Fünf Wissenschaftler diskutieren: Hat das Universum ein Ende?

„Hat das Universum ein Ende? Hat die Zeit eine Länge…?“ Genau diese Fragen aus Film und Fernsehen bereiten Wissenschaftlern derzeit Kopfzerbrechen. Ist das Universum unendlich? Eine konkrete Antwort können wir derzeit noch nicht geben. Einige Physiker haben vorgeschlagen, dass die Geometrie des Universums einem geschlossenen Donut entspricht, was darauf schließen lässt, dass das Universum endlich ist. Andere Wissenschaftler glauben an das Konzept der schnellen Inflation und sind der Meinung, dass wir das Konzept von Materie und Existenz nur im beobachtbaren Universum verstehen können. In diesem Artikel äußern fünf Wissenschaftler, darunter Astronomen, Wissenschaftsphilosophen und Wissenschaftshistoriker, ihre eigene Meinung zur Frage, ob das Universum unendlich ist.

Von Noor Gillani

Zusammengestellt von Tian Fang

Wir wissen bereits, dass sich das Universum ausdehnt, doch die Forschung der letzten Jahre hat ergeben, dass die Expansionsrate viel schneller ist als erwartet.

Trotz großer Durchbrüche in der Teleskop- und Satellitentechnologie geht man davon aus, dass es im Universum noch immer viele Dinge gibt, die weit außerhalb unserer Sicht liegen, jenseits des sogenannten beobachtbaren Universums.

Dies bedeutet auch, dass wir uns noch nicht sicher sind, welche Form das gesamte Universum hat – ist es ein geschlossener kosmischer „Donut“, eine Ebene, die sich wie ein unendlich großes Blatt Papier ausdehnt, oder eine riesige Kugel, die sich ständig ausdehnt?

Kosmologen sprechen oft von Donuts ohne Kanten und Ecken – ringförmigen Strukturen. Zyklen sind sehr wichtige mathematische Strukturen.

Wissenschaftler möchten verstehen, wo der Weltraum endet und wie es dort unten aussehen könnte. Wie sehen sie das Schicksal des Universums, wird es sich für immer ausdehnen? Wir haben fünf Wissenschaftler interviewt, und es scheint noch keine endgültige Schlussfolgerung zu geben.

Hier sind ihre Antworten.

Anna Moore (Professorin am Space Institute der Australian National University und Astronomin): Vielleicht

Kurz gesagt: „Wir wissen nicht, ob das Universum endlich ist oder nicht.“ Wir wissen, dass das beobachtbare Universum – der Teil, den wir deutlich sehen und messen können – vor 13,8 Milliarden Jahren beim Urknall entstand. Wir wissen also, dass das Alter des Universums endlich ist, zumindest kann es vom Urknall an gezählt werden. Aber das Universum wird jetzt größer. Es hat sich seit dem Urknall in alle Richtungen ausgedehnt und tut dies immer noch (und in letzter Zeit sogar mit zunehmender Geschwindigkeit).

Die Reststrahlung des Urknalls, die sogenannte kosmische Mikrowellenhintergrundstrahlung, stellt das früheste Bild eines kleineren, heißeren und dichteren Universums dar. Anhand früher Bilder können wir die Form (oder Geometrie) des Universums im größten Maßstab verstehen. Dieses Wissen ist für uns sehr wichtig, um zu verstehen, ob das Universum unendlich oder endlich ist.

Die Ergebnisse der Satellitenerfassung zeigen, dass das Universum eine flache geometrische Form hat. In einem flachen Universum würden zwei nebeneinander in den Weltraum geschossene Lichtstrahlen immer parallel bleiben und sich nie kreuzen oder voneinander entfernen. Aus dieser Perspektive können wir ein zylinder- oder torusförmiges (Donut-) Universum immer noch als „flach“ betrachten.

