Das derzeit anerkannteste physikalische Modell des Universums sagt uns, unser Kosmos besteht zu 95 Prozent aus einer dunklen Komponente, deren physikalische Natur die Wissenschaft zurzeit nicht kennt. Noch immer sind viele wesentliche Fragen ungeklärt. Was ist die ominöse dunkle Materie? Was ist Gravitation? Was geschah beim Urknall? Gab es überhaupt einen? Wie viel wissen wir wirklich?

Silke Britzen geht diesen und ähnlichen Fragen nach. Sie erforscht Schwarze Löcher, mysteriöse unsichtbare Objekte in unserem Universum, an dem alle uns bekannten Gesetze ihre Kraft verlieren und die gleichzeitig vielleicht viele Antworten auf die Fragen der aktuellen Physik verborgen halten. Kaum irgendwo liegt Science Fiction und Wissenschaft so nahe zusammen.

Nun hat die Physikerin und Astronomin ein Buch geschrieben, mit dem sie Menschen für diese spannende Wissenschaft begeistern will, die sich aufgemacht hat, die Geheimnisse des Universum zu entschlüsseln. Selten zuvor war es so spannend. Gelingt den Forschern schon in naher Zukunft der entscheidende Durchbruch, um die Spielregeln des Kosmos zu verstehen? Oder bleibt uns der Blick in diesen Bereich des Universums dauerhaft verboten? Wir haben uns mit der Autorin unterhalten.

Frau Britzen, viele Menschen denken, die Physik hätte mittlerweile eigentlich so ziemlich alle offenen Fragen geklärt. Schaut man jedoch genauer, scheint es manchmal fast, als stünde man mit eher halbfertigen Theorien vor vielen offenen Fragen, die weitere Fragen aufwerfen. Wie viel wissen wir wirklich? Was hat es mit der Weltformel auf sich? Können sie kurz skizzieren, wo wir in der Physik gerade stehen?

Wissenschaft und Physik sind deshalb so spannend, weil viele wichtigen Fragen noch nicht beantwortet sind! Die Physik kann viele beobachtete Phänomene hervorragend erklären und viele physikalische Effekte lassen sich mit großer Präzision messen und bestätigen. Alles, was physikalischen Experimenten zugänglich ist, ist sehr gut erforscht. Schwierig – aber auch interessant – wird es genau dort, wo Messungen nicht, oder noch nicht möglich sind!

Eine physikalische Theorie muss aber den „Praxistest“ bestehen, um als Theorie wissenschaftlich anerkannt zu werden: Durch Beobachtungen getestet und bestätigt werden. Stimmen Theorie und Beobachtung nicht überein, muss eine neue Theorie gefunden werden. Bei einigen (im Buch besprochenen) kosmischen Phänomenen sind Beobachtungen (noch ein „noch“) nicht möglich. In diesen Bereichen fehlt zur Zeit noch der „Praxistest“, um die verschiedenen Theorien zu überprüfen.

Einsteins Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) und die Quantentheorie sind die erfolgreichsten physikalischen Theorien zur Zeit. Bislang haben sie alle Tests bestanden. Sie beschreiben die Welt des Großen und Schweren (ART, Gravitation) und die Welt des Kleinen (Quantentheorie).

Es gibt Phänomene (z.Bsp. die Schwarzen Löcher), die für ihre korrekte physikalische Beschreibung aber beide Theorien – oder eine Vereinigung beider Theorien – benötigen würden. Diese Phänomene sind „unendlich klein“ und „schwer“ – Milliarden Sonnenmassen schwer. Die physikalische Theorie zur Beschreibung dieser Phänomene existiert noch nicht – dies könnte die gesuchte Weltformel sein.

Die (hypothetische) Weltformel sollte beide großen Theorien zusammenbringen und sämtliche physikalischen Phänomene im Universum erklären können. Selbst Einstein ist an dem Versuch gescheitert, die Weltformel zu finden.

