Das Ende der Zukunft

Aus physikalischer und kosmologischer Perspektive kann die Zeit irgendwann einfach aufhören – nach und nach oder aber ganz plötzlich. „Mein Thema lässt sich in drei Worte fassen: Die Zeit endet.” So begann John A. Wheeler von der University of Texas in Austin 1981 einen Vortrag in München. Er meinte damit den Zusammenbruch der Zeit in zweierlei Hinsicht: einerseits lokal, also an vielen verschiedenen Orten, und andererseits global, das heißt für das Universum insgesamt. Heute, über drei Jahrzehnte später, stimmen immer mehr Physiker und Kosmologen Wheeler zu – und doch erscheint die Zeit nicht mehr als dieselbe wie damals. Außerdem wurden einige weitere „Todesarten” von ihr entdeckt, während Wheelers Abgesang womöglich verfrüht war. Der 2008 verstorbene John Archibald Wheeler war einer der bedeutendsten Physiker des 20. Jahrhunderts. Er forschte mit Niels Bohr über Kernspaltung, leistete bahnbrechende Arbeiten zur Relativitäts- und Quantentheorie und prägte grundlegende Begriffe wie „Schwarzes Loch” und „Wurmloch”. Er hat den Urknall und den Gravitationskollaps als „die beiden Tore der Zeit” bezeichnet: „ Das erste Tor bedeutet, dass es eine Zeit gibt, vor der keinerlei Vorher existiert. Das zweite Tor bedeutet, dass es eine Zeit gibt, nach der es keinerlei Nachher gibt.” Die Zeit, so Wheeler, „ ist weder Musik, noch Taktmesser noch Trommelschlag” der Welt, sondern eher ihr Sklave, und sie endet mit ihr. Wheeler identifizierte einen Gravitationskollaps als künftige Todesursache der Zeit. Im lokalen Fall brechen Zeit und Raum im Zentrum Schwarzer Löcher zusammen. Diese finsteren Gräber bilden sich aus den Kernen zusammengestürzter Sterne. In ihrem Inneren wird alles zermalmt – Materie, Energie und sogar die Dimensionen. Obwohl die Zeit außerhalb der Schwerkraftschlünde weiterläuft, müsste sie in ihnen doch zu Ende kommen – zumindest im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie: Albert Einsteins Feldgleichungen spucken hier unendliche Werte für Krümmung, Dichte und Temperatur aus, während Raum und Zeit zur Nullstelle werden. Eine solche Singularität markiert nicht nur das Ende der Zeit, sondern der klassischen Physik überhaupt. Das grosse Zermalmen Im zweiten Fall, den Wheeler ansprach, ist das ganze Universum eine Art Schwarzes Loch. Zwar dehnt sich der Weltraum gegenwärtig aus, doch irgendwann könnte die Expansion zum Stillstand kommen und sich dann umkehren. Daraufhin würden sich die Galaxien wieder annähern, die kosmische Temperatur stiege, bis sie schließlich die der Sterne überträfe, worauf diese sich auflösen würden, wie dann auch die Materie. Schließlich müsste alles in einem brachialen Endknall implodieren, sodass sich der Weltraum selbst verschlingen und zusammen mit der Zeit verschwinden würde. Kosmologen nennen dieses furiose Finale „Big Crunch” – das große Zermalmen. Ob es tatsächlich dazu kommen wird, ist allerdings fraglich – und inzwischen unwahrscheinlicher als noch zu Wheelers Zeiten. Für einen Zusammensturz des Universums muss nämlich mindestens eine der folgenden Bedingungen erfüllt sein: · Die durchschnittliche Materiedichte im All ist größer als ein kritischer Grenzwert von etwa fünf Protonen pro Kubikmeter. Das klingt wenig. Es ist aber mindestens das Dreifache dessen, was sich Astronomen zufolge im Weltraum befindet – nicht nur an leuchtender Materie, vor allem an Gas und Sternen, sondern auch an der ominösen Dunklen Materie, die wahrscheinlich aus noch unbekannten Elementarteilchen besteht. Kurzum: Die vorhandene Masse wird die Ausdehnung des Alls nicht zur Umkehr