Ungelöste Rätsel der Wissenschaft Matthias Matting

Was ist Dunkle Materie? Wie endet das Universum? Gibt es nackte Singularitäten? Die Wissenschaft kennt noch viele Rätsel - eine Auswahl der spannendsten offenen Fragen

"Ich weiß, dass ich nichts weiß". Auf der Suche nach Erkenntnis könnte man dieses dem Philosophen Sokrates zugeschriebene geflügelte Wort als einzig feststehende Tatsache betrachten. Dabei handelt es sich dabei um eine ungenaue, ja verfälschende Übersetzung aus dem Griechischen. "Ich weiß, dass ich nicht weiß" fordert dazu auf, Annahmen, Scheinwissen, von bewiesenen Tatsachen zu trennen - wenn Forscher Wissen schaffen wollen, funktioniert das nur, wenn man sich gleichzeitig klar macht, welche Fragen noch unbeantwortet sind. Oft genug ist das sogar der spannendere Teil der Wissenschaft, wie unsere kleine Zusammenstellung zeigen soll.

Dass das Universum, wie wir es kennen, aus einer Singularität entstand, gilt als sicher - wenn auch der genaue Mechanismus mit den heutigen Mitteln der Physik nicht aufzuklären ist. Die Frage nach dem "davor" ist im engeren Sinn genauso unsinnig wie die Frage, was sich "hinter" dem Universum befindet, denn im Urknall entstanden Raum und Zeit erst. Ein Davor gibt es in diesem Sinne nicht. Die Kosmologie lässt die Frage nach Vorgänger-Universen aber trotzdem zu. Je nach Theorie kommt sie dabei zu unterschiedlichen Antworten.

Was war vor dem Urknall?

Die Stringtheorie etwa baut den Kosmos aus eindimensionalen Saiten (Strings) und mehrdimensionalen Flächen (Branes) auf, deren überzählige Dimensionen in der Raumzeit auf bestimmte Arten aufgewickelt sind. Es gibt ganz unterschiedliche Möglichkeiten, die Membranen und Strings aufzuwickeln, und je nachdem, welche man wählt, entsteht ein andersartiges Universum. Insgesamt sind so 10100 verschiedene Universen möglich.

Allerdings kann ein großer Teil dieser Universen aus den Grundstrukturen bestanden haben oder bestehen, den Membranen, ohne dass es je zur Entstehung von Elementarteilchen kam. Erst als sich irgendwann bei der Bewegung über eine zusätzliche elfte Dimension hinweg zwei dreidimensionale Welten zu nahe kamen, könnten diese kollidiert sein - wodurch im Urknall unser Universum geboren wurde.

In Sachen Welt vor der Welt noch ergiebiger ist der Konkurrent der Stringtheorie, die Schleifenquantengravitation. Nach ihr ist das Universum nur scheinbar kontinuierlich. Tatsächlich aber ist alles, wirklich alles, quantisiert, das heißt in kleine Häppchen aufgeteilt, auch die Gravitation. Der Raum ist nicht mehr der Behälter für das Universum, sondern er ist ein Teil davon, der ebenfalls zerstückelt ist und die Form eines Netz aus Linien und Knoten annimmt.

Die Elementarteilchen entsprechen dann verschiedenen Knotentypen, zwischen den Linien und Knoten befindet sich: nichts. Kein leerer Raum, sondern ganz und gar nichts. Die Theorie der Schleifenquantengravitation führt zu einigen seltsam anmutenden Folgerungen, beschreibt aber einige interessante Phänomene besser als andere Theorien.

Was sich aus ihr für den Urknall ergibt, hat erstmals 2004 der deutsche Physiker Martin Bojowald simuliert. Zunächst vermeidet man das Konzept der Singularität, denn das Schleifenquanten-Universum hat eine bestimmte Mindest-Strukturgröße, die es nicht unterschreiten kann. Rechnet man sich immer näher an den Urknall heran, erscheint dieser nicht mehr als unüberwindbare Schranke.

