Annäherung an Raum und Zeit

Anmerkungen zu Raum und Zeit

Raum und Zeit gehören immer noch zu Mysterien, die im Kern nicht verstanden sind. Etwa die Quantenzustände verschränkter Teilchen erkennen einander über offenbar beliebige Entfernungen hinweg in wirklicher "Echtzeit" ohne die geringste Übertragungszeit und nicht begrenzt durch die endliche Lichtgeschwindigkeit, sozusagen an der einsteinschen Raumzeit vorbei. Deshalb bitte ich um Nachsicht, wenn hier Aspekte angerissen werden, vielleicht mehr Fragen aufwerfend als Lösungen anbietend.

Unser Bild von der Welt ist primär eine Beschreibung der Materie- und Energieverteilung und ihrer Veränderung mit der Zeit. Anschaulich ist das etwa bei einer Pendeluhr, die bei unseren Vorfahren in jeder Wohnung hing, doch Vorsicht, die gleiche Uhr würde schon auf dem Mond ganz anders gehen. Schon lange werden dazu die im Kern abstrakte Begriffe Raum (im Sinn von 3 orthogonalen Längen) und Zeit gebraucht, gewissermaßen als gedachte Bühne, auf der sich das Geschehen unserer Welt abspielt. Der Raum kennzeichnet die Ausdehnung eines Gegenstandes oder wird durch entfernte Massen "aufgespannt", ist insofern fest mit Materie verbunden, verliert für uns seine Bedeutung ohne Materie. Eine Welt ohne Veränderung von Materie oder Energie wäre zeitlos. Für uns Menschen sind Raum und Zeit erfahrbare Kategorien, weil unser Gehirn ihnen entsprechend strukturiert ist: Alle Sinneseindrücke werden zeitlich relativ zueinander geordnet gespeichert, Korrelationen zwischen ihnen werden "automatisch" gesucht und in eine räumlich-zeitliche Ordnung gebracht. Die kulturgeschichtlich alten Begriffe Raum und Zeit empfinden wir insofern nicht als abstrakt, obgleich sie es im Kern sind. Raum empfinden wir als absolute Größe, eben als Abstandsvariable zwischen Massen oder als Maß der Ausdehnung von Materie. Raum erscheint so als leere Bühne für das Geschehen in der Welt. Doch der Schein trügt: Kaum nachzuempfinden ist für uns der absolute Charakter der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, gleich unter welch verschiedenen Bedingungen man sie auch in der uns umgebenden Welt und zu unserer Zeit misst, immer ist das Resultat das selbe, etwa mit oder ohne bewegter Lichtquelle. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum erscheint als absolut feststehende Naturkonstante. Und weil Geschwindigkeit aus Länge- und Zeit zu messen ist, hat das zur Folge, dass genau diese beiden keine absoluten Größen sein können sondern voneinander abhängig sind und zwar elementar: Beobachtet man unterschiedlich schnell im Raum bewegte Atomuhren oder unter verschiedenen Gravitationsfeldern, so gehen sie jeweils anders. Zeit verliert ihre Bedeutung ohne Beobachter und hängt ab von seinem Ort und vorliegenden Parametern wie seiner relativen Geschwindigkeit und dort wirkender Schwerkraft.

Ein weiterer Gegenstand mit der sich die Relativitätstheorie befasst bezieht sich auf Materie. Masse und Energie sind die Grundbestandteile unserer Welt. Und wir verinnerlichen gerade erst, dass Materie und Masse zum größten Teil aus Wechselwirkungsenergie zwischen an sich viel leichteren Teilchen (vor allem Quarks) besteht. Und der Raum innerhalb massiver Körper ist eigentlich fast vollständig leer, denn die Atome - aus denen sie bestehen - werden aus im Verhältnis dazu extrem winzigen Elementarteilchen gebildet und eben leerem Raum. Einstein hat mit seiner berühmten Formel E = mc² Energie und Masse eng miteinander verbunden. Mehr noch, er hat Eigenschaften des Raums - seine Gestalt - mit in ihm enthaltenen Massen in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie verknüpft und nichtlineare Feldgleichungen des Gravitationsfeldes formuliert, die auf einer Seite Masse bzw. Energie enthalten. Ihre Nichtlinearität drückt aus, dass das Feld mit sich selbst wechselwirkt und insofern Quelle für sich sein kann, also so betrachtet selbst Energie enthält. Insofern ist Raum ein inertiales Feld, eine physische Entität (Gravitationsbindungsenergie enthaltend). Für die Krümmung des Raums muss Energie aufgebracht werden, der gekrümmte gestauchte Raum wird selbst zum Energieträger. Einstein hat so eine sich verändernde Bühne des Geschehens konstruiert, in der Raum und Zeit als 4-dimensionale Raumzeit verknüpft sind. Eine Grundannahme seiner Theorie ist die Gleichheit von träger und schwerer Masse, eine nicht selbstverständliche Annahme. Bisher jedenfalls ist dies experimentell unter den "normalen" Bedingungen im Kosmos sehr gut bestätigt worden. John Wheeler hat das so formuliert: "Die Raumzeit sagt der Materie wie sie sich zu bewegen hat, und die Materie sagt der Raumzeit wie sie sich krümmen muss." Und das rüttelt an der allgemein akzeptierten Vorstellung, die Gravitation sei eine der grundlegenden Kräfte in der Natur, vielleicht ist sie ja nur ein Effekt abgeleitet aus der gekrümmten Raumzeit.

Einstein stellte sich mit 16 Jahren vor, er würde auf einem Lichtstrahl reiten. In dieser Position könnte er den Strahl als feststehende gefrorene Welle wahrnehmen. Die Relativitätstheorie führt jenseits der uns vertrauten Vorstellung zu skurrilen Schlussfolgerungen, etwa dass die Zeit aus der Perspektive eines Beobachters für einen sich relativ zu ihm schneller bewegenden anderen Menschen langsamer vergeht, für ein mit Lichtgeschwindigkeit bewegtes Objekt bliebe sie stehen, umgekehrt würde ein Beobachter, könnte er mit Lichtgeschwindigkeit reisen, annehmen müssen, dass die Zeit in der ihn umgebenden "ruhenden" Welt stehen geblieben ist, denn für ihn bewegen sich alle Dinge der Umgebung auch mit dieser Geschwindigkeit. Es gibt nicht die eine Zeit, jeder hat seine Zeit. Eine gleiche Zeit für alle gab es nur im Moment des Urknalls. Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) folgt ferner, dass der Raum schrumpfen oder sich gekrümmt dehnen kann, dass am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs die Zeit für uns als weit entfernte Beobachter ebenfalls stehen bleibt, sich in ihm Raum verbergen könnte, obgleich es für uns aus der Ferne wie ein winziger Schatten daherkommt. Für einen hineinfallenden "Beobachter" würde die Zeit am Ereignishorizont dagegen vermutlich nicht stehen bleiben genauso wenig wie im Gedankenexperiment für einen mit Lichtgeschwindigkeit sich bewegenden Beobachter. Könnte ein Beobachter sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, erschien ihm jedoch der Raum vor sich als ebene Fläche, Linien würden zu Punkten schrumpfen, jede Bewegung wäre unmöglich. Alles scheint eher eine Frage der Perspektive zu sein: Was ist die Wirklichkeit? Photonen (und die hypothetischen Gravitonen) können nur still in einem Punkt stehen, obgleich sie doch aus unserer Perspektive Milliarden von Jahren von fernsten Galaxien mit Lichtgeschwindigkeit zu uns unterwegs sind. Was ist Realität, eine Frage der Perspektive? Insofern ist auch Herman Verlindes Twistor Holographie als Ansatz interessant (vgl. Twistor Theorie, Roger Penrose 1967), anscheinend gelingt es damit Sternbahnen am Rand von Galaxien ohne die Hinzunahme von Dunkler Materie richtig zu berechnen. Ein anderer hoffnungsvoller Ansatz ist die MOND-Theorie (modifizierte newtonsche Dynamik von Mordehai Milgrom), die bei schwachen Werten der Gravitation zu besseren Ergebnissen führt als Newtons Gesetz oder die allgemeine Relativitätstheorie, um die Bewegung der Sterne also fern vom Zentrum einer Galaxie besser beschrieben werden können. Bisher ist ein Nachweis von Teilchen der Dunklen Materie noch nicht gelungen, was auch schwer gelingen kann falls sie nur gravitativ wechselwirken. Alternative Ansätze willkommen sind auch wenn damit noch nicht alle Bewegungsmuster beschrieben werden können. Große Erwartungen verbinden sich mit dem Projekt LISA (geplant 2035), mit dem niederfrequente Gravitationswellen empfangen werden könnten. Damit sollten Erkenntnisse abzuleiten sein über das früheste Stadium des Universums. Auch ein unterirdischer Standort wird als "Einstein-Teleskop" erwogen.

Vielleicht lassen sich so Gravitation mit Quanten damit doch irgendwie zusammen bringen? Der kugelförmig gedachte Rand des Universums (Ereignishorizont) könnte alle Quanten-Eigenschaften in seinem dreidimensionalen Inneren als Hologramm auf dieser zweidimensionalen Oberfläche speichern. Und alles was im Universum abläuft könnte damit als nur virtuelles Geschehen interpretiert werden.

Ein Grundgedanke des Determinismus ist, dass prinzipiell aus einer vollständigen Kenntnis aller Zustandsvariablen zu einem Zeitpunkt sich alle zuvor abgelaufenen Ereignisse vollständig rekonstruieren lassen sollten. Am Ende des Universums müssten sich alle zuvor in seiner Vergangenheit abgelaufene Ereignisse rekonstruieren lassen. Einfach gesagt heißt das "Informationen können nicht verloren gehen". Informationen, die in ein Schwarzes Loch "fallen" wären dagegen unzugänglich und verloren (Informationsparadoxon). Wenn für uns als ferne Beobachter die Zeit am Ereignishorizont stehen bleibt, werden dort auch alle Informationen über in die ins Loch gefallenen Objekte eingefroren. Man kann das so bewerten, als könne die zweidimensionale Oberfläche alle Informationen bewahren, die in seinem dreidimensionalen Inneren von unserer Seite aus gesehen verloren sind. Was auch in ein Schwarzes Loch hineinfällt, ändert dessen Größe und vergrößert auch seine Oberfläche. `t Hooft (vertritt die Ansicht, Information darf nicht verloren gehen, Univ. Utrecht) und hat berechnet, dass auf diesen Zuwachs gerade die Information passt, die in seinem Inneren verloren wäre. Allerdings fiele es schwer, solche Informationen aus der Perspektive eines fernen Beobachters erkennen zu können - jede Information würde verblassen, die Energie jedes Trägers der Information geht gegen NULL. Da alle nahe von einem Ereignishorizont kommenden Photonen eine extreme Rotverschiebung erfahren und ihre Energie auf dem Weg zu uns verlieren, kann niemand etwas in ein Schwarzes Loch fallen sehen und Informationen von dort werden unsichtbar. Immerhin die Idee der Bewahrung aller Informationen auf einem Ereignishorizont ist auf den Rand des Universums übertragen worden, so dass der Zustand der gesamten Welt auf dieser Oberfläche wie ein Hologramm gespeichert sein könnte und uns eine drei- oder vierdimensionale Welt nur vorgespielt wird. Dass Informationen nicht verloren gehen können ist an sich eine gewagte Annahme. In der Welt kleiner Teilchen regieren Quanten und unsere beschreibende Quantentheorie ist im Kern nicht deterministisch.

