Was„Der Grosse Entwurf"verschweigt

„Wir leben in einem guten Zeitalter. Wir mögen zwar nur hochentwickelte Affen sein, die auf einem kleinen Planeten leben, doch wir sind in der Lage, das Universum als Ganzes zu betrachten, und das macht uns zu etwas Besonderem”, lässt Hawking seine künstliche Stimme im englischen Original auf der gerade erschienenen DVD „Geheimnisse des Universums” ertönen. „Ich kann mich zwar nicht bewegen und muss mithilfe eines Computers sprechen, aber mein Geist ist frei. Gedanklich kann ich durchs Universum reisen und mich mit seiner Geschichte befassen. Ich will herausfinden, wie das Universum funktioniert und warum es überhaupt existiert. Zum Glück gibt es überall Hinweise. Der wichtigste befindet sich direkt über unseren Köpfen.”

Hawking meint damit die Kosmische Hintergrundstrahlung aus der Frühzeit des Universums – Mikrowellen, die den ganzen Himmel erfüllen. Sie bergen subtile Nachrichten vom „Rauch des Urknalls” , aus dem auch wir entstanden sind, wie Hawking sagt. Die wispernden Botschaften vom Urknall sind winzige – nur wenige hunderttausendstel Grad messende – Temperaturschwankungen in der minus 270 Grad Celsius kalten Hintergrundstrahlung. Ihr Verteilungsmuster wird gegenwärtig von den Raumsonden WMAP und Planck mit höchster Genauigkeit vermessen (bild der wissenschaft 10/2010, „Himmlisch präzise”).

Anhand der Temperaturschwankungen der Hintergrundstrahlung lassen sich kosmologische Modelle im Prinzip widerlegen. Daher ist es wichtig, präzise Vorhersagen zu machen, bevor die Ergebnisse der Messungen vorliegen. Denn ein Modell, das die Feuerprobe überprüfter Prognosen besteht, hat gute Erfolgsaussichten. Modelle nachträglich an die Datenlage anzupassen, ist dagegen meist irgendwie möglich – und somit wenig hilfreich.

Wortkarg am entscheidenden Punkt

Stephen Hawking und seine Mitarbeiter mischen in diesem Wettstreit der konkurrierenden Weltmodelle munter mit. Denn nicht nur die populäre Wissensvermittlung wie in seinen Filmen, Sach- und Kinderbüchern ist Hawkings Anliegen, sondern nach wie vor auch die Grundlagenforschung. Seit einigen Jahren arbeitet er wieder verstärkt an einer Erklärung der Entstehung unseres Universums. Obwohl Hawkings neuer Bestseller „Der Große Entwurf” die großen Fragen nicht nur stellt, sondern auch zu beantworten verspricht, sind Hawking und sein Koautor Leonard Mlodinow bei den entscheidenden Grenzthemen erstaunlich wortkarg. Zwar skizzieren sie brillant, wie das heutige Wissen von den Naturgesetzen unser Universum weitgehend erklären kann. Doch wie es zum Urknall kam, bleibt im Buch relativ vage – trotz der Behauptung, das Universum hätte sich spontan gebildet wie eine Gasblase im siedenden Wasser. Über den entscheidenden Punkt für alles Weitere schreiben Hawking und Mlodinow wenig. Diese Wortkargheit ist verwunderlich, denn Hawking hat darüber eigentlich viel zu sagen: Rückschlüsse auf die Entstehung des Alls sind zurzeit wieder der Schwerpunkt seiner Forschung. Doch vermutlich wollten Hawking und Mlodinow ihren Lesern die diffizilen und schwierigen Überlegungen nicht zumuten – was freilich zur Folge hat, dass solche, die es genauer wissen wollen enttäuscht sein könnten.

Ebenso problematisch: Die Erklärung des Urknalls ist keineswegs so weit gediehen, wie es „Der Große Entwurf” suggeriert. Es sind nicht nur wesentliche Punkte ungeklärt oder umstritten, sondern es gibt auch konkurrierende Modelle, die sich drastisch von Hawkings Szenario unterscheiden. Kurz: Das letzte Wort ist hier noch lange nicht gesprochen. Selbst grundlegende Frage bleiben offen: Ob der Urknall nun der Anfang von allem war und nicht nur von unserem Universum. Ob mit ihm Raum und Zeit ins Dasein kamen oder ob er umgekehrt eine – wenn auch heftige – Episode in einer umfassenderen Raumzeit markierte. Und ob die Zeit endlich, ewig, kreisförmig oder eine Illusion ist oder ob sie eine Art „Pseudoanfang” besitzt (bild der wissenschaft 10/2004, „Jenseits von Anfang und Ewigkeit”). Nicht einmal in Hawkings eigenem Szenario ist das entschieden. Insofern sind einfache oder vereinfachte Botschaften zwar gut fürs Marketing und die Verkaufszahlen, aber sie erschweren eine Orientierung in unserer komplexen Welt.