zwingen. · Die Energiedichte des Vakuums ist negativ. Das hat zur Folge, dass der Raum einen inneren „Sog” entwickelt und sich in sich selbst zurückzieht. Allerdings wurde 1998 entdeckt – und gerade erst mit einem Nobelpreis gekrönt –, dass sich das Weltall nicht immer langsamer ausdehnt, wie es aufgrund der bremsenden Wirkung der Materie eigentlich zu erwarten ist, sondern immer schneller. Die beliebteste Erklärung dafür ist eine positive Energiedichte des Vakuums, die antigravitativ wirkt. Allerdings weiß niemand, was sich hinter dieser mysteriösen Dunklen Energie verbirgt. Der einfachste Kandidat ist die von Albert Einstein eingeführte Kosmologische Konstante. Spekulativen physikalischen Modellen zufolge könnte die Vakuumenergie aber eines Tages auch negativ werden. Dann würde sich das Universum irgendwann selbst aus der Welt schaffen, wenn auch erst in Trillionen Jahren, wie etwa Alex Vilenkin von der Tufts University vermutet. · Noch unbekannte physikalische Effekte sorgen für einen Kollaps. Das folgt etwa aus manchen Theorien einer modifizierten Relativitätstheorie sowie aus bestimmten Modellen für die Dunkle Energie oder von kollidierenden Universen. Die astronomischen Indizien dafür sind aber bislang unzureichend. Es gibt allerdings eine bestürzende Möglichkeit: die schlummernde Gefahr eines Phasenübergangs des Vakuums. (Physiker sprechen von einem „Vakuum”, auch wenn das Universum kein absolut leerer Raum ist.) Falls der physikalische Zustand unseres Universums „metastabil” ist, kann er „zerfallen” beziehungsweise in einen energieärmeren „Grundzustand” tunneln (siehe Grafik „Der Große Zerfall”). Das wäre nicht unbedingt das Ende von allem, aber doch das Ende der Zeit, wie wir sie kennen. Der Zusammenbruch des Vakuums könnte jedoch genauso gut in einen Big Crunch münden – unter bestimmten Voraussetzungen sogar schon in wenigen Dutzend Millionen Jahren. Mit dieser gleichermaßen schockierenden wie überraschenden Voraussage machten Raphael Bousso von der University of California in Berkeley und seine Kollegen kürzlich von sich reden. Stimmt sie, wäre das Ende aus kosmologischer Perspektive betrachtet wirklich nah – sogar unsere Sonne könnte dann noch scheinen. Wenn wirklich alles zu einem Big Crunch führt, bedeutet dies allerdings nicht notwendigerweise das totale Ende der Zeit. Denn wie die Schwarzen Löcher ist der Endknall zwar eine physikalische Extremsituation, aber nicht unbedingt eine Raumzeit-Singularität. Diese ist zunächst nur eine mathematische Grenze der Relativitätstheorie – das heißt streng genommen kein Gegenstand der Physik und kein Objekt der Natur, sondern das Artefakt einer über ihren Anwendungsbereich hinaus strapazierten Theorie. Die Natur muss sich hier also keineswegs selbst abschaffen, bloß weil die Relativitätstheorie versagt – oder besser: ihre Gültigkeitsgrenze anzeigt. Nötig ist nur eine bessere Theorie. Eine solche Theorie der Quantengravitation müsste die Relativitätstheorie mit dem anderen Grundpfeiler der modernen Physik verbinden: der Quantentheorie. Sie beschreibt das Reich des Allerkleinsten und verträgt sich nicht mit Einsteins Feldgleichungen, weil diese kontinuierlich sind, Quantenprozesse aber sprunghaft ablaufen, gewissermaßen portioniert. Das gilt nicht nur für Strahlung, Teilchen und Felder, sondern vermutlich auch für Raum und Zeit. Denn aufgrund der von Werner Heisenberg entdeckten Unschärferelation ist nichts beliebig genau bestimmbar und bestimmt in der Natur. Auf der Planck-Skala, die Max Planck, der Begründer der Quantentheorie, bereits 1899 beschrieben hat, müssten Raum und Zeit daher „körnig” werden. Diese Skala ist freilich extrem winzig: Sie hat eine Größenordnung von 10–35 Metern und 10–43 Sekunden. Wenn die Extrapolationen stimmen, dann sind Zeit und Raum also nicht beliebig teilbar – genau wie Strahlung und Materie –, sondern sie sind unscharf, werfen gleichsam Falten, wabern und zucken ruckartig. Wheeler hat das „Raumzeitschaum” genannt. Die gequantelte Raumzeit markiert streng genommen auch ein Ende der Zeit – oder zumindest unserer Vorstellung von ihr. Sie ist eben kein fundamentales Kontinuum, sondern hat gleichsam einen kleinsten Takt, in dem sie tickt. Und sie scheint sich wie der Raum aus etwas Grundlegenderem zu konstituieren. Wheeler hat dafür den Begriff „Vor- oder Prägeometrie” geprägt, und er war überzeugt: „Zeit als solche kann nicht das letzte Konzept bei der Beschreibung der Natur sein. Zeit ist weder ursprünglich noch genau. Sie ist eine Schätzung. Sie ist ein sekundärer Begriff. Sie wird in ihrer Wichtigkeit irgendwann ins zweite Glied rücken.” Inzwischen haben Physiker und Mathematiker mehrere Theorien für eine solche Prägeometrie entwickelt, die Relativitäts- und Quantentheorie miteinander verbinden. Führend sind die Schleifen-Quantengravitation und die M- oder Stringtheorie (bild der wissenschaft 4/2004, „Strings gegen Schleifen”). Letztere beschreibt das Substrat der Welt samt aller ihrer Kräfte aus eindimensionalen schwingenden Saiten, den Strings, und mehrdimensionalen „Branen”, die vielleicht auch die Raumzeit selbst konstituieren. Der M-Theorie zufolge existieren neben den uns vertrauten drei großen Raumdimensionen auch noch sieben weitere, die aber „aufgerollt” sind und so winzig klein, dass sie sich vielleicht nur auf der Planck-Skala bemerkbar machen. Knoten kommen und gehen Die Schleifen-Quantengravitation ist sogar noch radikaler: Dieser Theorie zufolge ist der Raum kein dreidimensionales Kontinuum, sondern ein Netzwerk aus eindimensionalen Strukturen. Von diesem Gewebe der Welt kann man sich nur schwer eine Vorstellung machen, und seine mathematische Beschreibung stellt höchste Anforderungen. Am ehesten lässt es sich noch vergleichen mit einem Foto beispielsweise in bild der wissenschaft: Aus der Entfernung erscheint es homogen, setzt sich aber bei genauerem Hinsehen aus einzelnen Bildpunkten zusammen, ist also „ quantisiert”. Analog ist auch der Raum aus eindimensionalen Bestandteilen aufgebaut. Dieses Gewebe verändert sich ständig, einzelne Knoten lösen sich und neue entstehen. Das bringt die Zeit hervor. Doch aus dieser Quantengravitationstheorie folgt nach den Physikern Abhay Ashtekar, Carlo Rovelli und Claus Kiefer auch ein Ende der Zeit – nicht der Zeit schlechthin, aber der Zeit als eine fundamentale, auf nichts anderes zurückführbare Größe. Ähnlich haben schon andere Physiker, etwa Vesselin Petkov und H. Dieter Zeh, im Rahmen der Relativitätstheorie argumentiert: Da ihr zufolge Raum und Zeit nicht separat existieren, sondern nur in der Einheit der Raumzeit, ist die „ alte” Zeit vor Einsteins Revolution quasi längt am Ende. Es gibt sie eigentlich gar nicht. Das magische Fenster der Physik Auch wenn die gegenwärtigen Theorien der Quantengravitation noch keineswegs gesichert oder auch nur experimentell bestätigt sind, machen sie doch deutlich, wie richtig und fast schon prophetisch John Wheelers Überlegungen zu einer Prägeometrie waren. Er bezeichnete die Physik treffend als „ein magisches Fenster”: „Es zeigt uns den Schein, der hinter der Wirklichkeit liegt – und die Wirklichkeit, die hinter dem Schein liegt. Die Physik reicht viel weiter, als man sich früher vorstellen