Am Rand der Raumzeit

Genau das ist der „heilige Gral“ der modernen Physik bis heute geblieben: die Suche nach einer Weltformel, die alle Naturkräfte einheitlich beschreibt, und nach einer singularitätsfreien Erklärung der Schwarzen Löcher und des Urknalls mithilfe einer solchen Quantengravitationstheorie.

Endpunkt der Physik?

Spult man den kosmischen Film gedanklich zurück, dann müsste das gesamte beobachtbare Universum aus einem einzigen Punkt hervorgegangen sein. Das zumindest folgt aus den Singularitätstheoremen, die Roger Penrose und Stephen Hawking ab 1965 formuliert und im Wesentlichen in einer gemeinsamen Arbeit 1970 abgeschlossen hatten. Penrose erhielt dafür 2021 den Physik-Nobelpreis – Hawking nicht, weil er bereits 2018 gestorben war.

Die Theoreme sind ambivalent – Triumph und Tragödie des Erkenntnisstrebens zugleich. Hawking hat dies so ausgedrückt: „Die Vorhersage von Singularitäten bedeutet, dass die klassische Allgemeine Relativitätstheorie keine vollständige Theorie ist. Da man die singulären Punkte aus der Raumzeit-Mannigfaltigkeit heraustrennen muss, kann man dort die Gleichungen nicht mehr definieren und nicht vorhersagen, was aus einer Singularität kommt.“

Mit der Singularität droht der Wissenschaft eine Art Kapitulation. Hier scheitert die auf Einsteins Relativitätstheorie gegründete Physik und Kosmologie. „Wenn die Gesetze der Physik an den Singularitäten zusammenbrechen, können sie das überall tun. Man besitzt nur dann eine wissenschaftliche Theorie, wenn die Gesetze der Physik überall gelten, auch zu Beginn des Universums“, war Hawking überzeugt.

Die Singularität gehört, mathematisch betrachtet, nicht zur Raumzeit. Sie ist kein Ort oder Objekt im Universum. Und es ist vollkommen unvorhersagbar, was bei ihr geschieht oder quasi aus ihr hervorbricht.

„Es lässt sich nicht einmal im Prinzip sagen, wo oder wann eine Singularität ist“, betont José M. M. Senovilla. „Alle möglichen Materieteilchen und Photonen können plötzlich an einer Singularität erscheinen, aus dem Nichts.“ Der Physiker an der Universität des Baskenlandes im spanischen Bilbao ist einer der renommiertesten Spezialisten für die Singularitätstheoreme, die er seit den 1990er-Jahren auslotet, präzisiert und kritisch hinterfragt. Selbst der Zusammenhang zwischen dem raumzeitlichen Abbruch der Weltlinien, also sämtlicher Entwicklungswege beispielsweise von Partikeln, und einer unendlichen Raumzeit-Krümmung ist noch nicht völlig verstanden. „Letztlich beweisen die Theoreme nur die Unvollständigkeit von Raum und Zeit“, beschreibt es Senovilla. „Einfacher gesagt: Es geschieht etwas äußerst Seltsames, wenn die Raumzeit abbricht.“

Im Gegensatz zur weit verbreiteten Vorstellung muss die Urknall-Singularität keineswegs ein Punkt gewesen sein. Ihre Form hängt von der Geometrie des jeweiligen Universums ab. Ist es ein anisotroper oder inhomogener Raum, ist seine Masse/Energie-Verteilung also nicht in allen Richtungen oder überall im Durchschnitt fast gleich, dann kann die Singularität einer Zigarre oder einem Pfannkuchen ähneln. „Für ein unendlich großes Universum ist sie quasi dreidimensional und unendlich“, sagt Senovilla: „Im ersten Augenblick nach der Urknall-Singularität wäre der gesamte unendlich große Weltraum schon da!“

Annahmen und Alternativen

Die Beweise der Singularitätstheoreme beruhen auf drei sehr allgemeinen und physikalisch plausiblen Bedingungen:

