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30. Mai 2010, 06:51 Uhr

Kosmologie

Leben im Multiversum

Von Alejandro Jenkins und Gilad Perez

Es ist ein fesselnder Gedanke: Was wäre, wenn unser Universum nicht das einzige ist? Könnte es auch in einem Paralleluniversum mit anderen Naturgesetzen Leben geben? Aktuelle Forschungen zeigen: Wenn die anderen Welten wirklich existieren, dann können sie durchaus lebensfreundlich sein.

Der Actionheld eines typischen Hollywoodstreifens lebt extrem gefährlich. Immer wieder schießen Scharen von Gangstern aus allen Rohren auf ihn und verfehlen nur um Haaresbreite ihr Ziel. Vor dem Feuerball eines explodierenden Autos entkommt er mit knapper Not durch einen halsbrecherischen Sprung. Als der Bösewicht ihm schon das Messer an die Kehle setzt, retten ihn Freunde in letzter Sekunde. Wäre auch nur eines dieser Ereignisse ein klein wenig anders verlaufen - unser Held hätte das Happy End nicht erlebt. Doch obwohl wir den Film zum ersten Mal sehen, wissen wir, dass er davonkommen wird.

In mancher Hinsicht gleicht die Geschichte unseres Universums dem Actionfilm. Mehrere Physiker meinen, schon die kleinste Änderung eines einzigen physikalischen Gesetzes hätte die normale Entwicklung des Universums derart empfindlich gestört, dass es uns gar nicht gäbe. Wäre zum Beispiel die starke Kraft, welche die Atomkerne zusammenhält, nur ein wenig stärker oder schwächer, so hätten die Sterne nur wenig Kohlenstoff und andere Elemente gebildet, die offenbar nötig sind, damit Planeten entstehen - von Leben ganz zu schweigen. Wäre das Proton nur 0,2 Prozent schwerer, so zerfiele der gesamte uranfängliche Wasserstoff fast sofort zu Neutronen, und nie wären Atome entstanden. Die Liste ist lang.

Anscheinend sind die physikalischen Gesetze - insbesondere die darin enthaltenen Naturkonstanten für die Stärke der fundamentalen Kräfte - fein darauf abgestimmt, unsere Existenz zu ermöglichen. An Stelle einer übernatürlichen Erklärung, die per definitionem den Rahmen der Wissenschaft sprengen würde, stellten Physiker und Kosmologen in den 1970er Jahren die Hypothese auf, unser Universum sei nur eines von vielen, in denen jeweils eigene Gesetze herrschen. Nach dem "anthropischen Prinzip" bewohnen wir just dasjenige Universum, dessen Bedingungen zufällig Leben ermöglichen.

Erstaunlicherweise besagt die seit den 1980er Jahren dominierende Theorie der modernen Kosmologie, dass es solche Paralleluniversen wirklich gibt: Aus dem primordialen Vakuum entspringt unentwegt eine Vielzahl von Universen, jedes mit seinem eigenen Urknall. Unser All ist demnach nur eine von vielen Blasen innerhalb eines umfassenden Multiversums. In fast all diesen Universen erlauben die physikalischen Gesetze wahrscheinlich weder die Bildung von Materie in unserem Sinn noch von Galaxien, Sternen, Planeten und Leben. Nur wegen der überwältigenden Anzahl von Möglichkeiten hatte die Natur eine Chance, einmal die "richtige" Kombination von Gesetzen zu treffen.

Doch wie wir kürzlich entdeckt haben, müssten einige dieser anderen Universen - sofern sie überhaupt existieren - gar nicht so unwirtlich sein. Wir haben Beispiele für alternative Werte der fundamentalen Konstanten und somit für abgewandelte physikalische Gesetze gefunden, die zu sehr interessanten Welten und vielleicht sogar zu Leben führen können. Die Grundidee dabei ist: Man verändert einen Aspekt der Naturgesetze und passt andere Aspekte entsprechend an. Allerdings ignoriert unsere Arbeit das größte Abstimmungsproblem der theoretischen Physik - den kleinen Wert der kosmologischen Konstante, dank dessen unser All weder Sekundenbruchteile nach dem Urknall sofort wieder kollabierte noch durch eine exponentiell beschleunigte Expansion zerrissen wurde. Dennoch werfen unsere Beispiele für alternative, möglicherweise bewohnbare Universen die interessante Frage auf, wie einzigartig unser eigenes Universum wohl sein mag.

