Konnte alles aus nichts entstehen? Die Frage mag nach einer philosophischen, oder vielleicht sogar absurden, Frage klingen, aber erstaunlicherweise hat diese einen berechtigten Platz in der Physik und insbesondere in der Kosmologie. Letztere beschäftigt sich mit der Beschaffenheit und der Entwicklung des ganzen Universums. Doch bevor wir uns dem ganz Großen zuwenden, möchte ich zuerst etwas über die Erkenntnisse der letzten hundert Jahren zum ganz Kleinen erläutern. Da, in der Welt der Quanten, werden unsere Vorstellungen von Sein und Nicht-Sein nämlich öfters auf den Kopf gestellt.
Fangen wir gleich mit dem Wichtigsten an: Was versteht man unter „Quanten“? Stellen Sie sich eine Taschenlampe vor, und stellen Sie sich zusätzlich vor, dass man diese dimmen kann. Das Dimmen kann man zum Beispiel ganz einfach dadurch erzielen, dass man die Stromzufuhr zur Lampe verringert. Tut man dies, so verringert sich auch die Intensität des Lichtes. Aber was passiert, wenn wir die Lampe ganz stark dimmen? Es stellt sich heraus, dass in diesem Fall irgendwann nicht mehr noch schwächeres Licht ankommt, sondern dass das Licht unterbrochen wird. Es kommt nur noch manchmal an, und dazwischen leuchtet die Lampe gar nicht, ein bisschen so wie ein Morsesignal. Dimmen wir noch weiter, so kommen die einzelnen Lichtklumpen noch seltener an. Diese kleinstmöglichen Teile des Lichtes sind Quanten des Lichts – sie werden auch Photonen genannt.
Übrigens können wir Menschen dieses Experiment leider nicht mit unseren Augen durchführen, denn diese sind nicht ausreichend empfindlich, um einzelne Lichtquanten wahrnehmen zu können (unsere Augen reagieren nur, wenn viele Photonen zugleich auf der Netzhaut eintreffen). Doch das ist nicht bei allen Lebewesen so: Einige Froscharten können so gut im Dunkeln sehen, dass dieses Phänomen der einzelnen Lichtquanten ihnen bekannt sein dürfte. Ob sie hieraus auch schon die Gesetze der Quantenmechanik hergeleitet haben, steht jedoch noch aus.
Zwei Kommentare: Erstens unterscheiden sich die Lichtquanten durch ihre Farbe. Sie können aber nicht nur rot, grün oder blau sein, sondern auch zum Beispiel infrarot oder ultraviolett, ja sogar Röntgenstrahlen bestehen aus Lichtquanten. Und, zweitens, besteht nicht nur das Licht aus Quanten, sondern auch die ganze Materie. So zum Beispiel wird der elektrische Strom durch die Bewegung von Elektronen verursacht. Diese Elektronen sind wiederum Quanten; diesmal aber halt Quanten mit einer elektrischen Ladung. Quanten sind also, vereinfacht gesagt, die kleinstmöglichen Teile eines beliebigen Stoffes.
Wie wir nun seit etwa hundert Jahren wissen, verhalten sich Quanten manchmal auf erstaunliche Art und Weise. Ein Beispiel: Kennt man die Position eines Elektrons, so weiß man nicht, wie schnell es sich bewegt. Und umgekehrt: Kennt man die Geschwindigkeit, so kann man nicht wirklich sagen, wo sich das Elektron befindet. Das mag unglaubwürdig klingen, daher versuchen wir mal kurz, zumindest etwas Intuition für dieses Verhalten aufzubauen.
Wir müssen uns fragen: Wie kann man die Position eines (winzig kleinen) Elektrons überhaupt bestimmen? Wenn ich eine Zeitung lese, so sehe ich das Blatt und die Buchstaben, weil Licht vom Blatt abprallt und dann in mein Auge dringt. Besser gesagt: Lichtquanten fliegen von der Sonne (oder Lampe) aufs Blatt zu, prallen dann an den Materiequanten des Blattes ab, und landen schließlich in meinem Auge, wo sie die Sehnerven stimulieren. Wenn wir also ein Elektron beobachten wollen, so müssen wir mindestens ein Lichtquant darauf schießen. Dieses prallt dann vom Elektron ab, und kommt zurück in unseren Detektor geflogen. Dabei ist es unvermeidbar, dass das Elektron beeinflusst wird: Durch das Abprallen des Lichtquants verändert sich die Geschwindigkeit des Elektrons. Sprich: Messen wir die Position des Elektrons, so wird dessen Geschwindigkeit ungewiss.
Dieses Argument suggeriert, dass die Ungewissheit in der Position oder Geschwindigkeit plausibel ist. Die Quantenmechanik geht jedoch noch einen Schritt weiter. So stellt sich heraus, dass wir überhaupt nicht sagen können, dass das Elektron eine Geschwindigkeit hat, in dem Moment, in dem wir dessen Position messen. Da man Position und Geschwindigkeit nicht gleichzeitig bestimmen kann, würde eine simultane Aussage über beide Größen zu Paradoxien führen. Strikt gesehen kann man also nur von einer Eigenschaft reden in dem präzisen Moment, in dem sie gemessen wird. Alles andere ist reine Fantasie. Die Quantenmechanik besagt also, dass es gewisse, fundamentale Grenzen unseres Wissens gibt.
