WISSEN DER ZUKUNFT - Magazin Wissen TOPPX

Video: Paralleluniversen

Viele Kosmologen fasziniert die Idee, es gebe unzählige Paralleluniversen mit jeweils eigenen Naturgesetzen.

Seit einigen Jahren debattieren Theoretiker über eine kühne These: Außer dem Universum, das wir wahrnehmen, sollen noch ungezählte weitere Universen existieren. Es gäbe demnach nicht nur einen Kosmos, sondern ein Multiversum. Der amerikanische Physiker Brian Greene bezeichnet diese Vorstellung als “super-kopernikanische Revolution”, da ihr zufolge nicht nur unser Planet einer unter vielen ist, sondern sogar unser gesamtes Universum in kosmischem Maßstab nur eine unbedeutende Spielart möglicher Welten darstellt.

Theoretiker wie Greene oder der russisch-amerikanische Physiker Alexander Vilenkin postulieren völlig unterschiedliche Universen mit einer jeweils anderen Physik, mit einer eigenen Geschichte oder gar mit unterschiedlich vielen Raumdimensionen. Die meisten dieser hypothetischen Welten sind lebensfeindlich, doch einige wimmeln von Organismen. Vilenkin entwirft das dramatische Bild einer unendlichen Menge von Universen, in der unendlich viele Personen Ihren Namen tragen und gerade diese Zeilen lesen.

Wie kommen Kosmologen neuerdings allen Ernstes auf eine Idee, die zunächst wie pure Sciencefiction anmutet? weiter…

Video: Gott und die Wissenschaft

„Gott würfelt nicht” ist ein oft zitierter Ausspruch Albert Einsteins, der mit diesem Argument die Quantenmechanik ablehnte. Die Quantenmechanik beschreibt verschiedene Zustände von Elementarteilchen mithilfe von berechenbaren Wahrscheinlichkeiten - einzelne Ereignisse sind dabei nicht mehr präzise vorhersagbar. Einstein zum Trotz ist sie inzwischen ein anerkanntes Teilgebiet der Physik. Oft wird die Quantentheorie aber auch zur Beantwortung weltanschaulicher Fragen und als Grundlage philosophischer und theologischer Hypothesen herangezogen. Diese Praxis hinterfragt die LMU-Wissenschaftlerin Anna Ijjas in ihrem neuen Buch „Der Alte mit dem Würfel”. „Mittlerweile gibt es kaum noch ein metaphysisches Problem, das nicht unter Berufung auf die Quantentheorie angeblich gelöst wurde”, sagt die Theologin und Physikerin Ijjas, die in ihrem Buch untersucht, ob und inwiefern die Quantentheorie für theologische und philosophische Fragestellungen eine Rolle spielen kann. Dazu entwickelte sie eigens eine neue Methodik, anhand derer sie die Verbindung zwischen Quantenmechanik und Metaphysik hinterfragte.

Insbesondere interessierte sie, ob die der Quantenmechanik zugrunde liegende Theorie mit verschiedenen metaphysischen Modellen - wie etwa der Determinismus-Frage - logisch vereinbart werden kann. Anschließend untersuchte Ijjas die Relevanz der Quantenphysik für die Frage nach dem Verhältnis von Gehirn und Bewusstsein, dem Problem der Willensfreiheit und dem Wirken Gottes in der Welt. Dabei zeigt sich für Ijjas, dass zentrale theologische Aussagen mit der Theorie der Quantenphysik durchaus vereinbar sind - ein interdisziplinärer Dialog zwischen Naturwissenschaft und Theologie also möglich und sinnvoll ist. „Ich glaube, Einstein hat sich geirrt”, sagt Ijjas, „das Universum lässt eine gewisse Offenheit der Vorgänge zu. Aber die Quantenphysik gibt keinen Anlass zu glauben, dass die Welt von blindem Zufall regiert wäre. Vielmehr stellt eine kreatürliche Fähigkeit zur eigenen Entscheidung die Norm dar. Gott beschenkt seine Schöpfung mit Freiheit.” (göd) (Quelle:idw)

