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Okay, here's the podcast script based on the text you provided, in a conversational German style, including filler words and expressions, and in a monologue format:
Also, um ehrlich zu sein, ist das hier so ein bisschen wie... ja, wie das Ende einer langen Reise, ne? Ich hab' ja versucht, die Grundlagen der Quantengravitation zu erklären, und, äh, wie sich daraus so ein Weltbild ergibt. Und jetzt, in den letzten Kapiteln, wollte ich noch ein bisschen auf die Konsequenzen eingehen. Also, was die Theorie so über Phänomene wie den Urknall und Schwarze Löcher sagt.
Und, äh, dann natürlich auch, wie es denn so aussieht mit Experimenten, die diese Theorie testen. Und, ja, was uns die Natur so zuflüstert, besonders, äh, eben, was die Super-Symmetrie angeht, oder eben, dass wir diese erwarteten Teilchen einfach *nicht* finden, ne?
Also, wir haben da noch so ein paar Lücken in unserem Verständnis der Welt. Und, äh, ich wollte das Ganze dann noch mit ein paar Überlegungen abschließen. Speziell, ähm, was die Thermodynamik angeht, und die Rolle von Information in so einer Theorie der Quantengravitation, die ja eigentlich ohne Zeit und Raum auskommt. Und, ja, wie die Zeit dann doch wieder auftaucht.
Das bringt uns alles so an den Rand des Wissens, ne? Und von diesem Punkt aus können wir dann so ins Ungewisse schauen und uns diese riesigen Rätsel um uns herum angucken.
Fangen wir mal mit dem Urknall an, oder eben... *vor* dem Urknall, eigentlich.
1927 hat sich ein junger belgischer Wissenschaftler, Jesuitenpater sogar, mit den Einsteinschen Gleichungen beschäftigt und, genau wie Einstein, gemerkt, dass die eigentlich vorhersagen, dass das Universum entweder expandiert oder kontrahiert. Aber, äh, dieser belgische Priester, der war nicht so unklug wie Einstein und hat das Ergebnis nicht einfach ignoriert oder versucht, sich drumrum zu winden. Nee, der hat das ernst genommen und nach astronomischen Daten gesucht, um das zu überprüfen.
Damals hat man Galaxien noch nicht "Galaxien" genannt, sondern "Nebel", weil sie im Teleskop eben wie so milchige Wölkchen aussahen. Und man wusste noch gar nicht, dass das riesige Sterneninseln sind, so wie unsere eigene Galaxie. Aber der junge Belgier, der hat gemerkt, dass die wenigen Daten, die es gab, eigentlich dafür sprachen, dass das Universum expandiert. Also, dass sich die nahen Galaxien mit hoher Geschwindigkeit entfernen, so als wären sie in den Himmel geschossen worden, und die weiter entfernten sich noch schneller entfernen. Das Universum, wie ein Ballon, der aufgepustet wird.
Zwei Jahre später, dann, haben zwei amerikanische Astronominnen, Henrietta Leavitt und Edwin Hubble, das bestätigt. Leavitt, die hat eine gute Methode gefunden, um die Entfernung zu Nebeln zu messen, und Hubble hat das dann mit dem großen Teleskop am Mount Palomar benutzt und genaue Daten gesammelt. Und, ja, damit hat er dann bewiesen, dass die Galaxien sich tatsächlich mit einer Geschwindigkeit entfernen, die proportional zu ihrer Entfernung ist.
Aber dieser junge Belgier, der hatte schon 1927 die entscheidende Schlussfolgerung gezogen, nämlich: Wenn wir einen Stein hochfliegen sehen, dann wissen wir, dass der vorher weiter unten war und dass irgendwas ihn hochgeschossen hat. Und wenn wir sehen, dass sich Galaxien entfernen, dass das Universum expandiert, dann muss es ja mal so gewesen sein, dass die Galaxien näher beieinander waren, dass das Universum kleiner war, und dass irgendwas angefangen hat, das zu expandieren. Und dieser junge Belgier, der hat dann vorgeschlagen, dass das Universum ursprünglich mal winzig klein und super dicht war und dass es dann in so einer riesigen Explosion angefangen hat, zu expandieren. Und diesen Urzustand, den hat er dann das "Ur-Atom" genannt, was wir heute eben als den "Urknall" kennen.
Sein Name war Georges Lemaître. Im Französischen klingt das ja fast wie "Le Maître", also "der Meister", und, äh, ja, eigentlich ein passender Name für denjenigen, der als erstes den Urknall erkannt hat, ne? Aber trotz des Namens war Lemaître ein sehr bescheidener Mensch. Er hat Streit vermieden und nie behauptet, er hätte den Urknall zuerst entdeckt, sodass diese Entdeckung dann letztendlich Hubble zugeschrieben wurde. Er hatte aber zwei Momente der Weisheit. Und die hatten was mit Einstein und dem Papst zu tun.
