Die Autorin dieses eher anspruchsvollen, aber mit humorvollen und autobiographischen Anekdoten wohltuend aufgelockerten Buches, ist Kosmologin. Sie studierte theoretische Physik und Astrophysik am Caltech; an der Princeton University wurde sie mit einer kosmologischen Arbeit promoviert. Nach einem längeren Aufenthalt in Australien erhielt sie einen Ruf an die North Carolina State University, wo sie weiterhin an grundlegenden kosmologischen Problemen arbeitet. Sie ist eine begabte Wissenschaftspublizistin und schreibt häufig für die bekanntesten populärwissenschaftlichen Zeitschriften der USA. The End of Everything ist ihr erstes Buch. Darin schildert sie, wie nach dem heutigen Stand des Wissens Erde, Sonne, Milchstraße und Universum enden dürften.

Das ultimative Ende wird zuerst unser 5,3 Milliarden Jahre alter Planet erleiden. Sein langfristiges Schicksal lässt sich leicht voraussagen. In 5 bis 7 Milliarden Jahren geht nämlich in der Sonne die thermonukleare Energiequelle Wasserstoff zur Neige. Mangels Strahlungsdruck zieht sie sich zusammen, wird immer heißer, bis Helium zu Kohlenstoff fusionieren kann. Unter dem Einfluss des dadurch erstarken Strahlungsdrucks bläht sie sich um etwa das Hundertfache aus und wird zum Roten Riesenstern, der bis weit über die Erdumlaufbahn reicht. Dies hat zur Folge, dass die Ozeane verdampfen und die ganze Erde sterilisiert wird; es bleibt nur hitzeresistentes Gestein. Alle zu diesem fernen Zeitpunkt existierenden Lebensformen erleiden den Feuertod. Und von all dem, was Natur und Mensch geschaffen haben, von den fallschirmartigen Löwenzahnsamen bis zu den genialen Bach-Partituren, bleibt nur heiße Asche zurück.

Beim Universum ist alles viel komplizierter und dauert auch signifikant länger. Um sein Ende voraussagen zu können, muss man als Randbedingung seinen Anfang kennen. Dazu herrscht unter Astrophysikern und Kosmologen ein weitgehender Konsens, doch wie immer liegt der Teufel im Detail. Kaum bestritten wird, dass sich vor 13,8 Milliarden Jahren eine extrem massereiche Quantenfluktuation ereignete, die wir Urknall oder Big Bang nennen. Aus Gründen, die weiterhin nicht verstanden werden, war diese Singularität im Gegensatz zu den sich ständig ereignenden, „gewöhnlichen“ Quantenfluktuationen in Bezug auf Materie und Antimaterie nicht perfekt symmetrisch, sondern wies einen Materie-Überschuss von etwa einem Milliardstel gegenüber der Antimaterie auf.

Aus diesem Überschuss entstand das rund 100 Milliarden Galaxien zu je etwa 100 Milliarden Sternen umfassende, heute beobachtbare Universum. Doch was davon sichtbar und den vier elementaren Wechselwirkungen unterworfen ist (Elektromagnetismus, Schwache und Starke Kernkraft, Schwerkraft), stellt nur 5 Prozent der Gesamtmasse des Universums dar. Die restlichen 95 Prozent verteilen sich auf die geheimnisvolle, nur durch ihre schwerkraftbedingten Auswirkungen nachweisbare Dunkle Materie sowie die Dunkle Energie; sie sorgt für eine immer schnellere Expansion des Universums.

Über die Anfänge des Universums und seine seither stattgefundene Entwicklung streiten sich Kosmologen nur bedingt, obwohl einiges davon physikalisch nicht geklärt ist. Diesen Ereignissen widmet Mack die ersten 50 Seiten ihres Buches, wobei sie unsere mangelhaften Kenntnisse in Bezug auf zentrale Fragen unbarmherzig hervorhebt. Zuerst einmal wissen wird nicht, was sich unmittelbar nach dem Urknall und vor der Planck-Zeit ereignete. Über dieses Zeitintervall von 10–43 Sekunden können wir grundsätzlich nichts wissen; erst im Anschluss daran galten die Gesetze der Physik.

Der Urknall war der Anfang von Raum, Zeit und Materie, wobei die vier Grundkräfte anfänglich zu einer einzigen Wechselwirkung „verschmolzen“ waren. Was sich anschließend ereignete, ist ebenfalls schwer verständlich, nämlich eine Periode extrem schneller Expansion, die als kosmische Inflation bezeichnet wird. Wir wissen nicht, warum sie überhaupt begann und warum sie endete. Die Inflation vergrößerte das ursprünglich nahezu punktförmige Universum um den Faktor 1026 bis zur Größe eines Tennisballs. Danach bewegte sich die Physik endlich „auf festem Boden“, denn innerhalb einer Mikrosekunde entstanden die Quarks. Sie bildeten zusammen mit den Trägern der Starken Kernkraft, den Gluonen, eine Art Plasma. Beim weiteren Abkühlen kondensierten daraus Protonen, Neutronen und (indirekt) auch Elektronen, aus denen die „Urknallelemente“ Wasserstoff, Deuterium und Helium sowie Spuren von Lithium und Beryllium entstanden. Es ist amüsant von Mack zu erfahren, dass wir Menschen – chemisch betrachtet – wie alle Lebewesen etwa gleich alt sind wie das Universum. Wir bestehen ja vorwiegend aus dem einfachen Oxid des Wasserstoffs, der über 13 Milliarden Jahre alt ist.

