Kapitel 8: Zyklisches Universum

Viele Menschen in China und in der früheren Sowjetunion und in anderen Ländern sagen: Materie kann in Energie umgewandelt werden und Energie in Materie. Aber Energie kann nicht vernichtet werden. Das wird durch das erste Gesetz der Thermodynamik bewiesen. Deshalb müssen Materie, Energie und das Weltall ewig sein: ohne Anfang und ohne Ende. Da Materie und Energie ewig sind, kann Gott sie nicht erschaffen haben. - Das sind wichtige Einwände. Sind sie stichhaltig? Ist die Energie ewig, weil man sie nicht vernichten kann? Hat das Weltall einmal begonnen, oder war es schon immer da? Und wird das Weltall einmal schließlich enden? Was haben einige der führenden Wissenschaftler der Welt darüber herausgefunden?

Der bekannte britische Physiker Sir James Jeans sagt dazu in seinem Buch Sterne, Welten und Atome (1931:345): "Das erste Gesetz der Thermodynamik, das das Prinzip der ‚Erhaltung der Energie‘ enthält, lehrt, das Energie unzerstörbar ist; sie kann verschiedene Formen annehmen, aber ihre Gesamtmenge bleibt durch alle diese Veränderungen hindurch unverändert, so dass die Gesamtenergie des Weltalls gleich bleibt. Da die Energie, die die Ursache des Lebens im gesamten Weltall ist, unzerstörbar ist, könnte man denken, dass die Summe dieses Lebens ewig unverändert bleiben würde."

Stimmt das?

Sir James Jeans: "Das zweite Gesetz der Thermodynamik schließt eine solche Möglichkeit aus. Die Energie ist unzerstörbar, was ihre Summe anbelangt, aber sie verändert sich fortwährend in ihrer Form, und allgemein gesprochen gibt es Richtungsveränderungen nach oben und unten. Es ist wie immer - der Abstieg ist leicht, aber der Aufstieg entweder schwerer oder unmöglich. Folglich fließt mehr Energie in die eine Richtung als in die andere. Licht und Wärme sind zum Beispiel beide Energieformen, und eine Millionen erg Lichtenergie kann mit größter Leichtigkeit in eine Million erg Wärme umgewandelt werden, man lasse das Licht nur auf eine kühle, schwarze Oberfläche fallen, und die Sache ist geschehen.

"Aber die umgekehrte Wandlung ist unmöglich, eine Million erg, die einmal die Form von Wärme angenommen haben, können niemals mehr die Form einer Millionen erg Licht annehmen. Dies ist ein besonderes Beispiel des allgemeinen Prinzips, dass Strahlungsenergie immer danach strebt, sich in eine Form längerer, nicht kürzerer Wellenlänge zu verwandeln. Fluoreszenz zum Beispiel vermehrt die Wellenlinie des Lichts, sie verwandelt blaues Licht in grünes, gelbes oder rotes, aber nicht rotes in gelbes, grünes oder blaues. Ausnahmen von dem allgemeinen Prinzip sind bekannt, aber sie sind von besonderer Art, lassen besondere Erklärungen zu und berühren das allgemeine Prinzip nicht." (1931:345, 346).

"Man kann dagegen einwenden, dass die tägliche Handlung des Feueranzündens dies alles widerlegt. Ist nicht die Wärme der Sonne in der Kohle, die wir verbrennen, aufgespeichert, und können wir nicht Licht durch Verbrennen von Kohle erzeugen? Die Antwort ist, dass die Strahlung der Sonne eine Mischung aus Licht und Wärme ist und dazu einer Strahlung aller Wellenlängen. Was in der Kohle aufgespeichert ist, ist in erster Linie Sonnenlicht und andere Strahlung von noch kürzerer Wellenlänge. Wenn wir Kohle verbrennen, erhalten wir zwar Licht, aber nicht soviel wie die Sonne ursprünglich in die Kohle fest bannte, wir erhalten auch Wärme, und zwar mehr als die Wärmemenge, die ursprünglich in die Kohle aufgenommen wurde. Wenn man alles abwägt, so ist das Ergebnis, dass eine gewisse Lichtmenge in eine gewisse Wärmemenge umgeformt worden ist." (1931:346).

