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Ein Blick hinter den Vorhang

"Es gab keinen Urknall", ist werbewirksam auf dem Klappentext des Buches von Martin Bojowald gedruckt. Doch das ist nicht die Aussage des jungen deutschen Physikers, der derzeit an der Penn State University in den USA arbeitet. Er will "Zurück vor den Urknall", wie es der Buchtitel richtig sagt, und wie sollte er denn vor etwas zurück, was es nie gab? Doch nicht nur die Werbung für sein Buch, auch Bojowalds Unternehmung "Zurück vor den Urknall" selbst erscheint paradox. Schließlich soll nach gängiger Lehrmeinung mit dem Urknall alles begonnen haben, insbesondere auch die Zeit. Martin Bojowald hält dies aber schlicht für eine Überinterpretation des Begriffs Urknall.

Der Urknall, auf dessen Existenz aus Beobachtungen der Astronomie geschlossen werden kann, stellt einen extremen Zustand in der langen Geschichte unseres Universums dar. In diesem Zustand versagen die beiden fundamentalen Theorien der Physik, die Quantenmechanik und die Allgemeine Relativitätstheorie. Dieses Versagen äußert sich darin, dass physikalische Größen wie Dichte und Temperatur unendliche Werte annehmen, man spricht von einer Singularität. Die Singularität des Urknalls ist eine Scheintatsache, ein Ausdruck ungenügender Naturgesetze. Martin Bojowald zitiert hierzu Rudolf Carnap: "Es [ein Naturgesetz] kann richtig, aber auch falsch sein. Wenn es nicht richtig ist, ist der Wissenschaftler, nicht die Natur, der Schuldige."

Die Physiker bemühen sich, durch eine geeignete Kombination von Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik dem Urknall den Zahn der Singularität zu ziehen. An der Entwicklung einer solchen Theorie der Quantengravitation ist Martin Bojowald maßgeblich beteiligt, die so genannte Schleifen-Quantengravitation. Sie bildet den Kern seines Buches.

Theoretische Physiker halten unser Vorstellungsvermögen seit Jahren auf Trab: Nachdem wir uns gerade mit den Strings anfreunden mussten, kommen nun also die Schleifen. Die Stringtheorie, in den Büchern von Brian Greene wunderbar popularisiert, beschreibt den Teilchenzoo der Physik als unterschiedliche Schwingungsanregungen einer einzigen Art elementarer Objekte, eben den Strings (Fäden). Diese winzigen Fäden gleichen den Saiten eines Musikinstruments, die durch unterschiedliche Schwingungsanregungen verschiedene Töne erzeugen. Auch wenn dieses Modell einen großen Schritt im reduktionistischen Programm der Physik darstellt, tut sich die Stringtheorie mit der Urknall-Singularität schwer. Den Grund dafür erklärt Martin Bojowald in seinem Buch folgendermaßen: "Man kann mit ihr [der Stringtheorie] zwar gut die Anregungen auf einer gegebenen Raum-Zeit-Bühne beschreiben, aber das Verhalten der Raum-Zeit selbst, die ja am Urknall singulär wird, ist weit schwieriger zu handhaben. [...] Wir wenden uns deshalb jetzt einer alternativen Theorie zu, die die quantentheoretische Natur der Raum-Zeit-Bühne direkt angeht."

Die Raumzeit, durch Albert Einsteins Relativitätstheorie in die Physik eingeführt, wird in populärwissenschaftlichen Büchern gern als gespanntes Gummituch mehr schlecht als recht veranschaulicht. Massen verformen dieses Tuch, und diese Verformung der Raumzeit wiederum zwingt andere Körper auf eine gekrümmte Bahn. So erklärt Einstein die Gravitation. In der Schleifen-Quantengravitation ist dieses Tuch aber nicht aus homogenem Gummi, sondern aus Schleifen gewoben. "Wo keine Schleife ist, ist gar nichts", schreibt Bojowald. Die zeitliche Entwicklung eines Universums wird in dieser Theorie durch sukzessives Hinzufügen oder Entfernen von Schleifen beschrieben.

Mit der Zerlegung der Raumzeit in die Raumzeit-Atome der Schleifen, wiederholt sich in gewisser Weise die Geschichte der Physik. So wie die Quantenmechanik diskrete Energiezustände in die Atomphysik einführte, um die Stabilität der Atome zu erklären, stabilisiert erst die diskrete Raumzeit den extremen Zustand der Urknall-Singularität. Martin Bojowald bemüht hierfür das Bild eines Schwammes: Im kleinen Maßstab erscheint die Raumzeit porös, eben wie ein Schwamm. Diese Eigenschaft des Schwammes ist von weitem nicht sichtbar, und so erscheinen uns auch auf den gewohnten alltäglichen Skalen Raum und Zeit als kontinuierlich. So wie ein Schwamm Wasser aufsaugt, nimmt die Raumzeit immer mehr Energie auf, wenn man sich der Urknall-Singularität nähert. Ist der Schwamm vollgesogen, stößt er allerdings das Wasser ab. Analog dem Schwamm-Bild ist auch das Fassungsvermögen der diskretisierten Raumzeit begrenzt. Ein Ansteigen der Energie ist so nicht mehr bis ins Unendliche möglich, sondern führt zu einer abstoßenden Gravitation. Diese abstoßende Schwerkraft zur Zeit des Urknalls lies den Raum sogar beschleunigt expandieren – ein Konzept, das unter dem Begriff Inflation schon vor der Schleifen-Quantengravitation in der Physik diskutiert wurde.

