Einleitung Warum gibt es überhaupt etwas und nicht vielmehr nichts?

In diesem kleinen Buch geht es um das größte Thema überhaupt, den Urknall oder Big Bang. Es geht nicht um die Fernsehserie. Es geht um Kosmologie. Kosmologen verstehen unter Kosmologie die Lehre von Aufbau und Entwicklung des Universums in seiner Gesamtheit. Im Lauf des vergangenen Jahrhunderts hat sich die Kosmologie zunehmend auf das Studium des frühen Universums konzentriert: die Untersuchung des Ursprungs von Galaxien, die Analyse der leichtesten chemischen Elemente, die Messung der Wärmestrahlung, die den ganzen Weltraum erfüllt, und die Erkundung exotischer Phänomene, die wir nicht direkt sehen können – dunkle Materie und dunkle Energie. Allgemein gesprochen, beschäftigen sich Kosmologen mit unserem Universum in seinen allerfrühesten Sekundenbruchteilen, unmittelbar nach seiner Geburt. Genauer gesagt, ist Kosmologie die Theorie vom Ursprung des Universums: des Urknalls.

Gelegentlich wird die Kosmologie als Ort bezeichnet, an dem Physik und Philosophie sich treffen. Das stimmt bis zu einem gewissen Grad und ist bis zu einem gewissen Grad auch unvermeidlich. In der Wissenschaft geht es immer darum, Fragen zu stellen und Antworten auf diese Fragen zu suchen. Wenn wir diesen Fragen weit genug nachgehen, finden wir irgendwann keine Antworten mehr. Das gilt insbesondere für die Kosmologie. Wenn im Gespräch das Thema Urknall aufkommt, lautet die erste Frage, die Nicht-Kosmologen (also die meisten Menschen) stellen: «Und was kam vor dem Urknall?» Das ist eine natürliche und berechtigte Frage, doch wir können sie momentan nicht beantworten, und das wird sich zu Lebzeiten dieses Autors wohl nicht mehr ändern.

Dennoch ist mein Plan, diejenigen Fragen zu stellen, die Laien wie auch andere stellen, und zu versuchen, diese Fragen so einfach wie möglich zu beantworten. Da sich dieses Buch in erster Linie an Menschen richtet, die neugierig auf Wissenschaft sind, aber keinen naturwissenschaftlichen oder mathematischen Hintergrund haben, werden meine Kollegen finden, dass es ihm an Strenge wie auch an Vollständigkeit mangelt, doch mein Ziel ist nicht, so viel Wissen wie möglich abzudecken, sondern, wenn möglich, ein wenig Wissen aufzudecken.

Aus diesem Grund habe ich versucht, den technischen Jargon auf ein Minimum zu beschränken, und auch wenn es genügend Zahlen gibt, um jedermann zufriedenzustellen, ist keine Gleichung im Text komplizierter als die für eine Gerade; alles andere habe ich in die wenigen Fußnoten verbannt. Überdies nehme ich an, dass die Leserinnen und Leser einfache Grafiken verstehen und bereit sind, einigen recht detaillierten Erörterungen zu folgen. Auf der anderen Seite stimme ich einem der zahllosen Aphorismen zu, die Albert Einstein niemals äußerte: «Man sollte alles so einfach wie möglich machen, aber nicht einfacher.» Im Lauf der Jahre bin ich zu der Überzeugung gelangt, dass es tatsächlich ein Niveau gibt, das man nicht unterschreiten kann, wenn man gewisse Dinge erklären will; in der Kosmologie ist dies aufgrund der ihr innewohnenden mathematischen Struktur der Fall. Wenn ich die Mathematik nicht in Begriffen eines verständlichen physikalischen Konzepts erklären kann, dann werde ich es auch nicht versuchen.

Obgleich in diesem Buch nichts vorkommt, das echter Mathematik ähnelt, möchte ich Sie davon überzeugen, dass die moderne Kosmologie ein außergewöhnliches Gebäude ist, das auf einem felsenfesten Fundament errichtet wurde. Daher baut jedes Kapitel in der Regel auf dem vorherigen auf und Sie sollten das Buch von Anfang an lesen. Wenn Sie immer nur am Fazit interessiert sind, könnten Sie ungeduldig werden.

Wie bereits erwähnt, wirft die Kosmologie wirklich tiefgreifende Fragen auf. Bei der Darstellung des Konzepts, das den Grundlagen der modernen Urknall-Theorie zugrunde liegt, möchte ich vor diesen Fragen nicht zurückschrecken. Ich halte mich an den Rat eines früheren Mentors: «Wenn man eine dumme Frage stellt, fühlt man sich vielleicht dumm. Stellt man keine dummen Fragen, bleibt man dumm.»

Im Verlauf des Buches werden sich unweigerlich mehr Fragen einstellen als Antworten. Wenn man ohnehin das Unwägbare wägt, ist es schließlich nur ein kleiner Schritt von «Was war vor dem Urknall?» zu dem ultimativen Rätsel «Warum gibt es überhaupt etwas und nicht vielmehr nichts?». Angesichts der Tatsache, dass sich Menschen diese Frage schon seit Jahrtausenden stellen, ohne einen Konsens gefunden zu haben, wäre es unvernünftig anzunehmen, in diesem Buch die Antwort zu finden. Wenn Sie diese Frage einem ehrlichen Kosmologen stellen, wird er Ihnen antworten: «Ich weiß es nicht.»