Ich hatte ja schon gesagt, Einstein war skeptisch, was die Expansion des Universums anging. Er war ja überzeugt, dass das Universum statisch ist, und konnte sich die Vorstellung einer Expansion irgendwie nicht so recht vorstellen. Aber auch die größten Wissenschaftler können sich mal irren und von ihren Vorurteilen geblendet werden, ne? Lemaître hat Einstein getroffen und versucht, ihn von seinem Irrtum zu überzeugen. Einstein hat das aber abgelehnt und gesagt: "Ihre Berechnungen sind richtig, aber Ihre Physik ist abscheulich." Später musste Einstein dann aber doch einsehen, dass Lemaître Recht hatte. Es traut sich ja auch nicht jeder, Einstein zu widersprechen, ne?
Und was ähnliches ist dann nochmal passiert. Einstein, der hatte ja die kosmologische Konstante eingeführt, das hatte ich im dritten Kapitel erklärt. Eine sehr kleine Korrektur seiner Gleichungen, die aber wichtig war, damit seine Gleichungen mit einem statischen Universum übereinstimmten, was eben sein Fehler war. Als er dann aber einsehen musste, dass das Universum nicht statisch ist, da hat er sich dann auch gegen die kosmologische Konstante gestellt. Und Lemaître, der hat Einstein dann *wieder* davon überzeugt, dass er seine Meinung ändern soll. Die kosmologische Konstante, die hat zwar das Universum nicht statisch gemacht, aber sie war trotzdem richtig und es gab keinen Grund, sie aus den Gleichungen zu entfernen. Und auch diesmal hatte Lemaître Recht: Die kosmologische Konstante, die sorgt für eine beschleunigte Expansion des Universums, und das wurde ja auch gemessen. Also wieder hatte Einstein unrecht und Lemaître Recht.
Als sich dann so langsam die Vorstellung durchgesetzt hat, dass das Universum durch einen Urknall entstanden ist, da hat Papst Pius XII. dann in einer öffentlichen Rede verkündet, dass diese Theorie die Schöpfungsgeschichte in der Genesis bestätigt. Lemaître war sehr besorgt über diese Ansicht des Papstes. Er hat sich mit dem wissenschaftlichen Berater des Papstes in Verbindung gesetzt und mit allen Mitteln versucht, den Papst davon abzubringen, die Verbindung zwischen der Schöpfung und dem Urknall herzustellen. Lemaître war der Meinung, dass es dumm wäre, Wissenschaft und Religion so zu vermischen. Die Bibel, die weiß nichts von Physik und die Physik weiß auch nichts von Gott. Und Pius XII. hat sich dann auch überzeugen lassen. Die katholische Kirche hat das Thema dann nie wieder öffentlich erwähnt. Und auch hier, nicht jeder traut sich, dem Papst zu widersprechen, ne?
Und natürlich hatte Lemaître auch diesmal Recht. Es gibt ja heute viele Diskussionen über die Möglichkeit, dass der Urknall gar nicht der eigentliche Ursprung war, sondern dass es davor vielleicht ein anderes Universum gab. Stell dir mal vor, Lemaître hätte den Papst nicht überzeugt und der Urknall wäre mit der Schöpfung gleichgesetzt worden. In was für einer blöden Situation die katholische Kirche dann heute wäre, ne? Aus "Es werde Licht!" wäre dann "Mach das Licht wieder an!" geworden!
Einstein und den Papst davon zu überzeugen, dass sie falsch liegen, und das dann auch noch zweimal... Das ist schon eine Leistung. Er hat den Namen "Meister" wirklich verdient.
Heutzutage sind die Beweise ja schon fast überwältigend: Das Universum, das war in der fernen Vergangenheit super heiß und dicht und hat sich seitdem ausgedehnt. Und wir können die Geschichte des Universums vom Anfang, von diesem heißen, dichten Zustand aus, detailliert rekonstruieren. Wir wissen, wie Atome, Elemente, Galaxien und Himmelskörper entstanden sind und wie sie sich zu dem Universum entwickelt haben, das wir heute sehen. Und die ganzen Beobachtungen, die wir vom Weltraum aus machen, hauptsächlich mit dem Planck-Satelliten, die bestätigen die Urknalltheorie auch nochmal voll und ganz. Wir wissen ziemlich genau, was da so in den letzten 14 Milliarden Jahren passiert ist, seitdem das Universum ein Feuerball war.
Und man muss sich mal vorstellen: Der Begriff "Urknalltheorie", der wurde ja ursprünglich von den Gegnern der Theorie erfunden, um sich über die Idee lustig zu machen, weil sie so absurd erschien... Aber letztendlich haben wir uns dann doch alle überzeugen lassen: Vor 14 Milliarden Jahren war das Universum tatsächlich ein komprimierter Feuerball.
Aber was war denn eigentlich vor diesem heißen, dichten Zustand?
Wenn wir die Zeit zurückdrehen, dann wird die Temperatur immer höher und die Dichte und die Energie der Materie immer größer. Und irgendwann vor 14 Milliarden Jahren erreichen wir dann die Planck-Skala. Und an diesem Punkt gelten dann die Gleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie nicht mehr, weil wir die Quantenmechanik dann nicht mehr ignorieren können. Und damit sind wir dann im Bereich der Quantengravitation.
