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Kosmologie - Vom Anfang und Ende der Zeit

Wie kam es, vor 20 Milliarden Jahren, zum »Big Bang«, dem Urknall bei der Geburt des Universums? Läßt sich der turbulente Start des Kosmos in Formeln fassen? Kein anderer Wissenschaftler hat in den letzten zehn Jahren gründlicher über die Entstehung des Weltalls nachgedacht als der Brite Stephen W. Hawking, den seine Fachkollegen für ein Jahrhundertgenie wie Albert Einstein halten. Nun sucht der unheilbar kranke, seit Jahren an den Rollstuhl gefesselte Cambridge-Gelehrte nach einer Universaltheorie. *
aus DER SPIEGEL 36/1984

Die Stunde Null des Universums schlug vor rund 20 Milliarden Jahren. Eine winzige, fast ausdehnungslose Kugel, bestehend aus unvorstellbar dicht zusammengepreßter Materie und placiert im Nirgendwo, glühte plötzlich auf und explodierte - es begann ein kosmisches Feuerwerk, das Sonnen und Monde, Kometen, Planeten und funkelnde Galaxien hervorbrachte.

Kaum ein Wissenschaftler zweifelt mehr an der Theorie vom Urknall ("Big Bang"), der Lehre vom gewaltsam anmutenden, turbulenten Start des Weltalls. Längst haben die Himmelsforscher im scheinbar chaotisch durcheinandergewirbelten Universum strenge Ordnungsprinzipien erkannt, die es möglich machen, den Entstehungsprozeß des Kosmos bis in die Nähe des Ursprungs zurückzuverfolgen.

Was aber war vor dem großen Knall? Galten die Naturgesetze mit ihren Konstanten wie Lichtgeschwindigkeit und Schwerkraft auch schon vor dem Big Bang? Wird sich das Universum, wie bislang, unablässig weiter ausdehnen - oder wird es dereinst zusammenstürzen und wieder zu einem punktförmigen, unendlich dichten Klümpchen Materie schrumpfen? Und schließlich: Würde am Todestag des Weltalls auch der Zeitstrom ein für allemal versiegen?

Mit Fragen von so betäubender Wucht beschäftigt sich seit Jahren der britische Mathematiker und Kosmologe Stephen W. Hawking, 42, ein profunder Denker, den Fachkollegen wegen seiner bahnbrechenden Einsichten gern mit Albert Einstein vergleichen. Kein anderer Theoretiker, so rühmen die Experten, sei mit den kosmischen Mysterien so vertraut wie der Professor von der Universität Cambridge, der seiner Zunft immer wieder, meist mit genialen mathematischen Gedankensprüngen, neue Forschungspfade gewiesen habe.

In einem Essay mit dem Titel »Die Kante der Raumzeit«, erschienen in der jüngsten Ausgabe der Wissenschaftszeitschrift »American Scientist«, hat Hawking jetzt die Linie abgesteckt, an der die Lehre von der Entstehung des Universums derzeit haltmacht - der Artikel beschreibt, auch für Laien halbwegs verständlich, ein Dilemma der Forscher: Noch fehle, meint Hawking, ein übergreifendes mathematisches Denkmodell, das eine schlüssige Antwort auf die Frage nach Geburt und Tod des Weltalls, nach Anfang und Ende der Zeit ermöglichen würde.

Doch Hawking, der infolge einer unheilbaren Muskelkrankheit fast völlig gelähmt ist, zeigt sich optimistisch: Es gebe, glaubt er, die »vernünftige Chance«, daß eine umfassende Weltformel »bis zum Ende des Jahrhunderts« entdeckt werde. Er selber, obgleich an den Rollstuhl gefesselt und von den Ärzten längst aufgegeben, scheint entschlossen, an der Lösung der einschüchternd schwierigen Denkaufgabe nach Kräften mitzuwirken.

Für Überraschungen allerdings hat der zierliche Gelehrte zeitlebens gesorgt. Als er mit 20 Jahren an Muskelschwund erkrankte, einem Leiden, das normalerweise innerhalb weniger Jahre zum Tode führt, versank er zunächst in Apathie und tiefe Depressionen. Dann aber raffte er sich auf; er brachte sein Studium zum Abschluß und heiratete, wurde Vater von drei Kindern, ging für ein Studienjahr nach Kalifornien und widmete sich mit Hochdruck dem, wie er sich erinnert, damals »noch sehr unentwickelten

Forschungsfeld der Kosmologie«.

