Direkt zum Inhalt

Das Dunkle Universum: Das grundlegende Inventar: Raum und Zeit – oder doch Raumzeit?

Dass Zeit und Raum das grundlegende Inventar unseres Universums sind, ist fraglos unstrittig. Aber wie viel Raum benötigt das Universum eigentlich, und wie viel Zeit ist dem Universum gegeben?
RaumzeitLaden...

Das sind zwei Fragen, auf die wir uns schrittweise Antworten erarbeiten werden, wobei, wie sich alsbald herausstellen wird, es nicht nur eine Sichtweise auf diese beiden Größen gibt, sondern derer mehrere.

So zum Beispiel die Sichtweise der Raumzeit, die eine griffige Beschreibung für etwas darstellt, was keiner so richtig versteht und das zudem aus anderer Sichtweise falsch ist. Denn der Begriff Raumzeit macht natürlich nur Sinn, wenn für beide Größen auch eine Existenzberechtigung erteilt wurde.
Während das für den Raum, zumindest im heutigen Universum, zweifellos der Fall ist, könnte es mit der Zeit auch ganz schnell vorbei sein, oder aber auch sie hätte nie in die Gänge kommen können. Schlimmer noch: Ein gigantisches Wachstum des Raums könnte der Zeit in Windeseile den Garaus machen.

Das klingt nicht gerade nach selbsterklärenden Zusammenhängen, aber wir sind auch erst am Anfang unserer Überlegungen und stellen dennoch fest, dass wir das Aufgeworfene nicht auf sich beruhen lassen können, denn die Relevanz, die diese Punkte für unser Universum haben, ist klar erkennbar.

Die Sichtweisen auf die Frage, wie viel Raum das Universum benötigt, sind ebenfalls vielschichtig, wobei eine Sichtweise von vordergründiger Wichtigkeit zu sein scheint, und zwar die, die auf der Messung des Raums beruht.
Eine solche Messung macht natürlich nur in Einheiten von elementaren Dingen Sinn, also in Einheiten der Größe von elementaren Teilchen. Und das Minimum, das das Universum an Raum benötigt, orientiert sich dann an dem Raum, den diese Teilchen in dichter Packungsform einfordern.

Aber auch in diesem Punkt besteht Mangel an Klarheit, denn die Natur ist extrem flexibel und kann Teilchen entweder wirr ineinander umwandeln, oder sie kann aber auch unter Komprimierungsdruck leicht einmal einen Faktor Hunderttausend und, falls nötig, daraufhin noch einmal einen Faktor Zehntausend wettmachen, indem sie zunächst von Atomgrößen auf Atomkerngrößen und danach auf die Größen der echten Elementarteilchen zurückschaltet.
Es sind also nicht die Teilchen selbst, die das erforderliche Raummaß festlegen, sondern vielmehr deren Abstände. Wenn die zu gering werden, dann fährt die Natur einen Gang zurück, definiert das Erscheinungsbild seiner an die ablaufenden Prozesse angepassten Teilchenstrukturen neu, sodass das Abstandsverhältnis der »neuen Teilchen« wieder in einem Rahmen liegt, der möglichst der vorangegangenen Situation entspricht.
Das heißt, wenn wir versuchen würden, alle Atome in ein möglichst kleines Raummaß zu packen, um auf diesem Weg die Abstände der Teilchen zu dezimieren, dann sähen wir uns auf einmal mit Atomkernen konfrontiert, deren Abstände gegenüber ihrer eigenen Größe um den Faktor Hunderttausend größer wären, als die vergleichbaren Abstände der Atome waren. Und das ist noch nicht das Ende der Fahnenstange, denn die Natur hat einen weiteren Faktor Zehntausend in petto. Danach wird es zwar eng, aber wir haben schon eingesehen, dass das Minimum, das das Universum an Raum benötigt, nicht so einfach auszumachen ist, wie wir dachten; und wir haben eingesehen, dass dieses Minimum gegenüber unserer ursprünglich angesetzten Messskala extrem klein werden kann.

