Kosmische Perspektiven

Gravitation. Schöpfung. Zeit. Singularitäten.

Gravitation und allumfassende Theorie (TOE)

Die TOE sagt eine Vereinheitlichung der Gravitation mit den anderen WW für die Zeit vor der GUT-Epoche voraus. Alle Kräfte waren eins und quantisiert, als nach 10^-43 s bei 10³² °K eine Dichte von 10⁹² g/cm³ vorlag. Jeder Punkt wurde auf der Stelle zu einem Schwarzen Loch, das sofort wieder explodierte. Da jedes Schwarze Loch Raumzeitbereiche innerhalb und außerhalb seines Horizonts trennt, entstand eine verwickelte Raumzeitstruktur. Auch die Raumzeit war quantisiert. An dieser Stelle stößt die physikalische Erklärung an eine vielleicht unüberwindliche Grenze: die Planckzeit, das Zeitquant, das der Quantenunschärfe unterliegt, ist nicht untersuchbar. Jede "Zeit davor" hat keinen Sinn. Anfangsbedingungen sind nicht auszumachen, wenn alle Wechselwirkungen vereint sind und alle Reaktionen in zwei Richtungen
ablaufen.

Vielleicht ist die Theorie der Superstrings, dass die Elemente der Raumzeit keine Punkte, sondern "Schleifen" (Strings) sind, ein Schlüssel zur TOE.

Der Augenblick der Schöpfung

Im Augenblick der Schöpfung war das ganze Universum innerhalb der Abmessungen einer Planckschen Länge untergebracht. Die Frage, wie das Universum entstanden ist, lässt sich auf das Olberssche Paradoxon reduzieren: Warum enthält ein kaltes, dunkles Universum heiße, leuchtende Sterne?

Entropie
In allen physikalischen Systemen fließt Wärme vom heißen zum kälteren Gegenstand. Dabei wächst die Unordnung, die Entropie. Der stabile Endzustand ist durch eine konstante Temperatur und beliebige Bewegungen aller Teilchen gekennzeichnet. Nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik muss die Entropie ständig zunehmen. Die Entropie ist ein Maß für die Verfügbarkeit von Wärme zur Verrichtung von Arbeit. Wenn die Temperatur überall gleich ist, kann keine Wärme fließen, keine Arbeit verrichtet werden.

Das Universum befindet sich in einem Zustand niedriger Entropie. Wie ist das Universum so eingerichtet worden, dass es so wenig Entropie aufweist, dass nach 15 Mrd. Jahren noch immer Sterne zu sehen sind?

Der Ursprung der Zeit
Boltzmann, von dem die Sätze der Thermodynamik stammen, entwickelte eine statistische Mechanik zur Beschreibung des Verhaltens von Gasen. Bei statistischer Betrachtung ist auch das Unwahrscheinliche möglich, allerdings mit verschwindend geringer Wahrscheinlichkeit. Gas könnte sich in die Ecken eines Raumes zurückziehen; ein Eiswürfel im Wasser könnte aus der Umgebungsluft Wärme abziehen und das Wasser zum Sieden bringen. Es ist extrem unwahrscheinlich, doch in einem unendlich großen Universum können alle Möglichkeiten unendlich oft geschehen.

Boltzmann verband diesen Ansatz mit der geringen Entropie des Kosmos und meinte, der "wirkliche" Zustand müsse der eines thermodynamischen Gleichgewichts sein, in dem Zeit keine Bedeutung habe, da sich nichts verändert. Es gäbe aber statistische Prozesse, die den Zustand geringer Entropie schüfen, und das ganze Universum könnte eine statistische Schwankung aus dem Gleichgewichtszustand sein.

Paul Davies meinte, dass die Zeit erst durch die Inflation ihre Bedeutung bekam. Das Urchaos stellt einen Zustand hoher Entropie dar, doch nach der Inflation herrscht gravitationsbedingt eine niedrige Entropie. Wärme kann fließen, und Zeit läuft ab, indem sich das Universum verändert.

Das Quantenuniversum
Boltzmanns Bild des Universums war eigentlich ein stationäres Universum. Fred Hoyle entwickelte sein "Steady-State-Modell" so weiter, dass es dem späteren Inflationsmodell sehr nahe kam. Vielleicht entstand das Universum nicht aus einer Singularität unendlich hoher Dichte und Energie, sondern als Quantenschwankung aus dem Nichts. Tryon sagte, das Universum sei eine Vakuumschwankung. Basis dafür sei der Gedanke, dass in einem geschlossenen Universum die Energiebilanz null sein muss, indem die negative Gravitationsenergie die gesamt Massenenergie aufhebt.

