R: Ich habe eine Frage, sie beschäftig mich schon lange.
A: Was ist deine Frage?
R: Wie sieht das Universum aus?
A: Wir existieren auf einem kleinen Planeten eines durchschnittlichen Sterns in den Randbezirken einer Galaxie, die nur eine unter vielen hundert Milliarden im gesamten All ist. Für die Forscher ist es nicht leicht, die Form des Universums zu beschreiben. Wir sind in einem Spiralarm der Milchstrasse und auf einen kleinen Bereich des Kosmos beschränkt. Wir bekommen erst ein Bild vom Universum, wenn wir das Universum durch die Vogelperspektive betrachten.
R: Was ist Vogelperspektive?
A: Stelle dir eine Ameise vor, die auf einem riesigen Luftballon spaziert. Je grösser der Ballon, desto flacher sieht es für sie aus. Egal in welche Richtung die Ameise krabbelt, sie würde ihre Umgebung für flach halten. Doch aus der Distanz können wir sehen, dass die Ameise auf einem riesigen Ballen wandert. In diesem Kontext heisst es, einen Versuch anzustellen und alles um uns herum ausserhalb der Milchstrasse zu beobachten und zu messen. Mit anderen Worten müssen wir unsere Galaxie verlassen, um die wahre Formung des Weltalls aufklären zu können.
R: Wie ist das möglich?
A: Durch die Instrumente, nämlich Teleskope und Weltraumsonden. Im Jahre 2003 lieferte die Weltraumsonde WMAP ein Bild des frühen Universums. Dieses Bild ist eine Landkarte, die mit Genauigkeit die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung des Urknalls zeigt, als das Universum 380’000 Jahre alt war. WMAP stellt die noch nie da gewesenen Bilder vom neugeborenen Universum dar.
R: Erzähle weiter!
A: In dieser Zeit bildeten sich die ersten Atome. Das Universum wurde durchsichtig und nahm die Gestalt an, die durch Expansion zu den heutigen Galaxien und Galaxienhaufen geworden ist, was wir anschauen und besichtigen können. WMAP hat die schwache Mikrowellen-Hintergrundstrahlung nachgewiesen, die der Urknall zurückgelassen hatte. Die kosmische Hintergrundstrahlung ist für die Kosmologie, was die Erbsubstanz DNA für die Biologie ist. Aus der Sicht der Kosmologie sind die Temperaturschwankungen der Hintergrundstrahlung eine Art DNA. Sie ist die Bauleitung des Universums und codiert dessen Entwicklung.
R: Wie alt ist das Universum?
A: Die Satelliten-Daten offenbaren, dass das Universum in einer feurigen Explosion geboren wurde, die vor 13,8 Milliarden Jahre stattgefunden hatte.
R: Ich habe Lust auf einen Kaffee, möchtest du welchen?
A: Ja, gerne.
R: Erzähle weiter!
A: Der Nachthimmel ist eine Zeitmaschine. Das Licht bewegt sich mit endlicher Geschwindigkeit fort. Wir sehen die Sterne bei Nacht so, wie sie einst waren, nicht, wie sie heute sind. Das Licht braucht etwas mehr als eine Sekunde, um vom Mond aus die Erde zu erreichen. Wenn wir also den Mond erblicken, sehen wir ihn, wie er eine Sekunde vorher war. In acht Minuten erreicht das Licht der Sonne die Erde. Viele der vertrauten Sterne, die wir am Himmel erblicken, sind uns so fern, dass ihr Licht zwischen 10, 100 oder sogar mehrere hunderte von Jahren braucht, um unsere Augen zu erreichen. Der Abstand zur Erde beträgt 10, 100 oder mehrere hunderte von Lichtjahren. Ein Lichtjahr entspricht rund 10 Billionen Kilometern, der Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Es können einige hundert Millionen oder sogar einige Milliarden Lichtjahre vergehen, bevor uns das Licht ferner Galaxien erreicht.