konnte. Wir sind nicht mehr damit zufrieden, nur Elementarteilchen, Kraftfelder oder gar Raum und Zeit zu verstehen. Heute verlangen wir von der Physik Einsichten in das Sein der Dinge selbst. So können wir wohl sagen, dass wir erst verstehen werden, wie einfach das Universum ist, sobald wir erkennen, wie seltsam es ist.” Immerhin: Die Annahme einer gequantelten Raumzeit verspricht eine Auflösung der Singularitäten in der Relativitätstheorie – also eine Heilung jenes schmerzhaften Stichs im Gewebe der Raumzeit. Kein Gravitationskollaps zerreißt die Raumzeit, wie Wheeler und schon Einstein befürchtet haben, sondern sie federt gleichsam zurück. Das lassen sowohl die Stringtheorie als auch die Schleifen-Quantengravitation vermuten. Was genau dabei geschieht, ist allerdings noch unklar. Aber Wheelers Tore der Zeit scheinen doch nicht ins Nichts zu führen, also ins Ende der Wirklichkeit. Entweder schwingt die Tür geradewegs zurück, oder sie mündet in eine neue Welt. So könnte „vor” dem Urknall und „ hinter” einem Schwarzen Loch ein anderes Universum beginnen – oder die komprimierte Raumzeit prallt zurück wie ein gegen die Wand geschlagener Squash-Ball. In jedem Fall würde sich die Zeit fortsetzen. Und aus dem Endknall könnte ein neuer Urknall auferstehen – wie Phönix aus der Asche. Der Big Crunch wäre also in Wirklichkeit ein Big Bounce: ein großer Rückprall und Umschwung. Die Zeit muss allerdings nicht unbedingt spektakulär verschwinden, wie im Big Crunch, oder wild zurückspringen, wie im Big Bounce. Sie könnte sich auch jämmerlich davonschleichen – indem sie allmählich ausklingt oder verlöscht. Kosmologen sprechen vom Big Whimper, dem „großen Wimmern”. Dann wäre nicht alles verschwunden, wie im klassischen Endknall, sondern es bliebe noch etwas übrig, das sich allerdings nicht verändern würde. Ein solches Szenario kann analog zum Pseudobeginn der Zeit (bild der wissenschaft 10/2004, „Der Urknall aus fast nichts”) als Pseudoende bezeichnet werden. In beiden Fällen gibt es zwar eine Mikro-, jedoch keine Makrozeit. Kennzeichnend für die Makrozeit ist ein Zeitpfeil, also irreversible Prozesse sowie eindeutige Veränderungen, und somit eine Unterscheidbarkeit von Vergangenheit und Gegenwart. In der Mikrozeit hingegen gibt es keine größeren Strukturen oder Entwicklungsrichtungen, nur zufällige Quantenvorgänge – etwa die Umwandlung von Strahlung in Teilchen und umgekehrt. In der Mikrozeit bleibt also alles in einem öden Gleichgewicht: Ein Moment ist quasi wie der andere. Öder Raum ohne Zeit Gemäß den kosmologischen Szenarien mit einem Pseudobeginn war der Urknall der Anfang der Zeitrichtung, aber nicht der Anfang von allem. Beispielsweise könnte er sich als zufällige Schwankung in einem Quantenvakuum ereignet haben oder als Zusammenbruch einer Zeitschleife. Ein Pseudobeginn markiert also den Ursprung der Makrozeit, jedoch keine Entstehung aus dem Nichts. Analog dazu ist das Pseudoende: Hier verschwindet nicht alles vollständig, aber die Makrozeit hört auf. Es gibt dann keine Zeitrichtung und keine Entwicklungen mehr. Entweder erstarrt das Universum, oder es wird zu einem ereignis- und strukturlosen, fast leeren Raum, in dem sich nur noch hier und da Photonen begegnen oder zufällige Quantenfluktuationen kommen und gehen. Das Ende der Zeit wäre dann das Ende der Makrozeit. Die meisten Hypothesen zur Dunklen Energie – auch die einer positiven Kosmologische Konstante – prognostizieren eine solche öde Zukunft. Demnach wird sich der Weltraum immer weiter und schneller ausdehnen – bis in alle Ewigkeit. In vielen Billionen Jahren werden die