Die derzeitige Detektionstechnologie ist nicht präzise genug, um uns zu sagen, ob die flache Geometrie des Universums durch ein Blatt Papier, einen Zylinder, einen Torus oder eine andere Struktur dargestellt werden kann, die zwei Lichtstrahlen parallel durchlässt. Ein unendliches Universum könnte eine flache geometrische Form sein, wie ein Blatt Papier, das sich unendlich ausdehnt und alle Möglichkeiten enthält, wie zum Beispiel unendlich viele Versionen von uns selbst. Andererseits müsste ein donutförmiges Universum endlich sein, da es geschlossen wäre. Doch bis heute kennen wir weder die Form noch die Größe des Universums.

Sara Webb (Doktorandin der Astrophysik an der Swinburne University of Technology): Ja.

Ich glaube, dass das Universum unendlich ist. Wir wissen, dass das Universum aus dem Urknall entstanden ist. Aus Beobachtungen wissen wir noch nicht, wo es seinen Ursprung hat, aber der Urknall hat stattgefunden. Egal, wo Sie sich im Universum befinden (in der Milchstraße oder weit weg), das Universum dehnt sich in alle Richtungen aus, mit Ihnen als Mittelpunkt. Wir gehen heute davon aus, dass das Universum etwa 13,8 Milliarden Jahre alt ist, was bedeutet, dass es sich stark ausgedehnt hat. Logischerweise können wir den Radius des Universums auf 13,8 Milliarden Lichtjahre schätzen, oder?

Der Radius des beobachtbaren Universums beträgt jedoch tatsächlich 46 Milliarden Lichtjahre. Dies bedeutet, dass das erste Licht, das wir sehen können (380.000 Jahre nach dem Urknall), aus einer Entfernung von 46 Milliarden Lichtjahren kam. Dies ist auf die sogenannte „schnelle Inflation“ zurückzuführen. Wir haben jedoch keinen Grund anzunehmen, dass der Rand des beobachtbaren Universums der Rand des tatsächlichen Universums ist.

Wir neigen dazu, uns Dinge als dreidimensionale Formen vorzustellen, beispielsweise als Kugeln, Würfel oder Kegel. Wir können uns das Universum als eine sich unendlich ausdehnende Kugel vorstellen. Oder es könnte sich so krümmen, dass es ein geschlossenes System (ein Donut) wird, in dem man weit genug in einer geraden Linie segeln kann und schließlich wieder dort landet, wo man angefangen hat – das Universum ist endlich.

Ich tendiere jedoch zu einer anderen Möglichkeit, nämlich der Inflation nach dem Urknall. Einer Theorie zufolge handelt es sich bei der Inflation eigentlich um eine ewige Inflation, das heißt, sie hat immer hier oder dort stattgefunden, wodurch das Universum unendlich wird. Dies erfordert eingehende Forschung zu so unvorstellbaren Theorien wie Quantenfluktuationen und sogar dem Multiversum. Wie könnte ich mir als Science-Fiction-Fan nicht wünschen, dass es wahr wäre?

Tanya Hill (Ehrenamtliche Forschungsstipendiatin, Universität Melbourne, leitende Kuratorin, Museums Victoria, Astronomin): Ja.

Das Universum, das wir sehen können, ist endlich. Das beobachtbare Universum ist endlich und wird nicht ewig existieren. Es erstreckt sich 46 Milliarden Lichtjahre um uns herum (obwohl unser Universum 13,8 Milliarden Jahre alt ist und sich ausdehnt, ist das beobachtbare Universum viel größer).

