Ewiges Leben im Universum?

Physik der Unsterblichkeit, ewige Wiederkehr und eine unendliche Zahl an Doppelgängern von jedem von uns: Kosmologen entwerfen kühne Theorien über fernste Räume und Zeiten. „Man muß sich beeilen, wenn man noch etwas sehen will. Alles verschwindet.” Diese Bemerkung des französischen Malers Paul Cezanne stammt zwar aus dem ausgehenden 19. Jahrhundert, hat aber geradezu visionäre Kraft. Denn die neuen Erkenntnisse der Kosmologie deuten darauf hin, daß künftig tatsächlich immer mehr vom Universum aus unserem Blick verschwinden wird – weil es sich auflöst oder hinter den Horizont des Beobachtbaren entweicht. Zugleich nimmt die verfügbare Energie ab, und das bedroht die Existenz aller Lebensformen im All. Bis dahin werden noch Äonen vergehen. Doch Kosmologen zerbrechen sich bereits heute den Kopf darüber, ob dieses Ende unvermeidlich ist. Die Zukunft des Universums hängt vor allem davon ab, ob – und wie schnell – der Weltraum sich immerfort ausdehnt und ob er unendlich ist. Beide Fragen lassen sich noch nicht definitiv beantworten. Aber die aktuellen Forschungsergebnisse legen nahe: Wir leben in einem unendlich großen Universum, dessen Expansion niemals aufhören wird. Dafür sprechen die Temperaturmuster in der Kosmischen Hintergrundstrahlung – jener Flut von Photonen, die aus dem Feuerballstadium des frühen Universums übrig geblieben sind und noch heute das All durchfluten – sowie die aktuellen Messungen der Materie und der Energie im Universum (bild der wissenschaft 7/2001, „Die mysteriöse Dunkle Energie”). Dann ist die Zukunft des Universums wahrlich düster: Die Sterne strahlen nicht ewig, und der Rohstoff für neue Sonnen ist begrenzt. In etwa 100 Billionen Jahren, wenn das Weltall 10000mal älter ist als heute, gehen buchstäblich die Lichter aus. Nur finstere Sternleichen – Schwarze Zwerge, Neutronensterne und Schwarze Löcher – treiben dann durchs All. Selbst wenn unsere fernen Nachkommen – falls es welche geben sollte – das Ende der Sonne in etwa sieben Milliarden Jahren überleben und die Milchstraße besiedeln könnten, ginge ihnen allmählich die Energie aus. Sogar die Materie wird wohl zerfallen und die Schwarzen Löcher verdampfen (bild der wissenschaft 6/1999, „Die sechs Epochen der Ewigkeit”). Die neuen Erkenntnisse der Kosmologen werfen ein weiteres Problem auf: Viele Beobachtungen deuten darauf hin, daß sich das Weltall nicht nur fortwährend, sondern auch immer schneller ausdehnt. Der Raum zwischen den Galaxienhaufen – die nicht durch die Schwerkraft zusammengehalten werden wie etwa die Galaxien selbst – wächst folglich so rasant, daß sie im Lauf der Zeit jeglichen Kontakt verlieren. Selbst das Licht ist nicht schnell genug, um die dunklen Abgründe noch zu überwinden. Deshalb werden alle intelligenten Zivilisationen weder Energie noch Licht oder andere Signale aus dem Weltraum jenseits ihres Galaxienhaufens mehr empfangen können. Diese kosmische Isolation kommt zwar erst nach dem Tod unserer Sonne, aber viel früher als das Ende aller Sterne: schon dann, wenn unser Universum ungefähr 200mal älter ist als heute. Künftige Astronomen werden sich also beeilen müssen, um noch Kunde vom fernen Kosmos zu erhaschen, bevor das letzte Licht verschwindet – passend zum Cezanne-Zitat. „Dann sind wir auf einer kleinen kosmischen Insel mit nichts um uns herum als dunkler, leerer Raum – eine trostlose Aussicht”, sagt Freeman J. Dyson vom Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey – ein Pionier der Erforschung des Kosmos und Lebens in ferner Zukunft. „Zivilisationen, die auf eine so kleine Insel beschränkt sind, können mit begrenzter Energie nicht überleben.” Selbst immer weiter ausgreifende extragalaktische Energiebeschaffungsmaßnahmen nach dem Ende der Sterne wären zum Scheitern verurteilt – die Expansion liefe ihnen davon. Hinzu kommt, daß ein beschleunigt expandierendes Universum aufgrund seiner Vakuumenergie nicht beliebig kalt werden kann. Die für jeden technischen und jeden Lebensprozeß notwendige Abwärme könnte nicht mehr abfließen – Informationsverarbeitung und Stoffwechsel gleich welcher Form würden dann unmöglich, denn das Energie- und Wärmegefälle, das Motor allen Lebens ist, gliche sich aus. Die kosmischen Aussichten sind also im unmittelbaren wie im übertragenen Sinn düster. Der Zerfall und damit die Maximierung der Entropie – das physikalische Maß für die Unordnung eines Systems – erscheinen unaufhaltsam. Doch jüngst haben Kosmologen einige abenteuerliche Möglichkeiten entdeckt, warum das große Sterben vielleicht trotzdem nicht überall stattfindet. Der Schlüssel dazu wäre die Unendlichkeit des Weltraums und eine ihm womöglich innewohnende Verjüngungsfähigkeit. Viele dieser spannenden und mitunter ziemlich paradox anmutenden Spekulationen stammen von Alexander Vilenkin, Professor an der Tufts University in Medford, Massachusetts, und seinen Mitarbeitern. Kosmische Lotterie___________ In einem unendlich großen Universum ist der Kältetod nur eine Frage der Wahrscheinlichkeit. Denn die Entropie ist eine statistische Größe: Sie nimmt zwar statistisch gesehen unweigerlich zu, doch sie kann örtlich und zeitlich begrenzt an einzelnen Stellen im Universum zufällig auch einmal abnehmen. „Wärme strömt von einem heißeren zu einem kälteren Körper, bis die Temperaturen beider Körper schließlich gleich sind. Aus den Temperaturunterschieden läßt sich dann keine Energie mehr gewinnen. Doch manchmal kehrt sich der Wärmefluß um”, erläutert Alexander Vilenkin. Die Wahrscheinlichkeit dafür sei sehr gering, so daß man dies praktisch nie beobachtet. Aber es gebe eine endliche Wahrscheinlichkeit – wenn auch winzig klein –, daß solche Fluktuationen geschehen. „Das wird auch in ferner Zukunft so sein, und Kraftwerke mancher künftigen Zivilisationen werden davon profitieren. Solange dies geschieht, werden sie nicht ohne Energie dastehen. Ich muß aber betonen, daß wir hier über wirklich astronomisch kleine Wahrscheinlichkeiten sprechen – viel kleiner als die Chancen dafür, daß ein Affe durch zufälliges Tippen auf der Schreibmaschine das Drama ‚Hamlet‘ hervorbringt.” Diese winzige Wahrscheinlichkeit ist für einen Visionär vom Schlage Vilenkins freilich kein Gegenargument. Denn wenn das Universum unendlich groß ist, werden solche Ereignisse zwangsläufig irgendwo ablaufen. Das ist eine der frappierendsten und paradox anmutenden Konsequenzen der Unendlichkeit: Was im Rahmen der Naturgesetze nicht unmöglich ist, so gering die Chancen dafür auch sein mögen, wird geschehen – sogar unendlich oft. In Anbetracht der Unendlichkeit ist die Winzigkeit der Wahrscheinlichkeit also nicht relevant. Eine plötzlich irgendwo auftretende Entropie-Umkehr wäre eine Art kosmischer Lotteriegewinn, der die Lebensaussichten der Glücklichen, die sie nutzen könnten, beträchtlich erhöhen würde. Freilich werden unsere fernen Nachkommen höchstwahrscheinlich nicht zu den Glücklichen gehören – die Statistik spricht gegen sie. Aber anderswo ginge es immerhin weiter. „Die Wahrscheinlichkeit ist endlich für jedes endliche Zeitintervall, und deshalb sollte es eine unendliche Zahl von Regionen im Universum geben, wo die Möglichkeit zur Wirklichkeit wird”, sagt Vilenkin. Eine Überlebensgarantie für alle Ewigkeit sei dies aber nicht: „Für eine unendliche Zeit wird die Wahrscheinlichkeit null, daher läßt sich hier keine Aussage mehr machen.” Das Produkt von Null mal unendlich ist mathematisch nämlich nicht definiert – und auch nicht definierbar, weil es sonst zu Widersprüchen käme. Das Lotterie-Universum als Konsequenz der Unendlichkeit mutet schon einigermaßen