Wir haben aber noch mehr gelernt!

Wir haben gelernt, dass relative Abstände von Strukturen letztlich das entscheidende räumliche Maß darstellen. Solange diese Abstände hinreichend groß sind, steht dem Universum auch genügend Raum zur Verfügung, auch wenn sich dann nicht alles so entwickeln kann, wie wir das gewohnt sind und wie wir das aus egoistischen Gründen auch gerne so hätten.

Als weiteren Punkt haben wir erkannt, dass es speziell im Zustand hoher Komprimierung nötig ist, die Abstände der Teilchen zueinander zu vergrößern, denn nur auf diesem Weg können Veränderungen herbeigeführt werden, durch die mehr Spielraum zur Gestaltung entsteht. Geschieht dies nicht, dann verändert sich offensichtlich auch nichts an der bestehenden Situation. Und falls die Situation sich nur an den Abständen der Elementarteilchen und Atomkerne orientiert, dann können sich diese auch nur ineinander umwandeln.
Wenn allerdings die Abstände von Atomen maßgeblich werden, dann kann eine Vielfalt entstehen, mit der wir bestens vertraut sind, denn die ist es, die unser tägliches Leben prägt.

Wir werden ferner sehen, dass auch aus anderem Grund ein bestimmtes Maß an Raum zwingend erforderlich ist, und zwar um der Zeit einen Rahmen zu geben.

Es darf dann auch ein bisschen mehr Raum sein, aber zu viel davon wird die Zeit dann schon wieder in Schwierigkeiten bringen.

In Schwierigkeiten steckt das Universum im Moment aber ohnehin, denn wie wir vor Kurzem gesehen haben, ist es wegen eines kleinen Details, einem geringfügigen Schnupfen, gerade eben vorzeitig verstorben.
Mit dem Raum sollten wir also, insofern es in unserer Macht steht, etwas geschickter umgehen, denn einem solchen Dilemma wollen wir das Universum nicht noch einmal aussetzen. Wir sollten uns also davor hüten, einen weiteren schwerwiegenden Fehler zu begehen.

Was ist, wenn sich nichts verändert?

Fast alles, was um uns herum geschieht, ist nur sehr schwer zu verstehen, und damit ist nicht das Treiben und undurchsichtige Vorgehen der Banker und Politiker gemeint, sondern zum Beispiel das Wetter.
Das Wetter ergibt sich aus hochdynamischen Prozessen, die von vielen Veränderungen abhängig und geprägt sind, wobei auch Rückkopplungen stattfinden, die daraufhin die Zustände, die zurückgekoppelt haben, wiederum verändern. Das Wetter ist also von vielen Nichtgleichgewichtskomponenten beseelt, die jeden am Rad drehen lassen, der den Fehler macht, diese im Detail verstehen zu wollen und dabei das Wetter, am besten auch noch vom Gelände abhängig, für eine lange Zeit im Voraus treffsicher vorhersagen zu wollen.

Da halten wir uns doch lieber an Gleichgewichte, denn bei denen ist der Zugang zum Verständnis bei Weitem einfacher.
Wie zum Beispiel im Falle einer hervorragend isolierten Badewanne, die mit warmem Wasser gefüllt ist, das mit sich selbst im Gleichgewicht ist. Es ist im Gleichgewicht, da die Temperatur an keiner Stelle Unterschiede aufweist, die Dichte überall gleich ist und grundsätzlich nichts Ungleiches festgestellt werden kann. Da fällt uns selbst auf lange Sicht eine zutreffende Vorhersage, wie sich die Zukunft des Wassers in der Wanne gestalten wird, doch schon erheblich leichter. Es wird sich nichts verändern!
Die Wanne ist perfekt isoliert, und somit kann sich gar nichts verändern!