Was zeigt uns das?

Sir James Jeans: "All das zeigt uns, dass wir uns die Energie nicht als eine Quantität, sondern auch als Qualität vorstellen müssen. Ihre Gesamtquantität bleibt immer die gleiche, das ist das erste Gesetz der Thermodynamik. Aber ihre Qualität wechselt und hat das Bestreben, immer in derselben Richtung zu wechseln. Zwischen verschiedenen Energiequalitäten sind Drehkreuze aufgerichtet, in der einen Richtung ist der Durchgang leicht, in der anderen unmöglich. Menschen können auf Wanderungen Drehkreuze umgehen, in der Natur gibt es keinen solchen Umweg. Das ist das zweite Gesetz der Thermodynamik. Die Energie fließt immer in derselben Richtung, genau wie Wasser immer bergabwärts fließt.

"Ein Teil dieses abwärts führenden Weges besteht, wie wir gesehen haben, aus dem Übergang von Strahlung kürzerer Länge in Strahlung langer Wellenlänge. In Quanten ausgedrückt ist es der Übergang von wenigen Quanten hoher Energie zu einer großen Zahl Quanten niedriger Energie, wobei die Gesamtenergie natürlich unverändert bleibt. Die Energie zerbricht also auf ihrem Weg nach abwärts ihre Quanten in kleinere Einheiten. Und wenn das Niederfallen und das Zerbrechen einmal begonnen haben, ist es unmöglich, die ursprünglichen großen Quanten wiederherzustellen.

"Obschon dies der größte Teil des abwärts führenden Weges ist, ist es nicht der ganze Weg. Die Thermodynamik lehrt, dass alle die verschiedenen Energieformen verschiedene Grade der ‚Verwendbarkeit‘ haben, und dass der Weg immer von hoher zu niedriger Verwendbarkeit führt. (1931:347).

"Und nun können wir zu der Frage zurückkehren, mit der wir das vorliegende Kapitel begonnen haben: ‚Was hält das verschiedenartige Leben des Weltalls in Gang?‘ Unsere ursprüngliche Antwort ‚Energie‘, ist, wie man sieht, unvollständig. Energie ist zweifellos wesentlich, aber die ganz richtige Antwort ist, dass es die Umwandlung der Energie von einer kräftigen zu einer weniger kräftigen Form ist, es ist das Bergabwärtsfließen der Energie. Wenn man sagen wollte, die Gesamtenergie des Weltalls kann sich nicht verändern, und deshalb muss das Weltall immer weiter existieren, so ist das genau dasselbe, wie wenn man sagte, dass, da ein Uhrgewicht sich nicht verändern kann, der Uhrzeiger für ewig rund gehen muss." - Jeans, J. (1931). 347).

Wird das Universum schließlich enden?

Wird das Weltall immer da sein. Oder wird es schließlich enden?

Sir James Jeans: "Die Energie kann nicht immer im Ablauf bleiben, sondern muss wie das Uhrgewicht schließlich den Boden berühren. Und so kann auch das Weltall nicht für immer weiterexistieren, früher oder später muss die Zeit kommen, wenn sein letztes Erg Energie die niedrigste Sprosse auf der Leiter absteigender Verwendbarkeit erreicht hat, und in diesem Augenblick muss das aktive Leben des Weltalls aufhören. Die Energie ist noch vorhanden, aber sie hat die Fähigkeit, sich zu verändern, vollständig verloren, sie kann das Weltall so wenig in Bewegung setzen wie das Wasser in einem flachen Teiche ein Mühlenrad. ...

"Das ist die Lehre der modernen Thermodynamik. Es ist kein Grund vorhanden, sie in Zweifel zu ziehen oder sich gegen sie zur Wehr zu setzen... Sie schließt die Möglichkeit eines Kreislaufs im Weltall aus, wie er etwa beim Wasser stattfindet, wo ein sichtbarer Vorgang das Wasser zum Meer führt, während Vorgänge, die wir nicht sehen, dieses Wasser zum Flusse zurückführen. Das Wasser des Flusses kann diesen Kreislauf zurücklegen, weil es nicht das ganze Weltall ist, etwas außerhalb dieses Kreislaufs Gelegenes hält es ständig in Bewegung, nämlich die Wärme der Sonne.

