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Ersatzarbeit Physik

Franziska Gerschler
Klasse 10b
Abgabetermin: 22. Jun. 2004
„Das Universum in einer Nussschale“
In seinem zweiten populärwissenschaftlichen Buch stellt Stephen Hawking einige aktuelle Theorien zur Geschichte unseres Universums vor. In sieben Kapiteln – beginnend bei einer kurzen Einführung über den Inhalt der Relativitätstheorie – werden unterschiedliche Themen, wie z.B. Schwarze Löcher, Zeitreisen oder Branwelten, für den Laien verständlich behandelt. Für diese Ersatzarbeit habe ich das 3. Kapitel ausgewählt, welches den gleichen Titel wie das Buch trägt und somit wohl als das Hauptkapitel betrachtet werden kann. Ich möchte kurz die darin behandelte Thematik von Ursprung und Entwicklung unseres Universums aufgreifen.
Eine der größten Schwierigkeiten liegt wohl darin, den Anfang unseres Universums zu bestimmen. Penrose und Hawking haben durch Theoreme bewiesen, dass das Universum einen Anfang hat, doch niemand weiß, wie dieser Anfang ausgesehen hat. Und, um genau zu sein, sind es gerade einmal 10-43 Sekunden, die im ungewissen Bereich liegen. Für die Zeit danach gibt es relativ konkrete Modelle, aber der wirkliche Ursprung unseres Universums schwebt noch im metaphysischen Bereich. Aber gerade der Anfang ist für die weitere Erforschung des Universums sehr bedeutend. Die üblichen physikalischen Gesetze beschreiben, wie sich ein Anfangszustand im Laufe der Zeit entwickelt. Wenn die Anfangsbedingungen jedoch völlig ungewiss sind, wird damit auch die Beschreibung der Entwicklung ungenau. Schiebt man die kurze Zeit nach dem Urknall ganz der Religion und Metaphysik zu – wie dies wohl tatsächlich einige Wissenschaftler zu tun scheinen – so wird damit in gewisser Weise die gesamte Physik unglaubwürdig: Denn wie könnten die Gesetze der Physik heute und zu jedem anderen Zeitpunkt ihre Gültigkeit bewahren, wenn sie diese schon einmal, nämlich zu Anbeginn der Zeit, verloren haben?
Das Problem mit den ersten 10-43 Sekunden liegt in den Gesetzen der Wahrscheinlichkeitsrechnung begründet. Die klassische Physik beschreibt im Prinzip nur das Verhalten großer Systeme, in denen sich kleine Ungereimtheiten aus der Quantenwelt zum Durchschnitt hin ausgleichen. In einem sehr, sehr kleinen System, wie es das Universum kurz nach dem Urknall war, kommt jedoch der Unschärferelation große Bedeutung zu, da sich in dieser kleinen Welt die Zufälle nicht ausgleichen können. Hawking erklärt dieses Phänomen mit einem Roulettespiel: Dreht man hundertmal die Scheibe, ist es recht einfach, vorherzusagen, mit welcher Häufigkeit die Kugel auf Rot landet und somit kann vom Kasinobesitzer problemlos der Gewinn errechnet werden. Dreht man jedoch nur ein einziges Mal, ist es nahezu unmöglich, das Ergebnis vorherzusagen.
In gewisser Weise, finde ich, kann man das sogar mit dem Gendrift in der Evolutionsbiologie vergleichen: eine kleine Gruppe Individuen, deren Merkmale im Grunde genommen nicht repräsentativ für die gesamte Population ist, erreicht einen neuen Lebensraum und vermehrt sich dort. Dadurch, dass sie jedoch nur wenige, besondere Merkmale besitzen, wächst eine Population heran, die genau diese Merkmale, die in der großen Population eher selten waren, hauptsächlich trägt. Die Anfangsgeschichte unseres Universums ist dem nicht ganz unähnlich: Vielleicht ist die grundsätzliche Wahrscheinlichkeit für die Entwicklung genau dieses Universums gar nicht mal so hoch; aber dadurch, dass einige unwahrscheinlichere Fälle durch Zufall am Anfang eingetreten sind, hat es sich eben genau so entwickelt.
Zur Beschreibung der verschiedenen Entwicklungsmöglichkeiten des Universums (der sog. „Geschichten“) nutzt man die „imaginäre Zeit“ , eine Zeit die mit Hilfe imaginärer Zahlen beschrieben wird. Dies ist nur eine mathematische Hilfskonstruktion, gibt der Zeit aber eine vorstellbare Form (vgl. Kapitel 2, S. 66-68 / „Das Universum in der Nussschale“).
Nach der sog. „Kein-Rand-Hypothese“ sind die möglichen Geschichten des Universums auf diejenigen Raumzeiten beschränkt, die keinen Rand in der imaginären Zeit haben. Was ist das aber, etwas, das endlich ist, aber dennoch keinen Rand besitzt? In unserem Erfahrungsbereich gibt es wenige Dinge, die diese beiden Kriterien erfüllen. Die Kugel erfüllt sie jedoch perfekt. Wir können auf der Erdoberfläche herumlaufen ohne jemals an ein Ende zu kommen und doch ist die Erdoberfläche nicht unendlich groß. Daher wird den randlosen imaginären Zeit die Kugelform zugeordnet. - Diese „kugelförmigen Geschichten“ sind es übrigens auch, die dem Kapitel ihren Namen geben, da jede mögliche Entwicklung des Universums sein Abbild in einer kleinen abgeflachten Kugel, einer „Nuss“ hat.