Also, um zu verstehen, was da vor 14 Milliarden Jahren passiert ist, brauchen wir die Quantengravitation. Und was sagt uns die Schleifenquantengravitation dazu?
Denken wir mal über einen ähnlichen, aber vereinfachten Fall nach. In der klassischen Mechanik würde ein Elektron, das direkt in einen Atomkern stürzt, vom Atomkern verschluckt und würde verschwinden. Aber das passiert ja nicht. Die klassische Mechanik, die ist einfach nicht vollständig. Wir müssen die Quanteneffekte berücksichtigen. Ein echtes Elektron ist ja ein Quantenobjekt, das keine definierte Bahn hat und das wir nicht in einem sehr kleinen Bereich einsperren können. Je näher es dem Zentrum kommt, desto schneller fliegt es wieder weg. Und wenn wir es in der Nähe des Atomkerns halten wollen, dann können wir es höchstens in die kleinste Atomorbitale bringen, aber nicht näher an den Kern. Die Quantenmechanik, die verhindert, dass das Elektron in den Kern stürzt. Wenn das Elektron dem Zentrum zu nahe kommt, dann stößt es die Quantenabstoßung weg. Und dank der Quantenmechanik ist Materie eben stabil. Ohne Quantenmechanik würden die Elektronen in die Atomkerne stürzen, es gäbe keine Atome und wir würden nicht existieren.
Und das gleiche gilt auch für das Universum. Stellen wir uns mal ein super dichtes Universum vor, das durch sein eigenes Gewicht extrem klein zusammengedrückt wird. Nach den Einsteinschen Gleichungen würde dieses Universum unendlich komprimiert werden und an einem Punkt komplett verschwinden, so wie ein Elektron, das in den Atomkern stürzt. Und wenn wir die Quantenmechanik ignorieren, dann wäre das der Urknall, den Einsteins Gleichungen vorhersagen.
Aber wenn wir die Quantenmechanik berücksichtigen, dann wird das Universum eben *nicht* unendlich komprimiert, sondern die Quantenabstoßung, die lässt es abprallen. Ein kontrahierendes Universum stürzt nicht in einen Punkt zusammen, sondern es prallt ab und fängt an, zu expandieren, so wie wenn es durch eine Explosion entstanden wäre.
Unsere Vergangenheit, die könnte das Ergebnis so eines Abpralls sein. Dieser riesige Abprall, der wird dann als "Big Bounce" bezeichnet, statt als "Big Bang". Und das scheint eben das Ergebnis zu sein, wenn man die Gleichungen der Schleifenquantengravitation auf die Expansion des Universums anwendet.
Das Bild vom Abprall darf man natürlich nicht zu wörtlich nehmen. Erinnern wir uns mal an das Beispiel mit dem Elektron. Wenn wir ein Elektron so nah wie möglich an einem Atom platzieren wollen, dann ist das Elektron kein Teilchen mehr, sondern wir können es uns eher als so eine Wolke der Wahrscheinlichkeiten vorstellen. Eine definierte Position, die hat für das Elektron keine Bedeutung mehr. Und beim Universum ist das genauso. In der wichtigen Phase des Big Bounce, da können wir uns das Universum nicht mehr als einen einzelnen Raum und eine einzelne Zeit vorstellen, sondern eher als so eine diffuse Wahrscheinlichkeitswolke, in der Raum und Zeit wild durcheinander wirbeln. Und während des Big Bounce, da verschmilzt die Welt zu so einer Wahrscheinlichkeitswolke, die aber immer noch durch die Gleichungen beschrieben werden kann.
Und so ist es eben wahrscheinlich, dass unser Universum aus dem Abprall nach einer Kompression entstanden ist und eine Quantenphase durchlaufen hat, in der Raum und Zeit zu Wahrscheinlichkeiten verschmolzen sind.
Der Begriff "Universum" wird dann auch so ein bisschen schwammig. Wenn wir mit "Universum" alles bezeichnen, was existiert, dann kann es ja per Definition kein zweites Universum geben. Aber der Begriff "Universum" hat ja in der Kosmologie noch eine andere Bedeutung. Er bezeichnet die Raumzeit-Kontinuum, die wir direkt um uns herum sehen und das mit den Galaxien gefüllt ist, deren Geometrie und Geschichte wir beobachten. Und in diesem Sinne gibt es eigentlich keinen Grund, anzunehmen, dass dieses Universum das einzige ist, das existiert. Wir können die Vergangenheit rekonstruieren, bis das Raumzeit-Kontinuum wie so eine Meerschaum zerbricht und zu so einer Quantenwolke der Wahrscheinlichkeiten wird, so wie John Wheeler das vorgeschlagen hat. Und es gibt auch keinen Grund, die Möglichkeit auszuschließen, dass es außerhalb dieser heißen Meerschaum eine andere Raumzeit-Kontinuum gibt, die unserer ähnelt.
Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Universum von der Kontraktion zur Expansion entwickelt und die Phase des Big Bounce durchläuft, die kann man mit der in dem vorherigen Kapitel beschriebenen Methode der Raumzeit-Box berechnen. Und die Berechnung, die kann man mit so einem Spin-Schaum durchführen, der ein kontrahierendes und ein expandierendes Universum miteinander verbindet.
Das ist alles noch so im Forschungsstadium, aber das bemerkenswerte an dieser Geschichte ist ja, dass wir heutzutage Gleichungen haben, mit denen wir versuchen können, diese Ereignisse zu beschreiben. Und auch wenn es bisher nur Theorie ist, so werfen wir doch schon mal vorsichtig einen Blick über den Urknall hinaus.
Aber wie sieht es denn nun mit den experimentellen Beweisen aus?
Die faszinierenden theoretischen Erkundungen der Quantenkosmologie, die sind nicht nur dazu da, um herauszufinden, was da außerhalb des Urknalls existiert, sondern die Erforschung der Anwendung der Theorie auf die Kosmologie, die bietet uns auch die Möglichkeit, zu überprüfen, ob die Theorie denn auch wirklich richtig ist.
Die Gültigkeit der Wissenschaft, die beruht ja darauf, dass wir nach Annahmen und Schlussfolgerungen, nach Intuition und Einsicht, nach Gleichungen und Berechnungen überprüfen können, ob wir das gut gemacht haben. Die Theorie, die macht Vorhersagen über Dinge, die wir noch nicht beobachtet haben, und wir können überprüfen, ob diese Vorhersagen richtig sind oder nicht. Und das ist die Stärke der Wissenschaft, deren Zuverlässigkeit auf so einem soliden Fundament steht, dass wir ihr voll vertrauen können, weil wir eben überprüfen können, ob eine Theorie richtig oder falsch ist. Und das unterscheidet die Wissenschaft von anderen Denkweisen, bei denen es eben oft sehr schwierig ist, zu beurteilen, wer Recht hat und wer nicht, oder wo das sogar gar keinen Sinn macht.
Als Lemaître die Vorstellung eines expandierenden Universums verteidigt hat, da hat Einstein ja nicht daran geglaubt. Und einer von beiden musste sich ja irren, und der andere musste Recht haben. Einsteins ganze Arbeit, sein Ruf, sein Einfluss in der Welt der Wissenschaft, seine riesige Autorität, all das hat keine Rolle gespielt. Die Beobachtungsdaten, die haben gezeigt, dass er falsch lag, und damit war das Spiel beendet und ein unbekannter belgischer Priester hatte Recht. Und genau deshalb ist das wissenschaftliche Denken so mächtig.
Die Wissenschaftssoziologie, die hat ja die Komplexität des wissenschaftlichen Erkenntnisprozesses aufgezeigt. Und wie jede menschliche Bemühung, so ist dieser Prozess auch von Irrationalität behaftet, von Machtspielen verwickelt und von allen möglichen sozialen und kulturellen Faktoren beeinflusst. Aber trotzdem haben diese Dinge die praktische und theoretische Wirksamkeit des wissenschaftlichen Denkens nicht geschwächt. Und das ist eben das Gegenteil von dem, was so einige Postmodernisten und Kulturrelativisten behaupten. Denn letztendlich können wir ja in den meisten Fällen doch klar feststellen, wer Recht hat und wer nicht. Und selbst der große Einstein, der hat gesagt, und er hat es wirklich gesagt: "Ach, da habe ich mich geirrt!". Und wenn wir Wert auf Zuverlässigkeit legen, dann ist die Wissenschaft die beste Strategie.
Das heißt aber nicht, dass die Wissenschaft nur die Kunst ist, beobachtbare Vorhersagen zu machen. Einige Wissenschaftsphilosophen, die beschränken die Wissenschaft auf numerische Vorhersagen und das ist eine zu starke Einschränkung der Wissenschaft, weil sie das Ziel mit den Mitteln verwechseln. Prüfbare quantitative Vorhersagen, das sind ja Mittel, um Hypothesen zu überprüfen, aber das Ziel der wissenschaftlichen Forschung ist ja nicht nur, Vorhersagen zu machen, sondern eben auch, die Funktionsweise der Welt zu verstehen, ein Bild von der Welt zu konstruieren und zu entwickeln und uns ein begriffliches Gerüst zu liefern, mit dem wir nachdenken können. Die Wissenschaft, die ist visionär, bevor sie technisch wird.
Prüfbare Vorhersagen sind ein starkes Werkzeug, mit dem wir rechtzeitig erkennen können, wenn wir etwas falsch verstanden haben. Eine Theorie, die keine experimentellen Beweise hat, die ist eben noch nicht überprüft worden. Und die Überprüfung, die hört ja nie auf. Eine Theorie, die wird nicht schon durch ein, zwei oder drei Experimente vollständig bestätigt, aber mit der Zeit, je mehr Vorhersagen sich als wahr erweisen, desto mehr steigt die Glaubwürdigkeit der Theorie. Und Theorien wie die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik, die haben ja anfangs viele Leute verwirrt, aber nach und nach, als dann alle Vorhersagen, selbst die unglaublichsten, durch Experimente und Beobachtungen bestätigt wurden, haben sie eben das Vertrauen der Menschen gewonnen.
