ewige evolution - Excellence Cluster Universe

_WELTRAUM
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EWIGE EVOLUTION
Die grundlegendste Erkenntnis der Astronomie:
Es gibt eine Naturgeschichte des ganzen Universums.
Deren Kapitel lernen die Forscher jetzt zu lesen.
Von Rüdiger Vaas
DAS UNIVERSUM IST ALLES andere als statisch. Es macht eine Entwicklung durch
und verwandelt sich daher als Ganzes immer wieder. So knapp lässt sich eine der
wichtigsten Erkenntnisse der letzten Jahrzehnte und vielleicht der wissenschaftlichen Weltbeschreibung überhaupt zusammenfassen.
Dass es Veränderungen gibt - die regelmäßige Wiederkehr der Jahreszeiten, aber auch
seltene Ereignisse wie überschwemmungen, Erdbeben und Vulkanausbrüche -, ist
seit Menschengedenken bekannt. Dennoch
wurde die Natur im Großen und Ganzen
meistens als etwas Konstantes, Gleichförmiges und Beständiges verstanden. Das gilt
nicht nur für die "ehernen" Naturgesetze,
sondern auch für das All insgesamt. Schon
der scheinbar unveränderliche Fixsternhimmel dreht quasi unbeirrt von allen irdischen Turbulenzen und Kleingeistereien
über unseren Köpfen seine majestätischen
Runden, alle Jahre und Nächte wieder.
Diese "Ewige Wiederkehr" spielt in vielen
Naturauffassungen und Religionen eine
zentrale Rolle - im asiatischen Raum ebenso wie bei den Indianern Nord-, Mittel- und
Südamerikas. Die Inder und Maya rechneten sogar mit wahrhaft astronomischen
Zahlen, um die Dauer der verschiedenen
Zyklen von Sonne, Mond, Planeten und
Sternen zu beschreiben. Letztlich, davon
gingen sie alle aus, gibt es eine ewige
Konstanz in der Wiederkunft des Wandels.
Einzig die Schöpfungsmythologien und
-theologien, darunter besonders die
jüdisch-christlich-islamische, postulieren
eine Naturges~hichte mit Anfang'und Ende,
und sie stellen diesem kosmischen Wimpernschlag Gottes Ewigkeit entgegen.
KOMPAKT
• Der Weltraum ist nicht unveränderlich,
sondern in vielfacher Wandlung begriffen.
Das steht im Gegensatz zu fast allen Weltbildern der Menschheitsgeschichte.
• Die meisten Entwicklungsschritte
folgten im frühen Universum rasch hintereinander. Fertig ist das All bis heute nicht.
40 bild der wissenschaft
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+++ GOTT HATTE AUSGEDIENT +++
Auch der griechische Philosoph Aristoteles
hielt, wie viele seiner Mitdenker im alten
Europa, das Weltall für ewig und gleichbleibend. Sein Weltbild war viele Jahrhunderte lang maßgebend. Die Entwicklung
der modernen Astronomie und Physik im
17. und 18. Jahrhundert warfen zwar man-
che der aristotelischen Auffassungen über
Bord. Doch die Wissenschaftler gingen weiter von einer quasistatischen Wirklichkeit
aus. Der englische Physiker Isaac Newton
spekulierte dabei noch über bestandserhaltende göttliche Eingriffe. Aber der französische Mathematiker Pierre-Simon Laplace
soll 1799 Napoleon gegenüber gesagt haben, er brauche diese Hypothese nicht mindestens das Sonnensystem sei aus sich
selbst heraus stabil.
Erst mit der Einführung des Entropie-Satzes
in die Thermodynamik, demzufolge die
Unordnung in einem geschlossenen System
immer größer wird, etablierte sich um 1850 ~
der Entwicklungsgedanke in der physika- ~
lischen Kosmologie. Eigentlich ist es ein Ab- g
wicklungsgedanke, denn die Entropie macht ~
alles gleich und zerstört jede Ordnung. ~
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Robert Clausius, William Thomson (Lord :g
Kelvin), Herrnann von Helmholtz und an- ~
dere spekulierten über einen unausweich- ~
lichen "Wärmetod" des Universums. Erst .~
dann, im absoluten Zerfall, wäre der Kos- ~
mos wirklich konstant, so die Hypothese. !
