Symphonien der Raumzeit

Von Karl Sumereder

Es gibt nicht viele Erkenntnisse über das Universum, über das Naturgeschehen, über das Phänomen Leben und den ganzen Rest, die so faszinierend, so irritierend sind, wie die weltumspannenden Einsichten, die Albert Einstein mit seiner Allgemeinen Relativitätstheorie (1915, 1917) beschrieben hat. Über den engen Zusammenhang zwischen Raum, Zeit und die von ihm vorausgesagte Existenz des Phänomens von Gravitationswellen. Dass die Raumzeit gekrümmt ist, schwingt, und dabei Energie überträgt, gehört zu den erstaunlichen Erkenntnissen der Allgemeinen Relativitätstheorie, ja der ganzen Naturwissenschaft überhaupt. Demnach sind Raum und Zeit nicht eine passive und starre Bühne des ganzen Geschehens, sondern eine Einheit, die alle Ereignisse einschließt, mitgestaltet und auch von diesen geformt wird.

Nach der aktuellen kosmologischen Vorstellung wurde die Saat zur Entstehung der Sonnen, Planeten, Galaxien, schon kurz nach dem „Urknall“, gemäß dem Astrophysiker Bodo Ziegler (ORF1, 22. Juli 2021) gelegt. Kleine Unterschiede in der Verteilung der Materie/Energie hatten von Anfang an langfristige Konsequenzen. Wo es mehr Masse gab, sorgte die Gravitationskraft (Energie) dafür, dass Materie weiter konzentriert wurde und damit im Zeitablauf Sterne und Galaxien sich bildeten. Zwischen den frühen Galaxien und den Haufengalaxien, sorgte die Expansion des Raumes für große, fast leere Gebiete. Von unserer Galaxie, der Milchstraße, ist nur ein schmales, zweidimensionales Band mit sehr viel Sternen, von der Erde aus zu sehen. Die Milchstraße ist heute dank des Weltraumteleskops GAIA der Europäischen Weltraumorganisation ESA von unserer Warte aus gesehen, eine vierarmige Spiralgalaxie, mit einer zentralen Verdickung und einem Balken. Unsere Sonne und auch der Planet Erde, liegen im äußeren Bereich der Galaxie in einem der zwei kleineren Spiralarme.

Eingebettet in „dunkle Materie/dunkle Energie“

Der Begriff „gravitativ gebunden“ ergibt sich aus der Tatsache, dass jede Masse andere Massen anzieht. Gravitationskraft (Energie) gibt es im gesamten Universum. Ein großer Anteil der Masse im Universum besteht aus dunkler Materie/Energie, die weit verteilt ist. Die Gravitation kann von uns nicht abgeschirmt werden, im Unterschied zur elektromagnetischen Energie oder der Kernkraft. Die heutige Vorstellung „dunkle Materie/Energie“ ist jedenfalls ein fester Bestandteil in der kosmologischen Entstehungsgeschichte der Galaxien. Dunkle Materieteilchen, dunkle Energiewellen leuchten nicht, sind etwas das für uns nicht sichtbar ist.

Die Erde und die anderen Planeten ziehen in Kreisbahnen um die viel massenreichere Sonne und werden von ihr angezogen. Warum stürzen sie durch die Gravitationskraft der Sonne nicht ab? Universitätsprofessor Bodo Ziegler erklärt dazu, dass eine Balance zwischen der Umlaufgeschwindigkeit, der Kreisbahngeschwindigkeit, den Fliehkräften und den Anziehungskräften gegeben ist. Die Umlaufzeiten der Planeten um die Sonne werden länger, je weiter sie von ihr entfernt sind.

Es hat bis in das aktuelle Jahrhundert gedauert und einen extremen Forschungsaufwand erfordert, um Gravitationswellen direkt zu erhaschen. Raffinierte Entwicklungen der Experimentalphysik und technologische Spitzenleistungen waren dafür notwendig. Dafür, dass Gravitationswellen aus dem All mit dem LIGO-Detektor direkt gemessen werden konnten, erhielten Rainer Weiss, Kip S. Thorne und Barry C. Barish im Jahr 2017 den Nobelpreis für Physik. Die Entdeckung und Messung von Gravitationswellen ist ein Triumph für das wissenschaftliche Weltverständnis und eine Erklärung des Universums über die alltäglichen Sinneswahrnehmungen hinaus.