Sobald neutrale Atome entstanden waren, wurde das Universum durchsichtig: Nun konnten die Photonen genannten Lichtquanten fast frei zirkulieren, statt ständig an geladenen Teilchen gestreut zu werden. Doch der Übergang vom heißen, gasförmigen Universum zur heutigen Struktur aus leuchtenden Sternen und Galaxien wäre ohne eine exotische, unsichtbare, nur mit der Schwerkraft wechselwirkende Form der Materie nicht möglich gewesen; man nennt sie Dunkle Materie. Sie wurde schon in den 1930er Jahren vom Schweizer Physiker Fritz Zwicky in den USA postuliert, doch das wissenschaftliche Establishment erklärte Zwicky für verrückt, bis „seine“ Dunkle Materie gut zwanzig Jahre später zur astrophysikalischen Lehrmeinung aufstieg.

Bevor wir zu den Endszenarien des Universums kommen, die im Mittelpunkt des Buches stehen, ist es wichtig, sich an zwei Dinge zu erinnern. Erstens: Weil Licht eine endliche Geschwindigkeit hat, sehen wir heute immer nur die Vergangenheit. Im Fall der Sonne sind es erträgliche 8,3 Minuten, doch was wir in der Andromeda-Galaxie beobachten, ereignete sich vor 2,5 Millionen Jahren. Eine 10 Milliarden Lichtjahre entfernte Galaxie zeigt sich uns im jugendlichen Alter von wenigen Milliarden Jahren. Zweitens: Das kosmologische Prinzip besagt, dass das Weltall homogen und isotrop ist; in anderen Worten: es sieht in jeder Richtung in etwa gleich aus. Dass es als Temperatur- Inferno begann, ist gesichert: Die Mikrowellen- Hintergrundstrahlung ist das heute nachweisbare Relikt des Urknalls. Diese sehr kühle Strahlung stammt von der Annihilation von Materie und Antimaterie vor 13,8 Milliarden Jahren.

In dieser langen Zeit dehnte sich diese Strahlung von extrem kurzwellig bis zu den heute beobachtbaren Mikrowellen aus. Diese entsprechen einer Temperatur von 2,7 K. Sie weist Inhomogenitäten von einem Hunderttausendstel auf; dies entspricht Dichteschwankungen, die als Keime der ersten Galaxien fungierten. Sie gruppierten jeweils etwa 100 Milliarden Sterne, die ab 400 Millionen Jahren nach dem Urknall entstanden waren.

Mit einem aus Galaxien bestehenden, weiterhin expandierenden Universum wird auch dessen Ende absehbar. Doch über das Wie dieses Endes scheiden sich die Geister. Derzeit kursieren fünf ernst zu nehmende Szenarien. Sie sind das Kernthema von Macks Buch. Für Anhänger eines zyklischen Universums ist ein solches Ende nicht definitiv, sondern die Voraussetzung eines ewigen Neubeginns. Im Prinzip sollte die Schwerkraft die Expansion abbremsen und letztlich zur Umkehrung bringen. Diese Kontraktion muss in einem „Big Crunch“ enden, bei welchem alles zerdrückt wird. Doch die in sich selbst kollabierende Materie wird schließlich so dicht, dass es eine Art Rebound- Effekt gibt, mit ähnlichen Randbedingungen wie beim Urknall. So geht es ewig weiter, auf eine Phase der Kontraktion folgt immer wieder eine solche der Expansion. Seit der Entdeckung der Dunklen Energie, die das Universum immer schneller expandieren lässt, ist dieses Szenario eher unwahrscheinlich geworden. Auch ist es schwer vereinbar mit der Tatsache, dass die Entropie als Maß der Unordnung bei jedem Expansionszyklus zunehmen muss. Eine einfache Rechnung zeigt zudem, dass das Universum bei weitem nicht genug Masse aufweist, um die Expansion auch nur geringfügig abzubremsen.