Während seine Krankheit unaufhaltsam, doch allmählich langsamer fortschritt, vertiefte sich Hawking in ein kosmisches Rätsel, das die Astrophysiker, Anfang der siebziger Jahre, erst seit kurzer Zeit beschäftigte. Amerikanische Forscher hatten, aufgrund mathematischer Kalkulationen, die Existenz von sogenannten Schwarzen Löchern postuliert - ausgebrannten Sternleichen, die unter dem Druck ihrer eigenen Schwerkraft zu extrem hoch verdichteten Materieklumpen zusammengeschrumpft sind.

In den zur »Singularität« komprimierten Sonnenkadavern glaubten die Theoretiker einen kosmischen Endzustand zu erkennen: Buchstäblich nichts, nicht einmal ein flüchtiges Elementarteilchen, behaupteten sie, könne aus dem Schwerefeld der kollabierten Gestirne ins All entweichen; allenfalls wachsen könne ein Schwarzes Loch - was immer in den Sog der zeitlosen Toteninsel gerate, bleibe für alle Ewigkeit in der Schwerkraftfalle gefangen.

Hawking, der das unheimlich anmutende Szenario der Schwerkraft-Theoretiker überprüfte, kam zu seiner eigenen Überraschung zu einem anderen, komplizierteren Ergebnis: Was die Forscher bis dahin unterschiedslos allen Schwarzen Löchern zugeschrieben hatten, galt seinen Berechnungen zufolge nur für große Schwerkraft-Gestirne - und obendrein auch nur dann, wenn sie mit dem Rüstzeug der Allgemeinen Relativitätstheorie Einsteins beschrieben wurden.

Werden sie dagegen durch die Brille der Quantenmechanik betrachtet - einer Theorie, die gewöhnlich nur in der Elementarteilchenphysik angewandt wird -, so ergibt sich ein anderes Bild: Es zeigt sich, daß Schwarze Löcher keineswegs auf ewig unveränderliche Grabmäler sind; sie können, unter bestimmten Bedingungen, energiereiche Strahlung aussenden, dabei schrumpfen, womöglich sogar verdampfen und so in den Stoff- und Energie-Kreislauf des Universums zurückkehren.

Ein Astronaut, erläutert Hawking, der in eine Schwerkraftfalle geraten sei, könne mithin, verwandelt in Strahlenpartikel, von der kosmischen Toteninsel zurückgespült werden ins pulsierende All - eine, wie Hawking einräumt, »ziemlich armselige Art von Unsterblichkeit«.

Beim Studium der Schwarzen Löcher verblüffte Hawking die Fachwelt erstmals mit seiner - seither als genial gerühmten - Fähigkeit, Erkenntnisse aus unterschiedlichen, scheinbar weit auseinanderliegenden Wissenschaftssparten miteinander zu verknüpfen, eine Art von theoretischem Puzzlespiel, bei dem immer wieder neue, überraschende Muster entstehen.

Diese Kombinationsgabe, meinen Freunde, sei durch Hawkings schweres Muskelleiden eher noch stimuliert worden. Der gelähmte Kosmologe, der mittlerweile nicht einmal mehr eine Buchseite umwenden kann, liest wenig; er müsse sich, erklärt er, bei der Lektüre auf das Wesentliche beschränken und seinen Kopf von unnützem Ballast freihalten.

Selbst auf Rechenoperationen verzichtet der Mathematiker; da er unfähig ist, einen Bleistift zu halten, kann er »sehr komplizierte Gleichungen nicht bewältigen«; sie überfordern sein Gedächtnis. Statt dessen, erläutert er, habe er sich »eine geometrische Denkweise antrainiert": Er bearbeitet mathematische Probleme mit Hilfe von Kurven, Diagrammen und geometrischen Figuren, die er hinter geschlossenen Augenlidern imaginiert.

