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.Prof. Harald Lesch: „Am Anfang war der Big Bang- die Geschichte des Weltalls, Teil 1“
SWR2 AULA; Redaktion: Ralf Caspary, Susanne Paluch
Sendung: Sonntag, 15. Januar 2006, 8.30 Uhr
Bitte beachten Sie: Das Manuskript ist ausschließlich zum persönlichen, privaten Gebrauch bestimmt.
Jede weitere Vervielfältigung und Verbreitung bedarf der ausdrücklichen Genehmigung des Urhebers bzw. des SWR.

ÜBERBLICK Teil 1
Prof. Dr. Harald Lesch* lehrt theoretische Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München; seine Forschungsschwerpunkte sind: Schwarze Löcher, Neutronensterne und kosmische Plasmaphysik. Lesch ist Fachgutachter für Astrophysik bei der DFG und Mitglied der astronomischen Gesellschaft.

Die Urknall-Theorie ist heute in der Zunft der Astrophysiker allgemein anerkannt, weil man mit ihrer Hilfe viele kosmologische Phänomene beschreiben und erklären kann. Wobei man auch hinzufügen muss, dass diese Theorie nicht perfekt ist. Sie gilt nicht als der Weisheit letzter Schluss, sondern als vorläufiges Modell, mit dem man im Moment ganz gut auskommt.
Die Urknall-Theorie ist für Laien äußerst schwierig nachzuvollziehen, sie basiert auf der Relativitätstheorie und operiert mit unvorstellbaren Größen und mit paradoxen Erscheinungen wie dunkler Materie. Professor Harald Lesch, Astrophysiker aus München und Träger des Communicator-Preises, schildert in drei Teilen die faszinierende Geschichte des Universums vom Big Bang bis zu den ersten Galaxien.

Ansage:
Mit dem Thema: „Am Anfang war der Big Bang- die Geschichte des Weltalls, Teil 1.“

Heute und an den zwei folgenden Sonntagen geht es um die Geschichte des Universums, um die Fragen, wie hat das alles angefangen, wie hat es sich weiterentwickelt. Die moderne Astrophysik konnte in den letzten Jahrzehnten neue faszinierende Antworten auf diese Fragen geben, wobei man gleich sagen muss, dass die meisten dieser Antworten den Alltagsverstand und unsere Erfahrungswirklichkeit weit hinter sich lassen. Wer kann sich schon vorstellen, wie das Universum kurz nach dem Urknall ausgesehen hat? Es war extrem klein, der Astrophysiker nennt eine Kleinheit von 10 hoch minus 33 Zentimeter, es war extrem heiß, 10 hoch 32 Grad Kelvin, und es herrschte eine unvorstellbare Dichte. Hinzu kommt noch, dass dieses heiße Stadium äußerst kurz war, man spricht von 10 hoch minus 44 Sekunden. Also, das kriegt kein menschliches Vorstellungsvermögen mehr auf die Reihe.

Der Münchner Astrophysiker Professor Harald Lesch wird im Folgenden zeigen, wie die moderne Astrophysik zu diesen Zahlen gekommen ist, welche Theorien da wichtig sind, wie das Universum kurz nach dem Big Bang ausgesehen hat, es erinnert irgendwie an eine heiße Ursuppe. Und keine Angst, Lesch ist ein genialer Vermittler, der auch komplexe Zusammenhänge anschaulich und unterhaltsam erklären kann.

Hören Sie nun also Teil 1 der Reise zum Anfang des Universums.


Harald Lesch:

Wie hat unser Universum begonnen? Diese Frage wird auch nach dieser Sendung nicht restlos beantwortet sein, aber ich werde versuchen, Ihnen zu erläutern, warum wir Naturwissenschaftler glauben, immerhin etwas Greifbares über den Anfang des gesamten Universums liefern zu können.