In kosmischen Maßstäben konnte die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) manches gut erklären, beispielsweise dass der Raum um rotierende Massen - wie etwa um ein rotierendes Schwarzes Loch (vom Kerr-Typ) - verdrillt wird. Messungen in der Erdumlaufbahn bestätigen den Effekt mit der Erdrotation (Gravity Probe B). Keine vertrauenswürdige Antwort gibt sie dagegen für extreme Situationen, wie das Innere Schwarzer Löcher oder die schnelle Expansion des Universums (phänomenologisch mit dem Begriff "Dunkle Energie" belegt). Der Gültigkeitsbereich der ART wird offenbar verlassen bei extrem starken Gravitationsfeldern (innerhalb Schwarze Löcher oder beim Urknall) und wahrscheinlich auch bei extrem schwacher Gravitation (in masselosen Bereichen zwischen Galaxien, Voids, also in großen Skalen mit der Expansion des Universums). Um ihre Gültigkeit für die Stabilität von Galaxien und die Expansion des Universums zu retten, sind bislang nicht bewiesene "Hilfsgrößen" wie Dunkle Masse und vor allem Dunkle Energie als Synonüm für zusätzliche Kraftwirkungen eingeführt worden. Und Simulationen für die Entwicklung des Universums nach dem Urknall mit Supercomputern ergeben fadenförmige Strukturen der Dunklen Materie, aus der sich dann im späteren Verlauf sehr gut etwa Spiralgalaxien entwickeln. Doch alle Bemühungen waren bislang noch nicht zielführend, Dunkle Energie und Dunkle Materie erklären zu können. Die Gravitation als einzige wirksame Kraft reicht nicht aus, die Entwicklung des Universums zu beschreiben oder ihre Formulierung mittels der ART ist offenbar unvollständig. Bisherige Experimente in Kavernen zum Nachweis von Teilchen der Dunklen Materie als stoßende Teilchen, die Energie übertragen können in gekühlten Germaniumkristallen oder Xenonbehältern brachten bisher noch nicht den ersehnten Erfolg, genau so wenig wie die künstliche Erzeugung solcher Teilchen im Beschleuniger des CERN. Aus Computersimulationen der Dunklen Materie bei Galaxienkollisionen glauben einige Kosmologen Hinweise auf eine bisher unbekannte Wechselwirkung Dunkler Materie mit sich selbst heraus zu lesen. Bisher wurden viele alternative theoretische Ansätze darunter eine "Modifizierte Newtonsche Dynamik" (MOND) von Kosmologen diskutiert. Zur Erklärung der Dunklen Energie wäre man auf die Existenz einer weiteren bisher nicht beschriebenen Naturkraft angewiesen. Spekuliert wird auch über Teilchen mit geringer abstoßender Kraft auf baryonische Materie ("Quintessenzteilchen") oder gar Eigenschaften, die von der Dichte umgebender Materie abhängen ("Chamäleonteilchen"). Die könnten sich in der Umgebung von Masse (etwa der Erde) sozusagen verstecken aber in leeren Räumen wirken. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch die Frage zu klären (Experimente AEGIS und ALPHA beim CERN), ob Antiteilchen (vgl. hierzu das Experiment AMS-02 auf der IRS) unter dem Einfluss der Gravitation auch angezogen oder vielleicht abgestoßen werden. Im letzten Fall könnte ein Zusammenhang mit Wirkungen der Dunklen Energie vermutet werden: Virtuelle Teilchenpaare im Raum zwischen Galaxien könnten durch deren anziehende Wirkung so polarisiert werden, dass Materie in Richtung Massekonzentration (Galaxien) und Antimaterie immer in Richtung leerer Raum zeigt, diesen effektiv zu vergrößern sucht so wie die "Dunkle Energie" anzeigt. Doch Abschätzungen der Dunklen Energie des Universums mit Mitteln der Quantentheorie scheitern bislang, führen zu viel zu großen Zahlen...

Wenn man akzeptiert, dass Raum sich bewegen sozusagen eine Strömung wie Wasser erfahren kann und dies ohne Beschränkung durch die Lichtgeschwindigkeit, werden besondere Situationen für uns anschaulicher. Der Raum stürzt unablässig wie ein Wasserfall in ein Schwarzes Loch, innerhalb des Ereignishorizonts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit. Teilchen werden in den Abgrund gespült selbst wenn sie sich gegen die Stromrichtung bewegen, innerhalb des Ereignishorizonts sogar, wenn sie sich mit Lichtgeschwindigkeit entgegen der Strömung bewegen können wie Photonen. Falls Raum sich innerhalb eines Schwarzen Lochs schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegte, könnte er es auch verlassen. Das Universum kann sich im Strom des Raums zeitweise oder auch immer ausdehnen, Teilchen und ganze Galaxienhaufen könnten im Raum schwimmend sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit entfernen. Manche Forscher wie Kip Thorne gehen weiter, sie billigen der gekrümmten Raumzeit zu, dass sie selbst zum Energieträger wird (wie ja die nichtlinearen Feldgleichungen nahe legen). Das kann als Konsequenz zu der Aussage führen, all die in ein Schwarzes Loch gefallenen Massen haben sich vollständig in Krümmung der Raumzeit gewandelt und diese Energie könnte sich nahe einem Volumen 0 befinden. Andere Forscher spekulieren, im Zentrum eines Schwarzen Lochs befinde sich nur Energie (als Äquivalent seiner Masse) im Zustand einer extremsten Komprimierung als Planck-Dichte.

Dass der Raum selbst Energie beinhalten kann wird gestützt durch den Nachweis von Gravitationswellen als Folge der Vereinigung von zwei stellaren Schwarzen Löchern und von Neutronensternen. Dabei wird innerhalb kurzer Zeit ein großer Teil der freiwerdenden Gravitationsenergie in Form von Gravitationswellen abgegeben, als "Erschütterungen der Raumzeit". Solche Gravitationswellen können große Energiemengen durch den Raum transportieren und werden durch Materie wenig gedämpft. Bei dem am 15. Sept. 2014 registrierten Ereignis (GW150914) - schätzt man - wurde in Bruchteilen einer Sekunde die 3-fache Sonnenmasse als Energie in Gestalt von Gravitationswellen abgestrahlt und breitete sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Dieses Ereignis konnte trotz seiner großen Entfernung von 3,3 Milliarden Lichtjahren auf der Erde von den beiden LIGO-Anlagen in Hanford und Livingston registriert werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Gravitationswellen entspricht der Lichtgeschwindigkeit, weil sie selbst die Raumzeit nicht zu stark verändern. Diese nicht selbstverständliche Tatsache wurde durch das Ereignis GW 170817 (Neutronensternvereinigung) noch einmal eindrucksvoll bestätigt, bei dem nur eine Zeitdifferenz von 2s zwischen Registrierung von Gravitationswellen und dem Gammastrahlen-Blitz bei der Signallaufzeit von 130 Millionen Jahren beobachtet wurde. Auch ein Nachglühen des Ereignisses im optisch sichtbaren Bereich konnte später mit Teleskopen gefunden werden. Gravitationswellen verdienen größtes Interesse, denn sie tragen verschlüsselte Botschaften des Universums mit sich, eröffnen ein zusätzliches Fenster zu seiner Erforschung. Inzwischen sind viele solcher Ereignisse registriert worden. Vielleicht kann in Zukunft die Abklingphase solcher Gravitationswellen im Bereich höherer Frequenzen etwas über die innere Struktur von Neutronensternen und von stellaren Schwarzen Löchern verraten. Dazu müsste die Empfindlichkeit der Messung weiter gesteigert werden, damit diese Signale nicht im Hintergrundrauschen verschwinden. Und Optimisten hoffen, Gravitationswellen sogar aus der frühen Phase der Entstehung des Universums nach dem Urknall auffinden zu können. Verschiedene Projekte zeichnen sich ab, in den USA etwa "Cosmic Explorer" mit T-förmigen 40km langen Armen und damit 10fach länger als LIGO. Das Projekt LISA der ESA verspricht im Bereich niedriger Frequenzen (geplant 2034) neue Erkenntnisse über supermassive Schwarze Löcher und könnte wie gesagt wenn es gut geht vielleicht sogar etwas über den Nachhall des Urknalls verraten: Ein Laserobservatorium - aufgespannt als gleichseitiges Dreieck im Weltraum mit der Seitenlänge von jeweils 2,5 Millionen km - soll der Erde auf ihrer Bahn um die Sonne folgen. Und ein weiteres irdisches Projekt "Einstein-Telescope" - auch als Dreieck mit 10km Seitenlängen etwa 200m unter der Erde besser vor Erschütterungen geschützt und mit tiefgekühlten Reflektoren könnte empfindlich genug sein, das Innenleben von stellaren Schwarzen Löchern und von Neutronensternen zu beobachten (Beobachtungsbeginn etwa 2035 geplant). Im Projekt GLOC wird der Gedanke verfolgt, auf dem vergleichsweise "ruhigen" Mond mit 40km langen Armen ein Gravitationswellen-Observatorium zu verwirklichen. Mit der Gravitationswellenastronomie verbinden sich viele Hoffnungen bisher verborgene Seiten der Welt wie Dunkle Materie und extrem dichte Materieformen und die Mysterien "Raum" und "Zeit" erforschen zu können. Also hoffen können wir auf Ergebnisse, die die dunklen Seiten unserer Welt für uns Menschen verständlicher machen.

Der Nachweis des Higgs-Bosons im Teilchenbeschleuniger von CERN verleitet zu einer Spekulation: Anstelle seiner Bedeutung als Anregungszustand im Higgs-Feld könnte man einen Schritt weiter gehen und es als Bruchstück des Raums selbst ansehen. Es gibt noch verborgene Zusammenhänge zwischen Masse, Raum und Energie. Bisher findet sich noch kein Beweis zur Quantelung des Raums in nicht weiter teilbare Einheiten und vor allem auch nicht der Zeit. Doch vielleicht findet sich das ja noch.

Nach der allgemeinen Relativitätstheorie verschwinden Teichen, die in ein Schwarzes Loch fallen, nicht nur in einem Gefängnis ohne Zugriff von unserer Welt aus, sie verschwinden möglicherweise vollkommen im Volumen NULL, ihre Energie könnte in Krümmung der Raumzeit übergegangen sein. Der Raum wäre damit keine abstrakte Größe sondern eine materielle Instanz. Das erinnert etwas an Feldtheorien, mit denen die Fernwirkung von Kräften erklärt wurde, bevor die Teilchenphysiker Austauschteilchen (Eichbosonen) zur Kraftübertragung eingeführt haben und ihre Existenz in Teilchenbeschleunigern mit ihren tatsächlichen Flugbahnen auch beobachten konnten. Da diese Bosonen auch als Quanten des zugehörigen Feldes interpretiert werden können, widersprechen sich verschiedene Erklärungsversuche zur Fernwirkung von Kräften nicht wirklich. Die Fernwirkung der Gravitation in Newtons Theorie wird in Einsteins Vorstellung zu einer lokalen Kraftwirkung des gekrümmten Raums. Änderungen der Raumkrümmung - etwa als Folge bewegter Massen - können sich nach dieser Vorstellung nur mit Lichtgeschwindigkeit (als Gravitationswellen) im Raum ausbreiten.

