Das Universum – Was unsere Welt zusammenhält (eBook)

Eine Reise durch das Universum

Professor BERNARD CARR
Fakultät für Physik und Astronomie, Queen-Mary-Universität, London

Wir begeben uns jetzt auf eine Reise durchs Universum. Bevor wir aufbrechen, müssen wir klären, was wir unter »Reise« und »Universum« verstehen. Wörtlich bedeutet das Wort Universum »alles, was existiert«. Doch man kann die Geschichte der Astronomie als eine Folge von Schritten betrachten, bei denen das Universum von Mal zu Mal größer zu werden schien und sich die Bedeutung von »alles« veränderte.

Heutzutage vertreten die meisten Kosmologen die Theorie vom Urknall, der zufolge das Universum vor etwa 14 Milliarden Jahren in einem extrem dichten und heißen Anfangszustand entstanden ist. Daher können wir maximal so weit sehen, wie das Licht seit dem Urknall gekommen sein kann. Das definiert die Größe des beobachtbaren Universums.

Was verstehen wir überhaupt unter »Reise«? Zunächst müssen wir unterscheiden, ob wir durch das Universum schauen oder reisen. Schauen ist das, was Astronomen tun, und wie wir sehen werden, gehört dazu das Zurückschauen in der Zeit. Reisen ist das, was Astronauten machen, also den Weltraum durchqueren. Und auch eine andere Art von Reise gehört dazu. Denn während wir an den Rand des beobachtbaren Universums reisen, zeichnen wir eigentlich die Geschichte des menschlichen Denkens in Bezug auf das Ausmaß des Universums nach. Wir wollen uns jetzt nacheinander mit diesen drei Reisen beschäftigen.

Die Zeitreise in die Vergangenheit

Astronomen erhalten Informationen von elektromagnetischen Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit (299792 Kilometer pro Sekunde) fortpflanzen. Das ist sehr schnell, aber trotzdem endlich, und deshalb messen Astronomen Entfernungen oft als die Strecke, die Licht in einer gegebenen Zeit zurücklegt. Das Licht von der Sonne braucht mehrere Minuten, um zur Erde zu gelangen, das vom nächsten Stern braucht bereits Jahre, das von der nächsten großen Galaxie (Andromeda) mehrere Millionen Jahre und das von den fernsten Galaxien viele Milliarden Jahre.

Je größer also die Entfernung ist, über die man schaut, desto weiter blickt man in die Vergangenheit zurück. Betrachten wir etwa eine 10 Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie, sehen wir sie so, wie sie vor 10 Millionen Jahren war. Damit ist eine Reise durch das Universum nicht nur eine Reise durch den Weltraum, sondern auch eine Reise zurück in der Zeit – bis zurück zum Urknall.

Tatsächlich können wir nicht ganz bis zum Urknall zurückschauen. Am Anfang war das Universum so heiß, dass es mit einem undurchsichtigen Nebel aus Teilchen gefüllt war. Als sich das Universum ausdehnte, kühlte es ab, und etwa 400000 Jahre nach dem Urknall lichtete sich der Nebel. Dennoch können wir mithilfe unserer Theorien darüber spekulieren, wie das Universum vor dieser Zeit ausgesehen hat. Da die Dichte und die Temperatur zunehmen, je weiter wir in der Zeit zurückgehen, hängen die Einzelheiten unserer Spekulationen von den Theorien über die hochenergetische Welt der kleinsten Teilchen ab, doch inzwischen haben wir eine ziemlich genaue Vorstellung von der Geschichte des Universums.

Man würde erwarten, dass unsere Zeitreise in die Vergangenheit beim Urknall endet. Doch aus der Physik des Urknalls lernen wir auch, wie andere Universen entstehen könnten. So glauben einige Wissenschaftler, dass das Universum Zyklen von Ausdehnung und anschließendem Kollaps durchläuft, sodass wir eine Kette zeitlich aufeinanderfolgender Universen erhalten. Andere glauben, dass unser Universum nur eine von vielen »Blasen« innerhalb eines weit größeren Kosmos ist. Beides sind Beispiele für sogenannte »Multiversums«-Modelle.

Die Reise durch den Weltraum

Ganz konkret durchs Universum zu reisen, ist eine sehr viel größere Herausforderung, weil dafür ungeheuer viel Zeit nötig ist. Einsteins spezieller Relativitätstheorie (1905) zufolge, kann sich kein Raumfahrzeug schneller fortbewegen als das Licht. Es würde also mindestens 100000 Jahre brauchen, um unser Milchstraßensystem, und 10 Milliarden Jahre, um das Universum zu durchqueren – zumindest nach den Maßstäben derer, die auf der Erde bleiben. Doch die spezielle Relativitätstheorie zeigt auch, dass die Zeit für Beobachter in Bewegung langsamer vergeht, sodass die Reise aus Sicht der Astronauten selbst sehr viel schneller verlaufen könnte. Könnte man mit Lichtgeschwindigkeit reisen, würde sogar überhaupt keine Zeit vergehen!