Leben ohne schwache Kraft

Um herauszufinden, ob eine gewisse Naturkonstante fein abgestimmt ist, behandeln die Forscher üblicherweise diese "Konstante" als einen variablen Parameter, während sie alle übrigen Konstanten festhalten. Auf Grundlage der entsprechend modifizierten Physik spielen die Forscher dann sozusagen den Film des Universums ab - mittels Berechnungen, Szenarien oder Computersimulationen -, um zu sehen, welche Katastrophe zuerst eintritt. Aber es gibt gar keinen Grund, immer nur einen einzigen Parameter zu variieren.

Das ist, als würde man versuchen, ein Auto zu steuern, indem man nur entweder seine geografische Länge oder seine geografische Breite verändert, aber niemals beide zugleich. Falls man nicht ausnahmsweise auf einem Gradnetz entlangfährt, wird man unweigerlich von der Straße abkommen. Besser ist es, mehrere Parameter gleichzeitig zu variieren. Um alternative Regelkombinationen aufzuspüren, die dennoch komplexe, für Leben taugliche Strukturen zulassen, hat einer von uns (Perez) mit seinem Team nicht nur ein bisschen an den physikalischen Gesetzen herumgespielt, sondern eine der vier fundamentalen Naturkräfte komplett eliminiert.

Wie schon der Name sagt, gelten die vier Grundkräfte als unentbehrlich für jedes halbwegs respektable Universum. Ohne die starke Kernkraft, die Quarks zu Protonen und Neutronen verbindet und diese wiederum zu Atomkernen, gäbe es keine Materie, wie wir sie kennen. Ohne die elektromagnetische Kraft gäbe es kein Licht, keine Atome und keine chemischen Bindungen. Ohne Gravitation gäbe es keine Kraft, die Materie zu Galaxien, Sternen und Planeten zusammenballt.

Die vierte Grundkraft, die schwache Kernkraft, macht sich zwar im Alltag weniger bemerkbar, hat aber in der Geschichte unseres Universums eine wichtige Rolle gespielt. Unter anderem ermöglicht sie die Umwandlung von Neutronen in Protonen und umgekehrt. Nachdem sich in den ersten Augenblicken des Urknalls je drei Quarks zu Protonen oder Neutronen vereinigt hatten, konnten Vierergruppen von Protonen durch Kernfusion zu Helium-4-Kernen verschmelzen, die aus zwei Protonen und zwei Neutronen bestehen. Diese Urknall-Nukleosynthese fand statt, als es im wenige Sekunden alten Universum nicht mehr zu heiß für die Bildung von Baryonen war, aber noch heiß genug für deren Kernfusion. Dabei entstanden zunächst Wasserstoff und Helium, die später Sterne bildeten, in denen wiederum durch Kernfusion und andere Prozesse fast alle natürlich vorkommenden Elemente erzeugt wurden. Noch heute läuft die Fusion von vier Protonen zu Helium-4 im Inneren unserer Sonne ab und liefert den Großteil der Energie, die wir von ihr empfangen.

Könnte ein Universum ohne schwache Kernkraft eine komplexe Chemie oder gar Leben hervorbringen? Tatsächlich entdeckten Perez und sein Team im Jahr 2006 eine Gruppe physikalischer Gesetze, die nur auf den übrigen drei Naturkräften beruht und dennoch zu ansehnlichen Universen führt. Dafür musste freilich das so genannte Standardmodell der Teilchenphysik, das alle Kräfte außer der Gravitation beschreibt, mehrfach modifiziert werden. Wie das Team zeigte, verhalten sich dann die übrigen drei Kräfte - sowie die Quarkmassen und andere Parameter - wie in unserer Welt. Wir möchten betonen, dass wir dabei möglichst konservativ vorgingen, um die Berechnungen zu erleichtern. Es könnte durchaus viele andere Welten ohne schwache Kraft geben, die bewohnbar, aber von unserem Universum völlig verschieden sind.

