Kapitel 1: Kosmologische Konstante, konstant?

John D. Barrow ist der neue Professor für mathematische Wissenschaften bei der Abteilung Angewandter Mathematik und Theoretischer Physik. Und er ist Direktor des Millennium-Mathematik-Projektes an der Universität von Cambridge, Vereinigtes Königreich. Er sagt in der wissenschaftlichen Zeitschrift New Scientist, 24 Juli 1999, S. 29-32, unter der Überschrift, "Ist nichts mehr heilig?":

"Im Jahr 1905 hat Albert Einstein seine besondere Relativitätstheorie der Welt enthüllt. Seitdem hat die Lichtgeschwindigkeit einen besonderen Status im Sinn der Physiker gehabt. In einem Vakuum wandert das Licht mit 299 792 458 Metern je Sekunde, unabhängig von der Geschwindigkeit seiner Quelle. Es gibt keinen schnelleren Weg, um Information zu übersenden. Es ist die kosmische Geschwindigkeitsgrenze. Unser Vertrauen in seine Beständigkeit zeigt sich in der entscheidenden Rolle, die sie in unseren Standardmessungen spielt. Wir können die Lichtgeschwindigkeit so genau messen, dass das Standardlängenmaß nicht mehr ein heiliger Meterstab ist, den man in Paris aufbewahrt. Sondern es ist die Entfernung, die das Licht in einem Vakuum in einem 299 792 458stel einer Sekunde zurücklegt.

"Kosmologen haben ein halbes Jahrhundert gebraucht, um völlig zu verstehen, warum eine begrenzte Lichtgeschwindigkeit kosmologisch wichtig ist. Sie teilt das Universum in zwei Teile ein: den sichtbaren und den unsichtbaren. Uns umgibt ständig ein kugelförmiger 'Horizont'. Er beruht auf der Entfernung, die das Licht zurückgelegt hat, seit das Universum anfing. Im Laufe der Zeit dehnt sich dieser Horizont aus. Heute ist er etwa fünfzehn Milliarden Lichtjahre entfernt.

"Dieser Horizont bereitet den Kosmologen viele Probleme. Weil kein Signal schneller wandern kann als das Licht. Deshalb konnte das Licht in dieser Zeit nur innerhalb des Horizontes an verschiedenen Stellen einen bestimmten Grad an Gleichförmigkeit schaffen, in der Dichte und Temperatur. Aber das Universum scheint koordinierter zu sein, als es eigentlich sein dürfte. Auch in anderer Hinsicht scheint das Universum besondere Merkmale angenommen zu haben, ohne ersichtlichen Grund. Im Laufe den Jahren haben Kosmologen viele verschiedene Erklärungen für diese Merkmale vorgeschlagen - doch alle haben ihre bestimmten Schwierigkeiten. Im vergangenen Jahr ist aber eine neue Erklärung erschienen. Man braucht dabei nur eine heilige Regel zu brechen - die Regel, die besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit unveränderlich ist. Und alles andere mag dann an die richtige Stelle fallen.

"Das erste Problem, das die Kosmologen erklären müssen, hat damit zu tun, wie sich der kosmologische Horizont ausdehnt, während sich das Universum ausdehnt. Stellen Sie sich einen Teil des Weltraums vor, der heute bis zum Horizont reicht. Kehren Sie die Ausdehnung des Universums um, lassen Sie sie rückwärts laufen, damit die Entfernungen zwischen den Gegenständen kleiner werden, zusammengedrückt werden. Dabei werden Sie dann feststellen, dass früher, zur Zeit T, nach dem Urknall, dieser Teil des Weltraumes jenseits des Horizontes liegt, der dann existierte. Mit anderen Worten, zur Zeit T hätte es nicht genug Zeit gegeben, damit das Licht von dem einen Rand der Sphäre, der von unserem heutigen Horizont begrenzt wird, zur gegenüberliegenden Seite zu wandern.

