Astrophysiker Nicolai über den Anfang des Universums : "Wir sind so unvorstellbar unbedeutend"

Das Universum ist rund 13,7 Milliarden Jahre alt. Astrophysiker Hermann Nicolai über den Kosmos als Luftballon, erschreckende Leere und die Suche nach den Eltern des Alls.

Der Kosmos sieht von jedem Punkt und in alle Richtungen gleich aus. Ein Zentrum gibt es nicht.
Der Kosmos sieht von jedem Punkt und in alle Richtungen gleich aus. Ein Zentrum gibt es nicht.Foto: pa/llustris Collaboration/dpa

Herr Nicolai, ich möchte mit Ihnen gerne über die Geburt des Universums sprechen. Was weiß die Physik darüber?

Was im Moment der Geburt ablief, wissen wir tatsächlich immer noch nicht. Den Termin können wir aber relativ exakt bestimmen. Das Universum ist rund 13,7 Milliarden Jahre alt und wohl in einer Art Urknall entstanden. Wobei man sich das nicht vorstellen sollte wie eine normale Explosion, weil nicht etwas in einem vorhandenen Raum explodiert ist, sondern Raum und Zeit selbst erst dabei entstanden sind.

Wie kommt man auf so eine Idee?

Der Astronom Edwin Hubble hat bereits vor 90 Jahren festgestellt, dass die Sterne sich von uns wegbewegen und zwar umso schneller, je weiter sie entfernt sind. Dieses Hubble’sche Gesetz wird seither immer genauer bestätigt. Und wenn etwas auseinanderfliegt, dann kann man die Bewegung der Bruchteile zum Anfang zurückrechnen.

Was braucht man dafür?

Jedenfalls eine Menge Mathematik. Aber ebenso wichtig sind die immer weiter verbesserten Messmethoden. Die Himmelsbeobachtung stand ja am Anfang der Astronomie. Galilei hat natürlich mit seinem Teleskop nur das gesehen, was wir mit den Augen wahrnehmen können. Das sichtbare Licht entspricht nur einem sehr kleinen Teil des Spektrums der elektromagnetischen Wellen. Heute verfügen wir über Instrumente, mit denen wir auch die ganz kurzen Wellen – also ultraviolettes Licht, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen – „sehen“ können und ebenso die langen, also Infrarot. Damit können wir bis zum Sichthorizont des Universums blicken, also dem entferntesten Punkt, von dem bis jetzt Licht zu uns gekommen ist. Was dahinter liegt, darüber können wir nur spekulieren. Oder wir warten eine Milliarde Jahre, dann können wir etwas weiter schauen.

Wie erkennt man, ob sich etwas entfernt?

Durch die sogenannte Rotverschiebung, eine Art Dopplereffekt. Den kennt jeder, der schon mal eine Ambulanz an sich hat vorbeifahren hören. Kommt der Wagen auf Sie zu, klingt die Sirene höher, weil sich die Schallwellen stauchen und dadurch kürzer werden. Fährt der Wagen von Ihnen weg, ist der Sirenenton niedriger, weil die Schallwellen sich auseinanderziehen. Mit Licht ist das ähnlich. Wenn ein Objekt sich von mir entfernt, werden die Wellen quasi auseinandergezogen, und das Licht erscheint röter. Eine Galaxie, die auf uns zukommt, würde blauer erscheinen, als sie ist.

Wenn man sieht, dass sich alles entfernt, und auch weiß, seit wann, müsste man dann nicht den Ort des Urknalls, also das Zentrum des Universums berechnen können?

Eine Grundannahme der Kosmologie ist das sogenannte Kosmologische Prinzip, welches von Einstein eingeführt wurde. Dem zufolge sieht das Universum von jedem Punkt und in alle Richtungen gleich aus. Ein Zentrum gibt es da nicht.

Wie bitte?

Um eine anschauliche Vorstellung davon zu bekommen, müssen wir das Bild um eine Dimension verkleinern: Wenn wir uns also unser vierdimensionales Universum, das sich nicht nur in den Raum, sondern auch in die Zeit erstreckt, als einen Luftballon im dreidimensionalen Raum vorstellen, dann sitzen wir nicht im Zentrum des Ballons und die Sterne auf der Oberfläche, sondern wir alle zusammen zweidimensional auf der Oberfläche – wie Ameisen, die dort herumkrabbeln, und von denen jede sich im Mittelpunkt dieses Ballonuniversums wähnen kann.

Also nix mit der Menschheit als Krone und Zentrum der Schöpfung?

