Falten und Löcher im Universum

Einstein hat es einmal als seinen größten Fehler bezeichnet in seiner Formel zur Beschreibung des Raumzeitkontinuums eine Konstante eingeführt zu haben, die dafür sorgen sollte, dass der Raum nicht gekrümmt ist. Heute ist man sich in dieser Hinsicht nicht mehr so sicher, denn es fehlt eine Menge Materie, die nötig ist, um zu erklären, warum sich unser Universum nicht viel schneller ausdehnt.

Als Kandidaten für diese Materie wird alles Mögliche herangezogen, von braunen Zwergen - das sind kalte Sterne - über Neutrinos mit Masse, bis hin zu exotischen Energie- und Materieformen. Abgesehen davon ist es ohnehin schon schwierig genug, sich vorzustellen, wie der alles ausfüllende Raum auch noch gekrümmt sein kann.

Kaum ein Mensch kann sich das vierdimensionale Raumzeitkontinuum vorstellen, in dem wir leben, geschweige denn noch höherdimensionale Gebilde, mit denen uns einige Theorien konfrontieren. Der Mathematik und Physik hingegen ist es ganz gleich in wie vielen Dimensionen sie berechnet wird.

Deshalb muss man erst mal einen Weg finden, der es uns ermöglicht, uns das vorzustellen, wovon wir reden. Einsteins Gummituch ist so ein Modell, bei dem er die vier Dimensionen der Raumzeit auf zwei reduziert hat. Jetzt können wir uns ansehen, was eine Masse mit dem Raum anstellt, und wie sie ihn verzerrt. Ganz genauso funktioniert auch das Bild vom Luftballon, das gern benutzt wird, wenn es um die Ausbreitung des Universums geht - für das Platzen des Luftballons hat man glücklicherweise noch kein Äquivalent gefunden.

Wo ich gerade beim Luftballon bin will ich einen kurzen Abstecher in die Anfänge des Universums machen. Hier stellt sich nämlich die Frage, warum winzige Schwankungen, sogenannte Quantenfluktuationen, in der Anfangsphase des Universums sich soweit ausdehnen konnten, dass sie heute die größten bekannten Strukturen im Universum bestimmen.

Manche Wissenschaftler gehen davon aus, dass eine kosmische Inflation dafür verantwortlich zu machen ist, während der sich das Universum mit unglaublicher Geschwindigkeit ausgedehnt hat, neueste Messungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung, scheinen diese Annahmen zu bestätigen. Dabei tritt allerdings ein Problem auf, denn insgesamt ist das bekannte Universum so homogen, dass die Astrophysiker sich nicht vorstellen können, wie das zu erklären ist, wenn sich die Bestandteile schneller ausdehnten als das Licht, und damit keine Wechselwirkungen zwischen ihnen vermitteln konnten.

Es gibt allerdings eine sehr interessante Lösung zu diesem Problem, denn wenn wir wieder mit unserem schlappen Luftballon beginnen und ihn Aufblasen, dass sich sein Radius mit Lichtgeschwindigkeit vergrößert, wächst sein Umfang mit etwa sechsfacher Lichtgeschwindigkeit (genauer 2*Pi*Radius). Das steht aber nicht im Widerspruch zu Einsteins Theorie, weil keine Information zwischen den Teilbereichen übertragen wird. Trotzdem werden die anfänglichen Unregelmäßigkeiten dominant und es gelten überall dieselben Anfangsbedingungen. Es bleibt allerdings die Frage offen, ob man im inneren des Hyperballons überhaupt so etwas wie Lichtgeschwindigkeit oder gar Entfernung bestimmen kann.

Leider wird hier und da von exponentiellem Wachstum des Universums ausgegangen, während mein Modell gerade mal linear ist, aber in höheren Dimensionen sieht das auch schon wieder ganz anders aus, aber nicht exponentiell.

