Rein theoretisch könnte ein Universum jede beliebige Form oder Größe haben. Fachleute widmen aber vor allem drei Fällen ihre Aufmerksamkeit: einem sich ausdehnenden, einem kollabierenden und einem unveränderlichen Weltall. Von diesen drei vereinfachten Modellen ist das expandierende am schwierigsten zu verstehen. Doch scheint es ausgerechnet dieses zu sein, das unserem eigenen Kosmos am nächsten kommt.

Wenn Physiker berechnen, was auf Teilchenebene in einem kollabierenden oder statischen Universum geschieht, erhalten sie sinnvolle Ergebnisse. Unglücklicherweise scheint sich unser Universum allerdings auszudehnen: Es wird durch Dunkle Energie auseinandergetrieben.

Sobald man die Theorie der Quantenphysik in einem sich ausdehnenden Universum untersucht, erhält man ein widersprüchliches Ergebnis nach dem anderen. Es gelingt Physikerinnen und Physikern nicht, unsere Welt mit ihren Berechnungen in Einklang zu bringen. Nun hoffen Fachleute, die Quantenwelt in unserem expandierenden Universum mithilfe Schwarzer Löcher besser zu verstehen.

Die Form von Raum und Zeit

Im Jahr 1915 führte Albert Einstein mit seiner Gravitationstheorie die Idee ein, dass Raum und Zeit untrennbar miteinander verbunden sind. Demnach reagieren die beiden Größen auch auf den Inhalt des Universums: Enthält das All Materie, zieht deren Gravitation den Raum zusammen. Ist das Universum mit genügend Dunkler Energie gefüllt – oder mit dem, was Einstein als kosmologische Konstante bezeichnete –, treibt ihr abstoßender Effekt den Raum auseinander.

Als Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie erstmals formulierte, glaubte er an ein unveränderliches Universum: Der Kosmos sei unendlich groß und flach. Die Kräfte, welche die Raumzeit dehnen und stauchen, müssten sich exakt ausgleichen.

Der niederländische Physiker Willem de Sitter betrachtete auch andere Fälle. Er erkannte, dass sich das Universum ebenso entwickeln könnte. Zwischen 1916 und 1917 veröffentlichte er mehrereArbeiten, in denen er untersuchte, welche Möglichkeiten die Relativitätstheorie zulässt. Dabei machte er viele englischsprachige Fachleute überhaupt erst mit Einsteins Theorien vertraut, die ursprünglich auf Deutsch verfasst waren und ihnen wegen des unterbrochenen wissenschaftlichen Austauschs während des Ersten Weltkriegs weitgehend unzugänglich geblieben waren.

De Sitter fand heraus, dass ein leeres Universum – ohne Materie, aber mit kosmologischer Konstante – nur drei mögliche Formen annehmen kann, je nach Vorzeichen der kosmologischen Konstante: Es kann flach sein, wie Einstein es vorhergesagt hatte, positiv gekrümmt oder negativ gekrümmt.

Ist die kosmologische Konstante positiv, so hat die Raumzeit eine positive Krümmung und entspricht einem sogenannten De-Sitter-Raum. Eine negative kosmologische Konstante krümmt die Raumzeit negativ, was als Anti-de-Sitter-Raum bekannt ist. Und bei einer kosmologischen Konstante von null ist die Raumzeit flach.

Diese unterschiedlichen Formen lassen sich am Verhalten zweier darin befindlicher Objekte veranschaulichen. Stellen Sie sich vor, Sie markieren zwei Punkte auf einem Luftballon; wenn Sie ihn aufblasen, entfernen sich die beiden Punkte mit der Zeit voneinander. Das entspricht dem Verhalten in einer positiv gekrümmten Raumzeit. In einer negativ gekrümmten Raumzeit bewegen sich Objekte mit der Zeit aufeinander zu, als würde der Ballon Luft verlieren.

Im positiv gekrümmten De-Sitter-Raum dehnt sich der Raum mit exponentieller Geschwindigkeit aus. Für einen darin befindlichen Beobachter entsteht deshalb ein »Horizont«, eine Grenze, jenseits derer keine Kommunikation möglich ist. Wenn Sie versuchen, jemandem außerhalb Ihres Horizonts eine Nachricht zu schicken, wird die Person sie wegen des sich übermäßig stark weitenden Raums niemals erhalten. Es ist wie eine Strömung, die zu stark für einen Schwimmer ist. »Der Raum dehnt sich so schnell aus, dass es Bereiche gibt, die Sie, selbst wenn Sie ewig warten, niemals sehen werden«, erklärt die theoretische Physikerin Monica Pate von der New York University.

Der Anti-de-Sitter-Raum hingegen wirkt wie eine abgeschlossene Box. Den Rand dieser Box kann nur das Licht erreichen – aber er schließt ein Anti-de-Sitter-Universum wie ein Bilderrahmen ein. Alles wird zurück ins Zentrum dieser Box gezogen. Wenn Sie im Anti-de-Sitter-Raum ein Signal aussenden, wird es zu Ihnen zurückkehren. »Man kann es sich als eine allgegenwärtige Gravitation vorstellen«, erklärt Pate.