Im Umkehrschluss heißt dies: Krümmungssingularitäten können „vermieden“ werden, wenn mindestens eine dieser Voraussetzungen nicht erfüllt ist. Im Prinzip gibt es mehrere Möglichkeiten, die Singularitätstheoreme auszuhebeln. Und für alle wurden bereits faszinierende Überlegungen entwickelt:

Fluchtwege aus dem Unvorstellbaren

Eine Singularität sagt also nichts über die wahre Natur des Weltalls aus, sondern nur etwas über die Vorstellung der Forscher. Falls sich diese korrigieren und erweitern ließe, wäre das eine Chance, um zu verstehen, wie es zum Urknall kam. Die entscheidenden Fragen lauten daher: Ist die Urknall-Singularität „real“ – eine Barriere für unsere Erkenntnis und das Ende aller Erklärungen? Oder tritt sie nur als Artefakt einer unzureichenden Theorie auf – und lässt sich mit einer besseren eliminieren?

Man kann es auch so sehen: Die Krümmungssingularität des Urknalls ist kein Zustand, Objekt oder Teil der Natur, sondern allenfalls der abstrakte Gegenstand einer physikalischen Theorie. Singularitäten markieren daher lediglich eine Art von Selbstaussage der Allgemeinen Relativitätstheorie über das Ende ihres Gültigkeitsbereichs. Die Theorie prognostiziert somit ihren eigenen Zusammenbruch. Das ist aber keine Katastrophe für die Forschung, sondern ein Vorteil, sogar ein Qualitätsprädikat. Denn dadurch wird bei der Relativitätstheorie die Grenze unseres Wissens offenkundig, was üblicherweise wissenschaftliche Theorien nicht leisten.

Auch Stephen Hawking und Roger Penrose, die Architekten der Singularitätstheoreme, wollten sich mit ihren selbst gezogenen Grenzen nicht abfinden. Obwohl sie in vielen grundlegenden Aspekten der Physik gegensätzlicher Meinung waren, wie sie es in ihrem scharfsinnigen Buch „The Nature of Space and Time“ von 1996 zugespitzt hatten, konnten beide nicht akzeptieren, dass die Singularitäten in Schwarzen Löchern und dem Urknall gleichsam das letzte Wort über das Universum sein sollten – ein Verdikt, das keinen Widerspruch duldet. Vielmehr betrachteten sie die Singularitäten als eine Art Selbstwiderspruch, der mit einem besseren Modell zu überwinden wäre. Und genau das versuchten sie auch – wieder auf eine ganz unterschiedliche Weise. Hawking postulierte einen absoluten Anfang des Kosmos mit imaginärer Zeit (bdw 1/2017, „Zündende Ideen“). Penrose hingegen entwarf eine sonderbare Zyklische Kosmologie, in der sich in einem immer leerer werdenden Universum alles auflöst – selbst Schwarze Löcher, Elementarteilchen und die Zeit – und dieses dann in einen neuen Urknall übergeht und immer so weiter (bdw 12/2010, „Die ewige Wiederkehr der Zeit“).

Andere Forscher haben ebenfalls raffinierte Erklärungsmodelle für den Urknall entwickelt. Populär sind Urschwung-Hypothesen, bei denen oft bestimmte Energiebedingungen verletzt werden (siehe Artikel „Urprall statt Urknall?“). Oder das Universum hatte weder einen absoluten Anfang noch eine ewige Vergangenheit, sondern einen Pseudoanfang: Dann existierte ungerichtete Mikrozeitlichkeit „vor“ dem Urknall, aber dieser schuf erst den gerichteten vertrauten Pfeil der Makrozeit (bdw 10/2004, „Jenseits von Anfang und Ewigkeit“).

Universum ohne Ursache?