Es ist zur Zeit völlig unklar, ob es eine Weltformel geben kann. Vielleicht muss „die Physik“ oder müssen physikalische Konzepte generell neu überdacht werden.

Es sind die spektakulären Phänomene, z.Bsp. der Urknall oder die Schwarzen Löcher, die mit der jetzigen Physik nicht vollständig beschrieben werden können. Die zur Zeit bekannten physikalischen Gesetze „versagen“ bei den extremen Phänomenen, in den nicht-beobachtbaren Grenzbereichen. „Verbotenes Universum“ – der Titel des Buches – steht für all die Phänomene unseres Kosmos, die jenseits unseres Verständnisses liegen.

Sie schreiben auch über dunkle Energie und Materie. Wie kann ich das überhaupt verstehen, dass wir derzeit mit Theorien arbeiten, die uns sagen, das Universum besteht zu 95 Prozent aus etwas, von dem wir nicht die leiseste Ahnung haben, was das sein könnte? Das klingt doch verrückt! Wie kann es sein, dass 95 im Dunkeln liegen? Wie gut ist eine Theorie, die 95 Prozent des Universums nicht erklären kann? Könnte es auch sein, dass wir alles nochmal über den Haufen werfen müssen?

Die Effekte der Dunklen Materie und Dunklen Energie auf die sichtbare Materie sind nicht ganz so leicht zu finden und zu erstehen. Es war zunächst nötig, die sichtbaren kosmischen Phänomene zu beobachten und zu verstehen, bevor man erkennen konnte, dass es zusätzliche und nicht-sichtbare Effekte gibt.

Astronomen sind es ja gewohnt, mit großen Zahlen umzugehen. Dass 95% des Universums aus einem dunklen „Etwas“ bestehen sollen, ist aber selbst für astronomische Verhältnisse ungewöhnlich. Andererseits sind sehr spannende Fragen mit dem Dunklen Universum verknüpft.  Ich hoffe nicht, dass wir alles nochmal über den Haufen werfen müssen.

Sie sagen, es gibt gute Theorien über sehr große (ART Einstein) und sehr kleine Bereiche (Quantentheorie). Das Problem ist doch aber, dass sich diese Bereiche völlig zu unterscheiden scheinen und offenbar kaum Eigenschaften teilen. Es ist doch bisher relativ unklar, wie aus dem Quantenbereich mit seinen Gesetzen so etwas wie Materie mit ihren Eigenschaften erklärbar ist. Erst die Weltformel würde diese Bereiche verknüpfen können. Das ist von außen betrachtet doch höchst beunruhigend! Da haben wir nun ein paar Formeln, die viele Dinge ganz gut beschreiben – aber nur in einem bestimmten Maßstab. Im ganz kleinen Bereich sieht plötzlich alles völlig anders aus und wir haben ein Wirrwarr an dubiosen Partikeln und Kräften, die teilweise extra erfunden werden, damit Gleichungen funktionieren. Und im ganz großen gehen die Gleichungen – ketzerisch gesprochen – nur auf, wenn wir uns 95% des Universums als eine unerklärliche Substanz hinzudenken. Das klingt nach kreativer Rechenkunst, befriedigt aber kaum das menschliche Bedürfnis, die „Realität“ beschreiben zu können, sondern wirft im Gegenteil die Frage auf, was denn nun „die Realität“ überhaupt ist. Immer mehr Menschen hegen daher die Befürchtung, dass vielleicht alles ganz anders sein könnte, und dieses Dilemma nicht durch eine hübsche Formel, sondern nur durch ein komplett neues Weltbild aufzulösen ist. Wie sieht man das unter Wissenschaftlern? Stellt man sich diese Frage da überhaupt?

Ihre Frage nach der „Realität“ ist eine essentielle Frage – eine im Grunde philosophische Frage. Was wir landläufig „Realität“ nennen, ist eine durch unsere Wahrnehmungs- und Beobachtungsprobleme bedingte Untermenge der Realität. Trotz großer Fortschritte in Wissenschaft und Technik haben wir den ganzen Kosmos noch nicht sehen können. Mit großer Wahrscheinlichkeit wird es eine große Vielzahl von Phänomenen jenseits unserer Kenntnis geben, die aber notwendig zu einer stimmigen Gesamtbeschreibung hinzugehören.

