Die Entstehung des Universums: Kosmologe über Urknall und Raum und Zeit

Was geschah vor und während des Urknalls? Der Gravitationsforscher Jean-Luc Lehners im t-online-Gespräch über den Ursprung der Zeit, parallele Universen und die Frage, ob es eine Welt ohne Zeit geben kann. Die Zeit bestimmt das Leben und bleibt doch eines der größten Rätsel der Menschheit. Sie kann vergehen, verrinnen, verstreichen, sich ziehen und manchmal scheint sie stillzustehen. Der Gravitationsforscher Jean-Luc Lehners erzählt im Interview, warum Zeit womöglich erst im Laufe der Entstehung des Universums entstanden sein könnte und warum Reste des Urknalls auf alten Röhrenfernsehern zu sehen waren. t-online: Herr Lehners, Thomas Mann schreibt im "Zauberberg": "Was ist die Zeit? Ein Geheimnis, – wesenlos und allmächtig." Was bedeutet Zeit für Sie? Jean-Luc Lehners: Zeit ist zwar allgegenwärtig, lässt sich aber nicht wirklich greifen. Man kann sie nicht unmittelbar erfassen. Zudem hat sich das Konzept der Zeit im Laufe der Geschichte stark verändert. Im Alltag oder in der Wissenschaft? Vor allem in der Wissenschaft. Aber diese Erkenntnisse wirken sich langfristig auch auf unser Weltbild und damit auf unseren Alltag aus. Was genau hat sich am Verständnis von Zeit grundlegend verändert? In der Physik lernt man zum Beispiel, dass Zeit eigentlich etwas sehr Persönliches ist, weil sie nicht für jeden gleich vergeht. Wie Zeit abläuft, hängt unter anderem auch von der Bewegung ab. Wenn etwa jemand mit sehr hoher Geschwindigkeit an uns vorbeifliegt und wieder zurückkehrt, ist für diese Person weniger Zeit vergangen als für uns. Das dürfte der Alltagserfahrung vieler Menschen widersprechen. Haben Sie ein konkretes Beispiel dafür? Man hat das einmal experimentell überprüft, indem man zwei sehr präzise, zuvor synchronisierte Atomuhren verwendet hat. Eine wurde in ein Flugzeug gebracht, die andere blieb am Boden. Das Flugzeug flog einmal um die Erde. Danach gingen die beiden Uhren nicht mehr gleich. Für die bewegte Uhr war weniger Zeit vergangen als für die am Boden. Zeit kann also tatsächlich und nicht nur gefühlt langsamer vergehen? Genau. Die Relativitätstheorie besagt, dass sich der Ablauf der Zeit in einem starken Gravitationsfeld oder unter starker Beschleunigung ändert. Das lässt sich mathematisch nachweisen oder wie in dem Experiment mit dem Flugzeug auch physikalisch. Solche Effekte wurden auch bei Elementarteilchen beobachtet, die sich mit sehr hohen Geschwindigkeiten bewegen. Ihr Wissenschaftskollege Harald Lesch hat einmal gesagt, Physiker hassten die Zeit, weil sie sich ihrer Kontrolle entzieht. Ist da etwas dran? Hass ist wohl zu stark. Das würde ich so nicht sagen. Zeit ermöglicht ja überhaupt erst, dass Dinge geschehen. Aber sie greift auch in Experimente ein. Das stimmt. Vieles in der Physik wird dadurch bestätigt, dass sich Experimente wiederholen lassen. Wenn man es jedoch ganz streng nimmt, kann man eigentlich nichts exakt wiederholen, weil sich das gesamte Universum in der Zwischenzeit weiterentwickelt hat. Gerade beim Blick auf den Ursprung des Universums wird die Zeit besonders rätselhaft. Hatte sie einen Anfang? Das ist eine der zentralen Fragen. Wenn wir davon ausgehen, dass das Universum, wie es das Urknallmodell nahelegt, einen Anfang hatte, dann liegt die Idee nahe, dass auch die Zeit einen Anfang hatte. Es könnte also sein, dass es einmal keine Zeit gab und dass Zeit etwas ist, das erst mit unserem Universum entstanden ist. Sie sprechen von unserem Universum, heißt das: Es könnte auch andere Universen geben? Es ist denkbar, dass auch andere Universen entstehen, möglicherweise mit ganz anderen Eigenschaften als denen in unserem. Es könnte also sein, dass die Relativitätstheorie in anderen Universen nicht in der Form gilt, wie wir sie kennen. Wir wissen, dass sie allein nicht ausreicht, um den Anfang des Universums zu beschreiben. In diesem Sinne wäre dann auch die Zeit, die wir erleben, etwas, das spezifisch zu unserem Universum gehört. Also könnte es in anderen, parallelen Universen gar keine Zeit geben? Oder zumindest eine ganz andere. Oder sie besitzen ihre eigene Zeit, die vollständig von unserer getrennt ist. Für uns gehören Raum und Zeit untrennbar zusammen, ebenso wie Materie. All das bildet unser Universum. Wenn es jedoch andere Universen gibt, die möglicherweise ganz anderen physikalischen Gesetzen folgen – was wir derzeit nicht wissen, uns aber theoretisch vorstellen können –, dann ist es denkbar, dass dort auch andere Konzepte von Zeit existieren. In diesem Sinne ist es eine ungewöhnliche, fast befremdliche Vorstellung, dass Zeit womöglich gar nicht so universell ist, wie wir lange angenommen haben. Sie sagten einmal, dass sich die Zeit erst nach dem Urknall herausgebildet habe und es am Anfang nur Raum gab. Wie muss man sich das vorstellen? Diese Idee geht auf Stephen Hawking und James Hartle zurück. Ausgangspunkt ist das Problem, dass in der Relativitätstheorie beim Urknall alles unendlich wird – man