Besonders interessant fand ich einen Abschnitt über das „Anthropische Prinzip“. Dieses besagt, dass unser Universum zumindest teilweise so ist, wie wir es beobachten, da in anderen möglichen Universen sich kein intelligentes Leben entwickeln könnte, dass die Frage stellt: „Ist die Welt das, was es scheint?“ Beispielsweise könnte sich kein Leben in einem jüngeren Universum entwickeln, da sich erst nach einiger Zeit in Sternen die zugrunde liegenden Elemente bilden. Ich persönlich musste bei diesem Stück an den von Descartes geprägten Satz „Cogito, ergo sum“, denken: so wie dieser Philosoph damals erkannte, dass er da ist, weil er denken und sich überhaupt erst die Frage danach stellen kann, so können die modernen Wissenschaftler aus der Tatsache, dass sie existieren, schlussfolgern, dass das Universum doch gewisse von uns beobachtete Eigenschaften haben muss. Ein weiteres Beispiel für den Einsatz des anthropischen Prinzips ist die Frage der Dimensionen: wir Menschen beobachten drei räumliche Dimensionen. Nach der M-Theorie besitzt der Raum jedoch neun oder zehn Dimensionen, nur dass die übrigen „unsichtbaren“ Dimensionen sehr eng aufgewickelt und damit für uns irrelevant sind. (Zur Veranschaulichung nutzt Hawking an dieser Stelle das Beispiel eines Haares, das von weitem wie eine eindimensionale Linie wirkt, in Wahrheit aber dreidimensional ist.) Vielleicht wäre durchaus ein Universum möglich, in dem mehr oder weniger makroskopische Dimensionen vorhanden sind. In einer zwei- oder eindimensionalen Welt könnte sich jedoch kein Leben entwickeln und in einer höher dimensionalen Welt wären schon allein die Gravitationskräfte zwischen den Körpern zu stark – da sie mehr Möglichkeiten haben, sich näher zu kommen - als dass sich so etwas wie ein Sonnensystem entwickeln könnte.
Schon allein die Frage: „Warum hat der Raum drei Dimensionen?“ schränkt also die Anzahl der verschiedenen möglichen Geschichten auf diejenigen ein, in denen das Universum drei Dimensionen hat.
Die Geschichte unseres Universums in imaginärer Zeit kann übrigens keine vollkommene Kugel sein, weil das entsprechende Universum in reeller Zeit sich in alle Ewigkeiten ausdehnen würde. Das tut es aber ganz nicht – Materie könnte sich in einem solchen Universum nicht zu Sternen und Galaxien zusammenballen, was sie ja aber recht offensichtlich getan hat. Die imaginären Zeiten, welche die Entwicklungen eines solchen Universums beinhalten, haben – wie schon weiter oben erwähnt – die Form abgeflachter Kugeln. Außerdem ist diese Kugel auch nicht ganz regelmäßig: denn unter den möglichen Entwicklungen unseres Universums – sprich, allen abgeflachten Kugeln – sind diejenigen wahrscheinlicher, die kleine Kräuselungen an der Oberfläche zeigen. Das Erstaunliche ist, dass diese Unregelmäßigkeiten im reellen Universum nachgewiesen und gemessen werden konnten, obwohl sie im Grunde nur sehr, sehr klein sind. Mithilfe des Satelliten Cosmic Background Explorer, der 1989 auf seine Umlaufbahn gebracht wurde, hat man eine Mikrowellenkarte des Himmels erstellt. Auf dieser Karte kann man Temperaturschwankungen von etwa einem zehntausendstel Grad entdecken – unvorstellbar winzig, und doch genügt das, um eine zusätzliche Gravitation in den dichteren Regionen des früheren Universums zu erzeugen. Und diese reicht aus, um die Expansion irgendwann zu stoppen, so dass die Materie kollabiert und unter ihrem eigenen Gewicht zu Himmelskörpern zusammenfällt.
Für das Ende des Universums werden in diesem Kapitel zwei Theorien erwähnt: der „Große Endkollaps“ und das „lange, kalte Elend“. Das heißt, entweder kommt das Universum irgendwann aus dem Gleichgewicht und stürzt zu einem Gebilde extremer Dichte zusammen – vielleicht die Grundlage für einen neuen Urknall? – oder die Galaxien driften weiter auseinander (wie sie es im Augenblick übrigens tun) und die Sterne brennen eines Tages einfach aus. Das Universum wird immer leerer und kälter und verharrt in diesem Zustand. (Obwohl sich mir an dieser Stelle die Frage stellt, ob irgendwann nicht durch Zufall ein neues Ungleichgewicht im Weltall entsteht, sodass wieder Bewegung ins All kommt?)
Zusammenfassend würde ich sagen, dass man aus diesem Kapitel eine Reihe von verschiedenen Erkenntnissen gewinnen kann. Ich persönlich habe ein neues Bewusstsein für die enorme Bedeutung des Zufalls bekommen und die Erkenntnis, dass ein gestörtes Gleichgewicht und die dieses nach sich ziehende Aktivität bzw. Bewegung vielleicht etwas durchaus erstrebenswertes ist: Wäre die Geschichte unseres Universums völlig glatt – also perfekt kugelförmig – verlaufen, so gäbe es uns Menschen gar nicht. Vielleicht ist daher die fehlende Perfektion in unserer Welt kein Mangel, sondern eine Art Bereicherung.
Ein generell faszinierender Gedanke mag weiterhin sein, die Raumzeit als kugelförmig aufzufassen. Was es für die Realität jedoch bedeutet, wenn die Raumzeit an irgendeinem Punkt wieder von vorn beginnt, überlasse ich an dieser Stelle aber lieber jedem selbst und ende mit diesem Gedanken.

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