bizarr an. Doch aus der Unendlichkeit des Weltraums lassen sich noch wesentlich seltsamere Schlußfolgerungen ziehen – und Vilenkin hat das auf die Spitze getrieben. Doppelgänger-Welten_______ Unser heutiges Universum ging aus einem heißen Meer aus Strahlung und Elementarteilchen hervor, die mit dem Urknall entstanden sind. Ungefähr 300 000 Jahre danach hatte sich das All aufgrund seiner Ausdehnung soweit abgekühlt, daß die Atomkerne die freien Elektronen einfangen konnten und Materie und Strahlung sich entkoppelten – das Universum wurde durchsichtig. Damals war das Weltall noch fast gleichförmig. Das beweist die außerordentliche Homogenität der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Im Lauf der Jahrmilliarden haben sich aus winzigen, zufälligen Verdichtungen in der fast gleichförmig verteilten Materie Sterne und Galaxien zusammengeballt (bild der wissenschaft 5/2001, „Die kannibalische Milchstraße”). Allmählich wurden schwerere Elemente im Inneren von Sternen erbrütet: Rohstoff für die Entstehung von Planeten und schließlich auch Lebensformen. So entwickelten sich im Lauf der Zeit viele unterschiedliche lokale „Geschichten” – durch Ursache und Wirkung miteinander zusammenhängende physikalische Abläufe. Die Geschichte unserer Erde einschließlich unserer selbst ist nur ein Beispiel von unzähligen solchen Ereignisfolgen im Universum. Doch wie viele solcher Geschichten sind möglich? Und wie viele davon ereignen sich wirklich? Beim Nachdenken über diese Fragen im Rahmen von Physik und Kosmologie kam Alexander Vilenkin zu einem erstaunlichen Ergebnis: Auch wenn das Universum unendlich groß ist, so ist die Anzahl der unterschiedlichen Geschichten seit dem Urknall doch endlich. Und wenn unser Universum unendlich groß ist, wiederholt sich jede einzelne Geschichte unendlich oft. Mehr noch: Auch alle möglichen ähnlichen Geschichten ereignen sich – und zwar ebenfalls unendlich oft. „Wenn man knapp einem Unfall entkommen ist, dann waren die Doppelgänger anderswo mit nahezu derselben Vergangenheit weniger glücklich. Und es gibt unendlich viele Regionen im Universum, in denen Al Gore der Präsident der USA ist und Elvis Presley noch lebt.” Vilenkin begründet diese verblüffenden Überlegungen folgendermaßen: Ein unendliches Universum besteht aus unendlich vielen O-Regionen. „Der Buchstabe O steht für ,observable‘ (beobachtbar). Jede O-Region ist eine endliche Region in Raum und Zeit, vergleichbar mit dem beobachtbaren Teil des Universums.” Andere Bereiche des Universums, die so weit weg sind, daß die Zeit noch nicht reichte, um mit ihnen in Wechselwirkung zu treten, sind für uns unbeobachtbar (siehe Kasten „Rückblickszeit und getrennte Welten” auf der nächsten Seite). „Könnten die Geschichten sich beliebig fein voneinander unterscheiden, wäre ihre Zahl in einer endlichen O-Region unendlich. Denn eine Beschreibung physikalischer Abläufe kann im Rahmen der klassischen Physik beliebig detailliert sein.” Doch die Quantenphysik, die für die Vorgänge im atomaren und subatomaren Bereich zuständig ist, setzt hier Grenzen. Nicht jede beliebige Genauigkeit ist gemäß dieser Gesetze möglich. „Wenn sich zwei Geschichten zu ähnlich sind, können sie aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation prinzipiell nicht unterschieden werden.” Vilenkins Folgerung: „Die Zahl der verschiedenen Geschichten in einer endlichen Region von Raum und Zeit ist endlich.” Das hieße aber, wenn Vilenkin recht hat: Alles, was im Rahmen der Naturgesetze bislang in unserem Universum möglich war, hätte sich auch ereignet – und zwar unendlich oft. Dieser Artikel, den Sie, lieber Leser, gerade vor Augen haben, wäre dann schon unendlich oft – unabhängig voneinander – geschrieben und gedruckt worden. Es gäbe auch unendlich viele Versionen mit mehr