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Aber es dauerte noch bis in die 1920er- ~
Jahre, dass sich das Weltbild eines in ~
ständiger Entwicklung begriffenen Kosmos ~
theoretisch fundieren ließ, und bis in die ~
AUS DEM TAGEBUCH
DES UNIVERSUMS
Wie entstand die Welt? Ab zirka 10-12
Sekunden nach dem Urknall sind recht
verlässliche Aussagen dazu möglich.
Über die Zeit davor kann im Augenblick
nur spekuliert werden, weil noch keine
gut fundierte und durch Beobachtungen
bestätigte physikalische Theorie existiert.
Außerdem sind einige Zeitangaben modellabhängig und daher teilweise noch nicht
genau bekannt. Die Tabelle fasst die wichtigsten Entwicklungsschritte zusammen,
die Grafik veranschaulicht - im logarithmischen Maßstab - die zeitlichen und
räumlichen Verhältnisse.
Lange wurde die Natur mit zyklischen
Weltmodellen beschrieben, die eine
Ewige Wiederkehr annehmen. Aber mit
der Thermodynamik etablierte sich
der Entwicklungsgedanke in der Physik.
Langfristig bedeutet das: Zerfall.
*
Detail des Orionnebels (M42), 1500
Lichtjahre entfernt im Sternbild Orion
1960er-Jahre, dass es allgemein anerkannt
wurde. Im Gegensatz zu der bis dahin
populären Annahme einer ewigen Welt, bei
der sich die Frage nach ihrem Anfang erübrigt, geht die Urknall-Theorie von einer
Entstehung des Universums vor endlicher
Zeit aus. Als Albert Einstein die Allgemeine
Relativitätstheorie 1917 erstmals auf die
Beschreibung des Weltalls insgesamt anwendete, wurde ihm klar, dass sich ein statischer Kosmos mit der neuen Auffassung
von Raum, Zeit, Materie und Energie kaum
vereinbaren ließ.
+++ IGNORIERT BIS ZUM TOD +++
1922 und 1924 zeigte der russische Mathematiker Alexander Friedmann dann, dass
sich das Universum entweder immer weiter
ausdehnt oder irgendwann wieder in sich
zusammenstürzt. Zunächst ignorierten die
meisten Astronomen seine Arbeiten. Erst
nachdem der belgische Astronom und
Priester Abbe Georges Edouard Lemaitre
1927 das Problem erneut aufgegriffen hatte,
fand Friedmanns Leistung allmählich die
gebührende Beachtung. Allerdings war der
Mathematiker bereits 1925 an Typhus gestorben. Lemaitre machte auch als Erster
deutlich, dass sich alles quasi aus einem
Punkt heraus entwickelt haben könnte. Er
postulierte sogar ein zerfallendes Uratom
und wurde damit zu einem Vorreiter der
Quantenkosmologie, die von Stephen Hawking und anderen Forschern ab den 1970erund 1980er-Jahren erneut zur Erklärung
des Urknalls herangezogen wurde.
Die Idee einer Entwicklung des Universums, das heißt einer Naturgeschichte jenseits der Kulturgeschichte des Menschen
und der Evolutionsgeschichte des irdischen
Lebens, ist viel radikaler, als es zunächst
den Anschein hat. Denn sie bedeutet nichts
weniger als eine "Historisierung" der Physik: Naturgeschichtliche Ereignisse und Zu-~
fälle waren demnach schon auf der Ebene ~
der Elementarteilchen, Kräfte und Natur-~
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konstanten entscheidend, die auch ganz ~
anders hätten werden können. Das hebt die ~
Naturgesetze zwar nicht auf, schmälert·~
aber ihre Bedeutung und könnte sie ein- ~
schränken. Möglicherweise entwickeln sie ~
sich auch - und die Naturkonstanten sind ~
nicht konstant, sondern über lange Zeit- ~
räume hinweg variabel. Für Erklärungen ~
bleiben Naturgesetze unerlässlich, aber sie ~
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reichen nicht aus: Die zufälligen Randbedingungen, die ja in der Kultur- und Lebensgeschichte die Hauptrolle spielen, werden aufgewertet. Das heißt, sie haben ein
viel größeres "Gewicht" in der Ordnung der
Dinge, als die Physiker früher dachten.