Kein Raumschiff kann so schnell fliegen wie das Licht, aber bei konstanter Beschleunigung kann man dieser Obergrenze sehr nahe kommen. Die erlebte Zeit wäre dann sehr viel kürzer als die Zeit auf der Erde. Würde man mit derselben Beschleunigung reisen, mit der ein Körper auf der Erde infolge der Schwerkraft fällt, wäre die Reise durch die Milchstraße nur etwa 30 Jahre lang. Man könnte also innerhalb der eigenen Lebenszeit zur Erde zurückkehren, während bis dahin längst alle Freunde gestorben wären. Könnte man die Geschwindigkeit über unsere Galaxie hinaus 100 Jahre lang beschleunigen, würde man bis an den Rand des Universums gelangen!

Einsteins allgemeine Relativitätstheorie (1915) eröffnet vielleicht sogar noch exotischere Möglichkeiten. So könnten Astronauten eines Tages vielleicht sogar Wurmlöcher nutzen oder Warp-Antriebe, die den Raum verzerren – wie in Raumschiff Enterprise und anderen Science-Fiction-Serien –, um diese Reisen noch schneller zurückzulegen und heimzukehren, ohne Freunde verloren zu haben. Doch all das ist reine Spekulation.

Die Reise durch die Geschichte des menschlichen Denkens

Für die alten Griechen war die Erde der Mittelpunkt des Universums, und relativ nah gab es die Planeten, die Sonne und die Sterne. Dieses geozentrische (geos = Erde) Weltbild wurde im 16. Jahrhundert durch das heliozentrische (helios – Sonne) ersetzt,, als Kopernikus nachwies, dass sich die Erde und andere Planeten um die Sonne bewegen. Später erkannte Galilei, dass die Milchstraße, die man nur als Lichtband kannte, aus zahlreichen Sternen wie der Sonne besteht. Durch diese Entdeckung verringerte sich nicht nur der Stellenwert der Sonne, auch die Größe des bekannten Universums nahm enorm zu.

Im 18. Jahrhundert setzte sich schließlich die moderne Vorstellung von der Milchstraße als Sternenscheibe – als Galaxie – durch, die von der Schwerkraft zusammengehalten wird. Allerdings nahmen die meisten Astronomen nach wie vor an, dass die Milchstraße das gesamte Universum ausmacht, und diese galaktozentrische (unsere Galaxis = Milchstraße) Sicht hielt sich weit bis ins 20. Jahrhundert. 1924 dann maß Edwin Hubble die Entfernung zu der uns nächsten Galaxie (der Andromedagalaxie). Sie musste weit außerhalb der Milchstraße liegen! Und wieder veränderte sich die Größe des bekannten Universums!

In wenigen Jahren maß Hubble Daten von mehreren Dutzend nahen Galaxien und fand, dass sie sich im Mittel mit einer Geschwindigkeit von uns wegbewegen, die proportional zu ihrer Entfernung von uns ist. Am einfachsten lässt sich das erklären, wenn man sich vorstellt, dass sich der Weltraum ausdehnt – expandiert – wie die Oberfläche eines Luftballons, auf den die Galaxien aufgemalt sind und den man aufbläst. Den Zusammenhang zwischen Entfernung und Fluchtgeschwindigkeit nennt man Hubble-Parameter, und heute weiß man, dass diese Beziehung für Entfernungen von zig Milliarden Lichtjahren gilt, also Regionen mit Hunderten Milliarden Galaxien. Wieder eine gewaltige Veränderung der Größenordnung!

Aus kosmozentrischer Sicht ist dies die letzte Veränderung der Größe des Universums, die sich direkt aus der Beobachtung ergibt. Weil sich das Weltall ausdehnt, rücken die Galaxien immer näher zusammen, wenn man die Entwicklung in der Zeit zurückverfolgt, und verschmelzen irgendwann. Dabei nimmt die Dichte ständig zu – bis zurück zum Urknall vor 14 Milliarden Jahren –, und weiter als bis zu der Entfernung, die das Licht seit damals zurückgelegt hat, können wir auch nicht sehen. In letzter Zeit gibt es jedoch interessante Erkenntnisse: Obwohl man erwarten würde, dass sich die kosmische Expansion wegen der Schwerkraft verlangsamt, zeigen moderne Beobachtungen, dass sie sich in Wirklichkeit beschleunigt. In einigen der Erklärungsmodelle ist unser beobachtbares Universum Teil einer viel größeren »Blase«. Und diese Blase könnte eine von vielen sein! (Übersetzt von Irene Rumler)

Wie geht es weiter?

Der Endpunkt unserer drei Reisen – der ersten zurück durch die Zeit, der zweiten durch den Weltraum und der dritten durch die Geschichte des menschlichen Denkens – ist also derselbe: jene nicht beobachtbaren Universen, die man nur mithilfe von Theorien erblicken und nur in Gedanken aufsuchen kann!