Sterne erlöschen, die Rohstoffe für neue Sonnen sind aufgebraucht, die Protonen und somit Atome zerfallen und schließlich werden sogar die Schwarzen Löcher durch Quantenprozesse verdampft sein. Wenn in dem fast leeren Raum nichts mehr geschieht und auch nichts mehr als eine Uhr fungieren kann, nicht einmal theoretisch, dann neigt sich die Zeit dem Ende zu – gemäß Albert Einsteins Bonmot „Zeit ist, was die Uhr anzeigt” . Roger Penrose von der Oxford University hat das kürzlich in seinem neuen Modell der Konformen Zyklischen Kosmologie ausgearbeitet – in dem er allerdings auch über einen Neubeginn der Zeit oder Makrozeit spekulierte (bild der wissenschaft 12/2010, „Die ewige Wiederkehr der Zeit”). Ein sich selbst entleerendes und schließlich sogar seiner Zeit beraubendes Universum mag entweder deprimierend erscheinen oder als eine Art Nirwana. Aber aufgrund von Quantenprozessen birgt es auch die Möglichkeit einer Wiedergeburt der Zeit in sich. Das folgt aus mehreren kosmologischen Modellen, nicht nur aus dem von Penrose. Doch die Dunkle Energie könnte der Zeit viel vehementer, wesentlich früher und für immer den Garaus machen. Im Extremfall zerreißt es alle Strukturen – Sterne, Moleküle, Atomkerne und schließlich die Raumzeit selbst. Ein solcher Big Rip ist nicht besonders wahrscheinlich. Aber er lässt sich als temporaler Exitus durch astronomische Messungen nicht ausschließen, falls hinter der Dunklen Energie die sogenannte Phantomenergie steckt, die die Expansion unendlich schnell werden lässt. Risse im Gewebe der Raumzeit Noch brachialer ist eine Möglichkeit, auf die Max Tegmark vom Massachusetts Institute of Technology erst vor ein paar Monaten gekommen ist, und die er Big Snap genannt hat: Dabei werden nicht nur alle Strukturen bis in den subatomaren Bereich zerfetzt, sondern das geschieht sogar mit dem Raum selbst. Wenn er, wie schon Wheeler spekulierte, eine „körnige” oder „schaumartige” Struktur hat, sollte er sich nämlich nicht unbegrenzt ausdehnen können, denn sonst müssten sich quasi neue „Raum-Atome” aus dem Nichts bilden. Tegmark verdeutlicht das mit einem Beispiel aus dem Alltag: „Da ein Gummiband aus endlich vielen Atomen besteht, wird es zerreißen, wenn man es weit genug dehnt.” Im Modell des Big Snap würde die Dunkle Energie das nicht nur mit einem Gummiband, sondern auch mit dem Raum selbst machen. „Aber im Gegensatz zum Gummiband ist unklar, was das genau bedeutet”, gibt Tegmark zu. Er spekuliert sogar darüber, dass sich der Raum nur zwischen den Galaxienhaufen auflöst, wenn es keine Phantomenergie gibt, sodass die von der Schwerkraft zusammengehaltenen Galaxien verschont würden – sie wären isolierte Inseln im „Nichts”. Dann ließe sich der Big Snap sogar überleben. Kein Entrinnen gäbe es jedoch, wenn die Dunkle Energie eine ganz bestimmte Form ihrer Zustandsgleichung erfüllt: Dann würde das Universum geradezu eine Vollbremsung machen und dabei innerlich zerschellen. Alles käme bei einem solchen Big Brake oder Big Freeze zum jähen Stillstand (bild der wissenschaft 4/2010, „Weltall in der Schockstarre”). Mikro- und Makrozeit wären abrupt abgeschnitten. Keine Uhr könnte noch ticken, kein Herz schlagen. Selbst die Schwingungen der Atome und die Vibrationen der Strings wären für immer in einer Schockstarre eingefroren. Mit den apokalyptischen Worten des Schriftstellers Theodor Fontane: „Ich seh’ es fallen, enden, / und wie alles zusammenbricht. / Ich kann den Tag nicht wenden, / aber leben will ich ihn nicht!” ■ von Rüdiger Vaas Sechs Arten des Weltuntergangs Die Zukunft des Universums hängt davon ab, ob sich der Weltraum