Wissenschaftler sprechen von Phasenübergängen. Solche qualitativen Zustandsänderungen gibt es in vielen Bereichen und auf
unterschiedlichen Skalen - zum Beispiel
bei der Umwandlung zwischen festen, flüssigen und gasförmigen Aggregatzuständen
(etwa Schmelzen, Verdampfen und Gefrieren), bei der Entstehung der Supraleitung,
dem Wechsel von Kristallstrukturen und
von magnetischen Eigenschaften. Das sind
alles lokale Phänomene. Doch es gab immer wieder auch globale Phasenübergänge, die der ganze Weltraum durchlief. In der
ersten Minute nach dem Urknall vollzogen
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bild der wissenschaft 212009
sich sogar viele solcher Übergänge in rascher Folge. Insofern ist die Geschichte des
Universums für Kosmologen seither viel
langweiliger als während der ersten Momente. Ob der Urknall selbst ein Phasenübergang war - nämlich ein Übergang aus
einem Vorläufer-Universum oder eine zufällige Fluktuation in einem Quantenvakuum - oder der absolute Anfang von allem,
ist unklar (bild der wissenschaft 10/2004,
"Jenseits von Anfang und Ewigkeit").
+++ INFLATION MACHT GROSS +++
Anschließend ereignete sich vermutlich
eine Phase der exponentiellen Volumenzunahrne. Diese "Kosmische Inflation" (lateinisch "inflare": aufblähen) hat den Weltraum erst groß gemacht. Ihr Ende war ein
weiterer Phasenübergang, der zu neuen
Eigenschaften des Vakuums führte. Dabei
heizte sich das All gewaltig auf. Und die
Energie, die die rasante Ausdehnung angetrieben hat, wurde in die kosmische Urmaterie umgewandelt. Im Anschluss - oder
teilweise schon davor, das ist noch unklar spaltete sich die "Urkraft" des Universums,
die Supergravitation, schrittweise in die
heute bekannten vier fundamentalen Wechselwirkungen der Natur auf: die Schwerkraft, die starke und die schwache Kernkraft sowie die elektromagnetische Kraft.
Erst nach dem letzten dieser Phasenübergänge konnten die Protonen und Neutronen
entstehen, aus denen bis heute alle uns bekannten Atome aufgebaut sind.
Bei all diesen Phasenübergängen, die die
heutigen Teilchen und Kräfte hervorgebracht haben, spielten Symmetriebrüche
eine entscheidende Rolle. Für diese mathematischen Beschreibungen gab es mehrere
Nobelpreise, darunter zuletzt im Dezember
Die Urknall-Theorie geht von einer Entstehung unseres Universums vor endlicher
Zeit aus. Nach den neuesten Messungen ist
es 13.7 Milliarden Jahre alt.
Sternentstehungsregion NGC 3324, 7200
Lichtjahre entfernt im Sternbild Schiffskiei
die ..Supersymmetrie" • wie die Physiker
sagen. Kurz: Die differenzierte Strukturierung der Welt ist wesentlich eine Folge der
Symmetriebrüche und somit der mit ihnen
einhergehenden Phasenübergängen. Wie
viele Phasenübergänge das Universum
durchlief - und noch durchlaufen wird lässt sich schwer sagen. Zum einen sind
wohl noch gar nicht alle bekannt. Zum anderen ist ihre Definition etwas willkürlich.
Jeder dieser Phasenübergänge hat die Eigen-
*
2008 für die japanischen Physiker Yoichiro
Nambu, Makoto Kobayashi und Toshihide
Maskawa. Die Grundidee: Eine hohe Symmetrie ist ein einfacher Zustand, aber energetisch instabil. So ist ein Bleistift, der auf
seiner Spitze balanciert, symmetrischer als
einer, der in irgendeine Richtung zeigend
herumliegt - aber er fällt eben leicht um.