Das kosmologische Standardmodell auf dem Prüfstand
Die meisten Astrophysiker und Kosmologen gehen davon aus, dass die so genannte Dunkle Materie den weitaus größten Teil der Materie im Universum stellt. “Normale” Materie, aus der Galaxien ebenso wie Planeten und auch Menschen bestehen, wäre demzufolge relativ selten. Doch es gibt ein Problem: Bislang konnte keines der zahlreichen Experimente, die weltweit nach Dunkle-Materie-Teilchen fahnden, diese auch nachweisen. Existiert die Dunkle Materie vielleicht doch nicht?
In der August-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft berichten die Astrophysiker Pavel Kroupa und Marcel Pawlowski von der Universität Bonn über ihre Forschung an Zwerggalaxien in unserer kosmischen Nachbarschaft. Solche kleinen Galaxien sollten sich gemäß dem kosmologischen Standardmodell, in dem die Dunkle Materie eine der zentralen Rollen spielt, inmitten großräumiger Ansammlungen von Dunkler Materie bilden.
Doch nun ist Kroupas Team, das seine Arbeit jüngst im angesehenen Wissenschaftsjournal “Astronomy and Astrophysics” publiziert hat, auf eine ganze Reihe von Widersprüchen gestoßen. Das Standardmodell sagt beispielsweise voraus, dass die unsere Milchstraße umkreisenden kleinen Satellitengalaxien rein zufällig in deren Umgebung verteilt sein sollten. Stattdessen bilden sie aber eine Art Scheibe, ihre Anordnung folgt also einer klaren Struktur. Auch sagen Simulationen weit mehr Satellitengalaxien vorher, als tatsächlich gefunden wurden. Und schließlich sollten die Satellitengalaxien dem Modell zufolge umso leuchtkräftiger sein, je mehr Dunkle Materie sie enthalten - dies bestätigen die Beobachtungen aber ebenfalls nicht. Im Rahmen der populären Dunklen-Materie Hypothese scheint es keine Lösungen zu diesen Problemen zu geben.
Für die Existenz der rätselhaften Materieform führen die Astronomen zwar gute Gründe an. Beobachtungen von Scheibengalaxien belegen, dass Sterne in deren Außenbereichen schneller um das Zentrum der Galaxien rotieren, als es das newtonsche Gravitationsgesetz vorhersagt. Infolge der dabei entstehenden Fliehkräfte müssten die Galaxien sogar in kürzester Zeit auseinanderfliegen. Erklären lässt sich dieses Rätsel bislang nur, wenn man annimmt, dass die Sternsysteme über wesentlich mehr Masse verfügen als wir beobachten. Diese Masse soll darum von Teilchen beigesteuert werden, die sich praktisch nur durch ihre Schwerkraftwirkung bemerkbar machen, aber kein Licht aussenden - weshalb sie als “dunkle” Materie bezeichnet werden.
Doch mit der Annahme dunkler Materie gerät man nun offenbar an anderer Stelle in große Widersprüche. Gibt es denn eine Alternative? Kroupa und Pawlowski zufolgen richten immer mehr Forscher ihre Hoffnungen auf die so genannte Modifizierte Newtonsche Dynamik (MOND) und ihre Varianten. Zwar ist das Newtonsche Gravitationsgesetz in gewissen Bereichen hervorragend bestätigt. Doch auf der Skala ganzer Galaxien konnte es noch nicht überprüft werden. Möglicherweise, so die Autoren, ist die Schwerkraft auf einer solchen Skala um ein weniges stärker als bislang gedacht. Denn dann ließe sich auch ohne die Annahme Dunkler Materie erklären, warum sich Sterne in den Außenbezirken von Galaxien so schnell bewegen.
“Der Ursprung dieser winzigen Abweichung könnte nach unserer Sicht möglicherweise in quantenmechanischen Prozessen liegen, die sich in der Raumzeit abspielen”, schreiben die Autoren, “oder in der Existenz zusätzlicher, noch unbekannter Felder.” Diese könnten die von Massen verursachten Störungen der Raumzeit weiter tragen, als dies die herkömmliche Theorie voraussagt. Aber auch andere Erklärungen seien denkbar.
Neue Erkenntnisse über die Satellitengalaxien der Milchstraße und anderer Galaxien in der kosmischen Nachbarschaft erhoffen sich die Forscher nun von der GAIA-Satellitenmission der Europäischen Weltraumagentur und vom australischen “Stromlo Milky Way Satellites Survey”. Sie könnten für spannende Erkenntnisse sorgen, schreiben die Bonner Forscher: “Noch ist nichts entschieden, eins aber ist schon jetzt sicher: Die wahre Geschichte des Universums muss erst noch geschrieben werden.”
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2010