Heute tauchen Längen und Zeiten zumindest indirekt fast in jeder physikalischen Gleichung auf, sie haben in unserem Denken eigenständige "Realität" erlangt. Uns Menschen muss dennoch bewusst bleiben, ohne Materie oder Energie ist der Raum und ohne Veränderung ist die Zeit bedeutungslos. Erst die Relativitätstheorie hat mit aller Deutlichkeit ihren abstrakten Charakter - als rechnerische Hilfsgrößen - bewusst gemacht. Längen-Maßstäbe oder Zeiteinheiten verändern sich danach mit der Geschwindigkeit oder unter der Wirkung der Gravitation. Es gibt keinen "Koordinatenursprung" des Raums im Universum und es gibt keine einheitliche Zeit für Jeden. Raum und Zeit ist nicht, was sie uns zu sein scheinen. Eben weil sie keine absoluten Größen sind, abhängiger von der Perspektive des Beobachters als unserem Gehirn recht sein kann. Ereignisse an verschiedenen Orten können nicht gleichzeitig geschehen. Denkbar ist das nur für speziell ausgewählte Beobachtungsorte, für andere Beobachtungsorte ergeben sich unterschiedliche Zeitpunkte. Für einen Beobachter geht jede Uhr langsamer, je schneller sie sich relativ zu ihm bewegt oder je stärker sie einer Massenanziehung ausgesetzt wird. Das hat in unserem Leben keine spürbaren Auswirkungen. Niemand altert wegen der Höhenlage in Denver schneller als in Hamburg. Wir alle leben in dieser Hinsicht unter fast identischen Bedingungen. Aber schon bei der Satellitennavigation, bei der es auf extrem genaue Zeitmessungen ankommt, müssen Gang-Abweichungen der Atomuhren der jeweils 3 beteiligten Satelliten berücksichtigt werden (also bei GPS, Galileo und Glonass). Jede Uhr in der ISS geht wegen ihrer relativ zur Erdoberfläche höheren Geschwindigkeit nach, in einer geostationären Bahn dagegen (wie bei Fernsehsatelliten) geht sie vor weil dort die Schwerkraft der Erde kleiner ist und dies dort den Effekt der Geschwindigkeit übertrifft.

Es gibt verschiedene theoretische Ansätze, dem Raum eine physikalische Rolle als eigenständiges Objekt und nicht nur als mathematisches Koordinatensystem zuzuweisen. Die Theorie der Schleifenquantengravitation (LQG, Loop-Quantengravitation) beschreibt den Raum als Objekt, das im Bereich der Planck-Skala quantisiert ist (Spin-Schaum): die Planck-Länge begründet ein Elementarvolumen. Es wird spekuliert, dass die kürzesten elektromagnetischen Wellen der Gammablitze an der Körnigkeit des Raums verlangsamt werden könnten. Sie müssten danach etwas später eintreffen als langwelligere Anteile der Gamma-Strahlung, Messungen wären also spannend. Rechnungen im Rahmen dieser Theorie LQG ergaben ein spekulatives Ergebnis. Komprimiert man die Welt auf weniger als 10 Elementarvolumina (entsprechend der Planck-Länge), ergibt sich nicht wie erwartet eine extrem große Zunahme der Energiedichte, sondern schließlich eine Abnahme - und damit würde ein zyklisches Universum möglich. Eine gespiegelte Welt könnte so bereits vor dem Urknall existiert haben sozusagen in einem endlosen Prozess. Informationen über sie werden den gewalttätigen "Wendepunkt" des "Urknalls" nicht überdauert haben, denn in der Quantenwelt verlieren sich kausale Beziehungen. Diese Theorie sagt geringe Unterschiede der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen abhängig von ihrer Wellenlänge voraus (die Lichtgeschwindigkeit wäre keine Naturkonstante) - um so stärker je mehr die Wellenlänge sich der Planck-Länge (als Körnigkeit des Raums) nähert. Leider ist das allerdings weit kleiner als zu beobachtende oder im Experiment herzustellende Wellenlängen. Vielleicht gelingt es irgendwie, geringe Laufzeitunterschiede in Gamma-Bursts sehr weit entfernter Hypernovae mit Satelliten (wie etwa GLAST) nachzuweisen. Das könnte dieser Theorie gegenüber String-Theorien Vorteile verschaffen und vielleicht auch als ein Hinweis interpretiert werden, dass die Zeit eine reale Größe und nicht nur eine rechnerische Hilfsgröße ist.

Spekulieren wir, der Urknall ist letztlich der Beweis dafür, dass der Raum einschließlich darin befindlicher Teilchen in verschiedenen Zuständen existieren kann. Die Quantentheorie definiert Wahrscheinlichkeiten für Zustandsübergänge, etwa dafür dass ein aus Teilchen bestehender Körper einen niedrigeren Energiezustand einnimmt - sehr unwahrscheinlich aber vielleicht nicht unmöglich. Ein niedriger Energiezustand des Raums wäre damit verbunden, dass "unsere" baryonischen Teilchen sich in andere verwandelt würden. Ein solcher Phasenübergang würde mit Lichtgeschwindigkeit durch das Universum fegen, für uns ein schmerzloser Tod. Die Wahrscheinlichkeit dafür scheint extrem klein - nicht aber NULL zu sein. Hat Materie noch 20 oder nur eine Milliarde Jahre Zeit zu existieren?

Atome altern nicht. Erst recht gilt das für Elementarteilchen: Sie sind so "blank" und neu wie zu ihrer Entstehung bei der Geburt der Welt. Eindrucksvoll ist die Vorstellung schon von jedem Liter Wasser, den wir trinken, dass er schon tausendfach von anderen Lebewesen getrunken und auch ausgeschieden worden war in dem fast endlosen Kreislauf der Elemente seit Entstehung der Erde. Es ist der makroskopisch anschauliche Beweis: Vielfach ist er inzwischen Verbindungen eingegangen und hat sie wieder aufgegeben, war Bestandteil der Atmosphäre, des Ozeans von Gesteinen, Lebewesen... immer in einem zeitlichen Ablauf mit Ursache und Wirkung. Bei diesen Vorgängen war die Zeit essentiell. Immer war in der makroskopischen Welt die sich ständig vergrößernde Entropie im Spiel. Sie scheint der Schlüssel zum Verständnis dafür zu sein, weshalb der Zeitpfeil nur ein Vorzeichen hat. Und Erik Verlinde hat auf einen Zusammenhang zwischen Entropie und Gravitation hingewiesen: Je mehr Körper wegen ihrer Massenanziehung sich nähern wächst die Entropie. Die elementaren Bestandteile unseres Liter Wasser dagegen sind Quantenobjekte (Elektronen, Protonen, Neutronen bis hin zu Atomen und Molekülen). Die können nicht altern, kennen keine Zeit, unterliegen der quantenmechanischen Unschärfebedingung. Durch Wechselwirkung der Quantenobjekte untereinander innerhalb von Gegenständen - bestehend aus statistisch relevanten großen Anzahlen von Teilchen - entsteht eine strenge Bindung untereinander und auch ihre untrennbare Einbindung in die Umgebung ("Dekohärenz"). In makroskopischen Körpern erscheinen Quantenzustände miteinander verschränkt und mit der Umgebung korreliert zu sein. Dadurch entsteht ein Zeitablauf, Veränderungen werden irreversibel, Alterungsprozesse mit Ursache und Wirkung zeigen sich... Damit erst erlangt der Zeitbegriff Bedeutung. Auf der quantenmechanischen Ebene dagegen wirkt kein Zeitpfeil, der in unserer makroskopischen Welt nur eine Richtung in die Zukunft hat, für Lebewesen eine unerbittliche Tatsache. Die Zeit scheint insofern eine andere Qualität wie eine Dimension im Raum zu haben. In ihm kann eine Strecke sowohl vorwärts wie rückwärts durchlaufen werden, eine Körnigkeit - sozusagen ein Elementarvolumen - erscheint uns eher als bei der Zeit vorstellbar.

Unser Zeitbegriff ändert seine Bedeutung in der Quantenwelt. Einsteins 4-dimensionale Raumzeit löst sich im Bereich kleiner Dimensionen auf, verschiedene Teilchen können sich zu einer exakten Zeit nicht am gleichen exakten Ort im Raum befinden. Und in der Quantenwelt gibt es seltsame Wirkungen aus der Zukunft auf die Gegenwart. Einsteins so kategorische Verknüpfung von Raum und Zeit ("Raumzeit") zerfällt. Hinter Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation verbirgt sich ein fundamentales Prinzip im Mikrokosmos: Einzelne Atome oder noch kleinere Teilchen weisen Eigenschaften auf, die wir in unserer makroskopischen Welt nicht beobachten - auf der aber unsere menschliche Anschauung und Erfahrung basiert. Ihr Verhalten erscheint uns nicht "plausibel", obwohl wir viel davon mit geradezu märchenhafter Genauigkeit berechnen, sehr genau beschreiben können, ohne die innewohnenden Gesetze ursächlich verstanden zu haben. Hierzu gibt es immer mehr Experimente mit Doppelspalten und einzelnen Photonen oder Elektronen (die scheinen gleichzeitig durch beide Spalte zu fliegen), noch dazu solche, deren Ergebnis davon abhängt, ob die Teilchen auf ihrem Weg - etwa am Doppelspalt - "beobachtet oder registriert" waren oder erst später. Solche Experimente belegen eine Wirkung der Beobachtung in der "Zukunft" auf Vorgänge in der Vergangenheit. Außerdem können Quantenzustände von Atomen und Photonen "verschränkt" werden und so eine Begrenzung ihrer gleichzeitigen Zuständsübergänge ohne jede Begrenzung ihrer Kommunikation auf Lichtgeschwindigkeit. Diese "spukhafte Fernwirkung" war schon Einstein ein Dorn im Auge und sie ist es immer noch!

