Kapitel 9: Kosmische Feineinstellung

Wie genau hat unser Weltall begonnen, als es vor 10-15 Milliarden Jahren entstand? Und wie genau arbeitet es?

Roger Penrose ist Professor für Mathematik an der Universität von Oxford, England. Er schreibt in seinem Buch The Emperor’s New Mind (Des Kaisers neuer Sinn), (1989:328) unter der Überschrift "Kosmologie und der Pfeil der Zeit":

"Je weiter es möglich geworden ist, rückwärts zu schauen, um so größer ist der Teil des Weltalls, den man erforschen konnte, und um so einförmiger erscheint das Universum. Die Schwarzkörper-Hintergrundstrahlung beweist das am besten. Sie sagt uns besonders: Als das Weltall nur eine Million Jahre alt war, sich über ein Gebiet von über rund 10²³ Kilometer ausgebreitet hat - eine Entfernung von uns, die etwa 10¹⁰ Galaxien umfassen würde - waren das Weltall und sein gesamter materieller Inhalt gleichförmig von einem Teil zu einhunderttausend (cf. Davies 1987). Das Universum war, trotz seines gewaltsamen Ursprungs, in seinen frühen Phasen wirklich sehr einförmig. ... Es war daher der ursprüngliche Feuerball, der dieses Gas so gleichförmig im Raum verteilt hat. Dorthin hat uns unsere Suche geführt."

Erklärt der Urknall den zweiten Hauptsatz?

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik zeigt uns, wie sich hochwertige Energie des Weltalls in minderwertige Energie verwandelt, während sie arbeitet. - Erklärt der Urknall den zweiten Hauptsatz?

Prof. Roger Penrose: "Kann man sich die rätselhafte Tatsache, dass die Entropie (= Unordnung) in unserem Weltall so niedrig begonnen hat - die Tatsache, die uns den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gegeben hat - dadurch ‚erklären‘, dass das Weltall mit einem Urknall begonnen hat? Wenn wir etwas darüber nachdenken, erkennen wir, dass sich diese Ansicht widerspricht. Das kann nicht die wirkliche Antwort sein. Erinnern wir uns daran, dass der ursprüngliche Feuerball ein Wärmezustand war - ein heißes Gas, das sich in einem Wärmegleichgewicht ausdehnte. Erinnern wir uns auch daran, dass sich der Ausdruck ‚Wärmegleichgewicht‘ auf den Zustand größter Entropie (= größter Unordnung) bezieht. ... Der zweite Hauptsatz verlangt aber, dass sich die Entropie des Weltalls in ihrem ursprünglichen Zustand in einem Minimum befand, nicht in einem Maximum! ...

"Es war eine Grenzwertbedingung mit niedriger Entropie am ‚Anfang der Zeit‘, die uns den zweiten Hauptsatz gab, gemäß dem die Entropie (= Unordnung) im Weltall mit der Zeit zunimmt. Wäre dieselbe Grenzwertbedingung auch am ‚Ende der Zeit‘ gültig, würde das zu einem großen Konflikt mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik führen." (1989:328, 329).

Singularitäten

Was geschah bei der Anfangs-Singularität? Und wie unterscheidet sie sich von der End-Singularität des großen Zusammenbruchs, falls es so etwas überhaupt gibt?

Prof. Roger Penrose: "Wenn wir in der Zeit zurückgehen, stoßen wir unweigerlich auf eine entsprechende ursprüngliche Raumzeit-Singularität, die jetzt den Urknall darstellt, in jedem sich entsprechend ausdehnenden Weltall. Statt schließlich alle Materie und Raumzeit zu vernichten, stellt die Singularität die Erschaffung der Raumzeit und der Materie dar. Es scheint hier, als gäbe es eine genaue zeitliche Symmetrie zwischen den beiden Arten von Singularitäten: die anfängliche Art, wodurch Raumzeit und Materie erschaffen wurden, und die letzte Art, durch die Raumzeit und Materie vernichtet werden."

"Wir sehen jetzt, dass ein in sich selbst zusammenstürzendes Universum keine kleine Entropie besitzen muss. Die ‚Niedrigkeit‘ der Entropie im Urknall - die uns den zweiten Hauptsatz gab - entstand daher nicht einfach deshalb, weil das Universum so ‚klein‘ war!" (1989:337, 339).

Wie genau, wie präzise ist unser Weltall entstanden, so dass es einen zweiten Hauptsatz der Thermodynamik geben konnte und einen Planeten mit Lebewesen?