"Aber das Weltall als Ganzes kann nicht fortwährend diesen Kreislauf ausführen. Da sie keine ständige Einwirkung von außen herbeiführen kann, muss die Energie des Weltalls ständig an Verwendbarkeit einbüßen. Ein Weltall, in dem die Energie sich nicht mehr verwandelte, wäre bereits tot." (1931:348, 349).

Wo kann man diese allgemeinen Prinzipien sonst noch anwenden?

Sir James Jeans: "Dieselben allgemeinen Prinzipien können auf das astronomische Weltall angewandt werden. Über die Art, wie die Energie hier bergabwärts führt, gibt es keinen Zweifel, sie wird zuerst in dem heißen Innern eines Sterns in der Form von Quanten von außerordentlich kurzer Wellenlänge und außerordentlich hoher Energie freigesetzt. In dem Maße wie diese strahlende Energie an die Oberfläche des Sterns dringt, passt sie sich ständig durch wiederhole Absorption und neue Strahlung der Temperatur jedes Teils des Sternes an, durch den sie hindurchgeht. Da mit niedrigeren Temperaturen längere Wellen verbunden sind, verlängert sich die Wellenlänge der Strahlung ständig, ein paar Quanten von hoher Energie werden in zahlreiche schwache Quanten umgeformt. Sobald diese einmal frei im Raum sind, eilen sie unverändert weiter, bis sie auf ein Staubteilchen, herumirrende Atome, freie Elektronen oder auf irgendeine andere Form interstellarer Materie treffen. Außer in dem sehr unwahrscheinlichen Falle, wo diese Materie eine höhere Temperatur hat, als die Oberfläche der Sterne, vermehren diese Zusammenstöße die Wellenlänge der Strahlung noch weiter, und das Endergebnis unzähliger Zusammenstöße ist eine Strahlung ..........

"Die Quanten haben sich gewaltig an Zahl vermehrt, haben aber ihre Zunahme durch eine entsprechende Herabsetzung ihrer Stärke einbüßen müssen. Aller Wahrscheinlichkeit nach hatten die sehr kräftigen ursprünglichen Quanten ihre Quelle in der Vernichtung von Protonen und Elektronen, so dass die Bewegung hauptsächlich darin besteht, dass die Energie von äußerst hoher Verwendbarkeit, die in Elektronen und Protonen aufgespeichert ist, in Wärmeenergie auf der untersten Stufe der Verwendbarkeit umgewandelt ist."

"Der Endzustand des Weltalls wird also erreicht sein, wenn jedes Atom, das überhaupt gemacht werden kann, vernichtet worden ist, und sich seine Energie in ständig um den Raum wandernde Wärmestrahlung umgewandelt hat, und wenn jeder schwere Gegenstand, der in Strahlung umgewandelt werden kann, sich in Strahlung umgesetzt hat." - Jeans, J. (1931:349, 350).

Die Schöpfung der Materie

Die Wellen der Strahlung werden mit der Zeit länger und schwächer. Hochwertige Energie verwandelt sich in niedrigwertige Energie. - Was beweist das?

Sir James Jeans: "Durch dies alles wird klar, dass die jetzige Materie des Weltalls nicht für immer existiert haben kann. ... Auf irgendeine Weise tritt Materie, die vorher nicht existiert hat, ins Dasein oder wurde ins Dasein geschaffen.

"Wenn wir uns diese Schöpfung von Materie naturalistisch auslegen wollen, können wir uns vorstellen, dass strahlende Energie von jeder Wellenlänge, die geringer ist als 1,3x10^-13 Zentimeter, in den leeren Raum strömt. Dies ist Energie von höherer ‚Verwendbarkeit‘ als man im jetzigen Weltall kennt, und das Herabfließen einer solchen Energie könnte wohl ein unserem eigenen ähnliches Weltall erzeugen. ... Strahlung von der gerade erwähnten Wellenlänge (könnte) sich in Elektronen und Protronen kristallisieren und schließlich Atome bilden..." (1931:356).