Ohne schwache Kraft können Protonen nicht zu Helium fusionieren, denn dafür müssen sich zwei Protonen in Neutronen verwandeln. Doch für die Erzeugung der Elemente stünden andere Wege offen. Zum Beispiel enthält unser All ungeheuer viel mehr Materie als Antimaterie, und eine kleine Anpassung des Parameters, der diese Asymmetrie kontrolliert, reicht schon aus, damit die Urknall-Nukleosynthese eine gehörige Menge von Deuteriumkernen hinterlässt. Deuterium ist ein Wasserstoffisotop, dessen Kern zusätzlich zum üblichen Proton ein Neutron enthält. Die Sterne strahlen dann, indem aus der Fusion eines Protons und eines Deuteriumkerns ein Helium-3-Kern - zwei Protonen und ein Neutron - hervorgeht.

Solche "schwachlosen" (weakless) Sterne wären kälter und kleiner als in unserer Welt. Nach Computersimulationen von Adam Burrows von der Princeton University könnten sie rund sieben Milliarden Jahre lang - das entspricht dem Alter unserer Sonne - mit einigen Prozent der solaren Leistung strahlen.

Wie entstehen schwere Elemente?

Auch schwachlose Sterne könnten durch Kernfusion weitere Elemente bis hin zu Eisen synthetisieren. Doch die typischen Reaktionen, die in unseren Sternen zu noch schwereren Elementen führen, wären blockiert, weil zu wenige Neutronen für die Bildung neuer Isotope zur Verfügung stünden. Höchstens könnten durch andere Mechanismen kleine Mengen schwerer Elemente bis zu Strontium entstehen.

In unserem Universum synthetisieren zwei Typen von Supernova-Explosionen schwere Elemente und verstreuen sie in den Weltraum. Der eine Supernova-Typ, der vom Kollaps extrem massereicher Sterne verursacht wird, kommt im schwachlosen Universum nicht vor, denn dafür ist die Emission von Neutrinos auf Grund der schwachen Wechselwirkung nötig; sie transportieren aus dem Sterninneren die Energie für die Stoßwelle, welche die Explosion verursacht. Hingegen ist der andere Supernova-Typ, bei dem die thermonukleare Explosion eines Sterns durch Akkretion - Einsammeln von Materie - statt durch Gravitationskollaps ausgelöst wird, auch ohne schwache Kraft möglich. Auf diese Weise könnten Elemente in den interstellaren Raum verteilt werden und dort zum Aufbau neuer Sterne und Planeten beitragen.

Da schwachlose Sterne relativ kalt sind, muss ein erdähnlicher Himmelskörper sich rund sechsmal näher an seiner Sonne aufhalten, um so warm zu bleiben wie unsere Erde. Für die Bewohner eines solchen Planeten sieht die Sonne viel größer aus. Auch sonst gibt es gewaltige Unterschiede. In unserer Welt werden Plattentektonik und Vulkanismus durch den radioaktiven Zerfall von Uran und Thorium im Erdinneren angetrieben. Ohne diese schweren Elemente hat eine schwachlose Erde wohl eine eher langweilige und strukturarme Geologie, sofern nicht Gravitationsprozesse wie auf einigen Saturn- und Jupitermonden als alternative Wärmequelle dienen.

Andererseits ist die Chemie der unsrigen sehr ähnlich. Zwar endet das Periodensystem - bis auf winzige Spuren anderer Elemente - schon bei Eisen, aber das schließt die Evolution von Lebensformen nicht aus. Somit könnte auch ein Universum mit nur drei Grundkräften Leben zulassen.