Wir teilen die Welt in die „Ich-Innenwelt“ und die „Du-Außenwelt“. Alles Geschehen schwingt und fließt. Die Dinge verändern sich, wie auch wir selbst.

Den Klängen der Natur und von Musik lauschen

Den Schwingungen lauschen, soweit sie direkt oder mediativ empfunden werden können. Man empfindet weniger Stress und Schmerzen, wenn man die Schwingungen von Wind, von Wasser, von Bäumen und Pflanzen, von Mit-Lebewesen aufnimmt. Auch die Musik, vor allem „punktgenaue“ Musik beeinflusst das seelische und körperliche Wohlbefinden. Durch bestimmte Rhythmen, Lautstärken und Tonhöhen wird eine vermehrte Produktion körpereigener Drogen bewirkt. Dies erhöht die Ausschüttung von Oxytocin, das soziale Bindungen fördert. So wird Musik auch in der Schmerztherapie und in der Rehabilitation nach Herzinfarkten eingesetzt. Zur Synchronisierung von Herzfrequenz und Atmung. Musikschwingungen sind etwas anderes als Geräusche und Lärm.

Die Schönheit und die Harmonie von guter Musik weisen erstaunlicherweise eine mathematische Beziehung auf. Deswegen wird auf den griechischen Philosophen Pythagoras (ca. 580–500 v. u. Z.) hingewiesen. Der Rhythmus von Tönen offenbarte ihm erstaunliche zahlenmäßige, mathematische Beziehungen, welche die Harmonien einer gezupften Saite verbinden. Pythagoras gilt als der Entdecker der siebenstufigen musikalischen Tonleiter.

Der größte von Klang, ein von Schwingungen erfüllter Raum, ist aber gemäß den aktuellen String-Theorien (siehe später) das Universum. Pulsare, Asteroiden, Planeten, Sterne und so weiter, sind Schwingungen, die so ferne extrem verlangsamt, für uns mediativ fühlbar werden. Rhythmischer, als sich Pythagoras oder der Astronom Johannes Kepler (1571–1631) die Sphärenmusik, das Echo einer universalen Potenzialität, vorgestellt hatten.

So wie schon Pythagoras vor mehr als zweieinhalbtausend Jahren die verschiedenen Schwingungen von Trommelklängen oder von Instrumentensaiten mit musikalischen Noten definierte, repräsentieren die Vibrationen gemäß der heutigen physikalischen String-Theorie alle Elemente, wie die physikalischen Teilchen, Elektronen, Quarks, Yang-Mills-Teilchen. Sie sind gemäß dieser Theorie nichts anderes als unterschiedliche Noten derselben vibrierenden Saiten.

Vier fundamentale Kräfte (Energien)

Als Isaac Newton (1643–1727) die Gesetze der Bewegungs- und Schwerkraft niederschrieb, legte er den Grundstein für die industrielle Revolution. Als Michael Faraday (1791–1867) und James Clerc Maxwell (1831–1879) die Einheit von elektrischer und magnetischer Kraft (elektromagnetische Energie) fanden, setzten sie die Revolution der Elektrifizierung in Gang. Als Albert Einstein und die Quantenphysiker die wahrscheinliche und relativistische Natur der Wirklichkeit enthüllten, war dies der Beginn der heutigen Hightech-Revolution.

Elektromagnetische Schwingungen

Es gibt ein Spektrum elektromagnetischer Strahlung mit spezifischen Wellenlängen, deren größter Teil für uns nicht sichtbar ist. Die Wellenlänge von Radio- und TV-Strahlung beispielsweise ist größer als die von uns nicht sichtbarem Licht. Die Wellenlänge der „Farben“ des Regenbogens ist größer als die von Ultraviolett- und Röntgenstrahlung. Wir können ganz allgemein aufgrund der Beschaffenheit unserer Netzhautzellen nur einen kleinen Bereich des vorhandenen elektromagnetischen Spektrums wahrnehmen.