Prof. Roger Penrose: "Versuchen Sie, sich den Phasenraum des ganzen Weltraums vorzustellen! Jeder Punkt in diesem Phasenraum stellt eine andere Möglichkeit dar, wie das Universum begonnen haben könnte. Stellen wir uns nun den Schöpfer vor, der mit einer ‚Nadel‘ ausgerüstet - die er nun irgendwo in diesen Phasenraum einstecken wird. Jede Stelle, an der die Nadel eingesteckt wird, erzeugt ein anderes Weltall. Die Genauigkeit, mit der der Schöpfer zielen muss, hängt von der Entropie (= Unordnung) des Weltalls ab, die dadurch dann entsteht. Es wäre recht ‚leicht‘, ein Universum zu erschaffen, das eine hohe Entropie aufweist, weil es dann einen großen Bereich dieses Phasenraumes gäbe, den die Nadel treffen könnte.

"Damit aber ein Weltall entstehen kann, das eine niedrige Entropie hat - damit es dann einen zweiten Hauptsatz der Thermodynamik geben kann - muss der Schöpfer auf einen viel kleineren Bereich des Phasenraumes zielen. Wie klein müsste dieser Bereich sein, damit ein Weltall entsteht, das demjenigen recht genau entspricht, in dem wir jetzt leben?

"Um ein Universum zu erzeugen, das dem ähnelt, in dem wir leben, müsste der Schöpfer dann auf einen unvorstellbar kleinen Bereich des Phasenraumes möglicher Weltalle zielen - auf den etwa 1/10¹²³ Teil des gesamten Rauminhalts. ... Dies zeigt uns nun, wie genau der Schöpfer zielen musste: nämlich mit einer Genauigkeit von

eins zu 10¹²³.

Das ist eine ungewöhnliche Zahl. In unserem gewöhnlichen Dezimalsystem könnte man sie nicht einmal ganz niederschreiben: Das wäre eine ‚1‘ mit 10¹²³ ‚0‘ dahinter! Selbst wenn wir eine ‚0‘ auf jedes einzelne Proton und auf jedes einzelne Neutron im ganzen Weltall schrieben - und wir könnten noch alle anderen Teilchen sicherheitshalber dazu nehmen - auch dann könnten wir diese Zahl immer noch nicht niederschreiben. Die Genauigkeit, die nötig war, um das Weltall entstehen zu lassen, ist überhaupt nicht geringer, als die ungewöhnliche Genauigkeit, an die wir uns schon gewöhnt haben: in Form der herrlich dynamischen Gleichungen (Newtons, Maxwells, Einsteins) welche das Verhalten der Dinge von einem Augenblick zum nächsten bestimmen." - Penrose, R. (1989:343, 344).

Paul Renteln ist Assistent-Professor für Physik an der California State University in San Bernadino. Er berichtet in American Scientist, Nov.-Dez. 1991, S. 524, 525, unter der Überschrift "Quantum Gravitation" über Elektronen und Quarks und Photonen und Gluonen und wie genau sie zusammenarbeiten:

"Einstein hat die kosmologische Konstante zwar aufgegeben; sie stellt aber für die Quantenmechanik immer noch ein Problem dar. Wie wir wissen, ist das Vakuum angefüllt mit der Erschaffung und Vernichtung virtueller Teilchen. Diese Vakuum-Schwankungen wirken bei der Nullpunkt-Energie des Vakuums mit und wirken daher als wirksame kosmologische Konstante. In den meisten Feldtheorien, wie in der Quanten-Elektrodynamik, ist der Untergrund neutral. Deshalb kann man das Vakuum dann so behandeln, als besäße es nur Energie und daher eine verschwindend kleine kosmologische Konstante.

"In der allgemeinen Relativität ist der Hintergrund jedoch dynamisch: Die Erschaffung und Vernichtung virtueller Teilchen krümmt sogar das umgebende Schwerefeld. Wenn wir die Gravitations-Wechselwirkungen zwischen den Teilchen berücksichtigen, kann man die Auswirkungen dieser virtuellen Schwankungen in den Materiefeldern nicht länger ignorieren. Schwankungen in den Materiefeldern (wie den Elektronen und Quarks) leisten einen negativen Beitrag zur kosmologischen Konstante, während die Träger der Kräfte (wie die Photonen und Gluonen) einen positiven Beitrag zur Konstante leisten.