Im Universum existiert das für uns Unerwartete, mit unserer Erfahrung nicht vorstellbare Energien und Geschwindigkeiten, Massen und Zeitabläufe. In Regionen mit extrem hoher Massendichte geschieht von uns noch nicht Verstandenes. Schwarze Löcher krümmen und schließen die Raumzeit um sich ab. Sie gehören nicht zu "unserer Zeit und unserem Raum". Gerade mit unserer wachsenden Erkenntnis entziehen sich Raum und Zeit noch immer einem vollen Verständnis. Und damit verknüpft ist auch das Verständnis der Gravitation. Sie unterscheidet sich von allen anderen bekannten Kräften (und zugeordneten Feldern), die wir besser verstehen. Die Feldgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie ergeben eine Gravitationsstrahlung, die in Gestalt von Gravitationswellen nachgewiesen werden konnte. Die Gravitation scheint beliebig kleine Werte annehmen zu können, das passt nicht in den Rahmen der Quantentheorie. Offenbar gibt es tief liegende Zusammenhänge zwischen der Kausalität, der Asymmetrie der Zeit - nur ein Vorzeichen ist erlaubt - sowie Raum und Zeit bei Bedingungen, die den Singularitäten in der Relativitätstheorie aber auch dem äußeren Rand unserer Welt entsprechen (Grenzen unseres Verständnisses). Bisherige Theorien versagen am Anfang der Zeit. Nur im Moment des Urknalls gab es "die Zeit" eine einzige für alle, man könnte ihr die Zahl 0 zuweisen, ungewiss bleibt jede Zeit davor. Danach und jetzt hat jeder "seine eigene Zeit" abhängig von Ort, Gravitation und Geschwindigkeit, abhängig von den Beobachtungsbedingungen.

Und ja auch in der Quantenwelt geschieht für uns Rätselhaftes. Unscharf werden Ort und Impuls, Zeit und Energie und andere Zustandsgrößen kleiner Teilchen (entsprechend Heisenbergs Unschärferelation). Viele Effekte passen nicht zu unserer erlebten Erfahrung in der makroskopischen Welt, etwa dass durch Beobachtung des Ortes eines Elementarteilchens seine zuvor also in der Vergangenheit durchlaufene Bahn - effektiv rückwirkend - beeinflusst wird, worauf eben Experimente an Doppelspalten ja hinweisen. Werden die Teilchen am Doppelspalt registriert, ergeben sie kein Interferenzmuster sondern Schattenfiguren wie in der makroskopischen Welt, ohne Beobachtung dagegen das Interferenzmuster wie es bei der Wellenausbreitung entsteht. Die Teilchen müssen ihre Umgebung zumindest im mikroskopischen Umfeld "registrieren". Man kann Heisenbergs Unschärferelation auch so formulieren, ein Teilchen findet seinen exakten Platz im Raum erst, wenn es beobachtet wird.

Rätselhaft ist auch die Fernwirkung zwischen zwei verschränkten Teilchen (mit gekoppelten Quantenzuständen), die über größere Entfernungen bestehen bleibt und sich mit der Änderung bei dem einem Teilchen ohne Zeitverzug unmittelbar auf das andere auswirkt. Bisher gibt es keinen Hinweis darauf, dass die Verschränkung zweier Teilchen auf kleine räumliche Entfernungen beschränkt bliebe. Im Universum waren kurz nach dem Urknall entstandene Teilchen dicht und nahe beieinander. Verschränkungen zwischen ihnen waren sehr wahrscheinlich. Falls diese über sehr große Entfernungen bestehen geblieben sind, gibt es ein unsichtbares Band im Universum, das "alles zusammenhält". Manche Forscher spekulieren, Verschränkung könnte auch für die Zeit wirken, wie ja Experimente an Doppelspalten erahnen lassen. Auf der Quantenebene ist nach dem Urknall keine Zeit vergangen. Die Schwäche unserer Vorstellung von der Funktion unserer Welt wird sich vielleicht erst mit einer umfassenderen Theorie überwinden lassen, die Quanten und Relativität vereint und miteinander verträglich beinhaltet: die Theorie für "alles".

Mit zwei dünnen Aluminiumscheibchen konnte die Verschränkung ihres Schwingungszustands nachgewiesen werden, angestoßen durch Mikrowellenimpulse: etwa eine Billion Atome waren daran beteiligt. Das ist ein Hinweis darauf, dass Quantenphänomene auch bei statistisch großen Zahlen zu beobachten sind. Dazu waren die Folien bis nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt, um störende thermische Bewegungen der Gitteratome zu vermeiden. Ist das ein Hinweis darauf, dass auch makroskopische Körper doch irgendwann "gebeamt" (teleportiert) werden könnten in einer fernen Zukunft unserer technisierten Gesellschaft? Es scheint so als ob ein bisher nicht verstandenes feines Netz an Zusammenhängen unsere als riesig empfundene Welt im "Innersten" zusammenhält, räumlich und zeitlich vom Urknall beginnend mit unserer Vorstellung von Raum. Raum - etwa ob er gequntelt ist mit einem "Elementarvolumen" und auch Zeit bergen noch genug Rätsel, die der Mensch mit seiner Neugier bisher sehr unvollkommen zu erforschen sucht.

Unser Standardmodell geht vom Urknall als Anfang von allem aus und es wird in der Rückschau bis zu einem Alter der Welt von wenigen Minuten durch verschiedenartige Beobachtungen gestützt. Nach dieser Vorstellung hat sich das Universum aus einem ursprünglich kleinen Raum seitdem ständig - in einem komplexen Ablauf und mit keiner erfahrbaren Vergleichsmöglichkeit - extrem schnell ausgedehnt. Ein solcher Vorgang wird uns verständlicher, wenn er unserem menschlichen Vorstellungsvermögen entsprechend anschaulich gemacht werden kann. Das Universum bietet uns einen solchen Gefallen nicht an. Dem Modell entsprechend sollen sein Alter (13,8Milliarden Jahre) und sein Raum endlich sein. Die Kosmologen vermuten, es sei "flach" ohne großräumige Krümmung. Es gilt dann die euklidische Geometrie: im "flachen" Universum ist die Winkelsumme in Dreiecken genau 180°, wie Winkelmessungen in unserer Umgebung des Weltraums auch bestätigen. Der 3-dimensionale Weltraum ist also geradlinig aufgespannt und nur in der Nähe großer Massen gekrümmt. Die Wirkung gravitativer (und auch elektromagnetischer) Kräfte nimmt mit der 2. Potenz des Abstandes ab. Das kann als ein weiterer Hinweis angesehen werden, dass der Raum exakt 3 Dimensionen hat, eben genau so wie wir ihn erleben. Als Schlussfolgerung aus der Feinstruktur der Mikrowellenhintergrundstrahlung nehmen die meisten Kosmologen heute an, dass die gesamte Masse im Universum dem Grenzfall einer kritischen Dichte entspricht. Sie folgern das aus der Winkelausdehnung der größten Muster (entsprechend winzigen Temperaturunterschieden im heißen Plasma nach dem Urknall) in der Hintergrundstrahlung. Die entsprechen einem flachen nicht gekrümmten Raum unter den folgenden Annahmen: Eine anfängliche Dichteschwankung konnte sich mit einer Schallgeschwindigkeit von 180.000 km/s im Plasma ausbreiten, solange das Gas im Universum noch ionisiert war. Dafür hatte sie 380 000 Jahre Zeit - was die beobachtete Länge der Muster von 230.000 Lichtjahren ergibt. In einem solchen "flachen" Universum könnten die wirkenden Gravitationskräfte die Expansion in einem endlos andauernden Vorgang gerade zum Stillstand bringen. Hinter einem solchen sehr genau abgestimmten Sachverhalt würde sich ein tief liegendes Prinzip der Architektur des Universums verbergen, etwa das einer Gesamtenergie NULL, indem wir es als abgeschlossenes System betrachten. Doch der Dunklen Energie mit ihrer beschleunigenden Kraftwirkung nach außen gefällt eine so einfache Vorstellung nicht!

Auch die Mikrowellenhintergrundstrahlung hat eine Rotverschiebung mit der Ausdehnung des Weltalls erfahren. Ihre Wellenlängen haben sich seit ihrer Aussendung vor 13,8 Milliarden Jahren verlängert und zwar beträgt die Verlängerung im Verhältnis zur ursprünglichen Wellenlänge z=1089. Daraus folgt eine entsprechende Dehnung des Weltraums. Kosmologen haben daraus den augenblicklichen Abstand der ursprünglichen Strahlungsquelle zu uns abgeschätzt ("Eigendistanz" oder proper distance). Sie legen dabei das Standardmodell des Universums zugrunde mit einem Anteil von Materie (dunkle plus barionische) von 27% und der Dunklen Energie von 73% und errechnen dann 32 bis 47 Milliarden Lichtjahre als wahren mitbewegten (heutigen) Abstand der Strahlungsquelle. Man kann das auch als unterste Grenze für die Größe ansetzen, die das Universum heute hat: Sein Durchmesser sollte demnach wenigstens 92 Milliarden Lichtjahre sein. Andere Kosmologen gehen von einer etwas kleineren Mindest-Ausdehnung des Universums von 78 Milliarden Lichtjahren aus. Die Mikrowellenhintergrundstrahlung ist ja in einem frühen Stadium des Universums (ab seinem Alter von 380 000 Jahren) entstanden. Oder anders formuliert können wir nur von dem Bruchteil der Welt Information aus elektromagnetischer Strahlung gewinnen, der heute eine maximale mitbewegte Entfernung von etwa 46 Milliarden Lichtjahren von uns hat. Da möglicherweise oder besser wahrscheinlich anfangs zuvor eine inflationäre Ausdehnung des Universums stattgefunden hatte, sind Bereiche für uns nicht überschaubar und insgesamt kann es sehr viel ausgedehnter sein, prinzipiell sogar unendlich. Und manche Forscher nehmen an, die Expansion des Universums könnte hinter einer "Domänenwand" inflationär andauern. Es wäre als Hypothese denkbar, das Universum bestehe aus vielen Domänen mit jeweils unterschiedlichen Zuständen, vielleicht auch verschiedenen Gesetzen oder unterschiedlichen Dimensionen. Das beinhaltet auch:Materie müsste nicht unendlich ausgedehnt sein.

Neue Satelliten und Radioteleskope werden mit noch genaueren Messungen der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung weitere Indizien für die inflationäre Ausdehnung in der Frühphase liefern. Nehmen wir einmal an, solche Messungen könnten die Inflationstheorie beweisen. Dann könnte das Universum heute eine riesige Ausdehnung haben. Die Inflationstheorie (Alan Guth 1981/2003) nimmt ja eine Ausdehnung des Raums zeitweilig sehr viel schneller als mit Lichtgeschwindigkeit an, in den ersten 10^-35s an um einen gewaltigen Faktor mit 60 bis 80 Nullen. Entsprechend unserem Standardmodell ist der Weltraum jedoch endlich. Unser Ereignishorizont erlaubt uns unter diesen Voraussetzungen und falls wir die Inflationstheorie akzeptieren nur einen Bruchteil davon zu überblicken. Und deshalb können wir keinen Rand sehen, obgleich es einen weit entfernten, eben von uns nicht einsehbaren "Rand" geben sollte, der sich (vielleicht mit Überlichtgeschwindigkeit) weiter von uns und auch dem künftig überblickbaren Bereich entfernt. Unbefriedigend bleibt trotz aller sonst stimmigen Beobachtungen die Randbedingung über unseren speziellen Beobachtungsort: Unsere Galaxis muss sich weit abseits vom Rand befinden. Denn im dreidimensionalen Weltraum sind keinesfalls alle Beobachtungsorte gleichberechtigt, nur von einem Mittelpunkt aus betrachtet wäre die Welt symmetrisch. Jeder Ort näher am Rand hätte eine andere Umgebung. Doch von unserem Standort aus ist bisher kein Rand, keine Kante, keine Gestalt und auch kein Zentrum entdeckt worden, großräumig sieht die Welt in allen Richtungen gleichartig aus ("kosmologisches Prinzip": das Universum ist isotrop und homogen). Unsere Kenntnis darüber ist aber beschränkt wegen unserer durch unseren Horizont begrenzten Sichtweite und unserer Innenperspektive. Wenigstens verraten uns die in verschiedenen Richtungen gleichartig beobachteten Protogalaxien mit ihrem Alter von weniger als 1 Milliarde Jahren nach dem Urknall und die im Wesentlichen homogene Hintergrundstrahlung: Im Universum muss ein thermodynamischer Ausgleich stattgefunden haben, bevor es sich zeitweilig schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausgedehnt haben kann. Oder die von uns als Naturkonstante angenommene Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist möglicherweise doch nicht absolut konstant. Andernfalls dürften in einzelnen Beobachtungsrichtungen keine Galaxien kurz nach dem Urknall zu finden sein, Unterschiede in Galaxiendichte und dem frühen Alter der Galaxien sollten auffallen, ein Rand müsste sich verraten.