Die Frage nach dem Anfang geht mindestens bis in die Zeit des Philosophen Aristoteles zurück. Aristoteles hat sich mit solchen „Gedankenspielchen“ beschäftigt wie: Alles hat eine Ursache. Das heißt, man kann sich immer weiter „zurückhangeln“ in der Zeit, bis man letztendlich an eine Ursache kommt, die selber keine Ursache mehr haben kann. Aristoteles nannte das den „unbewegten Erstbeweger“. Das ist ein Prinzip, das selber nicht in Bewegung gehalten werden muss, sondern das seinerseits dafür verantwortlich ist, dass alles in Bewegung bleibt. Wenn man sich mit dem Anfang beschäftigt, stößt man unweigerlich auf solche Mysterien, an solche Grenzen des Verstandes.

Eine Textpassage aus dem Roman von Thomas Mann „Josef und seine Brüder“ verdeutlicht, was ich meine:

„Tief ist der Brunnen der Vergangenheit. Sollte man ihn nicht unergründlich nennen? Dies nämlich dann sogar und vielleicht eben dann, wenn nur und allein das Menschenwesen es ist, dessen Vergangenheit in Rede und Frage steht. Da denn nun gerade geschieht es, dass je tiefer man schürft, je weiter hinab in die Unterwelt des Vergangenen man dringt und tastet, die Anfangsgründe des Menschlichen, seine Geschichte, seine Gesittung sich als gänzlich unerlotbar erweisen und vor unserem Senkblei, zu welcher abenteuerlichen Zeitenlänge wir seine Schnur auch abspulen, immer wieder und weiter ins Bodenlose zurückweichen. Denn mit unserer Forscherangelegenheit treibt das Unerforschliche eine Art von foppendem Spiel. Es bietet ihr Scheinhalte und Wegesziele, hinter denen, wenn sie erreicht sind, neue Vergangenheitsstrecken sich auftun, wie es dem Küstengänger ergeht, der des Wanderns kein Ende findet, weil hinter jeder lehmigen Dünenkulisse, die er erstrebte, neue Weiten zu neuen Vorgebirgen vorwärts locken.“

So ähnlich wird es uns auch gehen: Je mehr wir über den Anfang wissen, desto mehr Rätsel werden wir lösen müssen. Zunächst aber müssen wir uns fragen, wozu wir überhaupt kosmologische Fragen stellen, ob wir sie überhaupt beantworten können und ob die Antworten überhaupt noch mit uns etwas zu tun haben. Denn der Anfang des Kosmos ist eine vollkommen „unmenschliche“ Angelegenheit.

Das Universum hatte einen Anfang, soviel ist sicher. Woher wissen wir das? Naturwissenschaft ist ja prinzipiell ein Wechselspiel von Theorie und Experiment, in der Astrophysik vor allen Dingen das Wechselspiel von Theorie und Beobachtung. Das ist ein großer Unterschied. Wir können in der Astrophysik keine Experimente machen in dem Sinne, dass wir einen Teil des Universums präparieren im Labor, sondern wir sind auf Beobachtungen angewiesen. Eine der wichtigsten Entdeckungen, die der Mensch jemals gemacht hat, ist, dass Dinge im Kosmos sich offenbar von uns weg bewegen, und zwar egal, welchen Teil des Universums wir gerade beobachten. Und: Je weiter Galaxien von unserer Erde entfernt sind, desto schneller bewegen sie sich weg von uns. Das war die Entdeckung, die Edwin Powell Hubbel in den 20er Jahren des 20. Jahrhunderts gemacht hat. Er stellte fest: Das Universum expandiert fortwährend.

Was hat das zu bedeuten? Zunächst einmal, ohne ein bestimmtes kosmologisches Modell als Grundlage zu nehmen, können wir uns folgendes überlegen: Wenn tatsächlich alles auseinander strebt, dann muss das ja früher mal näher zusammen gewesen sein, das Universum muss also früher kleiner gewesen sein, und Galaxien, die wir heute kennen, hatten ein wesentlich geringeres Volumen. Und was passiert, wenn man Gas in ein kleineres Volumen „einsperrt“? Es wird heißer. Daraus können wir zunächst folgern: Das Universum war früher kleiner und heißer. Infolge dessen muss das Universum auch einen Anfang gehabt haben. Zusammengefasst kann man also sagen: Die Expansion des Universums ist der Grund für unsere Überlegungen, dass es auch einen Anfang gegeben haben muss.