Da sich dieses Buch an interessierte Laien wendet, werde ich statt auf Gleichungen auf Vergleiche setzen. Das ist nicht ungefährlich, denn früher oder später stößt jede Analogie an ihre Grenzen. Wie Theorien sind auch Analogien Modelle der Realität, nicht die Realität selbst. Was den Urknall angeht, so greifen Kosmologen gern auf Ballons zurück, um einige Eigenschaften des expandierenden Universums zu beschreiben, doch das wirkliche Universum ist kein Ballon, und der Vergleich hinkt. Bei Analogien ist es entscheidend wichtig, auf den Unterschied zwischen Vergleich und Wirklichkeit hinzuweisen.

Ich habe bereits mehrmals den Begriff Theorie benutzt. Lassen Sie mich betonen, dass dieser Begriff im wissenschaftlichen Sprachgebrauch anders benutzt wird als im Alltag. In den Medien hört man oft, dass ein Staatsanwalt eine bestimmte Theorie hat, was ein Verbrechen angeht, während der Verteidiger die Theorie hat, dass der Staatsanwalt verrückt ist. Gewöhnlich handelt es sich dabei um Annahmen, die sich nicht auf Beweise stützen, und die Situation verändert sich zu häufig, als dass man daraus schlau werden könnte.

Eine physikalische Theorie ist hingegen ein eng geknüpftes Netz von Ideen und Vorhersagen, die auf einem mathematischen Fundament aufbauen und von experimentellen sowie auf Beobachtungen basierenden Belegen gestützt werden. Wenn Kosmologen von der Urknall-Theorie sprechen, dann beziehen sie sich auf ein solches Netz von Vorhersagen und Beobachtungen. Die Elemente der Urknall-Theorie sind nun ein ganzes Jahrhundert lang immer wieder überprüft worden, und inzwischen stützen so viele präzise Beobachtungen das Gesamtbild, dass einige Kosmologen bereits das Gefühl haben, ihre Disziplin ähnele dem Ingenieurswesen mehr als der Forschung an Grundlagen. Glauben Sie einfach an die moderne Kosmologie!

Zwischen der Kosmologie und den meisten anderen Naturwissenschaften besteht jedoch ein grundlegender Unterschied: Es gibt nur ein einziges Universum, das wir beobachten können. Die meisten Naturwissenschaften basieren auf Experimenten und deren Wiederholbarkeit. Ein Pharmakologe testet einen Impfstoff, indem er klinische Versuche mit zahlreichen Probanden durchführt. Sollten sich die Ergebnisse von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit nicht replizieren lassen, gilt der Impfstoff als nicht zuverlässig. Zumindest bislang haben Kosmologen keine Möglichkeit, ihre Experimente mit mehreren Universen durchzuführen, und daher können die Wissenschaftler nicht mit völliger Sicherheit sagen, wie das Universum aussehen würde, wenn die Dinge zu Anfang anders gelaufen wären, als sie gelaufen sind.

Aber auch wenn Kosmologen nicht alles erklären können, so doch eine ganze Menge. Dass wir lediglich ein einziges Universum zur Verfügung haben, erschwert die Dinge nur dann, wenn wir das Universum als Ganzes betrachten und die ultimativen Fragen angehen. Davon abgesehen, stützen sich Kosmologen auf die Daten und Beobachtungen, die von ihren nächsten Kollegen, den Astronomen, gesammelt wurden. Astronomen erforschen traditionellerweise das Verhalten von Planeten, Sternen und Galaxien mittels Teleskopen auf der Erde oder einer erdnahen Umlaufbahn. Zugegeben, Astronomen sind als Erforscher fremder Welten eher Landratten: Kein Raumschiff oder Teleskop ist bislang auch nur in die Nähe des nächsten Sterns gekommen, geschweige denn einer anderen Galaxie, weswegen es unmöglich ist, mit astronomischen Objekten zu experimentieren. Aus gutem Grund wird die Astronomie als beobachtende Wissenschaft bezeichnet.

Dabei geht die Astronomie von der Grundannahme aus, dass die Grundgesetze der Physik überall im Universum gleichermaßen gelten. Astrophysiker, ebenfalls enge Kollegen von Kosmologen und Astronomen, haben diese Gesetze angewandt, um zu verstehen, was in Sternen und Galaxien vor sich geht. Da es unpraktisch ist, eine Raumsonde in die fernsten Winkel des Universums zu senden, zumindest innerhalb der Lebensspanne einer Zivilisation, stützen wir uns stattdessen auf Licht und andere Boten, die uns Informationen aus fernen Teilen des Universums bringen. Es gehört zu den großen Triumphen der Naturwissenschaften, dass wir so viel über den Kosmos lernen konnten, ohne die Erde zu verlassen – einfach durch die Annahme, dass die Naturgesetze, wie wir sie kennen, auch anderswo gelten. Inwieweit die bekannten Gesetze der Physik tatsächlich für das Universum als Ganzes gelten, ist allerdings eine offene Frage.

Kosmologen versuchen die Evolution des Universums mit denselben Mitteln nachzuvollziehen wie Astronomen und Astrophysiker: Mit Papier und Bleistift oder Computern setzen wir etablierte Physik in mathematisch konsequenter Weise ein, um ein Modell des Systems zu schaffen, das wir untersuchen, und prüfen dann, ob die Rechenergebnisse mit den Beobachtungen übereinstimmen. Bei dem System kann es sich um einen Galaxienhaufen oder das gesamte Universum handeln. Wenn die Vorhersagen unseres...