Das kosmologische Prinzip vom großräumig isotropen, in allen Richtungen gleichartigen Universum muss hinterfragt werden: John Kelvin Webb und andere haben Absorptionsspektren weit entfernter intergalaktischer Gaswolken untersucht. Und zwar von der nördlichen Hemisphäre im Keck-Observatorium auf Hawai (Bild) und von dem südlichen VLT in Chile. Der Abstand der Linien - die zu verschiedenen Energieniveaus der Elektronen in Atomen des Gases gehören - unterschied sich verglichen mit irdischen Labormessungen und zwar gegensätzlich in Nord- und Südrichtung. Daraus könnte man einschneidendes folgern: Das Universum wäre hinsichtlich der elektromagnetischen Kraft nicht homogen, bzw. die Feinstrukturkonstante als Maßzahl dieser Kraft nicht absolut konstant (in großen Zeiträumen und über kosmologische Entfernungen im Weltall). Atome könnten abhängig von Ort oder Zeit im Universum Eigenschaften ändern und das Photon als Träger dieser Kraft könnte vielleicht sogar eine nicht völlig konstante Geschwindigkeit im Vakuum haben. Und zwar wäre die Lichtgeschwindigkeit in südlicher Richtung etwas kleiner, in nördlicher etwas größer. Und damit käme auch die Inflationstheorie auf den Prüfstand und die Allgemeine Relativitätstheorie erhielt eine Gültigkeitsgrenze bei kleiner Gravitation. Also Arbeit wartet auf Forscher... Und es sieht so aus als wenn die geringen Temperaturschwankungen in der Hintergrundstrahlung nicht völlig identisch in allen Richtungen aussehen.

Wir dürfen uns nicht für den Mittelpunkt der Welt halten! Wollte man die Welt in einer Außenperspektive betrachten, wäre dazu eine zusätzliche Raumdimension sinnvoll und zwar anders als die im Mikrokosmos eingerollten Dimensionen der Stringtheorie eine auch großräumig wirksame. Damit könnte eine "Gestalt" oder die Form, die Architektur des Universums aus einer Außenperspektive heraus dargestellt werden. Selbst ein endloser 3-dimensionaler Raum könnte ein endliches Volumen und auch eine "Gestalt" in einer 4-dimensionalen Welt haben - analog einem Flugzeug, welches im Gedankenexperiment endlos um unseren endlichen Planeten kreisen kann. Eine solche Vorstellung ist im positivistischen Sinn fragwürdig, weil unsere Innenperspektive im 3-dimensionalen Raum am Ereignishorizont endet, eine Überprüfung jeder Außenperspektive unmöglich erscheint. Dennoch sind Spekulationen erlaubt mit dem Ziel, in einer 4. oder höheren Raumdimension eine Krümmung des 3-dimensionalen Raums anzunehmen. Das gilt besonders, wenn es zur Erklärung der beschleunigten kosmologischen Expansion helfen könnte (phänomenologisch mit dem Begriff Dunkle Energie belegt). Man darf spekulieren: Vielleicht gibt es einen Rand nur in einer 4. oder höheren Raumdimension oder die exakte Winkelsumme 180° im Dreieck wird uns nur vorgetäuscht, weil die Basis - etwa die Erdumlaufbahn - für unsere Messungen zu klein ist im inzwischen ausgedehnten Weltraum (>32 Milliarden Lichtjahre). Und die 2. Potenz des Abstandes im Gravitationsgesetz können wir für Entfernungen in unserer kosmischen Umgebung bestätigen (winzige Abweichungen wurden bei den Pioneer-Sonden gefunden), nicht dagegen für sehr große Skalen von Milliarden Lichtjahren. In dem Zusammenhang kann spekuliert werden, das bislang nicht nachgewiesene (wahrscheinlich masselose) Graviton könnte als Boson noch Partner mit geringer Masse haben. Die könnten das Gravitationsgesetz verändern, ganz abgesehen von den Spekulationen über ein Bulk-Universum, in dem wir auf einer Brane leben. Begriffe wie Hyperraum und in ihm die Existenz vieler Universen (Multiversum) sind Gegenstand zahlreicher Spekulationen. Bisher sind keine Experimente oder Messungen erdacht worden, die als hinreichender Beweis dafür anerkannt werden könnten. Kosmologen erhoffen sich von der Weltraummission Euclid neue Erkenntnisse zu den Themen Dunkle Energie und Dunkle Materie. Das Weltraumteleskop soll 2023 nahe dem Lagrange-Punkt L2 stationiert werden und vor allem Aussagen zur großräumigen Entwicklung des Universums ermöglichen.

Solche spekulativen Überlegungen sind wenig anschaulich, sammeln wir deshalb noch einmal Fakten: Die Evolution hat uns ein Gehirn geschenkt fähig, in uns die 3-dimensionale Welt abzubilden, sie sich vorzustellen. Könnten wir in einer Außenperspektive das Universum in einer vierten Dimension betrachten gäbe es hinter einer "Grenze" der Materie- und Energieverbreitung keinen Raum wie wir ihn kennen. Wir nehmen ja an, zu einer hypothetischen Zeit 0 - dem Urknall - gab es weder Raum noch Zeit. Nähert man sich ihm an, bleibt die Zeit stehen. Es gab dann keine Zeit vor ihm. Und ohne Zeit gibt es kein auslösende Ursache für den Urknall, zumindest einen Zeitpfeil und eine Vergrößerung der Entropie gab es erst danach. Eine Planck-Zeit später könnte entsprechend der Inflationstheorie schon ein Raum mit sehr vielen Planck-Längen³ existiert haben.

Mit den Deep Field-Beobachtungen gelangen in ausgesuchten Richtungen Blicke ins Weltall - extrem weit und zugleich extrem zurück in die Vergangenheit bis nahe an den Anfang unserer Welt. Licht jedoch altert nicht. Von unserem Standpunkt aus ist es von den entfernten Quasaren und Protogalaxien in der uns kaum vorstellbar erscheinenden Zeit von 13,4 Milliarden Jahren zu uns unterwegs. Könnten wir dagegen ein Photon bzw. eines dieser Lichtquanten als ein bewegter Beobachter mit Lichtgeschwindigkeit sehen, wäre seitdem überhaupt keine Zeit vergangen! Für dieses Photon würde die umgebende Welt mit Lichtgeschwindigkeit vorbeiziehen, auch in ihr würde keine Zeit auf seinem Weg vergehen, die Welt in Strahlrichtung würde zu einer Fläche schrumpfen.

Bisher ist kein belastbarer Anhaltspunkt gefunden worden, dass die Welt in verschiedenen Richtungen prinzipiell unterschiedlich aussieht. Wäre man in einer dieser Richtungen nahe an einem "Rand" des Universums, sollte dort Abweichendes auffallen. Wir schlussfolgern, entweder ist die Welt sehr viel größer als unser gegenwärtiger Horizont zu sehen erlaubt oder sie ist in einer höheren Dimension gekrümmt, in dieser Dimension begrenzt und in 3 Raumdimensionen nicht begrenzt aber endlich. In dem Fall benötigt sie keinen in 3 Dimensionen erkennbaren Rand. Wir nehmen an, unser Universum sei "flach". Das bedeutet, parallele Linien bleiben auch in großen Distanzen parallel. Das kann exakt eingehalten werden, wenn die Welt in einer 4. Raumdimension gekrümmt wäre. Könnte man in einer solchen Welt in verschiedenen Beobachtungsrichtungen das Spiegelbild einer Himmelsregion mit ihren Protogalaxien oder gleiche Fluktuationen des Mikrowellenhintergrunds entdecken, wäre das ein Hinweis für eine Krümmung in einer höheren Dimension (oder zumindest einer winzigen in sehr großem Maßstab im 3-dimensionalen Raum). Das andere Szenario einer Welt mit einem Rand weit hinter unserem Ereignishorizont erscheint uns anschaulicher. Wir nehmen ja an, der Raum könnte sich anfangs mit Überlichtgeschwindigkeit inflationär ausgedehnt haben. Nicht einmal für das jetzige Entwicklungsstadium wird eine solche Ausdehnungsgeschwindigkeit von Kosmologen ausgeschlossen. Wenigstens gilt als gesichert, dass die Welt sich unter der Wirkung der Dunklen Energie in der jetzigen Zeit beschleunigt ausdehnt. Hinter unserem Ereignishorizont im umgebenden Raum könnte ein großer Teil der Welt existieren. Zu gern möchte man natürlich hinter diese Grenze blicken können. Dazu müsste man eine Reise höher als mit Lichtgeschwindigkeit unternehmen oder eine Zeitreise vor den Urknall. Offenbar gelingt so etwas nicht.

Im Gedankenexperiment könnten wir uns an den Rand des für uns übersehbaren Universums begeben: Wir denken uns, wir befänden uns in einer entferntesten Galaxie, die als winziger roten Punkt mit dem besten Teleskop in ihrer Entstehungszeit befindlich gerade noch erkannt werden kann. Von dort aus könnte der Himmel prinzipiell in allen Richtungen großräumig genau so aussehen wie von unserem Standort Erde aus. Man könnte nicht unterscheiden, ob das Universum sich durch die Inflationsepoche weit ausgedehnt hat oder ob es schon "immer" viel ausgedehnter war. Unsere Vorstellung, die Expansion des Universums retrospektiv zurück zu verfolgen, ist nur bis an einige Minuten nach dem Urknall - etwa die primordiale Nukleosynthese - gut mit Beobachtungen gesichert. Spekulation ist, was zuvor geschah. Es könnte ein zeitloses Universum gegeben haben ohne irgend weiche Veränderungen und im Zustand des völligen Ausgleichs. Mit bereits geltenden Regeln der Quantentheorie könnte ein solcher Zustand beliebig lang andauern, so dass irgendwann eine extrem unwahrscheinliche Quntenfluktuation "unser Universum" doch erzeugt haben könnte.