Einen anderen Ansatz verfolgt einer von uns (Jenkins) mit seinen Mitarbeitern: Sie verändern das Standardmodell nicht so radikal wie beim schwachlosen Universum, drehen aber ebenfalls an mehreren Parametern gleichzeitig. Im Jahr 2008 untersuchte Jenkins, wie weit die Massen der drei leichtesten Quarks - up, down und strange genannt - variieren dürfen, ohne die organische Chemie unmöglich zu machen. Eine Veränderung der Quarkmassen beeinflusst unweigerlich die Stabilität: Welche Baryonen und welche Atomkerne können überhaupt existieren, ohne gleich zu zerfallen? Das veränderte Angebot an Atomkernen beeinflusst wiederum die Chemie.

Eine Chemie mit anderen Quarks

Vermutlich erfordert intelligentes Leben, wenn es nicht allzu sehr von uns verschieden sein soll, eine Form von organischer Chemie, das heißt Kohlenstoffverbindungen. Die chemischen Eigenschaften von Kohlenstoff folgen aus der Tatsache, dass sein Kern die elektrische Ladung 6 trägt, weshalb ein neutrales Kohlenstoffatom sechs Hüllenelektronen hat. Damit vermag das Element eine Unzahl komplexer Moleküle zu bilden. Sciencefiction-Autoren spekulieren zwar gern über Lebensformen auf der Basis von Silizium, einem Verwandten im Periodensystem, aber offensichtlich gibt es keine einigermaßen komplexen Siliziummoleküle. Für komplexe organische Moleküle müssen außerdem Elemente mit dem chemischen Verhalten von Wasserstoff (Ladung 1) und Sauerstoff (Ladung 8) vorhanden sein. Also musste Jenkins berechnen, ob Kerne mit Ladung 1, 6 oder 8 radioaktiv zerfallen, bevor sie an chemischen Reaktionen teilnehmen können (siehe den Kasten auf der nächsten Seite).

Die Stabilität eines Kerns hängt teilweise von seiner Masse ab und diese wiederum von den Massen der beteiligten Baryonen. Das Berechnen der Baryonen- und Kernmassen aus den Massen der Quarks ist schon in unserem Universum extrem kompliziert. Doch nachdem man die Intensität der Wechselwirkung zwischen den Quarks abgeändert hat, kann man aus den in unserer Welt gemessenen Baryonenmassen abschätzen, wie eine kleine Änderung der Quarkmassen die Massen der Kerne beeinflussen würde.

In unserer Welt ist das Neutron rund 0,1 Prozent schwerer als das Proton. Wenn man die Quarkmassen so verändert, dass das Neutron um zwei Prozent schwerer wird als das Proton, gibt es keine langlebige Form von Kohlenstoff oder Sauerstoff. Bei Quarkmassen, die das Proton schwerer machen als das Neutron, fängt der Wasserstoffkern - ein Proton - das Hüllenelektron ein und verwandelt sich in ein Neutron, so dass Wasserstoffatome nicht lange existieren. Aber Deuterium oder Tritium - das Isotop Wasserstoff-3 - sowie einige Formen von Sauerstoff und Kohlenstoff können dennoch stabil sein. Wie wir herausfanden, bleibt eine Form von Wasserstoff stabil, solange das Proton nicht mehr als ein Prozent schwerer wird als das Neutron.

Wenn Deuterium oder Tritium an die Stelle von Wasserstoff tritt, bestehen die Ozeane aus schwerem Wasser, das sich physikalisch und chemisch ein wenig von gewöhnlichem Wasser unterscheidet. Dennoch gibt es in solchen Welten anscheinend kein prinzipielles Hindernis für die Evolution organischen Lebens.

In unserer Welt ist das strange-Quark zu schwer, um an der Kernphysik teilzunehmen. Doch wenn seine Masse um einen Faktor von mehr als zehn reduziert wird, könnten Kerne nicht nur aus Protonen und Neutronen entstehen, sondern auch aus anderen Baryonen, die strange-Quarks enthalten.