"Unsere Beobachtungen des Weltalls deuten darauf hin, dass die positiven und negativen Beiträge sich gegenseitig aufheben, und zwar um mehr als eins zu 10¹²⁰! Wenn die Teilchen nicht solch einen fast gleichen Beitrag zur Konstante leisteten, würde unser Weltall entweder in sich selbst zusammenstürzen oder sich fast mit Lichtgeschwindigkeit ausdehnen. Da es keine physikalischen Naturgesetze gibt, die uns erklären, warum sich die positiven und negativen Beiträge so genau aufheben, stellt die kleine Größe der kosmologischen Konstanten ein Problem dar." - Renteln, P. (1991:524, 525).

Kosmologische Konstante: Warum so genau?

Warum gibt es eine kosmologische Konstante? Warum ist sie so genau? - Bis jetzt haben wir herausgefunden: Das Weltall ist mit einer Genauigkeit von 1:10¹²³ entstanden. Die subatomaren Teilchen und wechselwirkenden Kräfte arbeiten mit einer Genauigkeit von mehr als eins zu 10¹²⁰ zusammen. - Warum? - Wie genau arbeitet die sich ausdehnende kosmische Kraft mit der sich zusammenziehenden kosmischen Kraft (mit der Schwerkraft) zusammen, damit das Weltall nicht in sich selbst zusammenstürzt und auch nicht auseinander fliegt? Was steckt wirklich dahinter? Genügt es, da einfach zu sagen: "Die kleine Größe der kosmologischen Konstanten stellt ein Problem dar."?

John Gribbin erklärt dazu: "Das Weltall befindet sich tatsächlich im unwahrscheinlichsten Zustand, den es gibt: in völliger Flachheit. Deshalb muss es in einem noch flacheren Zustand geboren worden sein, wie Dicke und Peebles im Jahre 1979 betonten, zwei der Astronomen (der Universität) von Princeton, die mit der Entdeckung der 3 K-Hintergrundstrahlung zu tun hatten.

"Es ist unwahrscheinlicher, das Weltall auch nur in einem annähernden Zustand der Flachheit anzutreffen, als einen perfekt gespitzten Bleistift zu finden, der sich Millionen Jahre lang auf seiner Spitze im Gleichgewicht gehalten hat, wie Dicke und Peebles sagten. Jede Abweichung des Weltalls von der Flachheit im Urknall hätte zugenommen und hätte deutlich zugenommen, während sich das Weltall ausdehnte und alterte. Wie der Bleistift, der sich auf seiner Spitze im Gleichgewicht hält und den man auch nur ein wenig anstößt, so würde sich auch das Weltall bald von der völligen Flachheit entfernen.

"Wenn die Dichte des Weltalls jetzt ein Zehntel des benötigten Betrages ist, damit es sich schließt (eine Zahl, bei der die meisten Astronomen zustimmen würden, dass sie, aufgrund der sichtbaren Galaxien, eine gute Richtlinie ist), dann muss eine Sekunde nach der Schöpfung die Dichte des Weltalls dem kritischen Wert von eins zu 10¹⁵ entsprochen haben. Und wenn wir noch weiter in der Zeit zurückgehen, kurz nach der GUT-Ära, mit ihren 10¹⁴ GeV und 10^-35 Sekunden, dann läge die Dichte nur noch bei eins zu 10⁴⁹ unter ihrem kritischen Wert. Das kann kein Zufall sein und beweist, dass die Gesetze der Physik das Weltall irgendwie dazu zwingen, dass es im Urknall in einem Zustand äußerster Flachheit geboren wird." - Gribbin, J. (1986:348).

Der Physiker Michael B. Green ist Fachmann für Superfäden (superstrings). Er schreibt in Scientific American, Bd. 255, Sept. 1986 S. 56 und fragt: "Warum ist die kosmologische Konstante so klein? Diese Konstante beschreibt den Anteil der Krümmung des Universums, der nicht durch die Masse bedingt ist. Ihr experimenteller Wert ist Null mit einer Genauigkeit von 10^-120; damit ist die Bestimmung der kosmologischen Konstanten die genaueste Messung überhaupt. Wenn die Superstring-Theorie diesen Wert erklären könnte, so wäre das ein überzeugender Test der Theorie."

10¹²⁰ wovon?

Das Weltall ist mit einer Genauigkeit von 1: 10¹²³ entstanden. Die subatomaren Teilchen und wechselwirkenden Kräfte - die Quarks und Elektronen, Photonen und Gluonen - arbeiten mit einer Genauigkeit von mehr als eins zu 10¹²⁰ zusammen. Und die sich ausdehnenden und zusammenziehenden Kräfte des Weltalls sind mit einer Genauigkeit von mehr als 1:10¹²⁰ aufeinander abgestimmt. - Doch mit 1:10¹²⁰ wovon?