AUF Der Suche nach der Weltformel

Für eine wissenschaftliche Erklärung des Universums als Ganzes sind, wie auch sonst in der Physik üblich, zweierlei Arten von Kenntnissen nötig: einerseits die der fundamentalen Naturgesetze, andererseits die der Randbedingungen. Was die Naturgesetze betrifft, scheint für ein Verständnis des Urknalls eine Theorie der Quantengravitation unerlässlich zu sein – eine Art „ Weltformel”, die die Quantenphysik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie verbindet. Dafür gibt es mehrere Vorschläge, darunter die von Hawking favorisierte M-Theorie. Aber niemand weiß, wie gut diese Theorien funktionieren, und sie lassen sich kaum praktisch testen. Hawking arbeitet mit einem vereinfachten Ansatz, der Euklidischen Quantengravitationstheorie. Sie beruht auf der Pfadintegral-Methode des Physik-Nobelpreisträgers Richard Feynman. Dieses mathematische Verfahren ist in der Quantenphysik gut etabliert. Mit ihm lassen sich alle möglichen Wege und Zustände von Teilchen aufsummieren und nach ihrer Wahrscheinlichkeit gewichten. In der Euklidischen Quantengravitation geschieht dies ebenfalls – aber im universellen Maßstab: Es wird über alle möglichen Entwicklungsgeschichten des Universums integriert. Denn obwohl wir nur eine Entwicklung beobachten, gibt es der Quantenphysik zufolge – jedenfalls nach der von Hawking favorisierten Interpretation – eine gespenstisch anmutende Überlagerung aller dieser Geschichten. Ihre Gesamtheit, die auch den Anfang des Alls einschließt, heißt Quantenzustand des Universums. Dieser globale Zustand, die sogenannte Wellenfunktion, ist die Randbedingung in einer kosmologischen Erklärung.

Randloses Universum

Stephen Hawking hat bereits 1981 eine Hypothese für den Quantenzustand aufgestellt, die Keine-Grenzen-Bedingung (KGB). Sie besagt, dass das Universum keine Grenze, keinen „Rand” hat – ähnlich wie die Erde entgegen früheren Befürchtungen der Seefahrer keinen Rand hat, über den man stürzen könnte. Der Rand des Universums wäre eine unphysikalische Anfangssingularität mit unendlicher Temperatur, Dichte und Krümmung, wie sie sich – einem berühmten Theorem Hawkings zufolge – aus der Relativitätstheorie ergibt. Doch Korrekturen durch die Quantenphysik, so die Hoffnung, sollten diese scharfe Grenze gleichsam abrunden. Erst dann ließe sich auch die Pfadintegralmethode anwenden.

Hawkings KGB macht aus der Not eine Tugend, indem sie als Randbedingung postuliert, dass die Raumzeit keine Anfangssingularität hat. „Wenn die Keine-Grenzen-Hypothese richtig ist, würden die wissenschaftlichen Gesetze überall ihre Gültigkeit behalten, auch im Anfang des Universums”, bringt es Hawking auf den Punkt. Er betont jedoch ausdrücklich, dass die KGB nur „ein Vorschlag ist: Sie lässt sich von keinem anderen Prinzip ableiten. Ihre Bewährungsprobe kommt, wenn überprüft wird, ob sie Vorhersagen macht, die mit den Beobachtungsdaten übereinstimmen.” Und genau an solchen Vorhersagen forscht Hawking zurzeit zusammen mit James Hartle von der University of California in Santa Barbara, der inzwischen wie Hawking emeritiert ist, und Thomas Hertog von der Université Paris-Diderot. HHH, wie die drei aufgrund der Anfangsbuchstaben ihrer Nachnamen zuweilen genannt werden, versuchen das Temperaturmuster der Hintergrundstrahlung zu erklären und weitere, darin noch nicht gemessene Merkmale zu prognostizieren.