"Deshalb gab es damals auch keine Zeit, um die Unregelmäßigkeiten der Temperatur und der Dichte zwischen diesen beiden Teilen des Weltraumes an den gegenüberliegenden Stellen unseres heutigen Horizontes zu glätten. Sie hätten eigentlich unkoordiniert und unregelmäßig bleiben müssen. Aber wir sehen etwas anderes. Im größten kosmischen Maßstab unterscheiden sich die Temperatur und der Dichte im Universum um nicht mehr, als einige Teile zu ein hunderttausend. Warum? Dies ist das Horizontproblem.

"Ein weiteres kosmologisches Problem entsteht, weil Masse und Energie in unserem Universum dicht an der kritischen Grenze verteilt zu sein scheinen. Es trennt Universen, die sich ewig auszudehnen müssen, von denen, die schließlich zurück im 'Big Crunch' in sich zusammenbrechen werden. Dies ist problematisch, weil in einem Universum, das nur die Formen von Materie und Strahlung enthält, die wir jetzt kennen, dann irgendeine Abweichung von der kritischen Trennlinie größer und größer wächst, während die Zeit vergeht. Unser Universum hat sich anscheinend beinahe 15 Milliarden Jahre lang ausgedehnt. Während dieser Zeit hat es sich mindestens um das 10³²fache vergrößert. Es kann nur so dicht an der kritischen Trennlinie bis heute geblieben sein, wenn das Universum unglaublich dicht an dieser Verteilung von Masse und Energie gewesen ist, als es anfing, sich auszudehnen. Für diesen anfänglichen Zustand gibt es keine bekannte Rechtfertigung. Dies ist das Flachheits-Problem, weil in diesem kritisch Zustand, wenn sich der Weltraum ausdehnt, die Geometrie des Weltraums dann flach sein muss, statt gekrümmt.

"Das dritte bedeutende Problem mit der Ausdehnung des Universums ist, dass Einsteins Gravitationstheorie - die allgemeine Relativität - es der Schwerkraft erlaubt, zwei Bestandteile zu haben. Die bekanntere ist nur eine Verfeinerung von Newtons berühmten umgekehrt-quadratischen Schwerkraftgesetzen. Der andere Bestandteil benimmt sich ganz anders. Wenn er existiert, vergrößert er sich um so mehr, je weiter zwei Gegenstände voneinander entfernt sind. Einstein hat mit dem griechischen Symbol Lambda die Stärke dieser Kraft in seiner Theorie angedeutet. Seine Gravitationstheorie sagt uns leider nicht, wie stark diese weittragende Kraft sein sollte, und ob sie die Massen auseinander schieben oder zusammenziehen sollte.

"Teilchenphysiker sind seit vielen Jahren davon überzeugt, dass dieser extra Bestandteil der Gravitationskraft natürlich als Wirkung eines Quantenrückstandes im frühen Universum erscheinen sollte. Und er sollte Newtons Gesetz der Schwerkraft entgegengesetzt sein: er sollte bewirken, dass sich alle Massen von einander abstoßen. Leider sagen sie uns auch, dass er etwa 10¹²⁰ Male größer sein sollte, als astronomische Beobachtungen das erlauben. Dies bezeichnet man als das Lambda-Problem.

Sich schnell ausdehnen

"Seit 1981 ist die populärste Lösung der Flachheit- und Horizontprobleme ein Phänomen gewesen, das man als Inflation bezeichnet. Es soll sehr bald nach dem Urknall geschehen sein. Es beschleunigte die Ausdehnung des Universums dramatisch in sehr kurzer Zeit. Dadurch konnte sich der Teil des Universums, den wir heute innerhalb unseres Horizontes sehen können, von einem viel kleineren Gebiet her ausdehnen, als wenn es keine Inflation gegeben hätte. So könnte es klein genug gewesen sein, um Lichtsignale an verschiedenen Stellen zu glätten. Außerdem hätte sie am Ende dieser Beschleunigung bewirkt, dass die Ausdehnung dicht an der kritischen Trennlinie der Flachheit getrieben wurde. Wenn man eine gekrümmte Oberfläche sehr groß macht, bewirkt dies, dass irgendwelche örtlichen Krümmungen weniger auffallen. Wir merken auch die gekrümmte Oberfläche der Erde nicht, wenn wir dicht davor stehen.