Das Weltall: schon immer da?

War das Weltall schon immer da, wie einige behaupten? - Wenn nicht: Wie hat man das eindeutig bewiesen?

Der Physiker John Gribbin schreibt in seinem Buch Auf der Suche nach dem Omega-Punkt (1990:13): "Zu den wichtigsten Eigenschaften unserer Welt gehört, dass auf den Tag die Nacht folgt. Der dunkle Nachthimmel zeigt uns, dass das Universum im großen und ganzen ein kalter, leerer Ort ist, über den einige helle, heiße Objekte verstreut sind - die Sterne. ... Gäbe es das Universum seit aller Ewigkeit, hätte es stets dieselbe Zahl von Sternen und Galaxien enthalten und wären diese schon immer mehr oder minder gleich über den Raum verteilt gewesen, dann könnte dieses Universum kaum den Anblick bieten, den wir vor Augen haben. Hätten die Sterne ihre Energie seit Ewigkeiten in Form von Licht verströmt, dann hätten sie den Raum zwischen sich mit Helligkeit angefüllt und ließen den ganzen Himmel so hell erstrahlen wie die Sonne.

"Nun ist der Himmel aber dunkel, und folglich muss sich das Universum, in dem wir leben, verändern: Es kann nicht immer so gewesen sein wie heute. Sterne und Galaxien gibt es nicht seit aller Ewigkeit, sondern erst seit relativ kurzer Zeit, denn sie konnten die Zwischenräume, die sie trennen, noch nicht mit Licht ausfüllen.

"Astrophysiker wissen, dass die Sterne ihre Energie durch Kernreaktionen in ihrem Inneren erzeugen, und sie können auch berechnen, wie viel Licht ein normaler Stern während seiner Lebenszeit in den Weltraum abgeben kann. Der Vorrat an Kernbrennstoff ist begrenzt und damit auch die Energiemenge, die ein Stern - vor allem durch Umwandlung von Wasserstoff in Helium - erzeugen kann.

"Selbst wenn alle Sterne in allen Galaxien des bekannten Universums ihre Lebenszyklen abgeschlossen haben werden und verglimmende Gluthäufchen geworden sind, werden Weltraum und Nachthimmel weiter dunkel sein. Es steht nicht genügend Energie zur Verfügung, um so viel Licht zu erzeugen, dass der Nachthimmel davon hell würde. Die Beobachtung, dass die Nacht auf den Tag folgt, ist nicht deshalb merkwürdig, weil der Himmel dunkel ist, sondern weil er überhaupt helle Sterne enthält. Wie ist das Universum zu diesen (nach kosmologischen Maßstäben) kurzlebigen Leuchtfeuern in der Dunkelheit gekommen?

"Mit aller Deutlichkeit führt uns das Licht der Sonne - unser Tageslicht - das Rätsel vor Augen. Diese Situation bedeutet ein Ungleichgewicht im Universum, eine örtliche Abweichung vom Gleichgewicht. Es gehört zu den Grundeigenschaften der Welt, dass alle Dinge nach Gleichgewicht streben.

"Wenn ich z. B. einen Eiswürfel in eine Tasse Kaffee werfe, kühlt sich die heiße Flüssigkeit ab, und das Eis schmilzt, während es sich erwärmt. Schließlich habe ich in der Tasse eine lauwarme Flüssigkeit, die überall dieselbe Temperatur aufweist - sie ist im Gleichgewicht. Nichts anderes strebt die Sonne an, die bei ihrer Entstehung eine große Energiemenge in einem kleinen Volumen enthielt: Sie gibt ihren Energievorrat ab, erwärmt dadurch das Universum (um einen winzigen Betrag) und wird schließlich zu kalter Schlacke, die sich im Gleichgewicht mit der Kälte des Weltraums befindet.