Druckfehlern als in diesem Heft. Und Sie selbst wären nur in unserer begrenzten Region des Universums einmalig. In unendlich vielen anderen O-Regionen würden Sie jetzt vielleicht ebenfalls ungläubig den Kopf schütteln oder mit Schrecken an die unendlich vielen Steuererklärungen und Verkehrsstaus dort draußen denken. Ob diese Unendlichkeit der Doppelgänger wirklich existiert, ist im Augenblick nicht beweisbar. Trotzdem lassen sich Vilenkins Überlegungen nicht einfach als windige Gedankenspielereien abtun. Wenn seine Prämissen zutreffen – die Unendlichkeit und Homogenität des Universums und die Gültigkeit der Quantentheorie – , drängt sich die Wahrheit der Schlußfolgerungen auf. So verwundert es nicht, daß manche Kosmologen vor den Konsequenzen eines unendlichen Universums zurückzucken. Wolfgang Priester von der Universität Bonn beispielsweise wird nicht müde zu betonen, daß die bisherigen Beobachtungsdaten nicht genau genug seien und sich auch mit einem zwar unbegrenzten, aber endlichen Kosmos vereinbaren ließen, „mit einer endlichen Anzahl von Sternen und Galaxien”. Dann gäbe es zwar keine Doppelgängerwelten – aber auch kein ewiges Leben. Doch womöglich vermag das Universum sich selbst zu erneuern? Recycling-Universen_________ Nach einer spekulativen, aber von vielen Kosmologen favorisierten Hypothese hat sich das Universum für einige Sekundenbruchteile nach dem Urknall „exponentiell” ausgedehnt – mit vielfacher Überlichtgeschwindigkeit. Das ist kein Widerspruch zur Relativitätstheorie, da sich dabei nicht Dinge im Raum schneller als das Licht bewegten, sondern der Raum selbst es war, der überlichtschnell expandierte. Diese „Inflations-Ära” (lateinisch „inflare” = aufblähen) kam zu einem jähen Ende – etwa 10-34 Sekunden nach dem Urknall, als die einst vereinheitlichte Naturkraft sich in die heute getrennten vier Wechselwirkungen aufzuspalten begann. Doch diese zwar kurze, aber heftige Aufblähung des Weltraums hat den Theoretikern zufolge die heute beobachtbare Gleichförmigkeit des frühen Universums erst ermöglicht. Dafür sprechen auch jüngste Vermessungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung (bild der wissenschaft 6/2001, „ Die flache Welt”). Alexander Vilenkin hat bewiesen, daß diese Inflation, wenn sie wirklich stattfand, immer nur lokal aufhört: Dort bilden sich riesige Bereiche des uns vertrauten Weltraums aus; Vilenkin nennt sie „thermalisierte Regionen”. Unser gesamtes beobachtbares Universum ist nur ein winziger Bereich einer einzigen – womöglich unendlich großen – thermalisierten Region. Das „falsche Vakuum” zwischen diesen Bereichen expandiert dagegen weiterhin exponentiell und kann immer neue thermalisierte Regionen hervorbringen. Vilenkin spricht von „ewiger Inflation”. Diese endlose Aufblähung mit immer neu sich herauskristallisierenden, womöglich unendlich großen Teiluniversen übersteigt das menschliche Vorstellungsvermögen. Doch Vilenkin fügt diesen Unermeßlichkeiten noch eine weitere hinzu: In einem Universum, das sich durch die von Albert Einstein eingeführte Kosmologische Konstante beschleunigt ausdehnt (bild der wissenschaft 6/1999, „Neue Beweise für ein explodierendes All” ), gibt es eine gewisse Wahrscheinlichkeit dafür, daß sich aufgrund eines Quantentunneleffekts aus der Raumzeit Blasen ausstülpen und abnabeln. „Jede dieser exponentiell expandierenden Blasen entwickelt sich zu einem Universum mit seiner eigenen ewigen Inflation. Es bildet unendlich viele thermalisierte Regionen aus, mit unendlich vielen Galaxien. Auch aus diesen Regionen können sich neue inflationäre Blasen abspalten, aus diesen wieder welche und so weiter.” Wie Hefezellen sprießen die Universen aus diesem seltsamen kosmischen Teig. Vilenkin hat für die Ganzheit dieser endlosen Reproduktionskette den Begriff „Recycling-Universum” geprägt. Das Recycling-Universum hat ihn und drei seiner Mitarbeiter auf die abenteuerliche Idee gebracht, ob man nicht Botschaften an künftige Zivilisationen in anderen thermalisierten Regionen in den neuen kosmischen Blasen senden könnte. Zwischen den thermalisierten Regionen innerhalb eines Universums ist dies unmöglich, weil die Inflation des falschen Vakuums dazwischen jeder Botschaft gleichsam davonläuft. Außerdem kann nichts die Raumzeit-Grenzen einer thermalisierten Region erreichen oder gar überwinden, da diese gewissermaßen den Urknall und das Ende der Inflation dieser thermalisierten Region darstellen. Doch die Teiluniversen, die sich in der Zukunft einer thermalisierten Region befinden, sind theoretisch erreichbar. „Hinreichend stabile Container vorausgesetzt, könnten wir diesen jungen Universen Botschaften schicken, wenn diese zufällig in eine sich neu bildende Blase geraten”, haben Vilenkin und seine Mitarbeiter überlegt. „Die Adressaten könnten es später genauso machen, und so würde sich ein immer weiter verzweigendes kosmisches Informationsnetz herausbilden. Damit wären unsere Erkenntnisse mit dem Sterben unseres Universums nicht für immer verloren.” Mit Überschlagsrechnungen haben sich die phantasievollen Kosmologen ihre Hoffnung jedoch zunichte gemacht. Die Abschätzungen zeigen, daß die Aussichten für eine solche transkosmische Einbahnstraßen-Kommunikation nicht gerade vielversprechend sind. Denn die Quanteneffekte gebären nicht nur neue Blasen, sondern auch Schwarze Löcher – und zwar unermeßlich viel mehr als Blasen. „Die Botschaften werden deshalb praktisch sicher von Schwarzen Löchern verschluckt.” Um überhaupt eine Chance zu haben, müßte man weitaus mehr Container abschicken, als es Atome im beobachtbaren Weltraum gibt. Freilich: Wenn sich die Geschichten im Universum wiederholen, wäre eine kosmische Flaschenpost ohnehin unnötig. „Wenn es die Naturgesetze nicht verbieten, werden in einer O-Region alle möglichen Botschaften ankommen oder zufällig entstehen – auch jeder mögliche Unsinn”, sinniert Vilenkin. Das ist aber nur die eine Konsequenz. Die andere ist viel weitreichender: „Wenn das Szenario vom Recycling-Universum korrekt ist, gibt es tatsächlich ewiges Leben – in dem Sinn, daß Leben niemals überall endet.” Daraus folgt weder die individuelle Unsterblichkeit noch eine lebensfreundliche Fortdauer unserer eigenen O-Region. Aber womöglich wird es immer irgendwo und irgendwann Doppelgänger von uns geben – exakte Duplikate, die über einen bild der wissenschaft-Artikel namens „Ewiges Leben im Universum?” nachdenken. Angesichts dieser kühnen kosmischen Aussichten, der Überfülle von Welten und endlosen Wiederholungen stellt sich beim Betrachter leicht ein Gefühl des Schwindels und der Absurdität ein. Selbst Alexander Vilenkin ist davon nicht frei: „Ich muß zugeben, daß mich die ganze Sache etwas deprimiert. Ich würde das Leben unserer Zivilisation gerne als einzigartigen und kreativen Prozeß begreifen, so daß das, was wir tun, wirklich eine Rolle spielt. Das paßt nicht gut zu dem Bild, daß alle möglichen Geschichten ablaufen und sich unsere eigene Geschichte unendlich oft wiederholt. Doch es ist dumm”, tröstet sich der Kosmologe angesichts seiner irritierenden Überlegungen, „sich über das Universum aufzuregen.” Kompakt Lesen Fred Adams, Greg Laughlin DIE FÜNF ZEITALTER DES UNIVERSUMS Deutsche Verlags-Anstalt, 2000, DM 39,80 Nikos Prantzos OUR COSMIC FUTURE Cambridge University Press, 2000, $ 19,96 J. Garriga, V. F. Mukhanov, K. D. Olum, A. Vilenkin: Eternal inflation, black holes, and the future of civilizations. In: International Journal of Theoretical Physics, 2000, Bd. 39, S. 1887–1900 J. Garriga, A. Vilenkin: Many worlds in one. In: Physical Review D (im Druck) Rüdiger Vaas