"Warum sollte sich das Universum plötzlich so ausgedehnt haben? Eine Möglichkeit wäre, dass es im frühen Universum bei sehr hohen Temperaturen, seltsame, unbekannte Formen der Materie gegeben hat. Diese könnte bewirken, dass sich die übliche anziehende Kraft der Schwerkraft in eine abstoßende Kraft verwandelte. Und sie könnte bewirken, dass sich das Universum kurz ausdehnt, bevor es in gewöhnliche Strahlung und Teilchen verfiel, während das Universum seinen bekannten Zustand erreichte, bei dem es sich immer langsamer ausdehnt.

"Diese Inflationstheorie scheint zwar recht einleuchtend zu sein. Doch sie kann das Lambda-Problem nicht lösen. Sie muss auch mit einigen neuen Geschwindigkeiten zusammenpassen, mit denen sich entfernte Supernovas von uns entfernen. Sie deuten an, dass die Lambda-Kraft heute die Ausdehnung des Universums beeinflusst, ('Das fünfte Element', New Scientist, 3. April 1999). Die Dichte der Materie könnte nur 10 Prozent des kritischen Wertes betragen. Aber der Einfluss der Lambda-Kraft bedeutet, dass die Geometrie des Weltraums immer noch dicht an der Flachheit liegt." - J. D. Barrow (1999:29-30):

"Was sind die kosmologischen Folgen, wenn sich die Geschwindigkeit des Lichtes im frühen Leben des Universums veränderte? Dies könnte entweder plötzlich geschehen, wie Albrecht, Magueijo und Moffat zuerst vorgeschlagen haben, oder ständig, und zwar so schnell, wie sich das Universum ausdehnt, wie ich das in einem nachfolgenden Papier vorgeschlagen habe.

"Die Idee kann man recht einfach aussprechen, aber es ist nicht leicht, sie in einer strengen Theorie zu formulieren. Weil die Beständigkeit der Lichtgeschwindigkeit mit dem Stoff der Physik auf so viele Weisen verwoben sind. ... Wenn sich das Licht zuerst viel schneller bewegt hat, als heute, und wenn es sich dann in der frühen Geschichte des Universums schnell genug verlangsamt hat, dann kann man alle drei kosmologischen Probleme - die Horizont-, Flachheit- und Lambda-Probleme - auf einmal lösen. Maguijo und ich haben außerdem herausgefunden, dass es auch ein Gebiet gibt, in dem sich das Licht verlangsamt. Dadurch kann man auch die Quasi-Flachheit- und Quasi-Lambda Probleme lösen.

"Wie kann nun eine höhere Lichtgeschwindigkeit in der entfernten Vergangenheit helfen, das Horizontproblem zu lösen? Erinnern Sie sich bitte daran, dass das Problem entsteht, weil Gebiete des Universums, die jetzt innerhalb unseres Horizontes liegen, ähnliche, koordinierte Temperaturen und Dichten zu haben scheinen, obwohl das Licht keine Zeit hatte, um damals zwischen ihnen zu reisen, als diese Merkmale festgelegt wurden. Wenn sich das Licht damals schneller bewegt hat, dann hätte das Licht in der gleichen Zeit eine größere Entfernung zurücklegen können. Wenn es sich viel schneller bewegt hätte als heute, dann hätten Lichtsignale ein Gebiet durchqueren können, das größer ist, als das, dass sich ausdehnen würde, um unseren heutigen Horizont zu füllen.

"Bei dem Flachheitsproblem müssen wir erklären, warum die Energiedichte im Universum bei der kritischen Trennlinie geblieben ist, bei der ein flacher, Euclidischer Weltraum entsteht, obwohl seine Ausdehnung es immer weiter von dieser Trennlinie weggeschoben hätte. Und beim Lambda-Problem müssen wir erklären, warum die Lambda-Kraft so klein ist, - statt des riesigen Wertes, den die Teilchenphysiker errechnet haben.