"Weil auf den Tag die Nacht folgt, wissen wir, dass es im Universum Regionen gestörten Gleichgewichts gibt. Wir wissen, dass sich das Universum verändert, weil der Himmel nicht dunkel wäre, wenn er sich immer in seinem heutigen Zustand befunden hätte. Das Universum in der uns bekannten Form hat einen Anfang und wird auch ein Ende haben." - Gribbin, J. (1990:13, 14).

Das höchste Naturgesetz. Welches ist das "höchste Gesetz" in der Physik? Und was hat das mit unseren Fragen zu tun: War das Weltall schon immer da? Und wird es schließlich enden?

John Gribbin: "Alle diese Eigenschaften hängen mit dem ‚höchsten Naturgesetz‘ zusammen, wie es Arthur Eddington, ein bedeutender englischer Astronom der zwanziger und dreißiger Jahre unseres Jahrhunderts, nannte. Es ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, und seine Entdeckung im neunzehnten Jahrhundert verdankt man nicht astronomischen Studien des Universums, sondern praktischen Untersuchungen über den Wirkungsgrad jener Maschinen, die am Anfang der Industrialisierung eine so wichtige Rolle gespielt haben: der Dampfmaschinen. Es mag merkwürdig erscheinen, dass ein so überaus wichtiges Naturgesetz erst an zweiter Stelle präsentiert wird; doch der erste Hauptsatz der Thermodynamik hat nur Einleitungscharakter und hält fest, dass Wärme eine Form von Energie ist, dass Arbeit und Wärme austauschbar sind und dass die Gesamtmenge der Energie in einem geschlossenen System stets erhalten bleibt (wenn unsere Tasse Kaffee beispielsweise vollkommen isoliert wäre, bliebe die Gesamtenergie in der Tasse gleich, obwohl sich das Eis erwärmen und der Kaffee abkühlen würde). Auch das war eine wichtige Erkenntnis für die Pioniere der industriellen Revolution, aber der zweite Hauptsatz ging weit darüber hinaus." (1990:15).

Und wie formuliert man den zweiten Hauptsatz?

John Gribbin: "Der zweite Hauptsatz lässt sich auf viele verschiedene Arten formulieren, aber sie haben alle mit den bereits beschriebenen Eigenschaften des Universums zu tun. Ein Stern wie die Sonne strahlt Wärme in die Kälte des Raumes ab, ein Eiswürfel in einer heißen Flüssigkeit schmilzt. Nie ist zu beobachten, dass sich in einer Tasse mit lauwarmem Kaffee spontan ein Eiswürfel bildet, während die restliche Flüssigkeit wärmer wird, obwohl die beiden Zustände - (Eiswürfel + heißer Kaffee) und (lauwarmer Kaffee) - exakt die gleiche Energiemenge enthalten.

"Wärme fließt immer vom wärmeren Objekt zum kälteren, nie vom kälteren zum wärmeren. Obwohl die Energiemenge erhalten bleibt, kann sich die Energieverteilung nur auf bestimmte und irreversible Weise verändern. Photonen (Lichtteilchen) tauchen nicht aus den Tiefen des Weltraums auf, um auf der Sonne so zusammenzutreffen, dass sie sich erwärmt und die Kernreaktionen in ihrem Inneren sich umkehren."

"Eine andere Definition des zweiten Hauptsatzes arbeitet mit dem Informationsbegriff: Wenn Dinge sich verändern, haben sie die natürliche Tendenz, an Ordnung und Struktur zu verlieren. Das System (Eiswürfel + heißer Kaffee) besitzt eine Struktur, die im System (lauwarmer Kaffee) verlorengegangen ist. In der Alltagssprache: Die Dinge werden alt und verschleißen. Wind und Wetter nagen am Stein und machen aus verlassenen Häusern Schutthaufen; niemals wirken sie so zusammen, dass sich aus einem Schutthaufen schmucke Ziegelbauten erheben. Diese Eigenschaft der Natur können Physiker mit dem Begriff der Entropie mathematisch beschreiben, den man sich am besten als ein negatives Maß der Information oder Komplexität vorstellt. Abnehmende Ordnung in einem System entspricht zunehmender Entropie. Der zweite Hauptsatz besagt, dass in jedem geschlossenen System die Entropie stets zunimmt (oder bestenfalls gleich bleibt), während die Komplexität abnimmt." Gribbin, J. (1990:17).