Die Bedeutung experimenteller Beweise, die bedeutet aber auch nicht, dass wir ohne experimentelle Daten keine Fortschritte machen können. Es wird ja oft gesagt, dass die Wissenschaft nur dann Fortschritte macht, wenn wir neue experimentelle Daten haben. Und wenn das so wäre, dann hätten wir ja kaum Hoffnung, die Quantengravitation zu entdecken, bevor wir was Neues beobachten. Aber so ist es ja offensichtlich nicht. Was für neue Daten hatte denn Kopernikus zur Verfügung? Keine. Seine Daten, die waren die gleichen wie die von Ptolemäus. Hatte Newton neue Daten? Kaum. Seine eigentlichen Daten, das waren die Keplerschen Gesetze und die Ergebnisse von Galileo. Hatte Einstein neue Daten, um die allgemeine Relativitätstheorie zu entdecken? Auch nicht. Seine Daten, das waren die spezielle Relativitätstheorie und die Newtonsche Theorie. Und nur durch neue Daten macht die Physik Fortschritte, das ist einfach falsch.
Die Arbeit von Kopernikus, Newton, Einstein und vielen anderen Wissenschaftlern bestand ja darin, auf der Grundlage bereits existierender Theorien, die das Erfahrungswissen vieler Bereiche der Natur zusammenfassten, einen Weg zu finden, diese zu integrieren und neu zu überdenken, um das allgemeine Konzept zu verbessern.
Und genau darauf basiert ja auch die beste Forschung an der Quantengravitation. In der Wissenschaft ist die Quelle des Wissens letztendlich das Experiment. Aber die Daten, auf denen die Quantengravitation aufbaut, die stammen nicht aus neuen Experimenten, sondern aus dem theoretischen Gebäude, das ja schon unser Weltbild ausmacht, wenn auch in teils unvereinbarer Form. Die "experimentellen Daten" der Quantengravitation sind die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik. Und auf dieser Grundlage versuchen wir dann zu verstehen, wie eine Welt, in der Quanten und gekrümmter Raum koexistieren, überhaupt möglich ist, und wir versuchen, das Unbekannte zu erforschen.
Die großen Erfolge von Giganten, die sich vor uns in ähnlicher Situation befanden, wie Newton, Einstein, Dirac, die geben uns ja viel Mut. Wir würden uns ja nicht anmaßen, ihre Größe zu erreichen, aber unser Vorteil ist, dass wir auf ihren Schultern stehen, was uns ja weiter sehen lässt als sie. Aber wie auch immer, wir müssen uns eben anstrengen.
Wir müssen ja zwischen Hinweisen und stichhaltigen Beweisen unterscheiden. Hinweise, die ermöglichen es Sherlock Holmes, mysteriöse Fälle aufzuklären, aber ein Richter, der braucht ja stichhaltige Beweise, um einen Verbrecher zu verurteilen. Hinweise, die weisen uns den Weg zu der richtigen Theorie und stichhaltige Beweise, die geben uns dann die Gewissheit, dass die Theorie, die wir uns zusammengebastelt haben, gut ist oder eben auch nicht. Ohne Hinweise suchen wir in die falsche Richtung und ohne Beweise ist die Theorie nicht glaubwürdig.
Und das gilt eben auch für die Quantengravitation. Die Theorie, die steckt ja noch so in den Kinderschuhen, aber ihre theoretischen Bausteine, die werden immer solider und die grundlegenden Ideen, die werden immer klarer. Die Hinweise sind gut und konkret, aber es fehlen eben noch die bestätigten Vorhersagen. Die Theorie, die ist noch nicht überprüft worden.
Im Prinzip gibt uns die Natur ja Hinweise.
In der Forschung, die ich hier beschreibe, da ist die Stringtheorie die am meisten untersuchte Theorie. Die meisten Physiker, die die Stringtheorie oder verwandte Theorien erforscht haben, die haben darauf gehofft, dass der neue Teilchenbeschleuniger des CERN, des europäischen Kernforschungszentrums in Genf, also der LHC, der Large Hadron Collider, dass der nach seiner Inbetriebnahme sofort ein noch nie zuvor beobachtetes, aber von der Theorie vorhergesagtes Teilchen entdecken wird: Ein supersymmetrisches Teilchen. Die Stringtheorie, die braucht diese Teilchen, damit die Theorie in sich stimmig ist, und die Stringtheoretiker, die haben sich sehnsüchtig nach der Entdeckung gesehnt. Die Schleifenquantengravitation andererseits, die ist auch ohne supersymmetrische Teilchen gut definiert. Und die Schleifentheoretiker, die neigen eher zu der Annahme, dass es diese Teilchen vielleicht gar nicht gibt.