Bei hohen Energien herrschte eine große
Symmetrie im Universum. Mit der Ausdehnung und somit Abkühlung des Raums
wurde sie gebrochen. Daher existieren heute vier Naturkräfte und nicht nur eine, und
es gibt viele Arten von Elementarteilchen
und nicht nur eine. Selbst der Unterschied
zwischen Materie (Quarks und Leptonen)
und Kräften (die Wechselwirkungen vermittelnden Bosonen) war im sehr frühen
Universum aufgehoben. Damals herrschte
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schaften des Universums drastisch verändert. Und jede von ihnen war notwendig,
damit Jahrmilliarden nach dem Urknall
Planeten mit Lebensformen darauf entstehen konnten, die diese Entwicklungen nun
erforschen und erklären. Das Universum
wurde sich gleichsam seiner selbst bewusst.
Eine solche kosmische Exzellenz hat auch
die entsprechende Forschungsförderung
verdient. Das haben sogar die Wissen-
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schaftspolitiker verstanden. Als die "Exzellenzinitiative des Bundes 'Und der Länder
zur Förderung von Wissenschaft und Forschung an deutschen Hochschulen" sich
2005 bis 2007 nach langwierigen Verhandlungen auf diverse Fördermittel einigte, war
unter den bewilligten 37 "Exzellenzclustern" auch einer, der für das Universum
und den ganzen Rest zuständig ist. Und damit auch für die "richtigen" Cluster, wie die
Astronomen die Galaxienhaufen nennen.
Im Oktober 2006 begann der Exzellenzcluster für fundamentale Physik mit der
Bezeichnung "Origin and Structure of the
Universe" seine Arbeit. Im September 2007
weihte er sein eigenes Gebäude in Garching
bei München ein. Die Fördermittel betragen rund acht Millionen
Euro pro Jahr. Alle Exzellenzcluster sind auf fünf Jahre
begrenzt, aber eine Verlängerung ist angesichts des bereits
jetzt sichtbaren Erfolgs wahrscheinlich. Eine politische
Entscheidung wird in diesem
Jahr erwartet.
Phasen des Universums. "Uns geht es um
das Innerste der Materie, die Natur der
Kräfte und den Ursprung der Strukturen im
Universum", sagt der Astrophysiker Andreas Müller vom Exzellenzcluster, der die
Konferenz mitorganisiert hatte. "Seit zehn
Jahren erst gibt es ein konsistentes und
quantitatives kosmologisches Modell, das
weite Teile der Geschichte des Universums
beschreibt. An dieser Erfolgsgeschichte
knüpft der Exzellenzcluster Universe an."
Die kosmischen Phasenübergänge spielen
dabei die entscheidende Rolle.
+++ ENDE DES DUNKLEN ZEITALTERS +++
Das mit der Sternbildung und Reionisation einhergehende Ende des sogenannten
Dunklen Zeitalters war die zweitletzte
weiß, was wirklich hinter dieser geheimnisvollen Aufblähung steckt, auch wenn es
zahlreiche Hypothesen dazu gibt. Vielleicht ist die Energiedichte des Vakuums
selbst die Ursache.
Viele Astrophysiker weltweit sind dabei,
das Rätsel dieser "Dunklen Energie" zu lösen - auch einige der im Exzellenzcluster
Universum zusammengeschlossenen Forscher. Fest steht, dass von der Dunklen
Energie die weitere Zukunft des Alls abhängt (bild der wissenschaft 6/1999, "Bis
in alle Ewigkeit" und 4/2002, "Finstere Zukunft"). Die beschleunigte Expansion des
Weltraums zeigt auch, dass sich das Universum nach wie vor weiterentwickelt.
Doch es ist gut möglich, dass diese Entwicklung in einer fernen Zukunft tatsächlich aufhört und
der "Wärmetod" eintritt, wie
er bereits im 19. Jahrhundert
diskutiert wurde - dass also
nur noch eine extrem verdünnte Radiostrahlung in ewiger
Finsternis übrig bleibt, mit ein
paar überlebenden Elektronen
u
~
oder anderen stabilen Elemen~
tarteilchen im Abstand von
«
ez Myriaden von Lichtjahren.
''5.
Aber bis diese absolute Ödnis
o
eintritt, wird noch sehr viel
Zeit vergehen - nach verschiedenen Modellen über W Oo bis
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vielleicht 10 10 Jahre. (Um diese doppelte Hochzahl auszuschreiben, wäre selbst das
ganze beobachtbare Universum viel zu klein.)