"Der Entropiebegriff liefert die sauberste und beste Version des zweiten Hauptsatzes, aber nur für den mathematischen Physiker. Der deute Physiker Rudolf Clausius, ein Pionier auf dem Gebiet der Thermodynamik, fasste 1865 den ersten und zweiten Hauptsatz so zusammen. Die Energie der Welt ist konstant; die Entropie der Welt nimmt zu. Wieder in unserer Alltagssprache: Von nichts kommt nichts - und das geht noch nicht einmal kostendeckend. Dies trifft die Sache sehr gut, weil uns die Entropie und der zweite Hauptsatz in gewisser Weise etwas über die Verfügbarkeit nützlicher Energie in der Welt mitteilen.

"Wie Peter Atkins in seinem ausgezeichneten Buch The Second Law darlegt, kann es eine ‚Energiekrise‘ in dem Sinn, dass wir die vorhandene Energie verbrauchten, schwerlich geben, weil Energie stets erhalten bleibt. Wenn wir Öl oder Kohle verbrennen, verwandeln wir nur eine (nützliche) Form von Energie in eine andere (weniger brauchbare, weniger konzentrierte). Dabei erhöhen wir die Entropie (= Unordnung) des Universums und vermindern die Qualität der Energie. In Wirklichkeit haben wir es also mit einer Entropiekrise zu tun." (1990:17).

Was schließen Sie aus Ihrer Forschungsarbeit?

John Gribbin: "Beim gesamten Universum - das definitionsgemäß ein geschlossenes System sein muss - ist das folgendermaßen: Konzentrierte, ‚nützliche‘ Energie aus dem Inneren der Sterne wird nach außen abgegeben und in immer schwächerer Form im Raum verteilt, wo sie keinen Nutzen stiften kann.

"Bei hoher Temperatur besitzt Energie eine niedrige Entropie und kann für Arbeit nutzbar gemacht werden. Bei niedriger Temperatur ist die Energie von hoher Entropie (= geringer Unordnung, hoher Ordnung) und kann für Arbeit nutzbar gemacht werden. Bei niedriger Temperatur ist die Energie von hoher Entropie (großer Unordnung) und für Arbeit kaum noch zu verwenden. Das leuchtet unmittelbar ein, weil Energie von wärmeren zu kälteren Objekten fließt und weil sich ohne große Mühe ein Objekt finden lässt, dass kälter ist als beispielsweise die Oberfläche der Sonne. Folglich kann man dafür sorgen, dass Energie von der Sonne zum ausgesuchten Objekt fließt und dabei Arbeit verrichtet.

"Weit schwerer ist es dagegen, ein Objekt zu finden, das kälter ist als - sagen wir - ein Eiswürfel, um ihm Wärme zu entziehen und diese für Arbeit zu nutzen. Auf der Erde ist es sehr viel wahrscheinlicher, dass er Wärme aufnimmt. Im Weltraum läge die Situation etwas anders, denn dort ist es viel kälter als auf der Erdoberfläche. Ein Eiswürfel von 0°C enthielte noch immer etwas nützliche Energie, die ihm entzogen und für Arbeit verwendet werden könnte. Allerdings gibt es eine Grenze, den absoluten Nullpunkt: 0 K auf der Kelvinskala. Bei 0 K weist ein Objekt überhaupt keine Wärmeenergie mehr auf." - Gribbin, J. (1990:18, 19).

Ergebnis

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik widerlegt die Ansicht über das "zyklische Universum". Das Weltall hat einmal begonnen. Auch seine Energie ist damals entstanden. Der Schöpfer hat sie aus dem Nichts erschaffen. Alle materiellen Dinge - auch das Weltall - in einem geschlossenen System nutzen sich mit der Zeit ab und vergehen: gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Der Schöpfer lebt außerhalb der Zeit und des Raumes des Universums. Er kann (und wird) dieses Weltall erneuern, damit es für immer bestehen bleibt.