Stattdessen erreicht man mit einem "Plopp" die Minuszeit - ein neues, anderes oder auch Vorgänger-Universum, in dem alle Richtungen (auch die der Zeit) umgekehrt sind. Für die Physiker ist das kein großes Problem, weil die Naturgesetze praktischerweise symmetrisch sind. Dieses Universum vor dem Universum zieht sich in Richtung des Urknalls zusammen.

Was sind Dunkle Materie und Dunkle Energie?

Der größte Teil des Universums entzieht sich unserer Beobachtung: Nur vier Prozent seines Energie- beziehungsweise Massegehalts besteht aus Materie in der uns bekannten Form. Dazu kommen 23 Prozent Dunkle Materie und 73 Prozent Dunkle Energie.

Die Existenz beider ergibt sich aus der Beobachtung sichtbarer Strukturen. Zum einen bewegen sich weit entfernte Bereiche des Kosmos schneller, als durch die Gravitation sichtbarer Objekte zu erklären ist. Das liegt, vermutet man, an Dunkler Materie. Zum anderen beschleunigt sich die Expansion des Universums, während sie eigentlich langsamer werden müsste. Daran ist die mysteriöse Dunkle Energie schuld.

Woraus beide bestehen, ist bisher nicht klar. Es gibt immerhin Kandidaten. Als Favoriten galten lange die Neutrinos, die jedoch wohl nicht genug Masse mitbringen, um die Beobachtungen der Astronomen zu erklären. Deshalb geht man nun von der Existenz so genannter "WIMPs" aus (Weakly Interacting Massive Particles), die wie die Neutrinos nur der schwachen Wechselwirkung unterliegen, aber wesentlich schwerer sind. Sie bewegen sich demnach viel langsamer als Neutrinos und zählen deshalb zur so genannten Kalten Dunklen Materie.

Über die Natur der Dunklen Energie ist noch weniger bekannt. Womöglich ist sie einfach eine der Grundeigenschaften des Universums. In der Quantenfeldtheorie ließe sie sich als Energie des Vakuums darstellen. In einigen Modellen tritt Dunkle Energie als Wirkung eines hypothetischen Skalarfeldes, "Quintessenz" genannt, auf.

Ist die Feinstrukturkonstante konstant?

Die Feinstrukturkonstante beschreibt die Stärke der elektromagnetischen Wechselwirkung. Sie lässt sich unter anderem daraus bestimmen, mit welcher Häufigkeit ein Elektron ein Photon abgibt oder wie stark geladene Teilchen miteinander wechselwirken.

Ob sich die Feinstrukurkonstante seit dem Urknall verändert hat, konnte bisher nicht nachgewiesen werden. Wäre sie zeitlich nicht konstant, hätte das erhebliche Auswirkungen auf alle kosmologischen Modelle, denn sie ist etwa 1036 mal so groß wie die äquivalente Kopplungskonstante der Gravitation.

Wie endet das Universum?

Die Theorien über das Sterben des Weltalls sind so vielfältig wie das Wissen der Forscher darüber begrenzt ist. Ernsthaft diskutiert werden diese Szenarien - das erste ist dabei am wahrscheinlichsten:

Tod durch Erfrieren: Nach dieser Theorie, auch "Big Freeze" genannt, dehnt sich das Universum immer stärker aus. Das hat zur Folge, dass die Temperatur stetig sinkt, bis irgendwann keine freie, nutzbare Energie mehr vorhanden ist, wie sie physikalische und chemische Prozesse benötigen.

Tod durch Zerreißen: Wenn sich die Expansion des Weltalls weiter beschleunigt, würde irgendwann alles, inklusive der kleinsten Bausteine der Materie, in einem "Big Rip" auseinander gerissen wird.

Tod durch Zerquetschen: Die "Big Crunch"-Theorie nimmt an, dass die Expansion des Universums irgendwann stoppt (danach sieht es derzeit nicht aus) und sich das Weltall danach wieder zusammenzieht.

Tod durch Zerstrahlen: Es wäre möglich, dass unser Universum nicht das einzige ist. Trifft es irgendwann auf ein Geschwister aus Antimaterie, wäre eine komplette Vernichtung des Universums, ohne Vorwarnung, vom einen Moment auf den anderen, die Folge.