Ansonsten müsste man ja z. B. der Meinung sein, das Universum sei schon immer da gewesen, dann wäre die ganze Diskussion über einen Anfang natürlich obsolet. Dass wir einen Anfang annehmen und denken, hat vielleicht nur etwas mit der Struktur unseres Denkens zu tun: Als endliche Lebewesen können wir auch nur Endliches denken, Unendlichkeiten sind für uns nicht vorstellbar. Wir denken eigentlich immer Anfänge; das kann dann solche Ausmaße annehmen, dass wir uns fragen, was war eigentlich vor dem Anfang des Anfangs usw. Das schließt wieder an das aristotelische Prinzip des Erstbewegers an. Aber es muss nicht unbedingt so sein, dass der Anfang des Universums auch eine Notwendigkeit wäre. Das ist nicht der Fall. Denken wir an die Steady State-Kosmologie, die in etwa meint, das Universum war schon immer da und über die Anfänge können wir sowieso nichts aussagen, also warum sollen wir uns mit ihnen beschäftigen.

Aber seitdem man weiß, dass das Universum expandiert und der Raum sich ausbreitet, muss man auch über den Anfang des Universums nachdenken. Wenn es einen Anfang gegeben hat - und davon sind wir Astrophysiker ziemlich überzeugt, denn die Expansion impliziert logisch auch einen Beginn -, stellt sich die nächste Frage: Ist von diesem heißen Anfang noch etwas übrig geblieben? Sehen wir noch etwas davon? Unser Universum, wie wir es heute sehen, ist „voll“ entwickelt und existiert in seiner Strukturiertheit schon seit 13, möglicherweise seit 14 Milliarden Jahren. Aber wie hat es vor dieser Entwicklungsgeschichte ausgesehen?

Das Anfangsstadium war der „heiße Urknall“, das ist der Begriff aus der Kosmologie. Dieses Stadium zu beschreiben, ist gar nicht so einfach. Das Stadium muss nämlich gleichzeitig auch der Anfang von allen physikalischen Gegebenheiten gewesen sein, in dem alles, was sich nachher gebildet hat, also ein Elektron, ein Proton, ein Neutron, ein Atomkern, viele Atomkerne, Sterne, Planeten, Galaxien, Galaxienhaufen, Galaxien-Superhaufen, leuchtende Materie, dunkle Materie, baryonische Materie, nicht-baryonische Materie, schon angelegt gewesen sein muss.

Das Universum, wie es sich uns heute darstellt, ist fast völlig leer. Wenn Sie z. B. ein Elektron am Rande eines Galaxienhaufens wären, müssten Sie 25 bis 100 Millionen Jahre warten, bis Sie auf ein anderes Elektron treffen. Das ist eigentlich auch logisch, denn das Universum ist alt, und weil es ja die ganze Zeit expandiert, hat sich die Dichte der Materie verringert. Am Anfang muss das aber ganz anders gewesen sein.

Außerdem haben wir die Zusammenballungen von Materie. Das sind entweder die Galaxien oder in den Galaxien die Sterne, um manche wiederum drehen sich Planeten, auf manchen Planeten gibt es möglicherweise intelligente Lebensformen, die sich z. B. gerade jetzt Gedanken darüber machen, wie wohl das Universum entstanden sein könnte.

Das ist der Zustand heute. Aber so kann das damals nicht ausgesehen haben, sondern es muss, wie gesagt, sehr heiß und sehr klein gewesen sein, und es gab noch keine makroskopischen, also großen greifbaren Strukturen.

Zur astrophysikalischen Erklärung des Anfangs brauchen wir noch einige zusätzliche Theorien: Die Geschwindigkeiten der Teilchen waren damals durch die Hitze sehr hoch, maximal Lichtgeschwindigkeit. Damit haben wir den Bereich der Relativitätstheorie bereits erreicht. Das heißt, es spielen Effekte eine Rolle, die den Alltagsverstand und unsere empirische Erfahrungswirklichkeit übersteigen. Weiterhin müssen wir über die berühmte Formel nachdenken: e = mc2, also Energie und Masse sind äquivalent. Aber die spezielle Relativitätstheorie reicht nicht aus, wir brauchen zusätzlich noch die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie. Die Quantenmechanik ist eine letztlich nicht verstehbare Theorie, denn sie ist nicht mehr hinterfragbar und universell gültig. Ich kann Ihnen aber eines schon sagen, bleiben Sie dran, das ist alles nicht so schwierig!