Abbildung oben
Zwerggalaxien

© NASA / ESA, H. Ford (JHU), G. Illingworth (UCSC / LO ), M. Clampin (STScI), G. Hartig (STScI) und das ACS Science Team]

Vom genauen Mechanismus hängt es ab, wie gut wir das Verhalten unseres Universums verstehen
Manche Sterne beenden ihr Dasein mit einem enormen Knall: Binnen Stunden steigern sie ihre Helligkeit um das Millionen- oder gar Milliardenfache und leuchten für einige Tage so hell wie eine ganze Galaxie. Astronomen entdecken jedes Jahr mehrere hundert solcher Supernovae, die zumeist in entlegenen Winkeln des Universums aufleuchten.

Supernovae künden aber nicht nur vom gewaltsamen Ende eines Sterns, sondern erweisen sich auch als wichtige Hilfsmittel für die Vermessung des Weltalls. Denn ein spezieller Typ dieser Sternexplosionen, genannt Ia, erreicht stets die gleiche Maximalhelligkeit. Gelingt es, dieses Maximum zu beobachten, dann folgt aus der gemessenen Helligkeit der Supernova direkt ihre Entfernung. Denn so, wie der fernere zweier gleich heller Autoscheinwerfer einem Beobachter lichtschwächer erscheint, verhält es sich auch mit Supernovae: Je größer ihre Distanz zur Erde ist, umso weniger hell erscheinen sie.

Die Entfernungsbestimmung mit Supernovae vom Typ Ia klappt so gut, dass sie sich als Maßstab oder Standardkerze zur Auslotung des Universums verwenden lassen. Seit rund achtzig Jahren ist bekannt, dass sich das Weltall ausdehnt. Aber erst vor wenigen Jahren fanden die Astronomen heraus, dass sich diese Ausdehnung sogar beschleunigt– ein Befund, der sich anhand der Distanzen der Supernovae vom Typ Ia ergab. Um diese Beschleunigung zu erklären, mussten die Wissenschaftler die Existenz einer ominösen »Dunklen Energie« annehmen, die das Universum beschleunigt auseinandertreibt.

Wegen der kosmologischen Bedeutung dieses Supernova-Typs interessieren sich die Astronomen für die Ursachen und den Ablauf der Sternexplosionen. Zwei Arten von Explosionen sind bekannt, in denen jeweils so genannte Weiße Zwerge eine Rolle spielen. Weiße Zwerge bilden das Endstadium verbrauchter Sterne ähnlich unserer Sonne. Bei der einen Art saugt ein Weißer Zwerg Materie von seinem Partnerstern ab. Er macht dies solange, bis er sich gewissermaßen überfressen hat und er von einer thermonuklearen Explosion zerrissen wird. Dies passiert stets mit der gleichen Maximalhelligkeit. Bei der anderen Art bilden zwei Weiße Zwerge ein Doppelsternpaar und verschmelzen schließlich, wobei es ebenfalls zur Supernovaexplosion kommt. Hier hängt die Maximalhelligkeit von der jeweiligen Masse der Weißen Zwerge ab. Die Astronomen besaßen Hinweise darauf, dass die erste Art deutlich häufiger vorkommt und sich Supernovae vom Typ Ia deshalb als Standardkerzen verwenden lassen.