"Der Exzellenzcluster Universe wird eines der größten Zentren der Astro-, Kern- und Teilchenphysik weltweit. Er hat
Zugang zu einigen der größten
und teuersten Forschungseinrichtungen, was eine führende
Rolle in der Grundlagenphysik
ermöglicht", freut sich der
Sprecher des Clusters, Stephan
Paul, Physik-Professor an der
Ist gar nichts ewig? Selbst die Naturgesetze und -konstanten
Technischen Universität MünDoch wenn die Dunkle Energie
könnten sich im Lauf der Zeit ändern. Und in fremden Univerchen. Dort ist der interdiszipkein Hirngespinst der Wissenlinäre hochkarätige Forschungssen sind sie vielleicht ganz anders.
verbund angesiedelt. Er koschaftler ist, sondern besonGalaxienhaufen Abe// 1689, 2,] Milliarden Lichtjahre
dere Eigenschaften hat, wird
operiert mit der Europäischen
entfernt im Sternbild Jungfrau
sie zu neuen PhasenübergänSüdsternwarte, dem Maiergen führen. Denn in sehr lanLeibnitz Laboratorium und
dem Halbleiterlabor der Max-Planck-Ge- große Veränderung des gesamten Alls. Sie gen Zeiträumen geschieht aufgrund von
sellschaft sowie den Max-Planck-Instituten war etwa eine Milliarde Jahre nach dem quantenphysikalischen Zufällen auch sehr
für Extraterrestrische Physik, für Astro- Urknall abgeschlossen. Die letzte große Unwahrscheinliches. Dazu gehört sogar die
physik und für Plasmaphysik. Der zweite Veränderung begann vor ungefähr fünf Entstehung neuer Universen aus einem
Hochschulpartner im Cluster ist die Lud- Milliarden Jahren. Seither dehnt sich der neuen Urknall und mit einem identischen
wig-Maximilians-Universität München, die Weltraum wieder schneller aus, nachdem Weltverlauf. Buchstäblich alles müsste sich
sich mit ihrer Physik-Fakultät und der Uni- die Expansion zuvor durch die Materie dann exakt wiederholen - einschließlich
versitätssternwarte beteiligt. Im Juni 2008 gebremst wurde. Diese bis heute beschleu- dieses Satzes. Aber auch alle möglichen
veranstaltete das Konsortium im Kloster nigte Expansion ist eines der größten Rätsel Varianten wären denkbar, und zwar unIrsee im Alfgäu eine Konferenz über die der modernen Kosmologie. Denn niemand endlich oft.
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bild der wissenschaft 212009
Sean M. Carroll vom California Institute of
Technology und Jennifer Chen von der University of Chicago haben berechnet, dass
unser Universum mit seinem Urknall tatsächlich nur eine Fluktuation unter unzähligen sein könnte, die sich dann endlos wiederholen müsste. Bis zur nächsten Wiederkehr
würde es freilich noch lange dauern - vielleicht 101056Jahre. Doch selbst diese gigantische Zeitspanne wäre nur ein Augenblick
angesichts der Ewigkeit. Und sogar der Unterschied von Vergangenheit und Zukunft
wäre eine Illusion. "Denn in beiden Zeitrichtungen tauchen durch Fluktuationen
Babyuniversen auf, entleeren sich und setzen ihrerseits Babys in die Welt", sagt Carroll. "In extrem großem Maßstab sieht ein
solches Multiversum im Mittel zeitsymme-
trisch aus. Sowohl in der Vergangenheit als
auch in der Zukunft entstehen neue Universen und pflanzen sich unbegrenzt fort. Zu
jedem von ihnen gehört ein Zeitpfeil- doch
in der Hälfte aller Fälle weist er in die zu
den übrigen entgegengesetzte Richtung."
Ein solches kosmologisches Szenario der
Ewigen Wiederkehr ist im Augenblick noch
eine physikalische Spekulation - wenn bestimmte Annahmen zutreffen, aber unvermeidlich. Dann schließt sich der geistesgeschichtliche Kreis. Denn dann wäre der
Kosmos - als Ganzes und im größtmöglichen Maßstab betrachtet - doch nicht dynamisch und historisch, sondern statisch.
Denn wenn sich alles wiederholt, bleibt
alles beim Alten und immer gleich.
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