Dass die supersymmetrischen Teilchen nicht beobachtet wurden, das hat dann viele Leute enttäuscht. Und auch die, die die Entdeckung des Higgs-Bosons gefeiert haben, die haben diese Enttäuschung nicht verbergen können. Dass die supersymmetrischen Teilchen nicht bei den Energien aufgetaucht sind, bei denen sie viele Stringtheoretiker erwartet haben, das beweist ja nicht wirklich irgendwas, also bei weitem nicht. Aber die Natur, die hat einen kleinen Hinweis gegeben, der eben die Schleifentheorie begünstigt.
Es gab da drei wichtige experimentelle Ergebnisse in der Grundlagenphysik. Das erste war ja die Entdeckung des Higgs-Bosons am CERN in Genf. Das zweite waren die Beobachtungen des Planck-Satelliten, deren Messdaten 2013 veröffentlicht wurden und die das Standardmodell der Kosmologie bestätigten. Und das dritte war der erste Nachweis von Gravitationswellen, der in den ersten Monaten des Jahres 2016 bekannt gegeben wurde. Das sind die drei Signale, die uns die Natur in letzter Zeit gegeben hat.
Diese drei Ergebnisse, die haben eines gemeinsam: Es gab keine Überraschungen. Das schmälert aber nicht ihre Bedeutung, sondern es macht sie sogar noch bedeutsamer. Die Entdeckung des Higgs-Bosons, die hat die Richtigkeit des Standardmodells der Elementarteilchen, das auf der Quantenmechanik basiert, eindrücklich bewiesen. Und das ist eine Bestätigung einer Vorhersage, die schon vor 30 Jahren gemacht wurde. Und für das Standardmodell der Kosmologie, das auf der allgemeinen Relativitätstheorie und der kosmologischen Konstanten basiert, da waren die Beobachtungen des Planck-Satelliten ein solider Beweis. Und für die allgemeine Relativitätstheorie, die ja schon 100 Jahre alt ist, da war der Nachweis von Gravitationswellen ein überwältigender Beweis. Diese drei Ergebnisse, die durch technische Höchstleistungen und die breite Zusammenarbeit hunderter Wissenschaftler zustande gekommen sind, die haben nur unser bereits vorhandenes Verständnis der Struktur des Universums verstärkt. Es gab keine echten Überraschungen.
Aber dieses Ausbleiben von Überraschungen, das ist ja irgendwie auch eine Überraschung, weil ja so viele Leute erwartet haben, dass sie mal so richtig aus den Socken gehauen werden, also dass sie die Entdeckung einer "neuen Physik" machen, die von den etablierten Theorien noch nicht beschrieben wurde. Am CERN, da haben sie ja eher auf supersymmetrische Teilchen gehofft, als auf das Higgs-Boson. Und viele haben gehofft, dass der Planck-Satellit Abweichungen vom Standardmodell der Kosmologie beobachten wird, die andere kosmologische Theorien als die allgemeine Relativitätstheorie unterstützen würden.
Aber nichts davon ist passiert. Die Natur, die hat ganz einfach gesagt: Die allgemeine Relativitätstheorie, die Quantenmechanik und das Standardmodell, das eben zur Quantenmechanik gehört, die sind richtig.
Heutzutage gibt es ja viele theoretische Physiker, die durch willkürliche Annahmen nach neuen Theorien suchen: "Stellen wir uns mal vor..." Und ich glaube, dass diese Art, Wissenschaft zu betreiben, keine guten Ergebnisse bringt. Solange wir uns nicht von den Spuren inspirieren lassen, die in unserem Einflussbereich liegen, solange sind unsere Fantasien zu sehr darauf beschränkt, sich "vorzustellen", wie die Welt ist. Und die Spuren, die wir haben, also unsere Hinweise, das sind ja entweder erfolgreiche Theorien oder neue experimentelle Daten, und sonst nichts. Und in diesen Daten und in diesen Theorien, da sollten wir das entdecken, was wir uns im Moment noch nicht vorstellen können. Und genau so sind Kopernikus, Newton, Maxwell und Einstein vorgegangen. Die haben nie eine neue Theorie "erraten", so wie es heutzutage so viele theoretische Physiker versuchen.
Die drei experimentellen Ergebnisse, die ich ja schon erwähnt habe, die haben eben der Natur eine Stimme gegeben: "Hört auf, von neuen Feldern oder seltsamen Teilchen zu phantasieren! Von zusätzlichen Dimensionen, anderen Symmetrien, Paralleluniversen, Strings oder irgendwas anderem. Das Puzzle ist ganz einfach: Die allgemeine Relativitätstheorie, die Quantenmechanik und das Standardmodell. Der nächste Schritt ist vielleicht "nur" das Problem, diese auf die richtige Weise zu integrieren." Und das ist ja ein tröstlicher Vorschlag für die Quantengravitationsgemeinschaft, weil das ja die Annahme der Theorie ist: Die allgemeine Relativitätstheorie, die Quantenmechanik und das mit ihr vereinbare Standardmodell, und sonst nichts. Und die grundlegenden konzeptionellen Schlussfolgerungen, also die Quantisierung des Raumes, das Verschwinden der Zeit, das sind ja keine kühnen Hypothesen, sondern das sind eben die Schlussfolgerungen, die man zieht, wenn man die grundlegenden Erkenntnisse unserer besten Theorien ernst nimmt.