Tod durch Zerfallen: Womöglich sitzen wir auch einem gigantischen Trick der Natur auf. Was wir für Raum im Grundzustand halten, das Vakuum, könnte sich auch in einem quantenphysikalisch höheren Zustand befinden. Falls das zutreffen sollte, könnte sich das Vakuum eines Tages, mir nichts, dir nichts, in einen energetisch niedrigeren Zustand bewegen. Im ungünstigsten Fall zerfällt dadurch das komplette Universum.

Tod durch Einfrieren: Eventuell nimmt die Menge Dunkler Energie schneller zu als das Universum expandiert. Die Dichte des Weltalls wächst, bis es zähflüssig wird und irgendwann in einem festen Zustand verharrt, wie eingefroren.

Gibt es nackte Singularitäten?

Wenn ein Stern kollabiert, der schwer genug ist, zieht die Gravitation seiner Masse sämtliche verfügbare Materie auf einen so kleinen Raum zusammen, dass die bekannten Gesetze der Physik nicht mehr gelten. Forscher sprechen von einer Singularität. Allerdings verbirgt sich ein solches Loch im Raum stets vor neugierigen Beobachtern - in seinem Umkreis bildet sich ein Ereignishorizont, hinter dessen Vorhang wir nicht blicken können.

Deshalb heißen diese Singularitäten auch Schwarzes Loch. Aber passiert das wirklich immer? Das ist eine ungeklärte Frage. Die von Roger Penrose aufgestellte Hypothese des kosmischen Zensors geht zwar davon aus, ist aber nicht bewiesen. Aus der Allgemeinen Relativitätstheorie ergibt sich jedenfalls kein Verbot nackter Singularitäten (Das Schicksal des zusammenbrechenden Sterns). Tatsächlich scheint es unter bestimmten Anfangsbedingungen möglich zu sein, dass der Ereignishorizont nicht schnell genug entsteht. Eine ganz andere (und ebenfalls ungeklärte) Frage ist, wie ein Beobachter eine nackte Singularität sehen würde.

Welche Form hat das Universum?

Zu den schicksalssbestimmenden Eigenschaften des Weltalls gehört seine geometrische Form. Da es von der vierdimensionalen Raumzeit aufgespannt wird, muss man sich zum leichteren Verständnis davon eine Dimension wegdenken. Eine Linie erscheint dem Bewohner eines gekrümmten Blattes Papier zum Beispiel gerade, obwohl das Blatt für den Bewohner von außen eine Krümmung besitzt.

Die Form des Universums wird vor allem von seiner Dichte bestimmt. Da wir uns das Universum aber nicht von außen ansehen können, fällt es sehr schwer, die tatsächliche Form des Weltalls zu bestimmen. Dazu müssen wir uns auf die Geometrie beschränken: Wenn das Universum gekrümmt ist, kann die Innenwinkelsumme eines Dreiecks (auf große Entfernungen) nicht mehr genau 180 Grad betragen.

Neuere Messungen mit dem WMAP-Satelliten haben ergeben, dass das Universum eine euklidische Geometrie besitzt, also höchst wahrscheinlich flach ist. Das trifft zumindest auf den Bereich des Weltalls zu, der maximal 24 Gigaparsec von uns entfernt ist. Doch was dahinter passiert - niemand weiß es. Manche Forscher haben die Form eines Fußballs ins Gespräch gebracht - wir würden dann auf einer der Flächen des Fußballs leben, die annähernd flach sind. Einige seiner Eigenschaften würden auch gut zu einer Trichter- oder Donut-Form passen.

Im nächsten Teil finden Sie garantiert keine Antwort auf die folgenden sechs Fragen:

Stimmt das Standard-Modell der Physik? Wie sieht die Weltformel aus? Haben Quarks eine Struktur? Wie funktioniert der Kaye-Effekt? Wie funktioniert Sonolumineszenz? Was ist Realität?

Das eBook "Die neue Biografie des Universums" des Autors, das Entwicklung und Aufbau unseres Universums ausführlich beschreibt, ist bei Amazon (Mobi, DRM-frei), bei iTunes (für iPad) und bei Beam-eBooks (ePub, PDF, DRM-frei) erhältlich.

(Matthias Matting)