Zum Beispiel identifizierte Jenkins ein Universum, in dem up- und strange-Quark ungefähr die gleiche Masse haben, während das down-Quark viel leichter ist. Dann bestehen Atomkerne nicht aus Protonen und Neutronen, sondern aus Neutronen und einem Baryon namens Ó - (Sigma minus). Erstaunlicherweise enthält selbst ein derart fremdartiges Universum stabile Formen von Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff und somit organische Verbindungen. Ob diese Elemente allerdings reichlich genug zur Verfügung stehen, um Leben zu ermöglichen, bleibt eine offene Frage.

Doch falls Leben entstehen kann, geht das sehr ähnlich vor sich wie in unserer Welt. Physiker in einem solchen Universum würden sich wohl wundern, warum up- und strange- Quarks fast identische Massen haben. Vielleicht kämen sie sogar auf eine anthropische Erklärung, die sich auf die Notwendigkeit organischer Chemie beriefe. Allerdings wissen wir, dass diese Erklärung nicht zutrifft, denn unsere Welt besitzt organische Chemie, obwohl die Massen von up- und strange-Quark ganz verschieden sind.

Andererseits gäbe es in Universen, in denen die drei leichten Quarks ungefähr gleiche Massen hätten, vermutlich keine organische Chemie: Jeder Kern mit mehr als zwei elektrischen Ladungseinheiten würde fast sofort zerfallen. Leider ist es sehr schwer, die Geschichte von Welten, deren physikalische Parameter von unseren abweichen, im Detail zu beschreiben. Diese Frage erfordert weitere Forschung.

Ein Multiversum ohne Feinabstimmung?

Manche theoretische Physiker sehen in der Feinabstimmung ein indirektes Indiz für das Multiversum. Ziehen unsere Befunde deshalb die Idee eines Multiversums in Zweifel? Das meinen wir nicht - aus zwei Gründen. Den ersten Grund liefern theoretische Folgerungen aus astronomischen Daten. Sie stützen die Hypothese, dass unser Universum als ein winziges Fleckchen Raumzeit begann - vielleicht so winzig wie ein milliardstel Proton -, das dann eine Phase rapiden, exponentiellen Wachstums durchmachte, die so genannte Inflation. Zwar besitzen die Kosmologen noch kein definitives Modell der Inflation, doch theoretisch können verschiedene Flecken unterschiedlich schnell expandieren und separate Blasen bilden, aus denen jeweils ein eigenes, durch spezielle Werte der Naturkonstanten charakterisiertes Universum hervorgeht. Der Raum zwischen den Blasenuniversen expandiert so rasch weiter, dass Nachrichten oder gar Reisen von einer Blase zu anderen - selbst mit Lichtgeschwindigkeit - ausgeschlossen sind.

Der zweite Grund für die Existenz des Multiversums ist, dass jedenfalls eine Größe extrem fein abgestimmt zu sein scheint: die kosmologische Konstante, welche die Energie des Vakuums angibt. Gemäß der Quantenphysik muss selbst der leere Raum Energie enthalten. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie fordert, dass jede Energieform Gravitation ausübt. Wenn diese Energie positiv ist, verursacht sie eine exponentiell beschleunigte Expansion der Raumzeit. Ist sie negativ, kollabiert das Universum in einem großen Zermalmen (big crunch). Die Quantentheorie liefert eine - in positiver oder negativer Richtung - viel zu große kosmologische Konstante: Entweder expandiert der Raum so schnell, dass sich niemals Galaxien und andere Strukturen bilden können, oder das Universum kollabiert schon nach Sekundenbruchteilen wieder.

Um zu erklären, warum unser Universum diesen Katastrophen entgeht, muss eine andere Größe die Wirkung der kosmologischen Konstante kompensieren - und zwar mit ungemein präziser Feinabstimmung. Schon eine Abweichung in der hundertsten Stelle nach dem Komma würde zu einem völlig strukturlosen Universum führen.