Neue Untersuchungen von Astronomen des Max-Planck-Instituts für Astrophysik in Garching bei München belegen nun, dass nur fünf Prozent aller Supernovaexplosionen vom Typ Ia in elliptischen Galaxien auf Materie aufsammelnde Weiße Zwerge zurückgehen. Offenbar geht der größte Teil der gewaltigen Sternexplosionen auf die Vereinigung zweier Weißer Zwerge zurück, wie der Physiker Jan Hattenbach im aktuellen Mai-Heft der Zeitschrift “Sterne und Weltraum” berichtet. Dieser Befund schränkt allerdings die Verwendung der Supernovae vom Typ Ia als Standardkerzen ein. Denn nun erwarten die Astronomen, dass die Maximalhelligkeiten wegen der unterschiedlichen Massen der Weißen Zwerge bei ihrer Verschmelzung unterschiedlich ausfallen. Spannend ist jetzt, wie sich diese Erkenntnis auf die Messung der beschleunigten Expansion des Raums auswirkt. Quelle: Sterne und Weltraum, Mai 2010 - Bild: Zwei weiße Zwerge, die sich zunehmend enger umkreisen, verschmelzen schließlich was eine Supernova-Explosion zur Folge hat. (c) NASA / Tod Strohmayer, GSFC / Dana Berry, Chandra X-Ray Observatory

Video: Woher kommt die Welt?

In unserem Universum läuft die Zeit immer nur in eine Richtung - aber muss das überall so sein?
Wer ein Ei zerschlägt, erwartet nicht, dass es sich von selbst wieder zusammenfügt, und wer ins Schwimmbecken hechtet, wird nie erleben, dass das Wasser ihn zurück aufs Trampolin schnellt. Solche Vorgänge sind irreversibel, das heißt zeitlich nicht umkehrbar. Die Asymmetrie der Zeit erfahren wir als das Natürlichste von der Welt - doch den Physikern und Kosmologen bereitet sie gehöriges Kopfzerbrechen.
Alle fundamentalen Gesetze der Physik sind nämlich zeitsymmetrisch, von den Formeln der Himmelsmechanik bis zu den Grundgleichungen der Quantentheorie. Die Mechanik schreibt nicht vor, ob die Erde so oder anders herum um die Sonne läuft, und auch die Quantenmechanik kennt keinen Unterschied zwischen Zukunft und Vergangenheit. Warum weist dann der Zeitpfeil immer nur in eine Richtung?

Darauf antworten die Physiker: das kommt von der Entropie. Sie ist ein Maß für die Unordnung eines Systems, und da ein sich selbst überlassenes System von selbst immer unordentlicher wird, nimmt die Entropie mit der Zeit zu. Zwar ist es physikalisch nicht prinzipiell ausgeschlossen, dass ein zerschlagenes Ei sich wieder ordentlich zusammensetzt - aber es ist extrem unwahrscheinlich. Sehr glücklich sind die Kosmologen mit dieser Erklärung für den Zeitpfeil nicht, denn eine ständig wachsende Entropie bedeutet, dass sie früher einmal extrem klein gewesen sein muss: Der Urknall muss ein unwahrscheinlich ordentlicher Zustand gewesen sein. Man wüsste gern einen physikalischen Grund dafür.

Der amerikanische Kosmologe Sean Carroll schlägt nun einen radikalen Ausweg aus dieser Verlegenheit vor. Wie er in der August-Ausgabe [2008] von Spektrum der Wissenschaft argumentiert, muss unser Universum nicht mit einem Zustand abnorm niedriger Entropie begonnen haben, wenn wir es als Teil eines Multiversums betrachten. In diesem Über-Universum entstehen spontan Babyuniversen, wobei die Zeit in manchen so gerichtet ist wie bei uns, in anderen entgegengesetzt - und im Mittel ist das Multiversum zeitsymmetrisch. Freilich muss Carroll eine hochspekulative Hypothese aufstellen, um die Bildung solcher Babyuniversen plausibel zu machen. Damit sie dauerhaft aus Fluktuationen der Raumzeit entstehen, beruft Carroll sich auf die Dunkle Energie - eine rätselhafte Kraft, mit der die Kosmologen erklären, warum unser Universum beschleunigt expandiert. Erst wenn über das Wesen der Dunklen Energie mehr bekannt ist, lässt sich sagen, ob sie eine Antwort auf das Rätsel der Zeit zu liefern vermag.