John Barrow ist Professor für Astronomie an der Universität von Sussex, England. Er berichtet in seinem Buch Theories of Everything (Theorien von Allem), (1991:104, 105): "Wie ist das mit der kosmologischen Konstanten heute? Wir wissen von den Auswirkungen, die sie auf die Expansions-Raten entfernter Galaxien ausübt, dass, wenn es sie gibt, ihr numerischer Wert unendlich klein sein muss, weniger als 10^-55 je cm². Diese Einheiten sind nicht sehr anschaulich. Man kann das besser verstehen, wenn man ihre Größe mit der grundlegenden Länge aus der Welt der Elementarteilchen und der Schwerkraft vergleicht. Diese ‚Planck-Länge‘ ist die einzige Größe mit den Dimensionen einer Länge, die man aus den drei fundamentalsten Konstanten der Natur bildet: der Lichtgeschwindigkeit c, der Planck-Konstanten h, und Newtons Gravitations-Konstante G.

= 4 x 10^-33 cm.

Dieses winzige Maß umfasst die Merkmale der Welt, die gleichzeitig relativistisch (c) ist, quanten-mechanisch (h), und gravitional (G). Es ist eine Normallänge, die nichts mit dem zu tun hat, was der Mensch erschaffen hat, und auch nicht einmal mit den chemischen und nuklearen Kräften der Natur. In dieser Maßeinheit umfasst das gesamte sichtbare Weltall dann etwa 10⁶⁰ Planck-Längen, doch die kosmologische Konstante muss kürzer als 10^-118 sein, wenn wir sie mit diesen Planckschen Längen-Einheiten messen, statt in Zentimetern.

"Was wir hier anscheinend benötigen, ist entweder ein ‚Einsetzen und Vergessen‘-Prinzip, das die kosmologische Konstante von Anfang an so klein festsetzt, damit sie so klein bleibt, oder irgendeinen neuen Grundsatz, der dafür sorgt, dass die kosmologische Konstante so winzig klein bleiben muss, während sich das Universum so weit ausgedehnt hat, wie es heute ist, mit seinen Ausmaßen von fünfzehn Milliarden Lichtjahren." - Barrow, J. (1991:105).

Jetzt wissen wir also, worum es geht, wenn es heißt: "weniger als 1 : 10^-118" und "weniger als eins zu 10¹²⁰" und "1 : 10¹²³": Es ist die Genauigkeit der kosmologischen Konstanten, wenn man sie mit der Planckschen Länge von 4 x 10^-33 cm vergleicht. Wenn man sie mit der Größe eines Quadratzentimeters vergleicht, ist sie 10^-55 je cm². - Warum gibt es eine kosmologische Konstante? Und warum ist sie so genau?

David Gross ist Professor für Physik an der Princeton Universität. Er sagt über "Das Problem der kosmologischen Konstanten": "Die Gravitation ist jedoch eine Kraft, die direkt mit der Energie gekoppelt ist. Man spricht zwar häufiger davon, dass die Gravitation mit der Masse verknüpft ist, aber wie wir von Einstein gelernt haben, ist Masse ihrem Wesen nach nichts anderes als Energie. Da die Gravitation direkt mit Energie verknüpft ist, ‚weiß‘ sie sozusagen, wie viel Energie ein bestimmtes Objekt enthält, und das gilt auch für das Universum als Ganzes: Auch das Universum hat eine bestimmte Energiedichte." (1989:172).

Sogar der leere Raum?

Prof. David Gross: "Sogar der leere Raum. Man kann die Energiedichte des leeren Raumes messen, weil das Universum sich unter dem Einfluss der Gravitation stärker zusammenzieht, je höher die Energiedichte ist. Man kann daher die Hintergrund-Energiedichte des Universums bestimmen, indem man seine globale Struktur ermittelt. Diese Messungen hat man gemacht. Man hat dabei allerdings nur einen oberen Grenzwert, denn der genaue Wert scheint sehr nahe bei Null zu liegen.

"Tatsächlich handelt es sich bei diesen Messungen um die genauesten Bestimmungen einer ‚Nullgröße‘, die man jemals vornehmen konnte: Die Genauigkeit beträgt 1:10¹²⁰ in Einheiten der Planck-Masse, der natürlichen Massen- bzw. Energieskala der Gravitation."