Die Schlussfolgerung aus diesem Experiment ist leicht zu ziehen: Gleichgewichte sind beliebt, weil sie in der Regel leicht zu durchschauen sind. Dafür tut sich aber auch nicht viel, und gerade deshalb ist das Verhalten von Gleichgewichten leicht zu überblicken, denn sie sind von der Zeit nicht abhängig, sie sind vielmehr »zeitlos«!

Das Gleichgewicht ist also ein zeitloser Geselle, und das gilt für jeden Teil von ihm.

Aus keinem Teil eines Gleichgewichts lässt sich etwas Nutzbringendes konstruieren, wie zum Beispiel eine noch so einfach geartete Uhr. Denn durch jeden Eingriff in einen Teilbereich des Gleichgewichts wäre dieser Teil nicht mehr im Gleichgewicht mit dem Gleichgewicht, und damit wäre das Gleichgewicht kein Gleichgewicht mehr.
Eine Zeitmessung aus einem Gleichgewicht heraus ist also nicht möglich, und damit hat ein Gleichgewicht auch keine messbare Zeit, wobei der nicht messbare Bereich sowohl die Zahl Null als auch die Größe Unendlich mit einschließt.

Damit hat uns unser Experiment der Beantwortung einer oft gestellten Frage, die sich daran orientiert, was wohl vor dem Universum gewesen sein mag, einen deutlichen Schritt nähergebracht: Vor dem Universum war möglicherweise ein Gleichgewicht, ein zeitloses Gleichgewicht.
Natürlich ist das keine befriedigende Antwort, sondern nur ein Schritt zum Verständnis, denn aus einem Gleichgewicht heraus kann unser Universum genauso wenig entstanden sein, wie eine Uhr sich in einem Gleichgewicht konstruieren lässt. In beiden Fällen bedarf es erst einer Störung, einer möglicherweise kleinen und scheinbar unbedeutenden Störung, aber es bedarf einer Störung. Und das Verständnis um das Zustandekommen dieser Störung ist natürlich das Salz in der Suppe bei der Beantwortung der Frage, wie das Universum aus einem »Fast-Gleichgewicht« heraus entstehen konnte.

Was wir nun grundlegend aus diesen Überlegungen gelernt haben, ist, dass wir nun wissen, was Zeit nicht ist.
Des Weiteren wissen wir nun aber auch, dass Zeit nicht einfach so vergeht. Vielmehr hat Zeit etwas mit Veränderung zu tun, und wir vermuten im Umkehrschluss, dass Zeit ganz offensichtlich ein Maß für Veränderung ist.

Um dieser Vermutung nachzugehen, müssen wir uns allerdings zunächst klarmachen, was wir mit »Veränderung« genau meinen und wie sich daraus ein Rückschluss auf die Zeit ergibt oder umgekehrt.

Nachdem jedes Beispiel, das wir in einem ersten Schritt für die Ergründung dieses Zusammenhangs wählen könnten, auf seine Art von eigenwilliger Natur ist, nähern wir uns an die ausstehende, aber erforderliche Erkenntnis an, indem wir ein besonders schräges Beispiel wählen, das mit einem Film zu tun hat – vorzugsweise einem guten –, den wir in jüngster Zeit gesehen haben und an den wir uns erinnern. Weshalb erinnern wir uns an diesen Film?
Im Wesentlichen aus zwei Gründen: Die Filmszenen waren so geschickt aneinandergereiht, dass sie eine spannende oder aber tiefsinnige Geschichte wiedergegeben haben; und die Reihenfolge der Bildsequenzen, die im Zusammenschluss die Filmszenen ergeben, hatte eine Ordnung und eine Richtung.
Ganz offensichtlich ist der letztere Punkt der Wichtigere – obwohl dieser Punkt alleine noch keinen guten Film ausmacht –, denn, ist er nicht gewährleistet, gibt es gar keine Geschichte.

Lesermeinung

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.