"Der Kernpunkt hier ist: Die Größe der Ausdehnungskraft, die das Universum von der kritischen Trennlinie weg drängt, und die Größe der Lambda-Kraft, werden beide zum Teil von der Lichtgeschwindigkeit bestimmt. Deren Größe entspricht dem Quadrat der Lichtgeschwindigkeit. Wenn diese Werte schnell genug sinken, im Vergleich mit der Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, dann werden diese Kräfte schließlich unwesentlich. Die Lambda-Kraft ist schwerer zu überwinden, als der Antrieb, der von der Flachheit wegführt. Deshalb muss sich die Lichtgeschwindigkeit etwas schneller verlangsamen, um die Flachheit-, Horizont- und Lambda-Probleme zu lösen, als nötig ist, um nur die Flachheit- und Horizont-Probleme zu lösen.

"Merkwürdigerweise kann man das Quasi-Flachheitsproblem lösen, wenn sich die Lichtgeschwindigkeit etwas langsamer verringert: Es führt zu einem Universum, in dem die Kräfte, die das Universum von einem kritischen Zustand wegführen, schließlich gleich bleiben, keine überholt dann die andere. Ebenso kann eine geeignete Größe in der Änderung der Lichtgeschwindigkeit dazu führen, dass sich das Universum richtig ausdehnt. Dabei passt sich die Lambda-Kraft dem Schwerkrafteinfluss der Materie an.

Ein Vorteil, den die veränderliche Lichtgeschwindigkeit-Hypothese über die Inflation hat, besteht darin, dass man dabei keine unbekannten Formen der Materie braucht, die abstoßend wirken. Sie funktioniert bei Formen der Materie und Strahlung, die man heute im Universum kennt. Noch ein Vorteil ist, dass sie eine mögliche Erklärung für das Lambda-Problem anbietet. Das muss die Inflation noch lösen.

"Mit den neuen Fernrohren kann man jetzt physikalische Konstanten viel genauer messen, als das bei Experimenten im Laboratorium möglich gewesen ist. ... Eine Änderung in der Geschwindigkeit des Lichtes im frühen Universum hat es vielleicht in einen Zustand gebracht, wo es dicht bei der Glätte und Flachheit lag, die wir heute sehen. Das sollte uns veranlassen, die Konstanz der Naturkonstanten näher zu betrachten. Winzige Variationen in ihren Werten geben uns vielleicht ein Fenster, das wir suchen, durch das wir dann die nächste Stufe der physikalischen Wirklichkeit sehen können." - J. D. Barrow (1999:32).

Anmerkung: Auch wenn sich die Geschwindigkeit des Lichtes plötzlich oder langsam veränderte, zum Beispiel, wenn es doppelt so schnell wäre wie heute, würde das trotzdem nicht funktionieren. Wenn unser Universum etwa 15 Milliarde Lichtjahre alt ist, hat es einen Radius von 15 Milliarden Lichtjahren. Das bedeutet: Ein Signal, das mit Lichtgeschwindigkeit vom Zentrum des sichtbaren Universums zu seinem kosmischen Horizont gesandt wird, bräuchte heute 15 Milliarden Lichtjahre, um dort anzukommen. Wenn sich die Information mit der doppelten Lichtgeschwindigkeit bewegt, würde es immer noch 7,5 Milliarden Lichtjahre brauchen, um den kosmischen Horizont zu erreichen. Das ist viel zu langsam. Auch wenn man Information mit doppelter Lichtgeschwindigkeit übersendet, kann man die räumliche und zeitliche Ordnung des Universums nicht erschaffen und erhalten.

Das ist etwa so wie bei einem Feuerwehrmann, der in seinem Büro sitzt, der erst einen Monat später erfährt, dass irgendwo in der Stadt ein Feuer ausgebrochen ist.

Das Elektron auf unserer Erde, zum Beispiel, ist genauso groß und so schwer, wie das Elektron, das 12 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt, am kosmischen Horizont unseres Universums lebt. Es ist genau so groß und so schwer. Und es genau enthält die gleiche Menge physikalische Information und Mathematik (kosmische Software). So ist das auch beim Proton, dem Neutron, und den vielen anderen Teilchen.