Stellen Sie sich vor: Es gibt in der allgemeinen Relativitätstheorie einen Radius, eine Ausdehnung. Der sagt etwas darüber aus, wie stark man einen Körper komprimieren muss, damit aus ihm keine Information mehr rauskommt. Also nehmen wir z. B. einen Stern wie die Sonne: Wie schwer müsste der Stern sein, damit ihn kein Licht mehr verlassen kann? Das hat etwas zu tun mit dem Verhältnis von Masse zu Radius. Eine Sonnenmasse muss man auf 3 km zusammenpressen, dann bekommt man ein schwarzes Loch. Die Erde ist 300.000 Mal leichter als die Sonne, entsprechend kleiner ist auch ihr „Schwarzschildradius“ (benannt nach Karl Schwarzschild, Entdecker der Lösung der Einsteinschen Feldgleichung der allgemeinen Relativitätstheorie). Wenn ein Körper auf einen so kleinen Radius zusammengepresst wird, dann wird er zum schwarzen Loch und es kommt keine „Information“ mehr heraus.

Angewendet auf unser Universum lautet die Frage also, wie groß oder klein ist der Schwarzschildradius unseres Universums am Anfang? Um das zu berechnen, müssten wir eigentlich die Masse des Universums kennen, die kennen wir aber nicht genau. Wir können aber sagen: Der Schwarzschildradius ist der kleinste Radius, auf dem unser Universum am Anfang zusammengepresst gewesen sein könnte. Also: Die allgemeine Relativitätstheorie gibt uns den möglichen Schwarzschildradius vor.

Nun kommen wir zur Quantenmechanik. Aus ihr resultieren die Gesetze in der Welt der Atome, also auch innerhalb von Atomen. Atome sind sehr klein, wenn ein Atom so groß wäre wie das Allianz-Stadium in München, dann ist das Innerste des Atoms, der Atomkern, so groß wie ein Reiskorn am Anstoßkreis. Dazwischen gibt es noch Struktur, selbst innerhalb des Atomkerns, und all diese Dinge, die sich im Inneren abspielen, werden von der Quantenmechanik erfasst.

Nur sind in diesem Bereich die Teilchen keine Teilchen mehr, so wie wir uns das vorstellen - Billardkugeln oder so ähnlich -, sondern sie verhalten sich eher wie Pudding, sie sind also keine festen Kugeln, sondern sie schwingen sehr stark. Da stellt sich natürlich die Frage: Wie kann man von einem schwingenden Teilchen überhaupt noch die Größe berechnen? Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Pudding vor sich, der schwingt. Sie könnten gar nicht sagen, wie groß er ist, denn je nach dem, wie er schwingt, variiert die Größe.

Dieses Schwingungsverhalten von atomaren Teilchen in der Quantenmechanik beschreibt man mit der „Heisenbergschen Unschärferelation“ (nach Werner Heisenberg). Die Heisenbergsche Unschärferelation bedeutet in etwa: „Willst du wissen, wo sich ein Elektron gerade aufhält, dann musst du es messen. Wenn du es aber messen willst, dann wirst du das Elektron stören, du wirst auf das Teilchen einwirken. Auf diese Art und Weise wirst du nicht genau erkennen können, wo es sich befindet. Denn wenn du es genau lokalisiert hast, wo es ist, dann wird es sehr schnell sein. D. h. du hast keine Ahnung, welche Geschwindigkeit es hat. Weißt du aber seine Geschwindigkeit, dann weißt du nicht, wo es ist.“ Unterhalb einer gewissen Längenskala kann man demnach keine Aussagen mehr machen, wo sich Elektronen genau befinden.

Jetzt haben wir also zwei Längenskalen: Den Schwarzschildradius (wenn etwas kleiner ist als ein Schwarzschildradius, kommt keine Information mehr heraus) und die Heisenbergsche Unschärferelation (wenn etwas kleiner ist als eine bestimmte Skala, habe ich keine Information mehr, wie schnell das Teilchen ist). Jetzt setzen wir diese beiden Skalen in eine Relation, verbinden sie mit der Masse, und kriegen dann tatsächlich als Ergebnis: Die kleinste, kausal sinnvolle Struktur im Universum.