Nehmen wir einmal an, die Spekulation von einem anfangs extrem winzigen, punktförmigem und extrem "heißen" Zustand der Welt entspräche den Tatsachen, dann ähnelt dies in unserer Zeit in mancher Hinsicht der Situation in einem gewaltigen Schwarzen Loch. An dessen Ereignishorizont gibt es keine definierte Zeit. Eine Uhr - könnte sie im Gedankenexperiment dort sein - stünde für uns still, kein Unterschied würde die Zeit NULL von der Ewigkeit trennen. Unser im Gehirn verankertes Konstrukt von kausalem Denken versagt. Auf so etwas konnte unsere Evolution keine Rücksicht nehmen.

Die Ausdehnung des Universums zu veranschaulichen greifen wir gern auf zweidimensionale Analoga zurück, etwa der in nur zwei Dimensionen betrachteten dann "flachen" Oberfläche eines Torus oder eines Luftballons: Eine zweidimensionale Welt befinde sich auf der Oberfläche des sich aufblasenden Ballons, alle Distanzen in ihr vergrößern sich. Diese Welt hat keinen Rand und niemand in ihr ist im Mittelpunkt. Eine Krümmung können wir nur in einer dritten Dimension erkennen und dies mit anwachsender Ausdehnung um so weniger. Also noch einmal: Analog könnte sich unser dreidimensionaler euklidischer Raum in einer vierten Dimension krümmen, die für die Gravitation bedeutungslos wäre, wenn wir die Dunkle Energie als eine von ihr unabhängige Kategorie ansehen. Der 3-dimensionale Raum hätte keine Kante und kein Zentrum, zwar ist er endlos und flach, hätte jedoch in unserer Zeit ein endliches Volumen. Aus dieser Vorstellung folgt zwanglos, was wir in weit entfernten Regionen beobachten: In welche Richtung des Himmels wir auch schauen, das Universum sieht in großen Maßstäben überall gleich aus. Es gibt jedoch schwache Hinweise darauf, das Universum könnte nicht völlig symmetrisch aufgebaut sein: Etwa die geringen Temperaturabweichungen in der Hintergrundstahlung scheinen nicht ganz gleich in allen Richtungen verteilt zu sein.

Und wie verhält es sich mit dem Gravitationsgesetz? Nur im 3-dimensionalen Raum nimmt die Massenanziehung mit dem Quadrat des Abstandes ab. In einem 4-dimensionalen Raum würde die Gravitation mit der 3. Potenz zum Abstand abnehmen, Planetenbahnen wären nicht stabil. Das Newtonsche Gesetz mit dem Abstandsquadrat muss in unserer kosmischen Umgebung sehr genau gelten, sonst wären die Bahnen der Planeten nicht über einige Milliarden Jahre - von gegenseitigen Störungen abgesehen - stabil geblieben. Großräumig an den "Grenzen" des Universums muss das nicht so sein: dort ist nichts stabil, die Welt expandiert. Wir können (noch) nicht entscheiden, ob eine zusätzliche Kraft im 3-dimensionalen Raum wirkt oder ob großräumig wenigstens eine weitere in 3 Raumrichtungen nicht sichtbare Dimension - ohne beobachtbare Wirkung in kürzeren Distanzen - nützlich für die Beschreibung der Architektur der Welt ist.

Die Situation ist komplex: Weit entfernte Supernova vom Typ Ia haben eine größere scheinbare Leuchtkraft als auf Basis ihrer Rotverschiebung errechnet werden kann: ihre Leuchtkraftentfernung ist geringer. Weit entfernte Galaxien sind weniger weit entfernt als erwartet. Nicht so weit entfernte Galaxien entfernen sich umgekehrt schneller als nach dem Hubble-Gesetz erwartet. Da ihr Licht aus jüngerer Zeit stammt, deutet das auf eine zunehmende Expansionsgeschwindigkeit des Universums hin und nicht auf eine Abbremsung - wie man durch die Wirkung der Gravitation erwartet hatte. Es scheint so als ob die Gravitation in den ersten Milliarden Jahren tatsächlich die Expansion abbremsen konnte und dann vor 5 Milliarden Jahren eine beschleunigte Ausdehnung begonnen hat.

Messungen von inzwischen 42 Supernovae Typ Ia ergeben zu wenig Messwerte für eine genaue Rekonstruktionen der Dynamik des Universums doch genug um die Expansion des Universum grob beurteilen zu können. Demnach (nach der anfänglichen Inflation) verlangsamte sich die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums unter dem Einfluss der Gravitation zunächst für 9 Milliarden Jahre. Danach dominiert der Einfluss der "Dunklen Energie", eine beschleunigte Ausdehnung wird beobachtet. Die Betrachtung gilt für große Distanzen. Innerhalb eines Galaxienhaufens dominiert immer noch die gravitative Anziehung. Offenbar haben sich die Verhältnisse während der Entwicklungszeit des Universums nicht gleichförmig entwickelt. Das anschauliche Modell des sich aufblasenden Ballons ist deshalb zu grob. Das bedeutet auch, der Raum in großen Maßstäben betrachtet dehnt sich in masselosen Bereichen zunehmend schneller aus, nicht dagegen etwa innerhalb einer Galaxie oder einem Galaxienhaufen. Der Raum im Universum vergrößert sich ungleichförmig, die Welt verkrümmt sich in sich zwischen Bereichen mit lokal dominierender Gravitation und im leeren Raum überwiegender Dunkler Energie. Kosmologen vermuten nach den aktuellen Beobachtungen, dass sich die Dunkle Energie derzeit proportional dem Volumen der Welt vergrößert. Der leere Raum, das Vakuum, ist unverdünnbar, kann sich beliebig vergrößern. Quantenfluktuationen in ihm schwanken um den Wert NULL. Die Dunkle Energie ist demnach nicht identisch mit unserem klassischen Energiebegriff.

Über die ferne Zukunft hätte ein Kosmologe vor 8 Milliarden Jahren eine andere Aussage getroffen als heute! Damals dominierte die Gravitation, bremste die Expansion ab. Und ein Kosmologe würde in 50 Milliarden Jahren vielleicht keinerlei Möglichkeit mehr zu einer Aussage haben, da sich dann alle weit entfernten Galaxien mit Überlichtgeschwindigkeit entfernt hätten, ganz außerhalb jeder Beobachtungsmöglichkeit. Doch wer weiß, zu viel Unsicherheit verbirgt sich hinter dem Begriff Dunkle Energie. Unsere bisherigen Beobachtungen besagen: Dunkle Energie ist eine lineare Eigenschaft des Raums. Bei einer Verdopplung des Weltraums vergrößert sie sich um den Faktor 2. In großem Maßstab betrachtet verbirgt sich im Begriff Raum, "was die Welt im Innersten auseinander treibt". Die ferne Zukunft des Universums stellt sich nach derzeitigem Wissen am wahrscheinlichsten als Big Freeze- Szenario dar. Die Diskussion um die Dunkle Energie offenbart noch einen anderen Aspekt: Ein ehernes Gesetz "unserer" Physik ist die Erhaltung der Energie. Die Energieerhaltung innerhalb unseres Universums wäre nicht gegeben, wenn sie proportional zum Volumen des Universums anwachsen würde. Die Gesamtenergie bliebe dann etwa in einem größeren Bilanzkreis erhalten, einem wie auch immer größeren Universum oder Multiversum. Alte Fragen tauchen dann sofort deutlicher auf: Was ist hinter einem möglichen Rand unseres Universums, kein Raum, kein "Vakuum" wie innerhalb? Die allgemeine Relativitätstheorie enthält keinen Zusammenhang von Raum und Dunkler Energie. Hoffen können wir auf Ideen aus der Quantenwelt und der Elementarteilchenphysik. Oder vielleicht finden sich Ansätze zur Beschreibung nur in einer höheren Raumdimension. Sichtbar wird auch an diesem Beispiel: All unsere Theorien von der Welt sind ihrer Natur nach beschreibend, vermitteln uns zwar das Gefühl etwas verstanden zu haben, erklären aber keinesfalls weshalb es ursächlich so sein muss und nicht auch anders sein könnte.

Ein wenig hilft uns zur Veranschaulichung die Vakuumenergie im Zusammenhang mit dem Casimir-Effekt: Außerhalb von 2 parallelen Metallplatten können mehr virtuelle Teilchen mit beliebig ihnen zugeordneten Wellenlängen wirken, während dazwischen nur weniger Teilchen mit Wellenlängen kleiner oder gleich dem halben Plattenabstand passen. Die Platten werden deshalb zusammengedrückt. Spekulativ passen im sich ausdehnenden Weltraum zunehmend mehr virtuelle Teilchen wachsender Wellenlänge zwischen Materieinseln, anders als näher am äußersten Rand, von dem nichts kommen kann. So könnte Materie weiträumig auseinandergedrückt werden, wie die sich beschleunigende Expansion vermuten lässt. Eine ausreichend große Wirkung kann rechnerisch damit jedoch nicht hergeleitet werden. Andere Schätzungen auf Grundlage der Quantentheorie weisen dem Raum eine zu große Energie zu, ausreichend die ganze Welt zu verdampfen. In unserer Welt warten noch grundlegende Mysterien auf Erklärungen, denn wir wollen ja nicht auf Wunder angewiesen sein.

Benutzen wir noch einmal den Luftballon, uns den Zusammenhang zwischen Raum, Zeit und Lichtgeschwindigkeit etwas vertrauter zu machen: Ein Lichtblitz verlässt eine weit entfernte Proto-Galaxie und soll uns nach 13 Milliarden Jahren erreichen. Den Lichtblitz stellen wir uns als Wellenpaket vor, das auf der Oberfläche des Ballons zu uns reist. In einem statischen Universum würde unsere Erfahrung - gewonnen bei kürzeren Entfernungen und Zeiträumen - uns nicht im Stich lassen. Aber das dynamische Universum expandiert, der Ballon bläst sich während der Reise der Photonen auf. Die Wellen des Pakets werden gedehnt, so wie Entfernungen sich ständig vergrößern. Wir beobachten die Rotverschiebung, die sich nicht schlagartig ergibt sondern ständig während der Reise akkumuliert wird. An jedem Ort auf seinem Weg bewegt es sich genau mit Lichtgeschwindigkeit - wir wissen es nun aus vielen Messungen und müssen das akzeptieren. Seine effektive Entfernung nach 13 Milliarden Jahren ist größer als 13 Milliarden Lichtjahre im statischen Fall ohne Aufblasen des Ballons. Wie schnell der Ballon aufgeblasen wird, hängt vom Modell des Universums ab (beispielsweise offen oder flach). Im Fall eines flachen Universums etwas korrigiert um eine sich gegenwärtig beschleunigende Ausdehnung wäre die Protogalaxie, die es einst entsandt hat, nun vielleicht 30 Milliarden Lichtjahre entfernt (mitbewegte Entfernung). Jede weit reichende Wirkung wie Gravitation oder ein elektromagnetisches Signal vermag sich auf der Ballonoberfläche höchstens oder eben genau mit Lichtgeschwindigkeit auszubreiten, dagegen darf der Ballon mindestens zeitweise schneller aufgeblasen werden, der Raum könnte zeitweilig schneller wachsen.