Wir sind so unvorstellbar unbedeutend, wie das Universum unvorstellbar groß ist. Die Voyager-Sonde, die 1977 gestartet ist, fliegt mit 17 000 Metern pro Sekunde durchs All und ist jetzt nach 40 Jahren gerade mal am Rande des Sonnensystems. Der nächste Stern von uns ist Alpha Centauri, vier Lichtjahre entfernt, im kosmischen Maßstab also ein Katzensprung. Mit jeder realistisch denkbaren Technologie braucht man dahin mindestens 30 000 Jahre. Und wir haben hier auf der Erde auch völlig falsche Vorstellungen davon, welche Materie im All dominiert. 74 Prozent der sichtbaren Materie im Kosmos – die dunkle lassen wir jetzt mal beiseite – ist Wasserstoff und 24 Prozent Helium. Die schwereren Elemente, die wir hier auf der Erde überwiegend vorfinden und aus denen wir bestehen, kommen von den restlichen zwei Prozent. Aber alles das wird von der Dunklen Materie überwältigt, von der es fünfmal so viel wie sichtbare Materie gibt.

Wie sah der Kosmos denn zum Zeitpunkt des Urknalls aus?

Extrem dicht und unvorstellbar heiß, seitdem kühlt er sich ab.

Und wie groß war er?

Extrem winzig, viel kleiner als ein Proton. Trotzdem verstehen wir sehr viel darüber, was direkt nach dem Urknall passiert ist. Wie aus der Ursuppe von Elementarteilchen, aus Protonen und Neutronen, die Atome entstanden sind, dann die Elemente. Und dank der vor wenigen Wochen mit Gravitationswellen nachgewiesenen Neutronensternkollision wissen wir nun auch, wie die schweren Elemente jenseits des Eisens, etwa Gold und Platin entstehen. Zum Beispiel entspricht die Menge Gold, die bei dieser Kollision entstanden ist, einem Klumpen von der Größe des Planeten Jupiter.

Oh, das würde den Preis gehörig in den Keller treiben.

Da brauchen sich die Anleger nicht zu sorgen. Goldförderung in der Nähe eines Neutronensterns würde kein Mensch und auch kein Roboter überleben.

Hermann Nicolai ist Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam-Golm.
Hermann Nicolai ist Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam-Golm.Foto: Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik

Zuletzt war viel vom Zweifel am Urknall zu lesen. Selbst renommierte Kollegen von Ihnen wie Paul J. Steinhardt von der Princeton University und Abraham Loeb aus Harvard meldeten Zweifel an. Was kritisieren die genau?

Im Kern geht es um die sogenannte Inflationstheorie. Diese will unter anderem die eigentümliche Tatsache erklären, dass die Temperatur in den gigantischen Leerräumen zwischen den Galaxien und Sternen überall gleich ist. Heute beträgt die Temperatur gerade noch 2,7 Kelvin, liegt also bei minus 270 Grad Celsius nur knapp über dem absoluten Nullpunkt. Wenn Sie die Wetterkarte von heute anschauen, gibt es da immer unterschiedliche Temperaturen. Dass eine Situation eintritt, bei der die Temperatur überall bis zur fünften Stelle hinterm Komma gleich ist, erscheint extrem unwahrscheinlich.

Wie erklärt sich das?

Eine Erklärung wäre, dass das Weltall sich in den ersten 10-30 Sekunden inflationär, das heißt, um einen ungeheuren Faktor aufgebläht hat. Als hätte jemand unseren Ballon ganz schnell aufgeblasen. Die Inflationstheorie, die auch die Existenz von Paralleluniversen voraussagt, ist allerdings heftig umstritten. Einige Beobachtungen stimmen damit zwar sehr gut überein, aber die Theorie kann im Grunde nicht erklären, was sie ursprünglich erklären sollte. Es gibt viele Modelle dazu, jedoch keinen Konsens, welches das richtige ist. So gehen Loeb und Steinhardt nicht von einem richtigen Urknall aus, sondern postulieren ein „Bouncing Universe“. Sie sagen: Es gab vorher bereits ein Universum, das ist kollabiert und reexpandiert nun.

Also ein Ballon, der Luft verloren hat und wieder aufgepustet wird.

Genau. Allerdings gibt es keine Beobachtung, die diese Idee wirklich untermauern könnte, nur mathematische Modelle. Manchmal lassen sich die Formeln, mit denen wir arbeiten, eben nicht eindeutig und komplett lösen. Wir kommen da in einen Bereich, in dem auch die bekannte Mathematik versagt.

Hermann Nicolai

Hermann Nicolai, 65, ist einer der renommiertesten deutschen Physiker. Seine Forschung behandelt unter anderem die Suche nach einer Theorie, die die Erkenntnisse der Newton’schen Physik und der Quantenmechanik vereinigt. Als Direktor des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam-Golm beschäftigen ihn aber auch ganz weltliche Probleme. Nach dem Interview in seinem Büro, in dem sich die Fachliteratur auf dem Schreibtisch zu Stapeln türmt, steht ein Gespräch mit der Gleichstellungsbeauftragten an.