Wie das ALL gross wurde

Zugleich arbeiten sie daran, das Szenario der Kosmischen Inflation mit der KGB zu vereinbaren, was sich als äußerst schwierig erwiesen hat. Durch die Kosmische Inflation, so die gängige, aber nicht unumstrittene Auffassung, hat sich der Weltraum in einem Sekundenbruchteil gigantisch aufgebläht. Wie lange diese rasante Ausdehnung währte, ist von Modell zu Modell verschieden. Oft wird angenommen, dass das junge All in 10–30 Sekunden um das 1030-Fache expandierte. Das ist so, als würde sich eine Münze vom Durchmesser eines Zentimeters auf das Zehnmillionenfache der Milchstraße vergrößern. Fest steht, dass die Inflation mindestens 50 bis 60 Verdopplungen des Volumens erzeugte, denn sonst hätte das All heute nicht die Eigenschaften, die die Beobachtungen zeigen: beispielsweise die großräumige Gleichförmigkeit seiner Materieverteilung und seine „flache” Geometrie (bild der wissenschaft 12/2001, „Modell Klassik”). Als die Inflation aufhörte, verwandelte sich ihre Energie in eine Kaskade von Teilchen – die Geburt der Materie. Und weil die Inflation kleinste Quantenschwankungen gewaltig vergrößert hatte, erzeugte sie durch Dichteunterschiede in der Urmaterie das Temperaturmuster in der Hintergrundstrahlung: Wo die Materie etwas dichter war, wurde es etwas wärmer. Diese regionalen Verdichtungen bildeten die Keime der künftigen Galaxien.

Möglich ist aber auch, dass die Inflation in alle Ewigkeit weitergeht und nur lokal aufhört – in einem Urknall. Dann wäre die Inflation nicht die Folge des Urknalls, sondern seine Ursache. Und es müsste unzählige weitere Universen „neben” unserem geben, die jeweils mit ihrem eigenen Urknall begonnen haben. Hawking hat diese Universen mit Gasblasen verglichen, die von siedendem Wasser – dem inflationierenden Raum – gleichsam ausgespuckt wurden.

Welche dieser Ideen sich bewahrheitet, kann man nicht am Schreibtisch entscheiden. Doch die verschiedenen Inflationsmodelle und die konkurrierenden Hypothesen zum Quantenzustand des Universums, darunter auch die KGB, erlauben Prognosen, die sich testen lassen – ein wichtiges Kriterium für ihre Wissenschaftlichkeit. Mehr noch: Vorschläge wie die KGB zeigen, dass sich die Urknall-Singularität im Prinzip vermeiden lässt. In den Forschungen von Hartle, Hertog und Hawking geht es also ums sprichwörtliche Ganze.

Hawkings neues weltmodell

Zunächst betrachteten die drei Forscher ein homogenes und isotropes – also auf großen Skalen gleichförmiges – Modell mit einer Kosmologischen Konstante sowie mit einem sogenannten Skalarfeld, das die gesamte Materie und Energie repräsentiert. In ihren früheren Arbeiten hatten Hawking und Hartle die Kosmologische Konstante außer Acht gelassen. Doch astronomische Messungen seither legen nahe, dass der Hauptbestandteil des Universums eine mysteriöse Dunkle Energie ist, die die Entwicklung des Universums maßgeblich beeinflusst (bild der wissenschaft 4/2010, „Das Universum ist ganz anders!”). Dafür ist die schon von Albert Einstein eingeführte Kosmologische Konstante die einfachste Erklärung, wenn sie einen positiven Wert hat. Denn der lässt sich als eine Energiedichte des Vakuums interpretieren.

Im Rahmen ihrer theoretischen Annahmen zeigten Hartle, Hertog und Hawking mithilfe der KGB und der Pfadintegral-Methode, dass ein Universum, wie wir es beobachten, eine Phase der Kosmischen Inflation durchlaufen haben muss. Das war ein Erfolg, auch wenn die Inflation mit großer Wahrscheinlichkeit zu kurz dauerte. Außerdem ergaben die Rechnungen, dass der Urknall nicht unbedingt der Anfang von Raum und Zeit war, sondern ein Übergang zu einem früheren Universum gewesen sein könnte.

In seinem Buch „Der Große Entwurf” berichtet Hawking nicht über diese aufregende Möglichkeit. „Er meint, dass dies keinen Einfluss auf unser gegenwärtiges Universum hat”, sagt Leonard Mlodinow. Wenn nämlich die Inflation lang genug angedauert hätte, wären alle Spuren aus der Zeit vorher ins Unkenntliche zerstreut worden.

Umgekehrte Zeit vor dem Urknall?

Vielleicht gelangten Informationen aus dem Vorläufer-Universum auch prinzipiell nicht zu uns. Denn seine Zeitrichtung könnte der in unserem Universum entgegengesetzt gewesen sein, haben Hartle, Hertog und Hawking herausgefunden. Diese Möglichkeit errechnete vor Kurzem in einem veränderten Modell auch Don Page von der University of Alberta im kanadischen Edmonton, der in den 1980er-Jahren bei Stephen Hawking promoviert hatte. Inzwischen haben noch mehr Forscher den Ansatz von HHH aufgegriffen. Kazuya Fujio und Toshifumi Futamase von der Tohoku-Universität im japanischen Sendai erweiterten das Modell zum Beispiel auf homogene anisotrope geschlossene Universen – also auf Räume, die nicht in allen Richtungen gleichmäßig erscheinen. Laut ihrem Modell muss ebenfalls eine Inflation stattgefunden haben.