Auf diese Weise produziert er unablässig neue kosmologische Denkmodelle, die er anschließend von seinen Mitarbeitern mathematisch exakt überprüfen läßt. Viele Einfälle, die der behende assoziierende Denker an seine Kontrolleure weitergibt, erweisen sich, wie er freimütig einräumt, als unsolide. Einige allerdings gelten in der Fachwelt mittlerweile als Geniestreiche; sie verschafften ihm, 1979, an der Universität von Cambridge die akademische Würde der »Lucasian Professorship«, ein exklusives Lehramt, das traditionell nur besonders glänzenden Geistesgrößen übertragen wird - Hawkings Vorgänger: Isaac Newton und Paul Dirac, Mitbegründer der Quantentheorie.

Ausschlaggebend für die ehrenvolle Berufung dürften wohl Hawkings Versuche gewesen sein, die von ihm entwickelte Theorie der Schwarzen Löcher in ein Instrument zu verwandeln, mit dem sich auch die Geburt des Universums analysieren läßt. In kühnen und, wie gewohnt, originellen Gedankensprüngen formulierte er die Idee, das Weltall sei aus einer Singularität, sozusagen einem Schwarzen Urloch entsprungen.

Erstmals ließ sich damit die bis dahin eher vage Spekulation vom Urknall theoretisch überzeugend darlegen. Zugleich allerdings trug Hawking ein Dilemma in die kosmologische Wissenschaft, dem er schon beim Studium der Schwerkraft-Gestirne begegnet war.

Auch diesmal, bei der Frage nach der Entstehung des Weltalls, gibt es zwei einander widersprechende Antworten: Die eine beruft sich auf Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die andere auf die Quantenmechanik und auf die von dem deutschen Physiker Werner Heisenberg entdeckte »Unschärferelation«. Zwischen den beiden Denkansätzen, Eckpfeilern der modernen Physik, meint Hawking, gebe es bislang keine Brücke - sie zu bauen, glaubt er, sei die Jahrhundertaufgabe der Kosmologen.

Womöglich, so deutet er in seinem Aufsatz im »American Scientist« an, sei es zuvor erforderlich, in den Köpfen der Wissenschaftler allerlei versteckte Vorurteile abzubauen. In einem knappen Abriß der kosmologischen Wissenschaftsgeschichte versucht Hawking zu zeigen, wie heimliche Sympathien und Aversionen immer wieder das Denken der Kosmologen nachhaltig beeinflußt haben.

Daß Einstein ("Gott würfelt nicht") die Quantenphysik nicht mochte, weil sie mit einem Zufallsfaktor operiert, ist bekannt - Hawking: »Gott würfelt nicht nur, er wirft die Würfel sogar manchmal so, daß man sie nicht sehen kann.«

Ähnliche Vorurteile, nur mit umgekehrtem Vorzeichen, glaubt Hawking auch bei anderen Forschern zu entdecken. Manche von ihnen, notiert er, »verabscheuen etwa die Idee, daß die Zeit einen Anfang und ein Ende haben könnte, weil das nach göttlicher Intervention schmeckt« - sie geben sich, laut Hawking, deshalb oft beträchtliche Mühe, Modelle eines statischen, endlich im Zeitstrom dahintreibenden Universums zu entwerfen.

Für Hawking, der seit zwei Jahrzehnten in seinem Rollstuhl langsam dahinsiecht, wird sich das Problem der Zeit, wissenschaftlich exakt, erst mit Hilfe einer noch nicht gefundenen Weltformel lösen lassen. Immerhin aber riskiert er, am Ende seines Artikels, einen prüfenden Blick auf die »Kante der Raumzeit«.

Hat sie mit dem großen Knall beim Start des Universums begonnen? Hawkings vorläufige Antwort: »Die Quantität, die wir als Zeit messen, hatte einen Anfang, was aber nicht bedeutet, daß sie eine Grenze hat - genauso wie die Erdoberfläche am irdischen Nordpol nicht einfach aufhört.«

In der Nähe des Urknalls, im Frühstadium des Weltalls, sei die Zeit »schlecht definiert« - »genauso wie die Richtung Norden am irdischen Nordpol aufhört, gut definiert zu sein«.

Das, so Hawking, sei ihm vom Nordpol zumindest berichtet worden - »ich selbst war noch nicht dort«.

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