantengravitation.

          Ein Schwarzes Loch wird in dieser Theorie als eine Art atomares System verstanden, das allerdings nicht aus Materiebausteinen besteht, sondern aus quantisierter Raumzeit. Der Autor schildert anschaulich, was das für die Strahlung des Schwarzen Lochs – die Hawking-Strahlung – bedeuten könnte. Er leitet her, wie bei Auflösung des Schwarzen Lochs durch Strahlung dessen „Singularität“ auf einmal von außen zugänglich wird. Stephen Hawking hatte ursprünglich gedacht, die Informationen, die im Schwarzen Loch verschwinden, seien darin für immer verloren. Die Schleifen-Quantengravitation lässt dagegen vermuten, dass die Informationen irgendwann wieder zum Vorschein kommen.

          Um den Urknall herum

          In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist eine Singularität – ein aus der Physik herausfallender Bereich ohne Volumen, dafür mit unendlich großer Dichte und Temperatur, so wie etwa der Urknall – ein rein mathematisches Konstrukt, das sich der physikalischen Erklärung entzieht. Der Urknall stellt in dieser Theorie den Beginn des Universums dar, weil in ihrer Beschreibung dort Raum und Zeit ein Ende erreichen. Aber generell muss diese Grenze der Mathematik kein Ende von Raum und Zeit sein. Es sind mathematische Hilfsmittel denkbar, die diese Grenze aufheben.

          Der Autor erinnert an die ersten Versuche, sich dem Atom mit einem Modell zu nähern, in dem Elektronen Kerne aus Protonen und Neutronen umkreisen. Bei diesem klassischen Modell hätten Atome durch Energieabstrahlung sofort ihre Stabilität verloren. Erst die quantenphysikalische Sicht, in der Elektronen auf bestimmte Schalen beschränkt sind, hat das Atom gerettet. Auf ähnliche Weise wird die Urknall-Singularität in der Schleifen-Quantengravitation durch neue Kräfte verhindert, die dem Kollaps infolge der rein klassisch beschriebenen gravitativen Anziehung entgegenwirken. Die Singularität verschwindet und damit der Beginn des Universums. Es wird möglich, von einer Zeit vor dem Urknall zu sprechen.

          Der Autor führt Beispiele an, wie man eines Tages durch Beobachtungen herausfinden könnte, ob es eine Zeit vor dem Urknall tatsächlich gibt. Einige Messdaten müssten sich von jenen unterscheiden, die nach den Gesetzen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu erwarten wären. Doch Bojowald weist auch darauf hin, dass wegen der Winzigkeit der Unterschiede so bald nicht mit einer Klärung zu rechnen sei. Zudem habe man es einstweilen nur mit Näherungen zu tun, weil eine ausgefeilte Theorie zur Vereinigung von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenphysik nicht in Sicht sei. Trotz dieser Einschränkungen, die immer bedacht sein wollen, ist es ein spannendes Abenteuer, den Gedankengängen in diesem Buch zu folgen. Wenn das auch, der Materie entsprechend, nicht immer ganz einfach ist.

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