Die physikalische Konstante enthält Information und höchste Mathematik. Diese kosmisch Information und Mathematik existiert unabhängig vom Menschen. Er hat das nur gefunden und etwas verstanden. Er hat das nicht gemacht. Information und Mathematik entstammen immer einer geistigen, nicht-materiellen Quelle. Sie kommen von einer intelligenten Person, dem Schöpfer.

Fundamentale Konstanten der Physik: konstant?

Die fundamentalen Konstanten der Physik: Sind sie konstant? Oder haben sie sich mit Zeit verändert?

Der Physiker Stratis Karamanolis schreibt in seinem Buch Rätsel der Materie: "Man hat oft angenommen, dass auch die fundamentalen Konstanten, nur einige oder sie alle, sich mit der Zeit verändert haben. Deshalb hat man früher angenommen, dass die elementare Ladung, das heißt, die elektrische Ladung, mit der Zeit zugenommen hat. Ähnliche Ideen hat man über die Gravitationskonstante G geäußert... Solche Hypothesen hat man wieder aufgegeben, weil man die sich daraus ergebenden, weitreichende Folgen nicht bestätigen konnte. Natürliche Phänomene, wie Elektrizität oder Magnetismus, sind in der Form von Merkmalen innerhalb der Materie enthalten. Wie die Naturgesetze, muss man auch die Fundamentalkonstanten und die Naturkräfte als gegeben betrachten." (1988:84, 100).

"Materie, und daher auch Teilchen, sind, wie wir gesehen haben, verdichtete elektromagnetische Felder... Schwerere Teilchen, wie Photonen, die Neutronen und so weiter sind Verdichtungen des elektromagnetischen Feldes. Sie sind dichter, als die der leichteren Teilchen, wie Elektronen. ... Die Materie besteht aus Energieknoten. Sie erzeugen eine bestimmte Nichthomogenität innerhalb des ursprünglich homogenen elektromagnetischen Feldes. Ohne irgendwelche Materie wäre das Universum, das mit Photonen gefüllt ist, solch ein homogenes elektromagnetisches Feld..."

Elektromagnetisches Feld

Wir haben herausgefunden, als wir das Schwerkraftfeld betrachteten, dass jedes Masseteilchen im Universum mit jedem anderen Teilchen durch sein Schwerkraftfeld verbunden ist, wenigstens ein bisschen. Deshalb ist das ganze kugelförmige Universum ein einziges Gravitationsfeld. Und es hat auch seinen Schwerkraftpunkt. Jedes Teilchen im Universum gibt auch elektromagnetische Strahlung ab und nimmt sie auf. Mit anderen Worten: Jedes Masseteilchen im Universum hat auch sein eigenes elektromagnetisches Feld. Und jedes dieser elektromagnetischen Felder hat eine unendliche Reichweite. Sie können das ganze Universum durchwandern. Zu dieser elektromagnetischen Strahlung, die von jedem Materieteilchen im Universum abgesandt wird, müssen wir noch die Photonen der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, mit ihrer 2.7-K-Strahlung, hinzufügen. Es gibt etwa 400 dieser urzeitlichen Photonen in jedem Kubikzentimeter kosmischen Weltraumes. So ist das ganze Universum auch ein riesiges elektromagnetisches Feld.

Das bedeutet: Innerhalb jedes Kubikzentimeters "leeren" Weltraumes (soweit wir wissen), gibt es etwa 400 urzeitliche Photonen der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung. Und innerhalb dieses Ozeans kosmischen Weltraumes, in einer Kugel, mit einem Durchmesser von 24 Milliarden Lichtjahren, schwimmen die Galaxien mit ihren Sternen und Planeten.

Wie schnell wird Information im Weltall übersandt? - Der Physiker wird antworten: Information kann sich nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Nichts im Universum kann sich schneller bewegen, als mit Lichtgeschwindigkeit, mit etwa 300.000 km in der Sekunde. Das ist eine der Grundlehren der modernen Physik. Die Gravitation, die die Gravitationskraft trägt, bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit. Das Photon, das die elektromagnetische Kraft trägt, bewegt sich auch im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit. Nichts kann sich schneller bewegen. Kein ernsthafter Physiker würde es wagen, das zu zweifeln. Wenigstens nicht alle. Einige haben auch darüber nachgedacht.