"Nehmen wir z. B. einmal an, Sie würden an einer modernen physikalischen Theorie arbeiten, die die Gravitation mit einschließt, und jemand würde Sie fragen, wie hoch Sie - ohne die Beobachtungsergebnisse zu kennen - nach Ihrer Theorie die Hintergrund-Energiedichte des Universums schätzen, dann würde Ihr Schätzwert 10¹²⁰mal größer ausfallen als die Obergrenze, die sich aus den Beobachtungen ergibt. Die Beobachtungen liefern derart kleine Werte, dass jeder glaubt, dass der wirkliche Wert Null ist. Dabei gibt es nach der Theorie überhaupt keinen Grund dafür! Der Wert sollte eigentlich viel größer sein.

"Aber damit nicht genug: Selbst dann, wenn man die Theorie so manipuliert, dass sich als Energiedichte genau Null ergibt - eine Zumutung für einen Physiker, es geht dabei ja um eine Genauigkeit von 120 Dezimalstellen! - und hinterher feststellt, dass man bei seiner Berechnung einen kleinen quantenmechanischen Effekt übersehen hat, würde dies bereits zu einer Kosmologischen Konstanten von messbarer Größe führen. Seit ihrer Einführung durch Einstein ist der kleine Wert der Kosmologischen Konstanten ein Rätsel geblieben. Er hat sich immer wieder als Null, Null und nochmals Null herausgestellt, ohne dass irgend jemand weiß, warum." - Gross, D. (1989:172).

Kosmische Information

Unser Weltall ist vor etwa 10-15 Milliarden Jahren entstanden: mit einer Genauigkeit von 1:10¹²³, wie Prof. Roger Penrose (1989:344) berichtet. Das ist eine "1" mit 123 Nullen. - Wie genau arbeitet unser Weltall heute? - Elektronen und Quarks und Photonen und Gluonen heben sich in ihrer Wirkung gegenseitig auf: mit einer Genauigkeit von mehr als 1:10¹²⁰! (Renteln, P. 1991:524, 525). - Die Kosmologische Konstante muss viel weniger als 10^-118 sein, wenn man sie mit der Planck-Länge vergleicht, sagt Prof. John Barrow (1991:105). Man hat hier aber nur den oberen Grenzwert, denn der genaue Wert muss sehr dicht bei Null liegen. Seine Genauigkeit ist 1:10¹²⁰ im Vergleich zur Planck-Masse, der natürlichen Massen- oder Energie-Skala der Schwerkraft. Wir haben es hier mit einer Genauigkeit von 120 Dezimalstellen zu tun! Ihr genauer Wert muss bei Null liegen. Aber niemand weiß, warum. Gross, D. (1989:172).

Deshalb arbeitet das Universum auch heute noch mit einer Genauigkeit von mindestens 1:10¹²⁰, im Vergleich zur Planck-Länge und Planck-Masse. – Wie viel Information entspricht diese Genauigkeit?

1:10¹²³ ist eine "1" mit 123 Nullen hinter dem Komma. Deshalb sind das 10¹²³ Ja/Nein-Entscheidungen oder 10¹²³ Bits an Information. Und zwar diejenige Information, die in der Genauigkeit enthalten ist, mit der unser Weltall am Anfang entstanden ist.

Das Universum arbeitet jetzt mit einer Genauigkeit von mehr als 1:10¹²⁰. In Wirklichkeit arbeitet es ganz genau, ohne einen Fehler. – Wie viel Information stellt diese Genauigkeit dar, mit der das Weltall begonnen hat? - Auch das sind 10¹²⁰ Ja/Nein-Entscheidungen, 10¹²⁰bits. In Wirklichkeit arbeitet das Weltall noch genauer, ohne Abweichung. Deshalb enthält die Information, die in dieser Genauigkeit enthalten ist, mehr als 10¹²⁰ Bits. – Wie viel Information ist das?

Das können wir uns besser vorstellen, wenn wir diese Zahl mit der Information vergleichen, die in allen Büchern enthalten ist, die der Mensch bis jetzt geschrieben hat. Das Gesamtwissen der Menschheit, jetzt in Büchern niedergeschrieben, ist 10¹⁸ Bits (Gitt, W. 1986:68). - Wenn wir 10¹²³ durch 10¹⁸ teilen, erhalten wir 10¹⁰⁵. Das heißt: Die Information, die in der Genauigkeit enthalten ist, mit der unser Weltall begonnen hat und jetzt arbeitet, ist 10¹⁰⁵mal größer, als das gesamte Wissen, das der Mensch bis jetzt in Büchern niedergeschrieben hat. - Alles in der Physik hat eine Ursache. Wer hat dann diese Information von mindestens 10¹²³ Bits erzeugt, mit der unser Weltall entstanden ist und mit der es bis heute arbeitet? Ein ernsthafter Physiker sollte auch diese Frage beantworten können. Man kann sie nicht mehr umgehen.