Nach der Unschärferelation kann alles, was die Energie null hat, beliebig lange existieren. Wenn die Energie null ist, braucht nicht einmal Energie vom Vakuum geborgt werden. Eigentlich müsste aber eine solche Vakuumschwankung unter dem Einfluss der Gravitation schnell zu einer Singularität zusammensacken.

Das Inflationsmodell brachte auch hier neuen Auftrieb. Man braucht nur einen winzigen Bereich geschlossener Raumzeit und Energie, der dann durch die Inflation aufgebläht wird. Am Ende wird die Gravitation siegen, und alles wird in der Singularität verschwinden. Die Quantenunschärfe kann den "Schöpfungsaugenblick" zumindest am besten erklären.

Stephen Hawking dagegen geht noch weiter und erklärt, dass das Universum vielleicht selbst im Schöpfungsaugenblick keine Grenze hatte. Zur Beschreibung des ganzen Kosmos dient ihm eine quantenmechanische Wellenfunktion.

Singularitäten
Singularitäten (S.) sind die Grundlage von Stephen Hawkings Beiträgen zur Wissenschaft. Singularitäten sind Punkte, in denen Materie sowie Raum und Zeit entweder ausgelöscht sind oder – wie im Urknall – erschaffen werden.

Die Standardgleichungen der Relativitätstheorie sagen die Existenz von S. voraus. Lange Zeit hielt man S. für unmöglich, so dass bei Annäherung an eine S. eine Art "Rückprall" erfolgen sollte oder ein Stillstand eintritt. Andernfalls versagte Einsteins Theorie bei sehr hohen Dichten.

Hawking und Pelrose bewiesen, dass die Allgemeine Relativitätstheorie ohne Berücksichtigung von Quanteneffekten eine Singularität bei der Entstehung des Universums unbedingt fordert, also einen Punkt, an dem die Zeit begann. Wenn in der Natur keine S. vorkommen, kann man die Allgemeine Relativitätstheorie nur durch Einbeziehung einer Quantentheorie der Gravitation verbessern.

Später sagte Hawking, dass Schwarze Löcher bei Betrachtung der Quanteneffekte verdampfen oder explodieren müssten.

Hawkings Universum
Die Allgemeine Relativitätstheorie fordert im Augenblick der Schöpfung eine Singularität, doch wie alle anderen Theorien sagt sie nichts über den eigentlichen Schöpfungsmoment. Hawking entwickelte in Ansätzen eine Verbindung von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik. Doch wie kann die Kopenhagener Deutung auf das ganze Universum angewandt werden? Man kann sich das Universum als quantenmechanische Wellenfunktion vorstellen (?), doch wer sollte die Wellenfunktion durch Beobachtung kollabieren lassen? Laut Hawking kann man nur über die "Viele-Welten-Interpretation" zu eine Quantenbeschreibung des Universums kommen.

Er wählte eine Reihe von Anfangsbedingungen und berechnete eine einfache Version dieses "Mini-Superraums", das nur ein Felderpaar für Gravitation und Materie enthält. Die Unschärferelation führt dazu, dass der Ursprung der Zeit über die Planckzeit "verschmiert" ist; es gibt also keinen genauen Schöpfungsmoment. Hawking kam zu einer Anzahl möglicher Versionen ("Summe der Geschichten", wobei die meisten möglichen Geschichten nicht stattfinden können), die alle eins gemeinsam haben: Jede dehnt sich bis zu einer bestimmten Größe aus, zieht sich dann wieder bis zu einem Zustand des Universums zur Planckzeit zusammen, um danach wieder zu expandieren, und zwar immer gleich! Nebenan im Superraum gibt es ähnliche Universen, die wir nie erkennen können.

Es gibt keine Singularitäten mehr und auch keinen Schöpfungsmoment. In der Kontraktionsphase verringert sich die Entropie. Wenn das Universum klein ist, muss die Ordnung groß sein. In der Planckzeit ist kein Platz für Unordnung.

Letzte Neuigkeiten

Neues von der Inflation
1992 lieferte der Satellit COBE Beweise für minimale Schwankungen der Hindergrundstrahlung, sogenannte Ripples, die sich exakt mit der Theorie von Urknall und Inflation decken. Die Schwankungen entsprechen Dichteschwankungen aus der Zeit, als Materie und Strahlung sich trennten, und sind genauso stark, dass sich daraus die heutigen Strukturen entwickeln konnten.

Was war vor der Singularität?
Das Universum hat sich nach Lindes "chaotischer Inflation" aus einer Quantenschwankung in irgendeinem schon bestehenden Raumzeitbereich entwickelt. Das würde bedeuten, dass aus unserem Universum weitere Universen entsprießen könnten!

Ω
Neueste Messungen ergaben für Ω niedrigere Werte (nur 20% – 30%) als von der Inflationstheorie angenommen. Man behilft sich mit der Vorstellung einer zweimaligen Inflation.