A propos „kausal“: „Kausalität“ ist der Begriff für den Zusammenhang von Ursache und Wirkung, er ist für unser Erkenntnisvermögen von grundlegender Bedeutung. Ohne Kausalität würden wir wahrscheinlich überhaupt nichts verstehen und völlig verrückt werden. Kausalität ist zugleich eine fundamentale Eigenschaft eines für uns vernünftigen Universums. Und jetzt gehen wir zurück in unsere sehr kleine Welt, in die sogenannte Planck-Welt, benannt nach Max Planck. Also die kleinste, kausale Struktur - kleiner kann das Universum für uns niemals werden, es sei denn, wir geben alle Prinzipien der Kausalität auf- ist eine Längenskala von 10-33 cm, also 1 geteilt durch 1033. Das ist eine unglaublich kleine Zahl. Sie ist 20 Größenordnungen kleiner als die Größe eines Protons. Und Sie wissen, ein Proton ist Teil eines Atomkerns, ein Atomkern ist ein Teil von einem Atom. Und ich habe Ihnen ja vorhin erklärt, wie klein ein Atomkern ist im Vergleich zu einem Atom. Und die kleinste, sinnvolle kausale Struktur unseres Universums, nämlich der Anfang unseres Universums, muss auf einer Skala passiert sein, die noch 20 Größenordnungen unterhalb der Größe eines Protons liegt.

Jetzt kann man noch die Zeitskala ausrechnen. Das macht man, indem man die Länge durch die Lichtgeschwindigkeit teilt. Da kommt heraus: 10-44 Sekunden. Merken Sie etwas? Da ist nicht T = 0. Wir reden auch nicht über Länge oder Radius = 0. Ich als Physiker kann Ihnen nur sagen, wir wissen gar nicht, wie der Anfang tatsächlich gewesen ist. Der wirkliche Anfang ist naturwissenschaftlich gar kein Thema. Weil wir nämlich keine Ursache-Wirkung-Struktur haben. Ich kann Ihnen nur dazu etwas sagen, was mit 10-43 oder 10-44 Sekunden angefangen hat. Was davor ist, weiß ich nicht. Das weiß überhaupt niemand. Was wir hier machen, und darüber müssen wir uns im klaren sein, ist Spekulation. Wir extrapolieren Theorien, von denen wir wissen, dass sie nicht völliger Unsinn sein können - vorsichtig formuliert -, wir stützen uns auf die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie. Dass Sie mich z. B. jetzt hören können, das ist ein Resultat der technischen Umsetzung theoretischer Vorstellungen der Quantenmechanik. Und falls Sie z. B. diese Sendung gerade im Auto hören und Sie schauen auf Ihr General Positioning System, um herauszufinden, wo Sie eigentlich sind, dann spielt die Relativitätstheorie eine Rolle. Beide Theorien helfen uns im Alltag.

Natürlich kommt noch hinzu, dass wir Astrophysik machen können, weil die Relativitätstheorie offenbar ganz wichtige Vorhersagen gemacht hat über den Energieinhalt des Universums, die Energieproduktion, die Energiefreisetzung in Sternen, die Ausbreitung von Teilchen, von Licht usw.

Wir gehen hier also mit Theorien um, von denen wir wissen, dass sie nicht ganz falsch sein können. Das ist eine der chauvinistischsten Extrapolationen, die man überhaupt machen kann. Chauvinismus, das wissen Sie, ist der Glaube an die Überlegenheit der eigenen Gruppe. Und was Physiker und Kosmologen hier machen ist: Sie gehen von dem aus, was sie wissen, und sie gehen mit diesem Wissen bis an den Anfang des Universums. Das ist eine Art von Chauvinismus.