Der Mittelpunkt des beobachtbaren Universums sind wir. Auch Außerirdische in weit entfernten Galaxien könnten über ein beobachtbares Universum verfügen, dessen Mittelpunkt sie selbst sind. Zwar kann es zwischen den beobachtbaren Zentren des Universums eine gewisse Überlappung geben, doch wird es unvermeidlich Regionen geben, die wir nicht sehen können. Daher ist es uns unmöglich zu sagen, ob das Universum endlich ist oder nicht, da wir es nicht in seiner Gesamtheit sehen können. Stattdessen näherten wir uns dem Problem, indem wir die Form des Universums erforschten. Obwohl wir die Form des gesamten Universums nicht kennen, wissen wir, dass der Teil des Universums, in dessen Mittelpunkt wir uns befinden, flach ist. Dies bedeutet, dass zwei Raketen, die parallel fliegen, unter Geschwindigkeitsregelung immer parallel bleiben. Da der Weltraum keine Krümmung aufweist, können die Raketen niemals aneinander vorbeifliegen oder sich voneinander entfernen.

Ein flaches Universum könnte unendlich sein, wie ein zweidimensionales Blatt Papier, das sich unendlich ausdehnt. Es könnte aber auch endlich sein, etwa wenn man aus einem Stück Papier einen Zylinder formt und die beiden Enden zu einem Donut verbindet. Das ist das Problem.

Darüber hinaus gibt es viele Möglichkeiten, wie das Universum gekrümmt sein könnte, wir leben jedoch in einer flachen Region. Dies ist eine ganz besondere Situation, die wir mit der Theorie der „Inflation“ erklären. Unter Inflation versteht man die schnelle Ausdehnung des Universums in einem kurzen Zeitraum zu einem sehr frühen Zeitpunkt, was alle Krümmungen und Krümmungen in unserem Raum erklärt. Nach der Inflationsphase nahm das Universum die Form an, die wir heute sehen. Doch die Inflation könnte Auswirkungen haben, die über unser eigenes Universum hinausgehen. vielleicht passiert es auch anderswo, und zwar gerade jetzt. Wie groß würde das gesamte Universum oder sogar das Multiversum werden? Für mich eröffnet es die Möglichkeit, dass ein unendliches Universum leichter vorstellbar ist als ein endliches.

Sam Baron (Außerordentlicher Professor, Australian Catholic University, Wissenschaftsphilosoph): Nein.

Es gibt eine konventionelle Ansicht, die davon ausgeht, dass der Raum unendlich ist, aber ich denke, das ist falsch. Es geht ungefähr so: Wenn das Universum endlich ist, dann muss es eine Grenze haben. Aber stellen Sie sich vor, Sie fliegen mit einem Raumschiff in die Tiefen des fernen Universums und entdecken die Grenze des Universums. Das wäre unglaublich – wie würde die Grenze aussehen? Daher muss sich das Universum für immer erstrecken.

Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, den Platz einzuschränken. Es könnte sich um einen Torus handeln, räumlich begrenzt, aber ohne Grenzen, wie ein kosmischer Donut. Wenn das Universum die Form eines Donuts hat, dann gibt es einen sehr wissenschaftlichen Test, um zu überprüfen, ob das Universum endlich ist.

Angenommen, Sie richten einen Lichtstrahl auf eine sehr weit entfernte reflektierende Oberfläche. Wenn die reflektierende Oberfläche nicht glatt ist, wird das Licht in mehrere Richtungen reflektiert. Wenn das Universum die Form eines Donuts hat, wird das reflektierte Licht allmählich entlang der Form des Universums gebogen, kehrt schließlich zurück und kreuzt sich (wie in der Abbildung unten gezeigt). Dies geschieht nur unter den Bedingungen eines endlichen Universums. In einem unendlichen Universum breitet sich das Licht unendlich aus.

Stellen Sie sich nun vor, Sie stehen dort, wo sich die Strahlen kreuzen. Sie drehen sich um und sehen das Objekt, das das Licht reflektiert hat. Wenn Sie sich in die andere Richtung drehen, sehen Sie immer noch dasselbe Objekt, aber das Licht kommt aus einem anderen Winkel. Wenn es sich bei der Reflexion um einen weit entfernten Planeten handelt, können Sie denselben Planeten zweimal sehen. Wissenschaftler haben begonnen, im schwachen Schein, der vom Urknall übrig geblieben ist, nach diesem Spiegelkabinett-Effekt zu suchen. Es könnte Hinweise auf die Größe und Form des Universums liefern. Obwohl es bisher noch keine endgültigen Ergebnisse gibt, stellt sich die Frage, was die Menschheit noch alles entdecken kann, während sie ihre Forschung fortsetzt.