Eine wesentliche Eigenschaft hat die Zeit für uns, für alle Objekte, die sich nicht auf mikroskopischer oder gar atomarer Größenskala befinden: Sie schreitet in nur einer Richtung fort. Zwar ist in fast allen physikalischen Gleichungen die Zeit so enthalten, dass man ihr Vorzeichen umkehren, den Vorgang "rückwärts" ablaufen lassen könnte. Erst der Begriff Entropie beschreibt eine Richtung, in der sich ein System auf der Basis statistischer Aussagen (also wahrscheinlich) entwickeln wird. In einem makroskopischen System (mit sehr vielen Elementen) ergibt sich eine entsprechend sehr hohe Wahrscheinlichkeit für genau eine Richtung und damit für ein Vorzeichen der Zeit. In unserer Welt regiert ein starkes Prinzip der Irreversibilität in Richtung zu größerer Unordnung. In einem abgeschlossenen System kann man sich einen Zustand mit völligem Ausgleich und Gleichgewicht aller Energieformen vorstellen, so dass es keine makroskopisch noch erkennbare Veränderung mehr gibt. Das System hätte eine maximale Entropie erreicht: Keine Veränderung wäre messbar, die Zeit bliebe stehen. Insoweit wäre eine Interpretation der Zeit als statistische Rechengröße nahe liegend - sie wird uns nur vorgespielt, ohne physische Existenz ganz im Unterschied zu Einsteins Raumzeit. Und bisher sind Quantelungen der Zeit, Fluktuationen in kleinen Zeitabschnitten, noch nicht entdeckt worden. Vielleicht erlauben Experimente mit Ca-Ionen nahe am absoluten Nullpunkt neue Einsichten zum Charakter der Zeit. Ein Objekt aus der Mikrowelt der Atome oder Elementarteilchen kann nicht altern, dies ist nur Objekten mit vielen Elementen möglich, mit denen eine Statistik sinnvoll ist.

Solange das Universum seine Größe ändert, sich noch ausdehnt, leben wir auf unserer kleinen Erde in keinem "abgeschlossenen" System. Seit dem Urknall hat die Zeit eine Richtung, nur ein Vorzeichen, für uns biologische Wesen eine unerbittliche Tatsache. Wollte man (hypothetisch) eine Zeitreise zurück in eine vergangene Zeit unternehmen, müsste dazu der gesamte Teil des Universums zurück verwandelt werden, der auf unseren und von unserem Ort - zur damaligen Zeit - irgendeinen Einfluss hätte ausüben können. Nur so könnte die damalige Umgebung wieder perfekt hergestellt werden. Eine unlösbare Aufgabe.

Das Universum sollte sich so entwickeln, dass seine Entropie sich vergrößert und einem Maximalwert zustrebt. Doch gab es in seinem Jugendstadium schon einmal einen Zustand großer Entropie: Die kosmische Hintergrundstrahlung weist ja nur winzige Unterschiede auf, also beschreibt einen Zustand großer Unordnung. Dieser Zustand spiegelt nur einen Bruchteil der damaligen Welt und war sehr dynamisch mit der Ausdehnung des Raums also nicht stabil. In allen denkbaren Weltmodellen wäre zu begründen wie die geringste Entropie des Universums zur Zeit des Urknalls entstehen konnte.

Abweichend zum einfachen Modell eines "flachen" Universums müssen wir nach neuen Beobachtungen außer der Massenanziehung mindestens eine weitere schwache Kraft oder einen negativen Druck mit großer Reichweite (Dunkle Energie) oder eine vielgestaltigere komplexere Gravitation berücksichtigen. Heute versuchen wir die Welt der Elementarteilchen in 10 Dimensionen der Stringtheorien zu begreifen, wovon 6 nur in kleinsten Raumbereichen wirken sollen. Die Theorie der so genannten Supergravitation bewegt sich in 11 Dimensionen. Gravitative Kraftwirkungen beschreiben wir im uns umgebenden Raum mit 3 Dimensionen sehr genau mittels der Allgemeinen Relativitätstheorie und als sehr gute Näherung auch mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz. Der grundlegende Mangel an Newtons Theorie war die Annahme, die Gravitationskraft besitze eine unendlich schnelle Fernwirkung, also ohne Zeitverzug zwischen entfernten Massen. Dieses Problem umgeht Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie mit einem Trick, indem die Bewegung als Folge der lokalen Krümmung der Raumzeit lokal interpretiert wird. Damit umgeht sie natürlich nicht dem mathematischen Aufwand für die Berechnung des gekrümmten Raums als Folge bewegter oder sich ändernder Massen in allen Entfernungen. Wie auch immer folgt die Gravitationskraft (bei nicht extrem großen Massen) für Abstände von 0,05mm bis zu einigen Lichtjahren sehr genau dem Abstandsquadrat. Und in einem 3-dimensionalen Raum fühlen sich Planeten gut aufgehoben, ihre Bahnen bleiben stabil. Und wenn wir die Existenz der Dunklen Materie als gegeben akzeptieren, funktioniert das auch bis zur gewaltigen Größe eines Galaxienhaufens.

Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation als lokale Eigenschaft von Raum und Zeit, umgeht wie gesagt damit das Problem der Fernwirkung. Masse "krümmt" den Raum und Bewegungen finden in diesem gekrümmten Raum statt. Änderungen der Krümmung - etwa als Folge der Bewegung von Massen - breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Mit "Lichtgeschwindigkeit" ist hierbei immer die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum - also als Naturkonstante - gemeint. Einsteins Raumzeit ist insofern kein mathematisches Konstrukt sondern die physikalische Realität der Gravitation. In unserem Weltbild unterscheidet sich Gravitation damit von allen anderen bekannten Kräften, die durch Austauschteilchen (Bosonen) beschrieben werden, die auf der vorhandenen Bühne von Raum und Zeit wirken, dies jedenfalls solange bis der Nachweis des Gravitons als Austauschteilchen gelungen ist oder die Natur der Dunklen Energie entschlüsselt ist. Trotz der gegenwärtig noch unbeantworteten Fragen, für die die Relativitätstheorie keine Antwort anbietet, muss festgestellt werden: In der uns umgebenden Welt ohne extrem große Entfernungen im Weltraum und ohne das Innere von Schwarzen Löchern beschreibt sie die Raumzeit extrem präzise. Ein verlässliches Beispiel dafür etwa ist die Navigationstechnik mit Satelliten.

Fassen wir zusammen: In Newtons Theorie erscheint der Raum als passive Bühne für alles Geschehen in der Welt. Diese Vorstellung entspricht sehr gut unserem menschlichen Empfinden unter den Bedingungen unserer Umgebung. Sie erlaubt eine gute Beschreibung fast aller Abläufe in "unserer" Welt und wir empfinden sie auch als anschaulich. Einstein hat die merkwürdige Eigenschaft durchleuchtet, weshalb die Lichtgeschwindigkeit sich auch bei bewegten Lichtquellen stets als konstant herausstellt. Da sich Geschwindigkeit aus Weg und Zeit zusammensetzt, erreichte er das, indem er Raum und Zeit als variabel annahm und so miteinander verband, dass sie stets die konstante Lichtgeschwindigkeit ergeben. Mit seiner Relativitätstheorie können Bewegungsabläufe bei hohen Geschwindigkeiten und in der Nachbarschaft großer Massen beschrieben werden. Navigationssysteme zeigen wie präzise solche Berechnungen gelingen. Der Raum ist keine leere feste Bühne, die Raumzeit krümmt und staucht sich bei Anwesenheit von Materie und wirkt auf diese zurück. Raum hat physische Realität, gestaucht und gekrümmt enthält er Energie, verdrillt sich mit rotierender Materie - wie Gravity Probe B bewies. Und "leerer" Raum kann Träger für Energie sein - worauf Casimirs Effekt hinweist und wie Gravitationswellen beweisen. Vielleicht macht das fast 70% der Gesamtenergie im Universum aus und treibt es zur schnelleren Expansion an. Was nach Newton durchschaut schien, erweist sich heute als sehr rätselhaft und hat etwas zu tun mit "was die Welt im Innersten (nicht) zusammenhält".

Es wird spekuliert, die Gravitation könnte abweichend von den anderen Kräften sich in extrem kleinen Dimensionen in mehr als 3 Raumdimensionen abspielen, für uns nicht spürbar, denn wir leben in einer 3-dimensionalen Brane. Experimentell ist ihre Abnahme mit dem Quadrat des Abstands schwer zu prüfen, in kleinen Abständen unter 0,1mm übertreffen andere Kräfte die Gravitation. Neben der Schwierigkeit der Bestätigung bei kleinsten Abständen könnte auch in extrem großen Maßstäben die Regel mit dem Quadrat des Abstands ungenau sein oder eben eine zusätzliche bisher nicht erklärte abstoßende Kraft wirken. Zu ihrer Beschreibung wären vielleicht 4 Raumdimensionen nützlich, die für uns in unserer 3-dimensionalen Brane nicht erfahrbar sind, in der parallele Linien sich ja nicht krümmen. Letztlich könnte die unangenehme Randbedingung entfallen, die bei 3 Raumdimensionen und einem Rand der Welt zu erwarten ist: Uns als "Beobachter" wird ein ausgewählter Standort im Zentrum oder mindestens sehr weit entfernt vom Rand zugewiesen. Vielleicht gelingen mit künftigen neuen Ansätzen in der Branenkosmologie alternative Einsichten wie unsere Welt aufgebaut sein könnte. Es wird spekuliert, die so viele Größenordnungen kleinere Wirkung der Gravitation verglichen mit anderen Kräften (10^-27 der elektroschwachen Kraft oder gar 10^-41 der starken Kernkraft) könnte eine Folge davon sein, dass Gravitonen unsere Brane verlassen könnten. In der Stringtheorie hätten die stärkeren Kräfte offene Strings, die Gravitation dagegen geschlossene, die nicht an einer Brane bzw. einer anderen Dimension gebunden sind (vgl. auch Suche nach dem Kaluza-Klein-Teilchen).