Jedenfalls, so tröstet Carroll, betreiben wir schon heute jedes Mal, wenn wir ein Ei zerschlagen, beobachtende Kosmologie. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2008)

Über die Illusion der Zeit und die Lösung scheinbar unerklärlicher Phänomene findet man mehr im Buch Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen

Video: Dunkle Materie dunkle Energie

Ist die Dunkle Energie der fundamentale Baustein des Universums oder ist es Bewusstsein, wie im Buch “Unsterbliches Bewusstsein: Raumzeit-Phänomene, Beweise und Visionen” dargestellt? Oder hängt beides womöglich zusammen? Das astrophysikalische Institut in Potsdam (AIP) wird ab 2010 verstärkt nach der geheimnisvollen dunklen Energie fahnden und zur Lösung der Rätsel durch einen innovativen Multikanalspektrographen beitragen.

(idw), Am dunklen Nachthimmel über West-Texas beobachtet das 9.2m große Hobby-Eberly Teleskop (HET) des McDonald Observatoriums die Tiefen des Weltalls. Es ist einem der größten Rätsel der Astrophysik auf der Spur: der sogenannten “Dunklen Energie”, einem Phänomen das eng mit der Zukunft unseres Weltalls verknüpft ist. Die Wissenschaftler wollen nun durch die Vermessung von Millionen Galaxien erstmals Näheres über die Eigenschaften der mysteriösen Dunklen Energie in Erfahrung bringen . Ein speziell am Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP) entwickeltes Glasfaserbündel ermöglicht die gleichzeitige Erfassung und Spektroskopie von hunderten von Punkten eines Himmelsauschnitts für dieses ehrgeizige Projekt. Um die Entfernungen zu den Galaxien bestimmen zu können, müssen die Astronomen diese Objekte nicht nur finden, sondern ihr Licht auch spektroskopisch analysieren, d.h. in seine Anteile verschiedener Wellenlängen zerlegen. Dafür wird das Teleskop mittels des Faserbündels an einen leistungsfähigen Multikanalspektrographen (genannt VIRUS) angeschlossen. Ein Prototyp des VIRUS Faserbündels und des Spektrographen wurde nun erstmals erfolgreich am Teleskop eingesetzt. Ab 2010 soll eine großräumige Durchsuchung des Himmels beginnen.

“Wenn es gelingt, die statistische Verteilung von entfernten Galaxien in Raum und Zeit zu bestimmen, so lässt dies Rückschlüsse auf die Natur der Dunklen Energie zu”, erklärt Andreas Kelz, der als Wissenschaftler des AIP an der Entwicklung des Instruments beteiligt ist. Bis vor kurzen glaubten Astronomen, dass es für das Schicksal des Universums zwei mögliche Szenarien gibt: Entweder enthält das Universum so viel Materie, dass ihre Anziehungskraft die gegenwärtig zu beobachtende Ausdehnung bremst und das Universum letztendlich in sich kollabieren läßt, oder die Expansion geht, wenn auch verlangsamt, unendlich weiter.

Neuere Beobachtungen hingegen legen nahe, dass sich das Universum vielmehr beschleunigt ausdehnt, es also eine Art Anti-Schwerkraft gibt, welche das Universum auseinandertreibt. Diese ‘Dunkle Energie’ genannte Kraft ist noch völlig unverstanden, auch wenn angenommen wird, dass sie 70% der Gesamtenergie des Universums ausmacht.
“Die Idee einer Energie, welche der Schwerkraft entgegenwirkt ist nicht neu.”, berichtet Matthias Steinmetz, wiss. Vorstand des AIP und Co-Ermittler. “Bereits Einstein postulierte sie 1920, hatte seine kosmologische Konstante dann aber wieder als ‘größte Eselei’ seines Lebens verworfen. Durch die aktuellen Messungen bekommt sie aber wieder neue Brisanz.”