Ewige Evolution

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 Naturgeschichte mit Anfang und Ende, und sie stellen diesem kosmischen Wimpernschlag Gottes Ewigkeit entgegen.

+++ 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 manche 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 physikalischen Kosmologie. Eigentlich ist es ein Abwicklungsgedanke, denn die Entropie macht alles gleich und zerstört jede Ordnung. Robert Clausius, William Thomson (Lord Kelvin), Hermann von Helmholtz und andere spekulierten über einen unausweichlichen „Wärmetod” des Universums. Erst dann, im absoluten Zerfall, wäre der Kosmos wirklich konstant, so die Hypothese.

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 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 Abbé Georges Edouard Lemaître 1927 das Problem erneut aufgegriffen hatte, fand Friedmanns Leistung allmählich die gebührende Beachtung. Allerdings war der Mathematiker bereits 1925 an Typhus gestorben. Lemaître 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 1970er- und 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 Zufälle waren demnach schon auf der Ebene der Elementarteilchen, Kräfte und Naturkonstanten entscheidend, die auch ganz anders hätten werden können. Das hebt die Naturgesetze zwar nicht auf, schmälert aber ihre Bedeutung und könnte sie einschränken. Möglicherweise entwickeln sie sich auch – und die Naturkonstanten sind nicht konstant, sondern über lange Zeiträume hinweg variabel. Für Erklärungen bleiben Naturgesetze unerlässlich, aber sie 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 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 Volumenzunahme. 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 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 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 Eigenschaften 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 Wissenschaftspolitiker 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.

„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 Technischen Universität München. Dort ist der interdisziplinäre hochkarätige Forschungsverbund angesiedelt. Er kooperiert mit der Europäischen Südsternwarte, dem Maier-Leibnitz Laboratorium und dem Halbleiterlabor der Max-Planck-Gesellschaft sowie den Max-Planck-Instituten für Extraterrestrische Physik, für Astrophysik und für Plasmaphysik. Der zweite Hochschulpartner im Cluster ist die Ludwig-Maximilians-Universität München, die sich mit ihrer Physik-Fakultät und der Universitätssternwarte beteiligt. Im Juni 2008 veranstaltete das Konsortium im Kloster Irsee im Allgäu eine Konferenz über die 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 Reionisa- tion einhergehende Ende des sogenannten Dunklen Zeitalters war die zweitletzte große Veränderung des gesamten Alls. Sie war etwa eine Milliarde Jahre nach dem Urknall abgeschlossen. Die letzte große Veränderung begann vor ungefähr fünf Milliarden Jahren. Seither dehnt sich der Weltraum wieder schneller aus, nachdem die Expansion zuvor durch die Materie gebremst wurde. Diese bis heute beschleunigte Expansion ist eines der größten Rätsel der modernen Kosmologie. Denn niemand 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 oder anderen stabilen Elementarteilchen im Abstand von Myriaden von Lichtjahren. Aber bis diese absolute Ödnis eintritt, wird noch sehr viel Zeit vergehen – nach verschiedenen Modellen über 10100 bis vielleicht 1010 Jahre. (Um diese doppelte Hochzahl auszuschreiben, wäre selbst das ganze beobachtbare Universum viel zu klein.)

Doch wenn die Dunkle Energie kein Hirngespinst der Wissenschaftler ist, sondern besondere Eigenschaften hat, wird sie zu neuen Phasenübergängen führen. Denn in sehr langen Zeiträumen geschieht aufgrund von quantenphysikalischen Zufällen auch sehr Unwahrscheinliches. Dazu gehört sogar die Entstehung neuer Universen aus einem neuen Urknall und mit einem identischen Weltverlauf. Buchstäblich alles müsste sich dann exakt wiederholen – einschließlich dieses Satzes. Aber auch alle möglichen Varianten wären denkbar, und zwar unendlich oft.

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 1010 Jahre. 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 zeitsymmetrisch 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. ■

Von Rüdiger Vaas