Daraus folgt, dass ein Umbruch oder zumindest eine Erweiterung des menschlichen Weltbilds durch neue Erkenntnisse unabdingbar erscheint.

Die Physik kann sehr erfolgreich die Phänomene erklären, die den Beobachtungen zugänglich sind. Die uns umgebende Alltagswelt benötigt zur physikalischen Beschreibbarkeit nicht die Klärung der Frage, worum es sich bei der Dunklen Energie oder Dunklen Materie handelt. Schwarze Löcher und auch der Urknall lassen sich aber nicht mit den für die Alltagswelt geltenden Gesetzen und Regeln verstehen.

Wir Menschen müssen uns – was das Verständnis dieser Teile des Kosmos angeht – „vorantasten“. Diese Fragestellungen sind Teil der aktuellen und zukünftigen Forschung. Bislang konnten wir die notwendigen Beobachtungen noch nicht machen. Die Forschung befindet sich im Umbruch und das Buch beschreibt zukünftige Perspektiven und Möglichkeiten. Geben Sie der Forschung noch ein bisschen Zeit!

Die Wissenschaft beginnt nun, sich den oben genannten Fragen zu stellen. Allerdings muss sich ein Umdenken und eine Öffnung zu den doch relativ neuen Fragestellungen erst bilden. Ich organisiere gerade mit meinen internationalen Kollegen eine Konferenz zu diesem Thema (Black Holes: From Quantum to Gravity). Wir bringen in dieser Konferenz Kollegen zusammen (April 2012, Malta), die weltweit an verschiedenen Theorien der Quantenphysik, der Quantengravitation, der Gravitation und der Schwarzen Löcher arbeiten. Ich erhoffe mir eine rege Diskussion und den Austausch neuer Ideen zu diesen Themen.

Ihr Spezialgebiet sind Schwarze Löcher. Gibt es die nun, oder nicht? Was wissen wir sicher? Was ist ein schwarzes Loch nach dem heutigen Kenntnisstand? Und warum ist eins mitten in unserer Milchstraße?

Theoretisch ist ein Schwarzes Loch die Lösung einer Formel. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Raumzeit-Krümmung durch Massen. Karl Schwarzschild fand als erster eine Speziallösung dieser Formeln: ein Schwarzes Loch. Demnach sind Schwarze Löcher extrem dichte Objekte, so dicht, dass nicht mal Licht ihnen entkommen kann. Sie erzeugen aufgrund ihrer Schwerkraft eine unvorstellbare Krümmung von Raum und Zeit. Alles, was ihnen zu nahe kommt, ist für immer verloren und wird „verschluckt“.

Was die Beobachtungen angeht, haben Astronomen am Himmel Objekte gefunden, die sich am besten als Schwarze Löcher beschreiben lassen. Sie wirken so, wie man dies nach der Theorie erwarten würde. Ein Schwarzes Loch ist aber prinzipiell unbeobachtbar, da nicht einmal Licht entweichen kann. Was also beobachten die Astronomen?

Die spektakuläre Wirkung eines Schwarzen Lochs auf seine Umgebung kann beobachtet werden. So lässt sich aus der beobachteten Bewegung von Sternen um das Zentrum unserer Milchstraße auf die Existenz eines ca. vier Millionen Sonnenmassen schweren Schwarzen Lochs schließen. Unklar ist noch, wie das Schwarze Loch in unserer eigenen Galaxie entstanden und „aufgewachsen“ ist. Wann hat es sich gebildet und wie ist es angewachsen? „Unser“ supermassives galaktisches Schwarzes Loch ist verhältnismäßig ruhig – es scheint wenig Materie zu verschlucken. Vermutlich haben sich die supermassiven Schwarzen Löcher (Millionen bis Milliarden Sonnenmassen schwer) in den Anfängen unseres Kosmos gemeinsam mit den sie umgebenden Galaxien gebildet. Mit der Zeit – im Lauf der kosmischen Geschichte – sind die Schwarzen Löcher durch das Aufsammeln von Materie schwerer geworden.