Diesem zentralen Teil des Buches gehen einführende Kapitel über die Allgemeine Relativitätstheorie und der Quantenmechanik voraus. Hier fasst sich Martin Bojowald allerdings ziemlich kurz, so dass es schon von Vorteil ist, auch anderweitig schon mal von diesen fundamentalen Konzepten der Physik gehört zu haben. Nach der Darstellung der Schleifen-Quantengravitation sucht Martin Bojowald den Anschluss an "Die Triade der beobachtenden Kosmologie", das ist die Beobachtung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds, die großräumigen Galaxienverteilung und die Supernovae. Ein großes Kapitel ist den Schwarzen Löchern gewidmet, denn schließlich kommt auch in diesen Objekten das Problem der Singularität zu tragen. Anders als den Urknall können wir aber Schwarze Löcher gewissermaßen von Außen beobachten. Überhaupt macht Martin Bojowald klar, dass die Quantengravitation nicht bloße "Theorie" ist. So können Gravitationswellen und Neutrinos die Phase in der Geschichte unseres Universums, in der die Quantengravitation relevant ist, unbeschadet überstehen. Außerdem sollte die in Schleifen strukturierte Raumzeit auch einen Einfluss auf die Lichtgeschwindigkeit haben.

Wenn die Schleifen-Quantengravitation die Urknall-Singularität vermeiden kann, ist es sinnvoll zu fragen, was vor dem Urknall war. Davor muss ein kontrahierendes Universum kollabiert sein, ein so genannter Umschwung (auch Rückprall oder englisch Bounce genannt) von Kontraktion zu Expansion. Wie kann man sich ein kontrahierendes Universum vorstellen? Läuft in ihm die Zeit rückwärts? Welche Informationen über das Vorgängeruniversum können wir erwarten (nach den Forschungen von Martin Bojowald leidet das Universum unter "tragischer Vergesslichkeit")? Auf Fragen dieser Art versucht Martin Bojowald in seinem Buch zu antworten. Ein witziger Effekt ist die "Umkehrung der räumlichen Orientierung". Bojowald schreibt: "Ein Rechtshänder, sollte er die Reise durch den Urknall überleben, würde also danach zu einem Linkshänder werden." Ein witziger Effekt, was die Händigkeit eines hypothetischen Umschwungreisenden anbelangt, doch fundamental in der Teilchenphysik: Hier haben Spiegelsymmetrien ernste Auswirkungen.

Philosophisch wird es gegen Ende des Buches, wenn Martin Bojowald kritisch über die Versuchung reflektiert, moderne Entwicklungen in der Physik in traditionelle Weltbilder einzubauen. So steht die Schleifen-Quantengravitation für ein zyklisches Weltbild, entgegen der linearen Vorstellung der Weltgeschichte, wie wir sie zum Beispiel im Christentum vorfinden. Martin Bojowald weist darauf hin, dass solche "Parallelen zwischen aus den unterschiedlichen Traditionen stammenden Ideen [...] wohl nicht auf einen Funken Wahrheit, sondern eher auf den trotz aller Auswüchse geringen Grad menschlicher Phantasie zurückzuführen" sind. "Dennoch bietet ein Vergleich unterschiedlicher Weltbilder einen gewissen Reiz und sicher auch manchen Lerneffekt", und so klingt das anspruchsvolle, nicht immer einfach zu lesende Sachbuch doch noch unterhaltsam fabulierend aus.

"Die Urknall-Singularität stellt sich als Grenze der alten Sprache heraus, in der sie erstmals formuliert worden war. Sie bedeutet jedoch keine Grenze der Welt", schreibt Martin Bojowald. Mit seinem Buch versucht er, die neue Sprache der Physik in die Umgangssprache seiner Leser zu übersetzen. Seine Motivation dafür liefert er im Vorwort: "Verstehen wir die Welt wirklich, wenn wir sie nicht ohne die Voraussetzungen eines langjährigen Studiums erklären können?" Die Antwort, die der Autor mit seinem Buch gibt, ist nicht wirklich befriedigend, denn zu abstrakt und ungewohnt dürfte für die meisten Leser Bojowalds Hantieren mit Wellenfunktionen, Differenzialgleichungen und der Raumzeit sein. Das Buch komprimiert viele schwierige Konzepte auf engen Raum und lässt dem Leser kaum eine Verschnaufpause. Dazu kommt, dass der Autor für meinen Geschmack auch thematisch zu viel in sein Buch unterbringen will, als ob sein erstes auch schon sein letztes sein soll. Das wäre aber sehr schade, denn dieses Buch ist vor allem eins: wichtig!

Leser, die sich für die grundlegenden Fragen von Physik und Kosmologie begeistern, werden sich gerne durch so manche schwierige Passagen lesen, um zu neuen Sichtweisen zu gelangen, die das Buch zweifelsohne bietet. Ich kann nur hoffen, dass Martin Bojowald nicht locker lässt und die Schleifen so populär macht, wie Brian Greene die Fäden.
18. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 18. Woche 2009

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