Wo verlassen wir dann die Wissenschaft und betreten das Reich der Spekulation?

Der Übergang ist fließend. Die Physik ist ja inzwischen als exakte Wissenschaft in Bereiche vorgedrungen, die früher der Philosophie und Theologie vorbehalten waren. Und diese Grenze wird immer weiter verschoben.

Papst Pius XII. hat den Urknall 1951 anerkannt.

Die Kirche hat wohl inzwischen ihren Frieden mit der Wissenschaft gemacht. Und auch unter Wissenschaftlern gibt es zu religiösen Fragen ganz unterschiedliche Einstellungen. Materialisten meinen, wir können im Prinzip alles irgendwann einmal verstehen. Es kann aber auch sein, dass da immer etwas bleibt, das unerklärlich ist. Vielleicht offenbart sich dieser Umstand letztlich sogar in unseren Gleichungen. Zum Beispiel so, dass, je näher wir uns dem Ursprung annähern, die Komplexität exponentiell zunimmt. Das würde heißen, dass, selbst wenn wir irgendwann die richtigen Gleichungen haben, wir diese nicht mehr auflösen können.

Bekommt man angesichts dieser gewaltigen Dimensionen nicht Angst?

Wir operieren hier wie der Fensterputzer am Hochhaus, der auch nicht ständig nach unten schaut, sondern einfach seine Arbeit verrichtet. Und da kommen wir schon in beeindruckende Größenbereiche: Zum Beispiel reden Laserspezialisten heute von Attosekunden, 10-18 Sekunden, das Milliardstel einer Milliardstel Sekunde. Das ist schon völlig unvorstellbar. Aber eigentlich wollen wir in einen Bereich von 10-43 Sekunden, in die sogenannte Planckzeit.

Was ist das?

In der Physik gibt es drei fundamentale Konstanten: die Gravitationskonstante, die Lichtgeschwindigkeit und eben das Planck’sche Wirkungsquantum. Planck hat schon 1899 festgestellt, dass die kleinste Zeiteinheit, die sich damit bilden lässt, etwa 10-43 Sekunden ist. Kürzer geht nicht. Wir glauben heute, dass die Vereinheitlichte Theorie, nach der wir suchen, erst bei dieser Größenordnung sichtbar wird. Das ist wie bei der Quantenmechanik. Wenn ich aus dem Fenster schaue, sehe ich nur klassische Physik, keine Quantenphänomene; die zeigen sich erst, wenn ich einzelne Atome isoliere.

Alles was lebt, stirbt. Was wissen wir vom Ende des Universums?

Momentan sieht es danach aus, dass sich das Universum immer weiter ausdehnt und irgendwann noch viel unvorstellbar leerer und kälter sein wird. Das wäre der Kältetod des Universums. Allerdings sind auch andere Möglichkeiten denkbar, zum Beispiel ein Big Crunch, wo das Universum irgendwann wieder in sich zusammenstürzt, oder ein Big Rip, der das Universum plötzlich auseinanderreißt. Denkbar ist ebenso, dass das Universum instabil wird und in ein anderes zerfällt, eine Option, die sich seltsamerweise auch durch neueste Messungen am LHC-Beschleuniger am Cern ergeben könnte. Sie sehen, die Physik hat einige interessante Optionen für das Weltende im Angebot!

Wenn das Universum geboren wurde, was wissen wir über die Eltern?

Nichts. Wir können ja nicht mal sagen, ob es Eltern gibt. Einige Theoretiker wie beispielsweise Stephen Hawking postulieren sogar, dass das Universum aus dem Nichts entstanden ist.

Das wäre möglich?

Aus der Quantenmechanik weiß man, dass so etwas im Prinzip möglich ist, ja.

Was sagen Sie Kreationisten, die glauben, die Welt sei erst rund 7000 Jahre alt?

Aus Sicht der Wissenschaft ist das natürlich Unfug. Letztendlich verschieben solche Pseudoerklärungen ja nur das Problem. Wenn zum Beispiel behauptet wird, die Außerirdischen hätten das Leben auf die Erde gebracht, stellt sich sofort die Frage, wo haben die Außerirdischen dann ihr Leben her? Andererseits kann man vielleicht auch sagen, dass sich eine Art „Intelligent Design“ in der Tatsache spiegelt, dass die Welt, die wir sehen, beschreibbar ist durch Gleichungen, die auf ein Blatt Papier passen. Wenn man darüber nachdenkt, ist das schon sehr, sehr bemerkenswert.

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