Das sind vielleicht auch noch keine konkreten Beweise. Die supersymmetrischen Teilchen, die könnten ja doch noch irgendwann auftauchen, vielleicht auf einer Skala, die wir noch nicht erreicht haben. Und selbst wenn die Schleifenquantengravitation richtig ist, so könnten sie ja trotzdem existieren. Dass die supersymmetrischen Teilchen nicht da aufgetaucht sind, wo sie erwartet wurden, das hat die Stringtheoretiker zwar etwas frustriert und die Schleifentheoretiker etwas ermutigt, aber das ist eben immer noch nur eine Frage der Hinweise und noch lange kein stichhaltiger Beweis.
Um mehr stichhaltige Beweise zu finden, da müssen wir den Blick woanders hinlenken. Das ursprüngliche Universum, das öffnet uns ein Fenster, das uns einige Vorhersagen ermöglicht, die die Richtigkeit der Theorie bestätigen können. Und ich hoffe, dass das in nicht allzu ferner Zukunft möglich sein wird, oder dass man eben beweisen kann, dass die Theorie falsch ist.
Und da ist es ganz hilfreich, ein Fenster zur Quantengravitation zu haben.
Wenn wir Gleichungen haben, die die Entwicklung des Universums in der Quantenphase beschreiben, dann können wir auch die Auswirkungen von Quantenphänomenen auf das heute beobachtete Universum berechnen. Das Universum ist ja voller kosmischer Strahlung: Eine große Menge an Photonen, die vom frühen heißen Zustand übrig geblieben sind, also sozusagen das Nachglühen der frühen Hitze.
Die elektromagnetischen Felder im riesigen Raum zwischen den Galaxien, die schwingen ja wie die Meeresoberfläche nach einem Sturm. Und diese allgegenwärtige Schwingung, die wird als kosmische Hintergrundstrahlung bezeichnet. Und die wurde ja in den letzten Jahren von Sonden wie dem Cosmic Background Explorer (COBE), dem Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) und zuletzt von dem Planck-Satelliten untersucht. Und ein Bild der kleinen Schwankungen dieser Strahlung, das kann uns was über die Geschichte des Universums erzählen. Und die Hinweise auf den Quantenursprung des Universums, die könnten da drin versteckt sein.
Einer der aktivsten Bereiche der Quantengravitationsforschung, das ist die Erforschung, wie sich die Quantendynamik des ursprünglichen Universums in diesen Daten widerspiegelt. Und auch wenn das erst am Anfang steht, so ist das doch schon mal ermutigend. Mit mehr Berechnungen und genaueren Messungen sollte es möglich sein, die Theorie zu überprüfen.
Im Jahr 2013 haben Abhay Ashtekar, Ivan Agullo und William Nelson einen Artikel veröffentlicht, in dem sie unter bestimmten Annahmen berechnet haben, dass die statistische Verteilung der Schwankungen, die von dieser kosmischen Strahlung herrühren, die Auswirkungen des ursprünglichen Abpralls zeigen müsste. Und zwar so, dass die großräumigen Schwankungen, die müssten sich von den Vorhersagen einer Theorie unterscheiden, die die Quanten nicht berücksichtigt. Und der aktuelle Stand der Messungen, der wird in einer Grafik dargestellt, in der die schwarze Linie die Vorhersage von Ashtekar, Agullo und Nelson darstellt und die grauen Punkte die Messdaten. Im Moment reichen diese Daten noch nicht aus, um zu beurteilen, ob der nach oben gebogene Teil der von den drei Autoren vorhergesagten schwarzen Linie korrekt ist. Aber die Messungen, die werden immer genauer und die Situation, die ändert sich ständig. Aber diejenigen, die wie ich ihr ganzes Leben damit verbracht haben, die Geheimnisse des Quantenraums zu verstehen, die beobachten ja hoffnungsvoll und ängstlich die Fortschritte, die wir bei unseren Beobachtungs-, Mess- und Rechenfähigkeiten machen. In der Hoffnung, dass uns die Natur in dem Moment sagt, was richtig ist und was nicht.
Spuren der ursprünglichen Hitze, die müssen ja auch im Gravitationsfeld vorhanden sein. Das Gravitationsfeld, also der Raum selbst, der muss ja wie so eine Meeresoberfläche schwingen. Und deshalb muss es auch eine kosmische Hintergrundstrahlung von Gravitationswellen geben, die noch älter ist als die kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, weil ja Gravitationswellen weniger durch Materie beeinflusst werden als elektromagnetische Wellen. Selbst dann, wenn das Universum zu dicht ist, um elektromagnetische Wellen durchzulassen, so können Gravitationswellen ungestört passieren.
Und jetzt, wo wir Gravitationswellen mit dem LIGO-Detektor, dem Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, direkt beobachten können, einem Detektor, der aus zwei Kilometerlangen Gerätearmen besteht, die in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind, und in denen Laserstrahlen die Entfernung zwischen drei festen Punkten messen. Und wenn eine Gravitationswelle durchläuft, dann dehnt und staucht sich der Raum unmerklich. Und die Laser, die zeigen dann diese winzige Veränderung an.