Im Jahr 1987 schlug der Nobelpreisträger Steven Weinberg an der University of Texas in Austin eine anthropische Erklärung vor. Er berechnete eine mit der Existenz von Leben vereinbare Obergrenze für die kosmologische Konstante. Wäre ihr Wert größer, würde der Raum so rasch expandieren, dass keine für Leben unerlässlichen Strukturen entstehen könnten. In gewissem Sinn folgt der niedrige Wert aus unserer bloßen Existenz.

Wie Astronomen Ende der 1990er Jahre entdeckten, expandiert das Universum tatsächlich beschleunigt, angetrieben von einer mysteriösen "Dunklen Energie". Aus den Beobachtungsdaten folgt, dass die kosmologische Konstante positiv und winzig klein ist - innerhalb der Grenzen von Weinbergs Vorhersage.

Somit ist die Konstante anscheinend außerordentlich fein abgestimmt. Außerdem scheinen die Methoden, die unsere Teams auf die schwache Kraft und die Quarkmassen angewandt haben, in diesem Fall zu versagen, denn es ist offenbar unmöglich, lebensfreundliche Universen zu finden, in denen die kosmologische Konstante wesentlich größer ist als der beobachtete Wert. In einem Multiversum dürfte die übergroße Mehrzahl der Universen kosmologische Konstanten haben, die mit der Bildung irgendeiner Struktur unvereinbar sind.

Als Vergleich mit einer realen Situation - an Stelle eines Actionfilms - mögen unzählige Wanderer dienen, die in eine gebirgige Wüste aufbrechen. Die wenigen, die lebend durchkommen, erzählen von halsbrecherischen Klettertouren, Begegnungen mit Giftschlangen und anderen lebensgefährlichen Abenteuern, die samt und sonders extrem unwahrscheinlich anmuten.

Theoretische Argumente, die auf der Stringtheorie beruhen - einer spekulativen Erweiterung des Standardmodells, die alle Naturkräfte als Vibrationen mikroskopischer Fäden zu beschreiben sucht -, scheinen ein solches Szenario zu stützen. Demnach konnten die kosmologische Konstante und andere Parameter während der Inflation praktisch alle möglichen Werte annehmen; sie bildeten die so genannte Landschaft der Stringtheorie.

Unsere eigene Arbeit zieht allerdings den Nutzen des anthropischen Prinzips - außer für den Fall der kosmologischen Konstante - etwas in Zweifel. Zum Beispiel: Wenn in einem Universum ohne schwache Kraft wirklich Leben möglich ist, warum hat dann unsere Welt überhaupt eine schwache Kraft? In der Tat halten die Teilchenphysiker die schwache Kraft in unserem Universum in gewissem Sinn für nicht schwach genug. Ihr beobachteter Wert erscheint innerhalb des Standardmodells als unnatürlich stark. Die gängige Erklärung für dieses Rätsel erfordert die Existenz neuer Teilchen und Kräfte, welche die Physiker mit dem neuen Large Hadron Collider am CERN bei Genf zu entdecken hoffen.

Infolgedessen erwarten viele Theoretiker, dass in den meisten Universen die schwache Kraft so gering ist, dass sie praktisch gar nicht vorkommt. Dann stellt sich allerdings erst recht das Problem, warum wir nicht in einem Universum ohne schwache Kraft leben.

Letztlich vermag nur tieferes Wissen über die Entstehung von Universen solche Fragen zu beantworten. Insbesondere werden wir vielleicht noch fundamentalere physikalische Prinzipien entdecken, aus denen hervorgeht, dass die Natur bestimmte Gruppen von Gesetzen bevorzugt.

Direkte Indizien für die Existenz anderer Universen lassen sich wohl nie finden, und gewiss werden wir niemals eine dieser Welten - so es sie gibt - besuchen können. Doch wenn wir unsere eigene Wirklichkeit besser verstehen wollen, müssen wir mehr über entlegene Möglichkeiten nachdenken.

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