Der Wärmetod, das zweite Szenario, ist ein besonders interessantes Untergangsmodell. Der Begriff Wärme steht für ungeordnete Bewegung von Teilchen und Energie, wobei die Entropie als Maß der Unordnung ständig zunehmen muss. Von Wärme spricht man bei jeder Temperatur, auch wenn sie noch so tief ist. Wie bereits erwähnt, sorgt die Dunkle Energie für eine immer schnellere Ausdehnung des Universums. Nach sehr langer Zeit sind schließlich alle Sterne zerstrahlt oder zu Schwarzen Löchern geworden, die nach Hawking ihrerseits verdampfen können. Schlussendlich erreicht man überall im Universum die gleiche, extrem tiefe Temperatur von etwa 10–40 K, die dem Zustand der maximal möglichen Entropie entspricht. Weitere Ereignisse sind nunmehr ausgeschlossen, denn die Entropie kann im endlichen System Universum nicht mehr weiter zunehmen: ihr maximal möglicher Wert wurde ja erreicht. Somit kann nichts mehr passieren, die Zeit steht still, der Zeitpfeil stoppt. Dieses Modell ist zwar physikalisch korrekt, doch ist dafür eine extrem lange Zeit erforderlich, etwa 101000 Jahre. Andere Untergangsszenarien können sich wesentlich schneller abspielen.

Zu den das Universum viel früher bedrohenden Untergangsszenarien gehört der „Big Rip“, eine echte Zerreißprobe mit garantiert fatalem Ausgang. Bei diesem Szenario ist einmal mehr die Dunkle Energie an allem schuld: Weil sie die Expansion des Universums stetig weiter beschleunigt und dabei immer stärker wird, zerreißt sie zuerst die Galaxienhaufen, dann die Galaxien selbst, die Sterne, die Planeten, die Atome, die Elementarteilchen – absolut alles. Auch die Higgs-Teilchen verschwinden und damit ihr Feld, das den Elementarteilchen ihre Masse verlieh. Das könnte in weniger als 200 Milliarden Jahren passieren. Kein Grund zur Panik aber doch eine äußerst unangenehme, wenn auch langfristige Perspektive.

Noch bedrohlicher ist das vierte von Mack vorgestellte Szenario. Sie nennt es „Vacuum Decay“, also wörtlich übersetzt Vakuumzerfall, ein zerstörerisch wirkendes Quantenereignis, das eng mit den Eigenschaften des Higgs-Feldes zusammenhängt. Der davon bewirkte Zustand des Universums wird als Higgs-Vakuum bezeichnet und ist nicht völlig stabil. Im Prinzip könnte ein genügend energiereiches Ereignis den Übergang zu einem wirklich stabilen Zustand jederzeit auslösen – mit verheerenden Konsequenzen. Allerdings ist die Eintretens-Wahrscheinlichkeit dieses Szenarios extrem gering; darum ist es innerhalb der nächsten 10100 Jahre nicht zu erwarten. Falls es dennoch zu unserer Lebenszeit auftreten würde, kann uns die Perspektive trösten, dass wir unseren Untergang nicht bemerken würden. Der Vakuumzerfall erfolgt ja mit Lichtgeschwindigkeit, also sehr viel schneller, als Nervenimpulse übertragen werden.

Unter den vier elementaren Wechselwirkungen, fällt die Schwerkraft fast paradoxerweise durch ihre extreme Schwäche auf. Wenn wir unsere Kaffeetasse vom Tisch heben, überwinden wir spielend die Anziehungskraft der ganzen Erde. Und trotz jahrzehntelanger Anstrengungen der weltweit besten theoretischen Physiker ist es immer noch nicht gelungen, eine Verbindung zwischen Einsteins Theorie der Schwerkraft und der Quantentheorie zu erstellen. Eine brauchbare Theorie der Quantengravitation fehlt uns weiterhin, was zu geradezu verzweifelten Hypothesen führte. Dazu gehört insbesondere die Annahme, dass die Schwerkraft so schwach ist, weil sie auch in einer anderen, uns nicht zugänglichen Dimension oder in mehreren solchen Dimensionen lokalisiert ist. Allerdings enthalten die Signale, die wir bisher von den Gravitationswellen-Detektoren erhielten, keine Hinweise auf unbekannte Dimensionen. Die Messwerte stimmen mit den theoretischen Modellen sehr gut überein. Alles scheint sich in den uns gewohnten und eher „langweiligen“ drei Raumdimensionen abzuspielen. Die Vorstellung, dass der Urknall auf die Kollision unseres Universums mit einem anderen, in unbekannten Dimensionen lokalisierten Universum verursacht wurde, gehört sehr wahrscheinlich ins Reich der Science Fiction. Ebenfalls sehr gewagt ist das damit verbundene „Bounce“-Szenario, das uns Katie Mack als fünftes präsentiert. Ihm zufolge würde die erneute und möglicherweise periodische Annäherung dieses „Antiuniversums“ zum Untergang aller Dinge und zu einem neuen Urknall führen.

Welches der von Mack allgemeinverständlich und akribisch beschriebenen kosmologischen Endszenarien auch zutreffen könnte, es führt ohne Umschweife zur eher deprimierenden Feststellung, dass wir Menschen für das Universum ohne jegliche Relevanz sind. In der kosmisch gesehen langfristigen Perspektive macht es nicht den geringsten Unterschied, ob es uns jemals gab oder eben nicht. Immerhin verstand das Universum sich selbst einen kurzen Moment lang – dank uns.

Dr. Lucien F. Trueb, Ebmatingen-Zürich

 

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