spricht von einer sogenannten Singularität. Mit solchen Unendlichkeiten kann man physikalisch jedoch nicht sinnvoll rechnen. Wie lässt sich dieses Problem umgehen? Hawkings Ansatz war, die Geometrie des Universums zu verändern, um diese Singularität zu vermeiden. Die Idee ist, dass das Universum keinen Rand hat, sondern in sich selbst abgerundet ist. Denn wo es einen Rand gibt, müsste es auch etwas davor geben. Um dieses Problem zu umgehen, kann man annehmen, dass das Universum von Anfang an in sich geschlossen ist. Allerdings zeigt sich, wenn man die Zeit bis ganz an den Anfang mit einbezieht, dass sich diese Abrundung der Raumzeit nicht erreichen lässt – die Unendlichkeiten bleiben bestehen. Wenn man sie vermeiden will, muss man gewissermaßen zunächst auf die Zeit verzichten. Also davon ausgehen, dass es nur Raum gab, aber keine Zeit? Ja, man kann sich das vereinfacht wie die Oberfläche einer Kugel vorstellen, etwa wie die Erdoberfläche: Sie ist endlich, aber hat keinen Rand. Übertragen auf das frühe Universum würde das bedeuten, dass es eine Art abgerundete Geometrie gab, allerdings in vier räumlichen Dimensionen. Und wann entstand daraus die Zeit, wie wir sie kennen? In diesem Modell wäre die Zeit am Anfang noch keine eigene Größe gewesen, sondern hätte sich wie eine zusätzliche Raumdimension verhalten. Erst ab einer bestimmten Größe oder Entwicklungsstufe des Universums, die sich theoretisch berechnen lässt, würde sich eine dieser Raumdimensionen in die Zeit umwandeln. Ist der Anfang des Universums also eher eine geometrische Form als ein Zeitpunkt? Mathematisch gesehen ist es wie die Hälfte eines Balles. Diese Ballhälfte beschreibt die Entstehung des Raumes aus dem Nichts. Dort, wo der Ball seine maximale Größe erreicht, kommt dann die Zeit hinzu, und das Universum dehnt sich ab diesem Moment aus, etwa wie ein ständig größer werdender Trichter. Der sich von ganz allein gebildet hat? Man kann sich das so vorstellen, dass dieser ursprüngliche Ball voller Energie war, und diese Energie trieb die Ausdehnung des Universums an. Das Ganze würde dann wie ein Federball aussehen. So kann man, zumindest rechnerisch, sowohl die Entstehung als auch die frühe Ausdehnung des Universums gemeinsam beschreiben. Lassen sich heute noch Spuren aus dieser frühen Phase beobachten? Ja. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist ein direktes Relikt des frühen Universums. Mit Radioteleskopen können wir sie messen. Aber manche von uns haben selbst schon einmal solche Spuren beobachten können. Die als Schnee bezeichnete Strahlung bei alten Röhrenfernsehern hat einen kleinen Teil der kosmischen Hintergrundstrahlung enthalten, die vom Urknall stammt. Sie waren in Cambridge Mitglied einer vom legendären Physiker Stephen Hawking geleiteten Kosmologiegruppe. Standen Sie auch in persönlichem Kontakt mit ihm? Ich habe zwar nicht direkt mit ihm zusammengearbeitet, aber wir haben unsere Ergebnisse gemeinsam diskutiert. In dem Rahmen gab es also durchaus einen Austausch mit Stephen Hawking. Wie war das, mit einem solchen Ausnahmewissenschaftler zusammenarbeiten zu können? Das war schon etwas Besonderes, das habe ich immer so empfunden. Er hatte eine ganz eigene Ausstrahlung, natürlich auch durch den Rollstuhl, den Computer und seine markante Computerstimme. Man wusste außerdem nie genau, was er gerade dachte, weil man es ihm nicht ansehen konnte. Und seine Antworten waren in der Regel sehr knapp. Oft war es so, dass er einfach dabeisaß und zuhörte. Aber allein seine Präsenz war außergewöhnlich. Hat Sie das geprägt? Durchaus. Ich habe später auch an einigen seiner Ideen weitergearbeitet. Interessanterweise war das allerdings nicht zu der Zeit, als ich in Cambridge war, sondern erst danach. Als ich mich intensiver mit seinen Ansätzen beschäftigt habe, war er allerdings schon sehr krank und nicht mehr so stark in die aktuelle Forschung eingebunden. Was bewundern Sie an ihm? Was ich immer besonders bemerkenswert fand, war, dass er unglaublich viele Ideen entwickelt hat. Natürlich hat er auch konkrete Rechnungen durchgeführt, die bekannt geworden sind, aber seine große Stärke lag darin, immer wieder neue, teils auch spekulative Gedanken in den Raum zu stellen. Nicht alle davon haben sich als richtig erwiesen, aber viele waren äußerst fruchtbar und haben die Physik entscheidend vorangebracht. Er hatte den Mut, solche Ideen offen zu formulieren, und oft lag er damit auch erstaunlich richtig. Herr Lehners, vielen Dank für das Gespräch. Am 1. April erscheint "Der Anfang von Raum und Zeit – Wie alles aus dem Nichts entstehen konnte" von Jean-Luc Lehners. In dem Buch zeigt der Kosmologe und Weltraumforscher, wie das Universum entstanden sein könnte und warum immer noch kein außerirdisches Leben gefunden wurde. Lehners versucht, die Mysterien des Universums mit aktuellen wissenschaftlichen Erkenntnissen aufzulösen. Das Buch hat 248 Seiten und erscheint im Verlag Droemer Knaur für 24 Euro als gebundene Ausgabe und für 19,99 Euro als E-Book.