Als besonders radikal scheint es, die Annahme der Kausalität aufzugeben. Dass die Welt ehernen Gesetzmäßigkeiten von Ursache und Wirkung unterliegt, gehört zu den Grundannahmen der Naturwissenschaften und gilt oft sogar als zentral für wissenschaftliche Erklärungen (bdw 2/2020, „Wo die Wissenschaft endet“). Zwar wird die Kausalität statistisch „aufgeweicht“, weil das Wissen um die konkreten Randbedingungen und Störeinflüsse begrenzt ist oder weil es sogar akausale Ereignisse in der Quantenwelt gibt – aber Letzteres ist keineswegs erwiesen, auch wenn hier häufig ein Indeterminismus propagiert wird. Doch selbst dann sind wissenschaftliche Theorien oder Beschreibungen nicht ausgeschlossen – etwa im Rahmen der Quantenkosmologie und -gravitation.

Beispielsweise könnte der Urknall eine Art Quantentunnel-Effekt gewesen sein oder eine Quantenfluktuation. Somit wäre er letztlich eine Art absoluter Zufall, der nicht weiter erklärt werden kann oder muss. Dann war er wohl nicht einzigartig – und es gibt unzählige andere, vermutlich völlig verschiedene Universen.

Oder die Kausalität gilt zwar, aber sie dreht sich gewissermaßen im Kreis: in Form einer Zeitschleife. Dann hat jedes Ereignis eine Ursache, die ganze Ereignisreihe würde sich jedoch selbst verursachen ähnlich wie der Lügenbaron Münchhausen sich am eigenen Schopf aus dem Sumpf zog. Das klingt verrückt, aber solche „geschlossenen zeitartigen Kurven“, wie Physiker sagen, sind eindeutige Lösungen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Wie realistisch diese sind und ob sie durch Quanteneffekte nicht unweigerlich zerstört werden, das heißt instabil wären, wird kontrovers diskutiert. Im Prinzip können Zeitschleifen die Singularitätstheoreme jedenfalls austricksen, und das hat einen ganz eigenen Charme.

So wurde zum Beispiel spekuliert, dass es ursprünglich nur eine winzige Zeitschleife gegeben hat – und daher keine erste Ursache und kein erstes Ereignis, also strenggenommen keinen Anfang, sondern ein sich selbst kreierendes Miniuniversum. Als diese seltsame Schleife zusammenbrach, erzeugte sie den (oder einen) Urknall und den Beginn einer linearen Zeitrichtung (bdw 10/2004, „Wie sich das Universum selbst erschuf“). Oder die gesamte Geschichte des Universums läuft in sich selbst zurück, sodass die Raumzeit quasi einen Ring ohne Anfang und Ende bildet (siehe Artikel „Im Ring der Zeit“).

Ideenfülle und Datenmangel

Die Vielfalt der Modelle und Szenarien zur Erklärung des Urknalls, seiner denkbaren Ursachen und den physikalischen Zuständen davor ist verwirrend. Ob eine dieser Hypothesen in die richtige Richtung deutet und unser Verständnis vom Kosmos vertieft, bleibt vorläufig unklar. Vielleicht fehlt es schlicht an wichtigen Informationen, weil fundamentale physikalische Effekte noch unbekannt sind; oder niemand hatte bislang die entscheidende Einsicht, um die bereits vorhandenen Puzzleteile zu ordnen. Unumstritten ist, dass die astronomischen Daten nicht ausreichen. Und möglicherweise wird erst eine Theorie der Quantengravitation das Rätsel lösen. Dazu gibt es zwar bereits einige kluge Ansätze – doch welcher davon, wenn überhaupt, weist den Weg?

Die Situation ist also unübersichtlich. Daher probieren Kosmologen viele Ideen aus. Und dies ist, mitsamt physikalisch begründeten Spekulationen, momentan auch der am meisten versprechende Ansatz. Die Geschichte der Wissenschaften hat gezeigt, dass sich in einem kreativen intellektuellen Chaos mit der Zeit neue Pfade durch den Dschungel des Nichtwissens herausschälen. Dann lichtet sich das Dickicht. Und oft erscheint der Weg zur Wahrheit im Rückblick geradezu zwingend. Vielleicht wird ein solcher Rückblick sogar bald den Anfang der Zeit erkennen – oder eine Zeit vor dem Urknall erschließen.