Erklärt das auch, warum unser bekanntes Universum nur aus Materie besteht und sich Materie und Antimaterie nicht sofort wieder zu Energie zerstrahlt haben? Nein, leider nicht, entweder hier liegt wirklich eine Asymmetrie zwischen den Erscheinungsformen vor, das heißt abgesehen von der Ladung sind Materie und Antimaterie eben nicht völlig gleich, oder anfängliche lokale Ansammlungen von Materie und Antimaterie wurden während der Inflation getrennt, so dass sie sich nicht gegenseitig zerstrahlen konnten. Letzteres würde bedeuten, dass es irgendwo da draußen genauso viel Antimaterie gibt, wie wir Materie haben, bisher konnte das nicht nachgewiesen werden.

Nun ist es mit dem Luftballon allein nicht getan, denn wir wissen, dass auch Materie in der Lage ist den Raum zu krümmen. Im Fall der schwarzen Löcher sogar so stark, dass nicht einmal Licht in der Lage ist, aus diesem Trichter zu entkommen. Und vom Schwarzen Loch ist es nur noch ein kleiner Schritt zu Wurmlöchern, die verschiedene Teile des Universums miteinander verbinden, wobei das selbstverständlich nicht immer die kürzeste Verbindung zwischen zwei Punkten sein. Allerdings ist bestimmt nicht jedes Schwarze Loch auch ein Wurmloch, denn das Schwarze Loch hat immernoch einen Kern, auf den alle Materie stürzt, die sich ihm nähert. Sollte sich der Trichter irgendwo wieder einem Raumabschnitt nähern kann es eventuell zu einer Verschmelzung kommen. Die Menge an Materie, die hier plötzlich auftaucht sollte allerdings sehr auffällig sein, so dass die Möglichkeit besteht ein solches Weisses Loch tatsächlich zu entdecken. Auf der anderen Seite kann das Loch durch die Materie aber auch schnell wieder verstopft werden.

Zu allem Überfluss muss unser Universum nicht das einzige sein, dass nach seiner Entstehung einen relativ stabilen Zustand erreicht hat. Auch zwischen diesen Paralleluniversen und unserem können Verbindungen aus Wurmlöchern bestehen. Wie stabil diese alternativen Universen sind, und ob dort eine Physik herrscht, die mit der unseren vergleichbar ist, kann man noch nicht sagen.

Besonders interessant sind Wurmlöcher immer dann, wenn sie eine Abkürzung zwischen zwei Raumteilen darstellen. In diesem Fall müsste es eine Falte im Raumzeitkontinuum geben, an der sich verschiedene Lagen des Universums überlappen. Bisher sind solche Regionen leider noch nicht gefunden worden.

Ist es überhaupt möglich, festzustellen ob der Raum gekrümmt ist? Das ist tatsächlich ganz leicht, wir müssen nur ein Dreieck ausmessen, das genügend groß ist.

In der Schule lernt man, dass jedes Dreieck Winkel einschließt, deren Summe immer 180° beträgt. Das gilt aber nur in einer Ebene. Legen wir unser Dreieck auf einen Ball stellen wir fest, dass die Summe größer wird, das nennt man ein positive Krümmung. Bei einem negativ gekrümmten Raum müssen wir erwarten, dass sich die Winkelsumme verringert.

Wenn man nun ein paar Satelliten im Weltraum positioniert, die ein gleichseitiges Dreieck bilden müsste sich feststellen lassen, ob der Raum gekrümmt ist. Allerdings stören die Sonne und die Planeten, die ebenfalls den Raum krümmen. Bei bekannten Objekten sollte es allerdings kein Problem sein, die erwarteten Störungen herauszurechnen, um so festzustellen, wie Einsteins Konstante in unserer Umgebung wirklich aussieht.

Die Krümmung das Raumes ist auch eine der wenigen Möglichkeiten, die sich anbieten, um die unvorstellbaren Distanzen zwischen den Sternen in vertretbaren Zeiten zu überbrücken. Hier ist noch Forschungsarbeit zu leisten, denn mit heute bekannten Energiequellen und noch nicht einmal mit Materie-Antimaterie-Reaktionen wird man in der Lage sein, den Raum zu krümmen.

Alles in allem handelt es sich bei unserem Universum also um einen ziemlich verschrumpelten Luftballon, hoffen wir einfach, dass die Luft nicht irgendwann ganz raus ist, denn ein solches Modell hat noch kein Wissenschaftler in Betracht gezogen.


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