Wir leben in keinem dieser idealisierten Universen. In unserer realen Welt leben wir inmitten einer unausgewogenen Menge von Materie und Dunkler Energie. Während der kosmischen Inflation, also kurz nach dem Urknall, dehnte sich das All exponentiell aus und glich daher einem De-Sitter-Raum. Danach nahm es durch die Anwesenheit von Materie und Licht eine flachere Form an.

Doch der Raum expandiert seither immer schneller, sodass der Kosmos zunehmend wieder einem De-Sitter-Raum ähnelt. »Die Leute denken, dass wir irgendwann wieder in einem reinen De-Sitter-Raum leben werden – und das für sehr lange Zeit«, sagt der Kosmologe Daniel Green von der University of California in San Diego.

Leider verursacht der De-Sitter-Raum enorme Schwierigkeiten, wenn man das Universum auf kleinsten Skalen verstehen will. Das Problem liegt – wie so oft – an den seltsamen Regeln der Quantenmechanik.

Photonen, die aus massiven Teilchen bestehen

In der Quantenmechanik gibt es keine Gewissheiten. Wegen zufälliger quantenmechanischer Fluktuationen gibt es selbst für grundlegende Fragen keine genaue Antwort, etwa für die nach dem Aufenthaltsort eines Teilchens oder nach der Anzahl der Teilchen in einem kleinen Bereich.

Und doch müssen wir diese Mikroebene untersuchen, um zu verstehen, wie die Quantenwelt mit unserer Welt auf makroskopischer Ebene zusammenhängt. Je präziser man Quantenteilchen messen will, desto mehr Energie ist nötig, um durch die Fluktuationen hindurchzuschauen. Das ist im Wesentlichen der Grund, warum Fachleute die Teilchen in kilometerlangen Beschleunigern auf enorme Energien bringen.

Allerdings gibt es eine Grenze für die Energiemenge, die man für eine einzelne Messung aufwenden kann. Setzt man zu viel Energie in einem kleinen Raumgebiet frei, erzeugt man ein Schwarzes Loch. Wir sind zwar noch weit davon entfernt, in Experimenten auch nur in die Nähe dieses Energiebereichs zu kommen – doch das setzt auch theoretischen Berechnungen Grenzen. Fachleute müssen deshalb andere Wege finden, Quantenfluktuationen zu reduzieren.

Im flachen Raum muss man hierfür Messungen aus (effektiv) unendlich großer Entfernung durchführen – weit genug entfernt, um die Messgeräte von den Fluktuationen abzuschirmen. Im Anti-de-Sitter-Raum ist es noch einfacher: Quantenfluktuationen verschwinden am Rand des abgeschlossenen Universums, sodass man in der Theorie durch Experimente am Rand perfekte Messungen vornehmen kann.

Beim De-Sitter-Raum gibt es jedoch ein Problem. Je weiter man sich von den Messobjekten entfernt, desto größer werden die Quantenfluktuationen. »Die Gravitation sollte durch quantenmechanische Effekte überall fluktuieren«, erläutert Green. »Es gibt keinen Ort, an dem man sich davor schützen könnte.« Ohne eine zugängliche Grenze, von der aus man eine Messung präzise durchführen kann, ist es, als säße ein Experimentator im De-Sitter-Raum immer in seinem eigenen Experiment fest.

»Die gesamte Quantenmechanik basiert auf der Idee, dass es ein Quantensystem und einen makroskopischen, externen Experimentator gibt, der dieses System misst«, sagt Green. Im De-Sitter-Raum, wo es keine klare Trennung zwischen System und Beobachter gibt, bricht die Theorie zusammen.

Die Probleme im De-Sitter-Raum gehen noch weiter. Vieles von dem, worauf unsere physikalische Intuition beruht, verliert in einem exponentiell expandierenden Universum seine Gültigkeit. Zum Beispiel gilt der Energieerhaltungssatz nicht. »Die Expansion pumpt buchstäblich Energie in das Universum und verändert es«, stellt João Penedones von der EPFL in Lausanne fest.

Das verändert das Konzept eines Teilchens im exponentiell expandierenden Raum. Normalerweise stellen wir uns ein Teilchen als Objekt vor, das sich irgendwo befindet und durch den Raum bewegt. »Im De-Sitter-Universum gibt es so etwas nicht«, sagt der Physiker Manuel Loparco von der Universität Turin. Der ständige Energiezufluss sorgt dafür, dass ein Teilchen gewissermaßen zerfließt oder zerfällt.

»Der De-Sitter-Fall zeigt, dass unsere Intuition, die auf einem flachen Raum aufbaut, nicht in allen Räumen gilt«João Penedones, Physiker

In einer im Mai 2025 veröffentlichten Arbeit stellten sich Penedones und Loparco eine einfache Frage: Wie sieht ein Photon, ein Lichtquant, in einem exponentiell expandierenden Raum aus? Die Antwort war ein Schock: Ihre Berechnungen ergaben, dass masselose Photonen im De-Sitter-Raum aus massereichen Teilchen zusammengesetzt sein könnten.