R: Der Kaffee ist bereit, ich schenke dir einen mit zwei Zuckerwürfeln ein.
A: Danke dir. Nun die meisten Wissenschaftler halten das Universum für flach, das heisst; das Universum hat weder die Form eines Sattels, noch die Form einer Kugel.
R: Habe ich dich richtig gehört, ist das Weltall flach?
A: Das Universum ist flach! Dies bedeutet selbstverständlich keinen Rückfall in die Vorstellung von einer scheibenförmigen Erde, sondern heisst, dass das Universum auf grossräumigen Skalen nahezu keine Krümmung besitzt. Was haben wir in der Geometrie-Stunde gelernt?
R: Wir haben gelernt: die kürzeste Entfernung zwischen zwei Punkten ist eine gerade Linie. Die parallelen Lienens schneiden sich niemals und die Summe der Innenwinkel eines Dreiecks beträgt 180 Grad. Wie lässt sich ein flaches Universum erklären?
A: Also, in der Geometrie beträgt die Summe der Innenwinkel eines Dreiecks 180 Grad und Parallelen schneiden sich nie. Ein Stück Papier kann nicht zu einer Kugel aufgerollt werden, aber zu einem Zylinder. Einen Sattel kann man nicht flach streichen, ohne ihn zu verkrumpeln oder zusammenzufalten. Wenn wir von unserem Standpunkt ein gigantisches Dreieck im Raum konstruieren, von uns bis Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, müssen sich die Winkel daraus entstehender Dreieck exakt 180 Grad ergeben. Jetzt stelle dir vor, die Winkelsumme ein solches gigantischen Dreiecks mit Milliarden Lichtjahren grossen Seitenlängen wäre also wie die Schulgeometrie es lehrt, exakt 180 Grad. In einem flachen Universum beträgt die Summe der Innenwinkel eines Dreiecks 180 Grad und das Universum hat Nullkrümmung.
R: Und in einem kugelförmigen Universum?
A: In einem kugelförmigen Universum ist die Summe der Innenwinkel eines Dreiecks grösser als 180 Grad und das Universum hat eine positive Krümmung. Ein Dreieck auf einem Ball liegt auf einer Oberfläche mit positiver Krümmung. Die Winkel Summe eines solchen Dreiecks ist grösser als 180 Grad, weil die Oberfläche sich wölbt. Die Winkel verzerren und dehnen sich nach aussen. Die parallelen Linien schneiden sich immer.
R: Und in einem sattelförmigen Universum?
A: In einem sattelförmigen Universum ist die Summe der Innenwinkel eines Dreiecks weniger als 180 Grad und das Universum hat eine negative Krümmung. Die Winkel sind kleiner als bei einer ebenen Oberfläche. Die Winkle verzerren und dehnen sich nach innen. Zu einer gegebenen Linie gibt es eine unendliche Zahl von Parallelen durch einen bestimmten Punkt.
R: Interessant!
A: Nehmen wir ein Blatt Papier und malen auf ihm ein gleichseitiges Dreieck. Wir verwenden das Papier für den Weltraum. Es gibt drei Krümmungsarten. Das heisst, Krümmungen, in denen der Blick von einem beliebigen Ort dem Blick von jedem anderen Ort gleicht. Es sind: Die positive Krümmung, die sich gleichförmig nach aussen wölbt, wie auf einer Kugel. Die Krümmung null, die sich überhaupt nicht wölbt, wie auf einer Ebene. Die negative Krümmung, die sich gleichförmig nach innen wölbt, wie auf einem Sattel. Nun, das Universum weist weder positive Krümmung noch negative Krümmung nach. Heute stellen die Forscher aufgrund ihrer Messungen mit einer Genauigkeit von einem Prozent dar, dass das Universum flach ist.
R: Noch einen Kaffee?
A: Sehr gerne!