Aktive Schwarze Löcher lassen sich anhand ihrer Aktivität auffinden. Aktivität bedeutet, das Schwarze Loch wird gerade gefüttert: Materie (Gas, Staub, etc.) fällt in den Schwerkraftschlund. Die Fütterung kann man noch sehen! Bevor die Materie auf Nimmerwiedersehen verschwindet, wird starke Strahlung (z.Bsp. Röntgenstrahlung) abgestrahlt. Dabei werden auch riesige „Jets“ (Energieströme) über die Heimatgalaxien hinaus in den Weltraum geschleudert.

Astronomen beobachten aktive supermassive Schwarze Löcher und ihre Jets über große Distanzen hinweg, bis an den Rand des für uns beobachtbaren Weltraums – über Milliarden von Lichtjahren. Neben den supermassiven gibt es vermutlich auch die stellaren Schwarzen Löcher, die sich als Endphasen massereicher Sterne bilden können.

Gibt es sie oder gibt es sie nicht? Schwarze Löcher beschreiben die Tausenden von astronomischen Beobachtungen am besten. Indirekt ist ihre Existenz längst bewiesen, der direkte Beweis ihrer Existenz steht aber noch aus.

Warum sind gerade schwarze Löcher so interessant und zentral für unser Verständnis des Universums? Können sie kurz erläutern, welche Fragen mit Schwarzen Löchern verknüpft sind, und wie sie uns helfen können, diese Fragen vielleicht zu beantworten?

Das Phänomen der Schwarzen Löcher ist darum so faszinierend und wichtig, da unsere bekannten physikalischen Gesetze dort nicht mehr gelten. Um Schwarze Löcher vollständig verstehen zu können, benötigen wir ein Verständnis der Vorgänge und eine Beschreibung dieser Vorgänge durch physikalische Gesetze. Diese sind noch nicht bekannt, wir befinden uns auf Neuland …

Bei einem Schwarzen Loch handelt es sich um ein unglaublich dichtes Objekt – eine große Masse auf unendlich kleinem Raum. In der Sprache der Physiker handelt es sich um eine Singularität und einen Ereignishorizont. Verstehen wir die Regeln, nach denen ein Schwarzes Loch funktioniert, sind wir physikalisch gesehen einen großen Schritt weiter. Vermutlich könnten wir dann generell besser verstehen, wie Sterne sich entwickeln, wie Galaxien sich bilden, ob es den Urknall gab und wie er abgelaufen sein könnte. Das Verständnis Schwarzer Löcher könnte ein Schlüssel zu einem besseren Verständnis der kosmischen Vorgänge sein.

Gesetzt den Fall, wir finden die Weltformel. Was meinen sie hätte das für Auswirkungen? Welche Türen würde uns das öffnen?

Ich bin skeptisch, dass es eine Weltformel geben kann … Gäbe es die Weltformel, würde dies zu einem elementaren Verständnis aller physikalischen Vorgänge führen. Wir wüssten dann vermutlich, was mit Schrödingers Katze passiert und könnten das „Würfeln“ in der Quantentheorie verstehen. Dann wären Singularitäten und Unendlichkeiten kein Thema mehr. Wir könnten Phänomene wie Schwarze Löcher oder den Urknall verstehen und darstellen.

Eine Weltformel sollte nicht nur physikalische sondern auch biologische Vorgänge beschreiben können. Ein solches Wissen würde unser Verständnis der Welt vermutlich grundlegend ändern.

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Bilder: Schwarzes Loch Grafik: Alain r cc-by-sa; Andere: NASA cc-by

Buch

Verbotenes Universum
Die Zeit der Schwarzen Löcher

Silke Britzen

Goldegg Verlag

270 Seiten
ISBN: 978-3-902729-63-7