Ein Test, um festzustellen, ob der Raum endlich ist: Wenn wir Licht von einem Objekt reflektieren, sehen wir die Reflexion zweimal; dann ist der Raum, in dem wir leben, wahrscheinlich endlich und gekrümmt!

Kevin Orrman-Rossiter (Doktorand in Geschichte und Philosophie der Wissenschaften, Universität Melbourne): Nein

Wenn wir an „Unendlichkeit“ denken, meinen wir normalerweise etwas, das grenzenlos oder endlos ist. Meiner Ansicht nach ist das Universum endlich. Um diesen Punkt zu verdeutlichen, nehmen wir vorübergehend an, dass das Universum unendlich ist. Ein sehr einfaches Beispiel ist, dass ich ein Raumschiff nehme und in eine beliebige Richtung aufbreche und nie die Grenze erreiche. Bei diesem Experiment gibt es allerdings ein Problem: Ich müsste möglicherweise unendlich lange fliegen, um sicherzustellen, dass es keine Grenze für „ein bisschen weiter“ gibt, und dabei spielt es keine Rolle, mit welcher Geschwindigkeit ich reise. Um die Hypothese zu beweisen, dass das leere Universum unendlich ist, muss meine Reise unendlich sein. Offensichtlich gibt es derzeit nicht viele Institutionen, die solche Experimente finanzieren würden.

Dies legt nahe, dass wir, um zu beweisen, dass das Universum unendlich ist, eher auf Beobachtungen zurückgreifen müssen als auf direkte Experimente. Im letzten Jahrhundert haben wir durch Beobachtungen viel über das Universum gelernt. Wir wissen, dass das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren entstand. Aus Beobachtungen wissen wir außerdem, dass sich das Universum ausdehnt. Wir haben Mikrowellen-Hintergrundstrahlung entdeckt, vermutlich eine Reststrahlung vom Urknall. Das Universum, das wir heute sehen, ist ein sich langsam ausdehnendes Netz von Galaxien.

Eine Schlüsselfrage der Kosmologie besteht darin, ob diese Expansion anhält, ob sie ihre Geschwindigkeit ändert oder ob sie umgekehrt werden kann. Um diese Frage zu beantworten, müssen Sie die Eigenschaften von dunkler Materie und dunkler Energie verstehen.

Ein interessanter Punkt ist, dass ungeachtet des Modells des Universums (und es fehlen hier noch immer sehr wichtige Teile) die gegenwärtige kosmologische Denkweise davon ausgeht, dass das Universum ein Ende haben wird und nicht für immer existieren wird. Die Existenz des Universums ist zeitlich begrenzt und um auf meinen Punkt zurückzukommen: Ich bin der Meinung, dass unsere Weltraumreise irgendwann enden sollte.

Verweise

1. https://www.space.com/33892-cosmic-microwave-background.html

2. https://www.quantamagazine.org/what-shape-is-the-universe-closed-or-flat-20191104

3. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/10/14/ask-ethan-is-the-universe-finite-or-infinite/?sh=7429ea2d4967

4. https://www.space.com/31465-is-our-universe-just-one-of-many-in-a-multiverse.html

5. https://www.nature.com/articles/news.2008.854

6. https://www.newscientist.com/article/dn4250-tantalising-evidence-hints-universe-is-finite/

7. https://press.princeton.edu/books/hardcover/9780691196022/cosmology-century

Mehr als 70 % des Universums bestehen aus dunkler Energie, dem mysteriösen Stoff, der noch seltsamer ist als dunkle Materie