Die allgemeine Relativitätstheorie ist ja im Grunde genommen die Theorie der großen Massen und der großen Ausdehnungen, die Quantenmechanik wiederum liefert die Theorie für das ganz Kleine, den atomaren Bereich. Mit diesem Handwerkszeug gehen wir an den Anfangszustand des Universums. Und der Anfangszustand des Universums ist physikalisch damit wohl definiert, nämlich: 10-33 cm und 10-44 Sekunden, das ist die Raum-Zeit- Definition. Dann könnten wir noch die Temperatur ausrechnen. Die Quantenmechanik sagt uns ja, Energie und Temperatur hängen miteinander zusammen. Das sind 1032 Kelvin, eine unglaublich hohe Temperatur. Die Dichte kann man noch ausrechnen: 1094 g/qcm, also sehr sehr dicht.

Aber in der nächsten Sendung werde ich Ihnen sagen: die Dichte war praktisch 0, denn de facto war die Temperatur so hoch, dass die Teilchen und die Antiteilchen sich gegenseitig ständig vernichtet haben. Am Anfang war einfach alles nur Energie, einfach nur heiß. Darüber aber mehr in der nächsten Sendung.

Das Universum hat also in einem Zustand begonnen, den wir zumindest im Prinzip mittels Quantenmechanik und Relativitätstheorie beschreiben können. Das ist doch gar nicht schlecht für den öffentlichen Dienst. Wir kommen also tatsächlich so ganz langsam inhaltlich an einen Punkt, wo man mittels Physik etwas über den Anfangszustand des Universums aussagen kann. Ich weiß nicht, ob Ihnen aufgefallen ist, dass wir nur die Expansion des Universums als Grundlage unserer Überlegungen genommen haben. Wir haben das Universums sozusagen geometrisch auf seinen Anfangszustand zurückgeführt. Wir wissen jetzt also, wie heiß es gewesen sein muss und wie dicht es gewesen sein könnte.

Aber was „drin“ war, welche Teilchen am Anfang vorhanden waren, das wissen wir noch nicht. Das wird Thema der nächsten Sendungen werden, wir werden uns durch die ersten 400.000 Jahre des Universums arbeiten.

Fazit: Was vor dem Urknall gewesen ist, ist keine naturwissenschaftliche Frage, weil keine Kausalität gegeben ist. Wir können darauf keine Antwort geben. Die Frage nach dem Anfang des Universums jedoch können wir heute naturwissenschaftlich behandeln. Wir können sogar fragen, ob irgendetwas von diesem Anfang übrig geblieben ist, also wir können so etwas wie kosmologische Archäologie betreiben. Gibt es irgendwelche Hieroglyphen am Himmel, woraus wir ablesen können, wie es damals vielleicht gewesen ist, abgesehen von der Expansion? Ist z. B. eine Reststrahlung übrig geblieben von diesem Anfang? Ist vielleicht eine Fluktuation übrig geblieben? Sind wir vielleicht nur ein „Dreckeffekt“? Oder wie verbindet sich die Kosmologie, also die Wissenschaft des gesamten Kosmos, des ganz Großen, mit der Wissenschaft des ganz Kleinen, der Elementarteilchen? Daran werden wir arbeiten.

Beenden möchte ich diese Sendung mit einem Zitat aus Immanuel Kants „Kritik der reinen Vernunft“:

„Die menschliche Vernunft hat das besondere Schicksal, dass sie durch Fragen belästigt wird, die sie nicht abweisen kann. Denn sie sind ihr durch die Natur der Vernunft selbst aufgegeben, die sie aber auch nicht beantworten kann, denn sie übersteigen alles Vermögen der menschlichen Vernunft.“

Ich hoffe, dass diese Sendung im Zwischenbereich geblieben ist. Wir hören uns wieder!


*****

* Zum Autor:
Prof. Dr. Harald Lesch lehrt theoretische Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München; seine Forschungsschwerpunkte sind: Schwarze Löcher, Neutronensterne und kosmische Plasmaphysik. Lesch ist Fachgutachter für Astrophysik bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und Mitglied der astronomischen Gesellschaft. 2005 erhielt Lesch den Communicator-Preis der DFG.

Bücher:
- Kosmologie für Fußgänger. Goldmann.
- Big Bang. Zweiter Akt. Bertelsmann.
- Physik für die Westentasche. Piper.

 


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