Die endliche Vergangenheit unseres Universums ist kaum anzuzweifeln. Doch wie sieht die ferne Zukunft der Welt im spekulativen Gedankenexperiment aus? Das Universum scheint sich gegenwärtig (vielleicht schon seit 5 Milliarden Jahren wieder) beschleunigt auszudehnen. Wie lange schon und vor allem wie lange noch? Wir wissen das noch nicht genau genug und spekulieren über die Ursache mit dem Begriff Dunkle Energie. Deshalb können wir die ferne Zukunft der Welt nicht vorhersagen. Die Dunkle Energie als gewichtigste Hinterlassenschaft des Urknalls scheint mit dem Raum verknüpft zu sein. Als Momentaufnahme zur jetzigen Zeit entspricht sie knapp 70% der Gesamtenergie im Universum. Anders formuliert hätte der leere Raum eine "Masse" von 70%, die sich im leeren Raum tummelnden virtuellen Teilchen - entsprechend dem Casimir-Effekt - hätten einen entsprechenden Beitrag zur Gesamtmasse und der Raum wäre eine "materielle" Gegebenheit. Es wird spekuliert, die Dunkle Energie könnte mit dem Volumen des Universums anwachsen, so dass sie mit seiner Expansion letztlich dominieren würde. In diesem Fall hätte sie eine andere Natur als "Energie" in herkömmlicher Bedeutung; sie hätte auch nichts mit Masse zu tun wie in Einsteins Energie-Masse Beziehung E = mc². Sonst müssten wir annehmen, in unserem Universum bleibt die Energiesumme nicht konstant. Wie dem auch sei, entsprechend dem jetzigen Beobachtungsstand wird in einer fernen Zukunft der Raum jenseits unseres Galaxienhaufens (oder des Superhaufens) "leer" sein. Alle weit entfernten Galaxien werden außer Sicht sein. Alle für uns spürbaren gravitativen Wechselwirkungen werden sich schließlich allein auf unseren Galaxienhaufen beschränken.

Falls diese Expansion endlos anhält (Big Whimper oder Big Chill), gibt es theoretisch kein Ende der Zeit. Am Anfang der Zeit hatte sich ein kleiner Teil der Dunklen Energie in Dunkle Materie, in elektromagnetische Strahlung und in unsere baryonische Materie verwandelt. Die wiederum wandelt sich in den "Fusionsreaktoren" der Sterne nun teilweise in Neutrinos (einem Teilchen mit der verschwindend kleinen Masse von weniger als 10^-33 Gramm) und in (Photonen-)Strahlung um. Der Wasserstoff und andere "Brennstoffe" werden in vielen Milliarden Jahren rar, das Universum dehnt sich zwischen den Galaxien weiter aus, wird kälter und finster. Neue Galaxien können nicht mehr entstehen. Bestehende Galaxien, einschließlich darin existierender Planetensysteme dehnen sich nicht aus, in ihnen dominiert die Gravitation. Doch In einer fernen Zukunft von einigen Billionen Jahren wird die gesamte baryonische Materie in einer finsteren und kalten Welt zunächst in ausgebrannten Zwergsternen, Neutronensternen und letztlich in Schwarzen Löchern verschwunden sein. Anscheinend haben aber auch die keine endlose Lebensdauer. An ihrem Ereignishorizont bilden sich Teilchenpaare und gelegentlich kann sich ein Teilchen (am leichtesten mit der Wellenlänge des Schwarzschildradius) befreien: Je kleiner ein stellares Schwarzes Loch ist, würde es - in einem in ferner Zukunft im dann noch noch viel kälteren Universum - auf diese Weise immer mehr Energie abstrahlen als es aufnimmt und "verdampfen". Ein solcher Prozess dauert eine nicht vorstellbar lange Zeit. Das Universum würde sich immer weiter ausdehnen und besteht in 10¹⁰⁰ Jahren vielleicht nur noch aus stabilen Elementarteilchen (etwa Neutrinos), energiearmen Photonen und Dunkler Energie. Alle Unterschiede werden sich langsam ausgleichen bis sich ein Zustand maximaler Unordnung bei einer Temperatur sehr nahe dem absoluten Nullpunkt herausgebildet hat: Nahezu nichts kann sich mehr ändern, unser Begriff von Zeit verliert seine Bedeutung, ohne Veränderung ist keine Zeit mehr messbar, die Zeit fließt nicht mehr. "Unser" Universum - wie wir es jetzt erleben, in dem nichts so gewiss ist wie die Veränderung - existiert in 10¹⁰⁰⁰ Jahren nicht mehr. Falls das Universum sich tatsächlich als "flach" herausstellt und sich endlos ausdehnt, endet die Zeit zwar theoretisch nie. Freilich - mit unserer Erfahrung von Zeit - hätte sie dann nichts mehr gemein. Und wir müssen feststellen: Eine seriöse Aussage über ein Ende des Universums, seine absolute Apokalypse lässt sich mit unserem Kenntnisstand noch nichts aussagen.

Die Quantentheorie sagt uns, es gibt keinen Zustand eines (Teilchen-)Systems mit der Energie exakt NULL und in völliger Ruhe, auch im Grundzustand liegt eine kleine Nullpunktsenergie vor und es gibt Quantenfluktuationen. Solche spontanen kleinen Fluktuationen finden in der Welt der Elementarteilchen ständig statt, sind nicht vorhersagbar, folgen aber statistischen Regeln. Leitet man aus einer statistischen Betrachtung den Erwartungswert für eine große Fluktuation ab, so ergibt sich erwartungsgemäß immer wie unwahrscheinlich so ein Ereignis wäre. Fragen wir nach einer gewaltigen Anregung des Hintergrundfeldes - sagen wir um 10¹⁰ GeV - könnte das ein Universum erzeugen. Erwartungsgemäß ist das so unwahrscheinlich, dass ein solches Ereignis nur aller 10¹⁰⁰ Jahre zu erwarten wäre, entsprechend auch ein "Umkippen" unseres Universums durch eine zufällige Fluktuation.

Hinzuweisen ist schließlich noch auf Spekulationen, die Dunkle Energie könnte sich im Zeitablauf exponentiell vergrößern. Im diesem Szenario des "Big Rip" würde sie nicht nur den Raum zwischen den Galaxienhaufen dehnen, schließlich alle Gravitationskräfte und am Ende auch die Bindungskräfte in festen Körpern und sogar die Kernkraft übertreffen. Das bedeutet, alles würde auseinander fliegen - einschließlich der Neutronensterne und der Schwarzen Löcher - und die Welt bestünde schließlich in vielleicht 10¹¹ Jahren nur noch aus einzelnen Elementarteilchen ohne jede gegenseitige Wechselwirkungsmöglichkeit. Eine solche Entwicklung erscheint wenig wahrscheinlich beleuchtet aber unseren Erkenntnisstand: Eine Extrapolation auf die sehr ferne Zukunft der Welt ist auf der Basis vorhandener Messwerte nicht vertrauenswürdig möglich. Immerhin ist jenseits aller mathematischen Spekulationen sicher: Das Universum bietet uns Menschen wenigstens prinzipiell einen Lebensraum, so lange - jenseits aller Vorstellungsmöglichkeiten. Die Menschheit wird aus anderen Gründen längst vergessen sein, falls die Zeit irgendwann endet. Die Zeit und der Zeitpfeil würden bei einer endlosen Ausdehnung und Abkühlung der Universums bedeutungslos, sämtliche Energie hätte sich ausgeglichen.

Jedes Modell grenzt Fragestellungen aus, die in ihm nicht enthalten sind, und verbietet Fragen, die seinem Ansatz widersprechen. Unsere Phantasie kann zwar solche Fragen stellen, doch schon bei ihrer Formulierung ist klar, dass sie keine Antwort finden können. Sinnlos ist demnach zu fragen "welcher Raum ist jenseits unseres Kosmos" oder "was war vor dem Urknall?" Diese Fragen verletzen die Kausalität, unsere Methode zu Denken versagt: Alles was vor dem Anfang geschehen sein könnte ist uns unzugänglich, unterliegt einer strengen Zensur, können wir als erklärende Ursache nicht heranziehen. Die fernsten uns zugänglichen Informationen liegen zugleich in der Vergangenheit am Anfang unserer Welt. Wenn das Standardmodell richtig ist und die Welt anfangs winzige Dimensionen aufwies, ist die Unbestimmtheit der Quantentheorie zu berücksichtigen: Zur Zeit NULL galten keine kausalen Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge. Das gleiche gilt für jede Information außerhalb unseres Universums. Die sind unzugänglich für uns. Und die fernste Zukunft der Welt ist ungewiss. Zum Zeitpunkt des Urknalls und nur da gab es "eine gleiche einheitliche Zeit für alle und das ganze Universum", danach nie mehr.

Diese strenge Zensur begrenzt unsere Erkenntnismöglichkeiten. "Unsere" Zeit hat einen Anfang mit dem Urknall. Jede Information darüber, was vorher geschehen sein könnte, ist weggewischt, uns unzugänglich, gehört nicht zu unserer Welt. Wir müssen uns mit unserer Innenperspektive abfinden. Es fällt uns auch schwer, eine Strömung des Raums zu akzeptieren schneller als mit Lichtgeschwindigkeit, bei der Expansion des Universums nicht und nicht innerhalb des Ereignishorizonts Schwarzer Löcher. Vielleicht öffnet sich die Tür einen Spalt weit, etwas über das Innenleben Schwarzer Löcher zu erfahren, indem das Abklingen von Gravitationswellen besonders im Bereich höherer Frequenzen noch genauer untersucht werden kann.

Solange Menschen leben, kann unsere Kenntnis von physikalischen Realitäten erweitert werden. Und "verbotene" Fragen können in einem künftigen umfassenderen Modell wieder Sinn machen: Sag niemals nie... Ein zyklisches Modell vom Universum entspricht mehr unserem Gefühl als Mensch, wir leben ja innerhalb lauter Begrenzungen und auch neuem Entstehen. Vielleicht leben wir in einem Multiversum ohne Zugang zu parallel existierenden Universen. Wirkt die Gravitation - etwa mittels einer zusätzlichen Dimension - über den Ereignishorizont unseres Universums hinaus? Wir befinden uns damit im Bereich der Spekulation und außerhalb des Beobachtbaren oder experimentell Zugänglichen, außerhalb unserer Kausalität. Die Frage nach dem "davor" - vor dem Urknall - oder nach dem übergeordneten Zusammenhang - sozusagen das Universum betrachtet aus der Außenperspektive - bleibt von einer Antwort so weit entfernt wie sich der einzelne Mensch an seine eigene Entstehung erinnern kann. Phantasie und Spekulation führen schnell aufs Glatteis, Überprüfungsmöglichkeiten fehlen. Unsere kausale Erfahrungswelt mit Ursache und Wirkung macht es uns schwer, einen Anfang der Welt, einen Anfang der Zeit ohne Ursache zu akzeptieren. Wie leicht man aufs Glatteis geraten kann, zeigt die von Wissenschaftlern benutzte Begründung für einen Anfang der Zeit mit dem Urknall: Man vergleicht das Universum nach dem Urknall mit einem Schwarzen Loch. An dessen Ereignishorizont steht die Zeit aus der Perspektive eines fernen Beobachters still, nicht dagegen für einen sich hineinbewegenden. Die Zeit für einen mitbewegten Beobachter kurz nach dem Urknall wäre aus seiner Innenperspektive nicht zwingend fast NULL, dies würde nur für einen Beobachter aus einer Außenperspektive jenseits des Ereignishorizonts gelten! Wir alle sind jedoch mitbewegte Beobachter inmitten des beim Urknall entstandenen Universums.

Auch wenn es uns nicht gefällt - denn in der makroskopischen Welt, innerhalb unserer Raumzeit gibt es immer Ursache und Wirkung - einem Anfang ohne Zeit davor kann keine Ursache zugeordnet werden.

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