Hartle, Hertog und Hawking sind jetzt noch einen Schritt weiter gegangen. Ihre neuen Arbeiten heißen „The No-Boundary Measure in the Regime of Eternal Inflation” und „Eternal Inflation without Metaphysics”. Sie wurden bislang noch nicht in einer Fachzeitschrift gedruckt, zirkulieren aber bereits als Vorabdruck. Darin werden auch zufällige Schwankungen des Skalarfelds berücksichtigt, die aus Sicht der Quantenphysik unvermeidlich sind. Das macht das Modell realistischer, obwohl es noch immer stark vereinfacht ist. Nach wie vor sagt es eine inflationäre Frühphase des Weltraums voraus. Das stärkt das Vertrauen in die KGB. Und die Kosmische Inflation scheint sich in diesem Szenario natürlicherweise zu ergeben. Sie wäre dann keine willkürliche Zutat.

Die neuen Modellrechnungen leisten noch mehr: Sie stellen zwei Prognosen, die sich vielleicht schon in zwei, drei Jahren überprüfen lassen. Die Voraussagen sind zwar nicht sehr präzise und – im Hinblick auf andere kosmologische Modelle – auch nicht eindeutig. Aber sie zeigen doch, dass die Anstrengungen der Kosmologen kein Glasperlenspiel sind, und sie weisen den Weg zu noch genaueren Tests.

jenseits unseres horizonts

Hartle, Hertog und Hawking haben in ihren neuen Rechnungen zwei recht wahrscheinliche und überraschende Alternativen gefunden. Die erste: Modelle mit Ewiger Inflation prognostizieren signifikante Inhomogenitäten jenseits unseres Beobachtungshorizonts. Das bedeutet, dass es dort gewaltige Materieverdichtungen oder Leerräume geben könnte und vielleicht auch ganz andere physikalische Bedingungen. Unser einsehbares All wäre dann also keineswegs typisch. Aber es müsste eine relativ lange Periode der Inflation durchlaufen haben. Das wäre zwar insofern von Nachteil, als die Spuren vom Anfang der Inflation dann wohl ins Unkenntliche zerstreut wurden – und wie die Inflation begann, wäre kaum noch zu erkennen. Der Vorteil wäre aber, dass die Temperaturschwankungen in der Kosmischen Hintergrundstrahlung ein charakteristisches Zufallsmuster besitzen müssten. Statistisch gesprochen handelt es sich um eine Gauß-Verteilung. Wenn also künftige Messungen diese Verteilung erhärten und sich auch die anderen Annahmen von Hawking und seinen Kollegen halten lassen, dann leben wir in einem sich ewig selbst reproduzierenden Kosmos, der unendlich viele Blasenuniversen erzeugt. Ein winziger Ausschnitt von einem davon ist dann alles, was wir beobachten können.

Modelle, in denen die Inflation nicht ewig weitergeht – die zweite Alternative –, haben im Szenario von Hartle, Hertog und Hawking andere Konsequenzen: Sie prognostizieren geringfügige Abweichungen von der zufälligen Verteilung der Temperaturunterschiede, die in der üblichen Karte der Hintergrundstrahlung als bunte Farbtupfer dargestellt sind. Manche Kosmologen wollen in den WMAP-Daten bereits erste Anzeichen dieser „Non-Gaussianities” erspäht haben – so genannt, weil das reine Zufallsmuster mathematisch als Gauß-Verteilung beschrieben wird. Doch eine verlässliche Aussage wird wohl erst die Planck-Mission treffen können. Wenn es so käme, dann wäre Hawking & Co zufolge das Universum überall ähnlich beschaffen – auch in Bereichen jenseits unseres Horizonts. Diese Homogenität würde sich also weit über den für uns einsehbaren Teil hinaus erstrecken.

Beide Voraussagen sind nicht nur für künftige Überprüfungen interessant, sondern auch ganz grundsätzlich. Denn sie beziehen sich auf Zeiten und Räume, die unseren Beobachtungshorizont prinzipiell überschreiten, obwohl sich innerhalb des erforschbaren Universums noch Spuren von ihnen erhalten haben könnten. Das ist eine überraschende und durchaus gute Nachricht: Das Weltall lässt sich vielleicht sehr viel weiter erforschen, als normalerweise angenommen wird. „Von lokalen Beobachtungen könnten wir Schlüsse auf die Struktur des Universums außerhalb unseres gegenwärtigen Horizonts ziehen”, schreiben Hartle, Hertog und Hawking. Man darf also gespannt sein, welche Überraschungen den Kosmologen noch bevorstehen – in und über ihren Köpfen. ■

von Rüdiger Vaas