Das führt zu seltsamen Konsequenzen. Masselose Photonen sind stabil, da Teilchen nur in leichtere zerfallen. Doch massereiche Photonen im De-Sitter-Raum könnten spontan in Materie übergehen – und dann wieder zu Licht werden. »Wir versuchen noch immer, die physikalischen Konsequenzen zu verstehen«, räumt Penedones ein. Die Fachleute verschaffen sich gerade erst einen Überblick über die technischen Herausforderungen und die grundlegenden Konzepte des De-Sitter-Raums. Laut Green stehen sie noch ganz am Anfang und finden nur allmählich heraus, was sie überhaupt berechnen können.

Penedones sieht großen Wert darin, verschiedene Versionen von Universen – de Sitter, Anti-de Sitter, flach – zu untersuchen, um die Quantenmechanik selbst besser zu verstehen: »Der De-Sitter-Fall zeigt, dass unsere Intuition, die auf einem flachen Raum aufbaut, nicht in allen Räumen gilt.«

Schwarze Löcher als Testfeld

Um die Quantenmechanik des De-Sitter-Raums selbst zu verstehen, wenden sich einige Fachleute Schwarzen Löchern zu: ultradichten Objekten, aus denen nicht einmal Licht entweichen kann. Man kann Schwarze Löcher zwar nicht direkt untersuchen, aber ihnen auf mathematischem Weg nahekommen. In den vergangenen Jahren gab es dabei einige Fortschritte.

Viele davon bauen auf dem holografischen Prinzip auf – der Vorstellung, dass die zweidimensionale Oberfläche eines Schwarzen Lochs alle Informationen über den dreidimensionalen Raum in seinem Inneren enthält. Das Volumen des Schwarzen Lochs ist daher so etwas wie ein Hologramm. Allerdings basiert die Idee ursprünglich nicht auf einem De-Sitter-, sondern auf einem Anti-de-Sitter-Modelluniversum. Hier suchen Physiker nach einer Theorie der Quantengravitation.

Schwarze Löcher sind Ausgangspunkt für das Erforschen einer möglichen Quantentheorie der Gravitation, da ihre extreme Schwerkraft selbst die Quantenteilchen merklich beeinflusst. In den letzten Jahren ist Fachleuten zudem aufgefallen, dass Schwarze Löcher dem De-Sitter-Raum überraschend ähnlich sind.

In der Nähe eines Schwarzen Lochs bildet der Bereich, aus dem das Licht der Gravitationskraft nicht mehr entrinnen kann, den sogenannten Ereignishorizont. Im De-Sitter-Raum entsteht um jeden Beobachter ebenfalls eine Art Horizont, weil sich der Raum zu schnell ausdehnt, als dass Licht die Person jenseits einer bestimmten Entfernung erreichen könnte. Falls unser Universum – wie Physiker vermuten – ewig weiter und immer schneller expandiert, wäre es, als lebten wir in einem Schwarzen Loch: Alles jenseits unseres De-Sitter-Horizonts bliebe für immer unerreichbar.

»Wir betrachten Schwarze Löcher als eine Art Testfeld, um quantenmechanische Effekte in der Kosmologie zu verstehen«, sagt der Physiker Tom Hartman von der Stanford University. »Immer wenn wir bei Schwarzen Löchern Fortschritte machen, fragen wir uns: Lässt sich das auf de Sitter anwenden?«

Bisher kommen Physiker jedoch nicht weiter, wenn sie ihre Fortschritte aus der Schwarzen-Loch-Forschung auf den De-Sitter-Raum übertragen. Ein Schwarzes Loch hat einen einzigen Horizont, während der De-Sitter-Raum viele hat – jeweils zentriert auf einen Beobachter. Ohne eine einzelne Begrenzung, an der man die Berechnungen verankern kann, scheint das De-Sitter-Universum ungeeignet, überhaupt etwas Quantenmechanisches zu enthalten. »Es hat etwas Leeres an sich«, konstatiert Hartman. »Wenn man versucht, eine Quantentheorie des De-Sitter-Raums zu formulieren, wirkt es so, als wolle er gar keine Zustände enthalten.«

Dies steht im deutlichen Gegensatz zur Welt, die wir beobachten. In der finden sich schließlich unzählige Quantenteilchen – und trotzdem wird sie einem De-Sitter-Universum immer ähnlicher. »Wahrscheinlich interpretieren wir diese Berechnungen falsch«, vermutet Green.

Dennoch hoffen Physiker, dass sich das holografische Prinzip eines Tages auch allgemeiner im De-Sitter-Raum anwenden lässt und Fragen zur Quantengravitation beantworten wird. »Das haben wir schon immer geglaubt – aber in den letzten Jahren ist diese Vermutung immer überzeugender geworden«, sagt Hartman.