Schneller als Licht

Der Physiker John Gribbin berichtet in der Zeitschrift New Scientist vom 26. Februar 1994 auf der Seite 16 unter der Überschrift "Atomare Telepathie ist schneller als Licht": "In den vergangenen Jahrzehnten haben Physiker Experimente durchgeführt. Sie zeigen, dass unter besonderen Umstände subatomare Teilchen unverzüglich mit einander kommunizieren können. Dieses Ergebnis konnten sie nur schwer verdauen. Aber jetzt stehen sie noch vor einem weiteren Puzzle. Ein deutscher Wissenschaftler hat nämlich gezeigt, dass theoretisch irgendein Paar Atome schneller mit einander kommunizieren kann, als mit Lichtgeschwindigkeit.

"Die Möglichkeit, sofortige Kommunikation zu entdecken, bekannt als ‘nicht-örtliche' Wechselwirkung, hat schon in den 1960er Jahren John Bell von CERN, dem europäischen Laboratorium für Teilchenphysik, erwogen. Alain Aspect in Paris hat diese Wirkung schließlich in den 1980er Jahren beobachtet. Er bewies, dass zwei Photonen, die in entgegengesetzte Richtungen von einem Atom ausgestoßen werden, miteinander verstrickt bleiben', als ob sie ein Teilchen wären. Wenn man den Zustand des einen Photons misst, beeinflusst dies sofort den Zustand des andern, ganz gleich, wo es sich im Weltraum befinden mag. Jetzt scheint es, dass sogar Atome, die noch nie miteinander in Kontakt gekommen sind, (vom Gesichtspunkt der klassischen Newtonschen Physik), auf eine ähnliche Weise miteinander verstrickt sind.

"Gerhard Hegerfeldt von der Universität Göttingen hat dies entdeckt, als er einen Fehler korrigierte, den Enrico Fermi im Jahre 1932 gemacht hatte. Bei der Kalkulation, die Fermi in den frühen Tagen der Quantenmechanik ausführte, ging es darum, wie ein Atom auf Strahlung antwortet, die von einem anderen Atom der gleichen Art aus gewisser Entfernung ausgesandt wird. Wenn das erste Atom erregt ist, wird es früher oder später Strahlung aussenden und in seinen Grundzustand zurückfallen. Diese Strahlung hat dann genau die richtige Frequenz, um das zweite Atom zu erregen (dies ist eines der Prinzipien des Lasers).

"Der gesunde Menschenverstand sagt uns, dass das erste Atom nicht erregt werden kann, bis dort Strahlung, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, soviel Zeit gehabt hat, dass es diese Strecke überqueren konnte. Dies ist tatsächlich das Ergebnis, das Fermi fand, als er die Kalkulation ausführte. Aber jetzt stellt sich heraus, dass der große Mann einen Fehler gemacht hat.

"Hegerfeldts korrekte Version der Kalkulation zeigt uns jetzt, dass eine kleine Möglichkeit besteht, dass sich das erste Atom erregt, und zwar in dem Augenblick, in dem das zweite Atom verfällt... Jetzt müssen die Experten erklären, was dieses mathematische Ergebnis bedeutet. Die beste Auslegung des Beweises scheint bis jetzt zu sein, dass wir keinen Gegenstand, nicht einmal ein einzelnes Atom, als ein ‘isoliertes System' betrachten sollten.

"Die Teilchen müssen wir auch als Wellen betrachten (einer der grundlegenden Lehrsätze der Quantenmechanik). Deshalb breiten sich die einzelnen Teilchen im Atom aus. Und es besteht eine (wenn auch kleine) Möglichkeit, dass sie sich irgendwo im Universum befinden. Deshalb überlagern sich die Wellenfunktionen der Elektronen im ersten Atom mit jenen der Elektronen im zweiten Atom. Sie verstricken sich miteinander, wie die beiden Photonen, die Aspect in seinem Versuch erzeugt hat. Und wenn ein Elektron in einem Atom auf ein tieferes Energieniveau springt, bewirkt dies, dass sein Gegenstück im anderen Atom sofort genauso weit hoch springt." - Gribbin, J. (1994:16).