R: Erzähle weiter!
A: Wie verstehen wir ein Buch?
R: Um ein Buch zu verstehen, müssen wir die Sprache des Buches und die Buchstaben, in denen das Buch geschrieben worden ist, lernen.
A: Die Mathematik ist eine universale Sprache und deren Buchstaben sind Kreise, Dreiecke und andere geometrische Figuren, ohne die es dem Menschen unmöglich ist, ein einziges Bild davon zu verstehen. Wie einst ein Wissenschaftler bemerkte; die Geometrie ist in Wirklichkeit Mathematik, die uns die drei Dimensionen des Raumes beschreiben lässt, gleich wie andere mathematische Strukturen.
R: Wohin willst du hinaus?
A: Alles im Universum wird von fundamentalen Naturkräften bestimmt. Ihre Stärke wird durch Zahlen charakterisiert, den sogenannten fundamentalen Konstanten. Sie sind mathematische Berechnungen. Sie sind so empfindlich, dass eine winzige Veränderung an ihnen dafür sorgen würde, dass das Universum, wie wir es kennen, so nicht gäbe. Wäre die Expansionsrate eine Sekunde nach dem Urknall auch nur um ein Hundertmilliardsten geringer gewesen, wäre das Universum wieder in sich zusammengefallen, bevor es seine heutige Grösse erreicht hätte.
R: Kaffee ist bereit, möchtest du auch einen Stück Kuchen?
A: Ja, das kann ich gut gebrauchen.
R: Ich bringe die Kaffees und Kuchen und stelle sie auf den Tisch. Was ist der Inhalt einer mathematischen Berechnung?
A: Zum Beispiel ist Omega eine Zahl. Sie misst die durchschnittliche Dichte der Materie im Universum. Wäre die Zahl Omega kleiner als eins, wäre das Universum zu rasch expandiert und abgekühlt und das Leben hätte keine Gelegenheit, um anzufangen. Wäre Omega grösser als eins, wäre das Universum kollabiert, bevor das Leben hätte beginnen können. Allein wenn Omega gleich eins wäre, wäre das Universum flach und würde weiter expandieren. Die Daten von WMAP zeigen, dass Omega gleich eins ist, woraus folgt, dass das Universum flach ist und expandiert.
R: Ich habe meinen Kaffee getrunken und schenke dir meinen Kuchen. Ich fasse zusammen.
A: Danke, der Kuchen schmeckt mir.
R: Ich bin froh, du magst den Kuchen.
Ali: Klar, der Kuchen ist nahrhaft und es gefällt mir. Also ich höre zu!
R: Das Universum ist flach und dehnt sich aus. 380’000 Jahre nach dem Urknall bricht das Licht aus. Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant und bewegt sich mit 300’000 Kilometer pro Sekunde durch das Universum. Alles im Weltraum gehorcht Naturgesetzten. Diese Gesetze werden in Zahlen ausgedrückt, den sogenannten fundamentalen Konstanten. Sie sind mathematische Berechnungen, die die Phänomene, Erscheinungen und Geschehnisse im Universum beschreiben, welche Dinge präzisieren, die die Grundlage unserer Existenz, unseres Daseins demonstrieren.
Quellen:
Börner, Gerhard. Das neue Bild des Universums. München: Anstalt, 2009.
Greene, Brain. Der Stoff, aus dem der Kosmos ist. München: Wilhelm Goldmann, 2008.
Kaku, Michio. Im Hyperraum. Reinbek bei Hamburg: Rowohlt, 2010.
Kaku, Michio. Im Paralleluniversum. Reinbek bei Hamburg: Rowohlt, 2007.
Randall, Lisa. Verborgene Universen. Frankfurt am Main: Fischer, 2013.
Tegmark, Max. Unser mathematisches Universum. Berlin: Ullstein, 2015.
Vaas, Rüdiger. Hawkings neues Universum. München: Piper, 2011.