Die Gravitationswellen, die ja von astrophysikalischen Ereignissen wie der Kollision von schwarzen Löchern erzeugt werden, die werden ja durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben und haben nichts mit der Quantengravitation zu tun. Aber ein ehrgeizigeres Experiment namens LISA, das sich gerade in der Evaluierungsphase befindet, das könnte die gleiche Arbeit auf viel größerer Ebene leisten. Und zwar, indem es drei Satelliten in die Umlaufbahn bringt, die die Erde nicht umkreisen, sondern die Sonne. Die Satelliten, die sind dann durch Laserstrahlen miteinander verbunden und messen ihren Abstand zueinander oder, besser gesagt, die Veränderungen des Abstands, wenn eine Gravitationswelle durchläuft. Und wenn LISA erstmal gestartet werden kann, dann sollte es nicht nur die Gravitationswellen sehen, die von Sternen und schwarzen Löchern erzeugt werden, sondern es sollte auch die Hintergrundstrahlung von ursprünglichen Gravitationswellen beobachten können, die kurz nach dem Urknall entstanden sind. Und diese Wellen, die sollten uns was über den Quanten-Abprall erzählen.
In den feinen Unregelmäßigkeiten des Raums, da sollten wir Spuren der Ereignisse finden können, die sich vor 14 Milliarden Jahren beim Ursprung des Universums ereignet haben und wir sollten die Schlüsse bestätigen können, die wir über die Natur von Raum und Zeit gezogen haben.
Wie sieht es denn nun aus mit schwarzen Löchern?
In unserem Universum gibt es ja unzählige schwarze Löcher, in deren Bereich der Raum extrem gekrümmt ist und schließlich in sich zusammenfällt und die Zeit stehen bleibt. Und ich hatte ja schon erwähnt, dass ein Stern, der seinen gesamten Wasserstoff verbrannt hat, zusammenfällt und ein schwarzes Loch bildet.
Oft sind die zusammengefallenen Sterne mit benachbarten Sternen verbunden und bilden ein Paar. In diesem Fall umkreisen sich das schwarze Loch und sein verbliebener "Partner". Das schwarze Loch, das saugt dann kontinuierlich Materie von dem anderen Stern an.
Die Astronomen, die haben ja viele schwarze Löcher entdeckt, die so groß sind wie unsere Sonne, oder sogar noch größer, also zumindest, was ihre Masse angeht. Aber es gibt auch riesige schwarze Löcher. Und im Zentrum fast aller Galaxien befindet sich ja so ein riesiges schwarzes Loch, auch in unserer Galaxie.
Das schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie, das wird ja im Moment sehr genau untersucht und hat eine Masse, die millionenfach größer ist als unsere Sonne. Und manchmal kommt ein Stern diesem Ungetüm zu nahe und wird dann durch die Schwerkraft verzerrt und zerfetzt und von dem riesigen schwarzen Loch verschluckt, so wie ein kleiner Fisch von einem Wal verschluckt wird. Man stelle sich mal so ein Ungetüm mit 100 Sonnenmassen vor, das in einem einzigen Augenblick unsere Sonne und ihre winzigen Planeten verschluckt...
Es gibt da ja auch ein tolles Projekt, bei dem ein weltweites Netz von Radioteleskopen aufgebaut wird, mit dem die Astronomen dann eine ausreichend hohe Auflösung erzielen können, um die riesigen schwarzen Löcher "sehen" zu können. Und wir erwarten ja, dass wir da eine kleine schwarze Scheibe sehen, die von dem Licht der Materie umgeben ist, die da reinströmt.
Was in ein schwarzes Loch reinfällt, das kann ja nicht mehr rauskommen. Zumindest nicht, wenn wir die Quantentheorie ignorieren. Die Oberfläche des schwarzen Lochs, die ist ja wie so eine Einbahnstraße. Man kann sie nur von einer Richtung aus durchqueren und nicht aus der Zukunft zurückkehren. Für das schwarze Loch, da liegt die Vergangenheit außerhalb und die Zukunft innerhalb. Von außen sieht das schwarze Loch wie so eine Kugel aus, in die man reingehen kann, aus der aber nichts mehr rauskommt. Eine Rakete, die kann in einer bestimmten Entfernung von dieser Kugel bleiben, die als "Horizont" des schwarzen Lochs bezeichnet wird. Und um das zu erreichen, muss die Rakete ständig ihr Triebwerk zünden, um die Schwerkraft des schwarzen Lochs aufzuheben. Die enorme Schwerkraft des schwarzen Lochs, die führt dazu, dass die Zeit für die Rakete langsamer vergeht. Wenn die Rakete eine Stunde in der Nähe des Horizonts bleibt und dann wieder wegfliegt, dann wird sie feststellen, dass draußen in der Zwischenzeit schon Jahrhunderte vergangen sind. Je näher die Rakete dem Horizont kommt, desto langsamer vergeht die Zeit im Vergleich zu dra