Das hat Konsequenzen. Nehmen wir an, dass wir gerade eben die Position eines Elektrons gemessen haben, und nun dessen Geschwindigkeit bestimmen wollen. Diese Geschwindigkeit gab es bislang nicht. Wenn wir sie messen, werden wir einen Wert erhalten. Aber dieser ist zufällig (man kann jedoch Wahrscheinlichkeiten für verschiedene Werte ausrechnen). Die Gesetze der Natur beinhalten also einen Teil Zufall. Das muss so sein, denn wäre der Wert nicht zufällig, so könnten wir ja im Nachhinein zurückrechnen, welchen Wert die Geschwindigkeit zu einem früheren Zeitpunkt hatte, und das geht nicht. Gewissermaßen ist die Geschwindigkeit aus dem Nichts entstanden, und nimmt dazu noch einen zufälligen Wert an.
Dieses Verhalten ist grundverschieden von der alten, sogenannten „klassischen“ Physik. Vor der Entdeckung der Quantentheorie dachte man, alles würde aus Umwandlungen entstehen. Wie Lavoisier es bekannterweise (vor über 200 Jahren) ausdrückte: „rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme“. Doch die Quantenphysik hat uns eines Besseren belehrt – es kann tatsächlich etwas Neues entstehen, einfach aus dem Nichts!
Lustigerweise ist es gut möglich, dass dieser Effekt, den wir Menschen bei den winzigsten Teilchen beobachtet haben, einen entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung des gesamten Universums hatte. Durch Beobachtungen wissen wir, dass das frühe Universum überall sehr ähnlich war, bis auf kleine Temperaturschwankungen hier und da (siehe Abbildung? Kosmische Hintergrundstrahlung?). Aus diesen winzigen Schwankungen ging über sehr lange Zeit (mehr als 13 Milliarden Jahre) die ganze Struktur des Universums hervor. Das kam so: Die Temperaturschwankungen gehen Hand in Hand mit kleinen Unterschieden in der Dichte. An manchen Orten gab es demnach ein klein bisschen mehr Materie, und an anderen weniger. Da wo sich mehr Materie befand, ist diese durch die Schwerkraft zusammengefallen und hat nach und nach Sterne gebildet. Aus Ansammlungen von Sternen wurden dann Galaxien.
Doch woher stammten diese ursprünglichen Temperaturschwankungen? Wir sehen, dass sie da waren, aber wir würden gerne wissen warum. Hier müssen wir uns Überlegungen zur Haupteigenschaft unseres Universums machen, nämlich dazu, dass es sich ausdehnt. Diese Ausdehnung war zu frühen Zeiten noch weit ausgeprägter als heute, und es gibt sogar die Möglichkeit, dass das ganz frühe Universum sich extrem schnell ausgedehnt hat – man diese Hypothese auch Inflationsmodell. Eine solche inflationäre Phase braucht allerdings eine bestimmte Art Materie. Wir nehmen jetzt einfach mal an, dass es diese Materie gab. Diese hat dann, wie alles andere auch, aus Quanten bestanden, und deren Energie hat die Ausdehnungsrate bestimmt. Man muss sich das so vorstellen wie ein riesiger Schwarm von Inflationsquanten, die übers ganze Universum verteilt waren.
Doch die Energie dieser Quanten war nicht überall gleich. Auch hier gab es, wie wir diskutiert haben, eine kleine Portion Zufall in deren Ausmaß. Somit hat die Energie der Inflationsquanten von Ort zu Ort ein bisschen fluktuiert, und man kann sogar ausrechnen, wie stark diese Fluktuationen typischerweise waren. Im Alltag verspürt all die Materie um uns herum (und in uns) auch solche Fluktuationen, aber diese bemerken wir nicht weiter, weil sie sich auf Dauer ausgleichen. Doch bei einer rasanten Ausdehnung im frühen Universum war das anders: da wurden diese Fluktuationen verstärkt. Sie haben mit sich gebracht, dass das Universum sich an manchen Orten etwas schneller ausgedehnt hat, und an anderen etwas langsamer.
Was war das Resultat? Da, wo sich das Universum ein bisschen schneller ausgedehnt hat, wurde es auch etwas weniger dicht. Und da, wo es sich weniger ausgedehnt hat, blieb es dichter, so dass sich in diesen Gegenden später die ersten Sterne bilden konnten. Die Dichteschwankungen haben auch Temperaturschwankungen mit sich gebracht. Die frühen Temperaturschwankungen, die wir im Universum beobachten können, könnten also Quantenfluktuationen als Ursprung gehabt haben. Falls dies stimmt, waren unsere Urvorfahren solch winzige Quantenfluktuationen!
Doch gehen wir noch einen Schritt weiter. Falls die Regeln der Quantentheorie allgemein gültig sind, so müssten sogar Raum und Zeit solche Fluktuationen aufzeigen. Hier kommen wir zur Frage, die mich in meiner Forschung am meisten interessiert: Konnten Raum und Zeit selbst als Quantenfluktuationen entstehen? Konnten Raum und Zeit aus Nicht-Raum und Nicht-Zeit entstehen? Falls ja, wäre unser Universum völlig in sich selbst verschlossen, da es seinen eigenen Raum und seine eigene Zeit hätte. Dann gäbe es nichts hinter dem Universum. Und auch nichts davor. Und eigentlich sollten wir dann auch gar nicht „hinter“ und „vor“ dem Universum sagen, denn diese Begriffe würde es dann gar nicht geben. Wie das klappen könnte, wurde in den letzten vier Jahrzehnten intensiv erforscht. Aber dafür reicht der Platz hier nicht ganz aus…