weiter ausdehnt wie bisher. Kontrahiert das All stattdessen in ferner Zukunft, so wird es in einem Endknall zusammenstürzen, der sogar die Zeit vernichtet (1). Er könnte allerdings auch in einen neuen Urknall münden, wenn der Kollaps gleichsam „zurückschwingt” (2). Wenn die Expansion ewig weitergeht, zerfallen irgendwann selbst Protonen und Schwarze Löcher (3). Gegenwärtig wird die Ausdehnung sogar immer schneller, wodurch das Universum immer „leerer” wird (4). Vielleicht beschleunigt sie sich so stark, dass sogar alles zerrissen wird (5). Unter speziellen Bedingungen könnte die Ausdehnung aber auch jäh enden (6) – dann würde alles zerquetscht oder gefrieren, und nichts veränderte sich mehr. Wenn die Zeit zum Raum wird Ein verrückt klingendes Finale der Zeit ist ihre Umwandlung in eine vierte Raumdimension. Tatsächlich unterscheidet sich in der Relativitätstheorie die Zeit von den drei Dimensionen Tiefe, Breite und Höhe formal nur durch ein umgekehrtes Vorzeichen. Und das könnte von Minus nach Plus springen. Das haben Marc Mars von der Universität Salamanca, José Senovilla und Raül Vera von der Universität del País Vasco in Bilbao in einem Stringkosmologie-Modell ausgearbeitet. Die spanischen Physiker nehmen an, dass sich unser vierdimensionales Universum, eine 4-Bran, durch einen höherdimensionalen Raum („ Bulk”) bewegt. Wenn das immer schneller geschieht, bis zur Lichtgeschwindigkeit, dann geht damit eine Verlangsamung der Bewegungen beziehungsweise der Zeit innerhalb unseres Universums einher. Wir ähneln gewissermaßen Blattläusen auf einem Blatt, dem 4-Bran-Universum, und wenn das zu schnell flattert, können wir nicht mehr herumkrabbeln, sondern müssen uns festkrallen und schließlich bewegungslos verharren. Und nicht nur wir, sondern alles. „Dies wäre ein dramatisches Ereignis, obwohl der Bulk und auch die Bran überall regulär blieben”, sagt Marc Mars. In unserem Universum würde die Zeit in der Schockstarre eines Big Freeze enden, obwohl der von einer höherdimensionalen Perspektive aus betrachtet keine Singularität wäre. Innerhalb unseres Universums käme das Gefüge von Ursache und Wirkung ans Ende, während draußen, im Bulk, alles normal bliebe, auch die Zeit selbst. Und die Dunkle Energie wäre ein Scheineffekt, den uns die Bran-Bewegung vorgaukelt. „Wenn man annimmt, dass die Zeit mit dem Urknall begann, dann kann sie auch wieder verschwinden – das ist lediglich der umgekehrte Effekt”, kommentiert der Kosmologe Gary Gibbons, ein enger Mitarbeiter von Stephen Hawking an der Cambridge University. Hawking hatte bereits 1981 einen umgekehrten Signaturwechsel vorgeschlagen: Seinem Modell zufolge ist die Zeit im Urknall aus einer vierten Raumdimension entsprungen. Sie hätte damit nicht nur ein Ende, sondern auch einen Anfang. KOMPAKT · Das Schicksal des Universums hängt von den Werten einiger weniger kosmologischer Parameter ab, die immer genauer gemessen werden. · Je nach Materiedichte, Art der ominösen Dunklen Energie und Modifikation der Relativitätstheorie endet die Zeit langsam oder brachial: Sie klingt aus, kollabiert, wird zerrissen oder muss förmlich erstarren. Der grosse Zerfall Physiker beschreiben den Vakuumzustand unseres Universums vereinfacht mit dem Potenzial eines Feldes und dessen variablen Größen. Wenn der Zustand metastabil ist, kann er gleichsam zerfallen. Falls das All einen solchen Phasenübergang zu einem Zustand niedrigerer Potenzialenergie durchläuft, ist nichts mehr wie vorher. Dies wäre das Ende der Welt, die wir kennen – sogar die Naturkonstanten würden sich ändern, und irdisches Leben wäre unmöglich.