Es ist ein Phänomen, dass Lichtwellen und Teilchen, die gemäß der Quantenphysik wie zwei gänzlich verschiedene Seiten einer einzigen Medaille erscheinen, miteinander wechselwirken können, sich auf seltsame Weise beeinflussen und sich, wie im physikalischen Doppelspaltexperiment bewiesen, überlagern können.

Eine Energieform lässt sich auf vielerlei Weise in eine andere umwandeln. Wenn man zum Beispiel in ein Mikrophon spricht, verwandelt sich die Schallenergie der Stimme, mittels der schwingenden Membran, in mechanische Energie.

Die Energie ist nicht kontinuierlich und glatt verteilt, sondern bildet kleine Pakete, die physikalischen Quanten. Quantelung ist eine Eigenschaft, die ganz verschiedene physikalische Größen (Energie, Drehimpuls, Ladung) haben, die ein Vielfaches eines kleinsten Betrages sind, eben dem Quant. Nicht atomar, sondern gequantelt sind die allerkleinsten Einheiten, die man nicht weiter teilen kann.

Mittels der Quantenphysik stieß man auf bizarre Phänomene im Universum: Schwarze Löcher, Wurmlöcher (Paralleluniversum), dunkle Materie und dunkle Energie. Die Nobelpreisträger Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg und andere entschlüsselten durch die Quantentheorie solche Geheimnisse. Dadurch wurde die High-Tech-Revolution mit Supercomputern, Lasern, Internet, Mobilphones und so weiter, erst ermöglicht.

Mittels der Quantenphysik ergaben sich auch exakte Rückschlüsse auf den Bau des DNA-Moleküls im Erbgut von Lebewesen, in Form einer Doppelhelix.

Unser Alltagsgehirn ist nicht leistungsfähig genug, um das Reich des Subatomaren, den Quarks und Antiquarks, Gluonen, Elektronen, Neutrinos, Protonen, das Higgs-Boson, alles Fermionen-Materie, gemäß dem italienischen Physiker Enrico Fermi, sowie den Bosonen, alles (Kräfte), den Photonen, Gravitonen (masselose Gravitationsquanten), Yan-Mills-Teilchen, gemäß dem indischen Physiker Satyendranath Bose, zu verstehen.

Das Universum – eine Symphonie

Ein Traum der theoretischen (String)-Physiker ist die „Große einheitliche Theorie von allem“. Eine Formel für alle physikalischen Gesetze, die das Universum im Reich des ungeheuer Großen, den Galaxien, wie auch im Reich des winzig kleinen, den Elementarteilchen, und dem Subatomaren, regieren. Zusammen mit Yoichiro Nambu, Holger Nielsen, Leonard Susskind, Gabriele Veneziano, Michael Green sowie Michio Kako wurde die String-Theorie entwickelt. Der theoretische Physiker John Henry Schwarz und Michael Green gelten als die Väter der Super-String-Theorie. Theorievarianten, die sämtliche Kräfte (Energien) des Kosmos vereinen und alles, von der Expansion des Universums bis zum Tanz winziger, subatomarer Partikel, vom „Urknall“ bis zum Ende des Universums choreografieren würde.

Als String-Theorien bezeichnet man eine Sammlung eng verwandter hypothetischer physikalischer Modelle, die anstelle der Beschreibung von Elementarteilchen, wie in der Teilchenphysik, in der Quantenfeldtheorie, nämlich als punktförmige Teilchen (nulldimensionale Objekte), in der Raum-Zeit, so genannte Strings = Fäden oder Saiten, als vibrierende fundamentale Objekte mit eindimensionaler räumlicher Ausdehnung verwendet. Die Elementarteilchen stellt man sich als Schwingungsanregung vor, wobei die Frequenz einer Energieform entspricht. Energie gibt es in verschiedenen Formen, die permanent ineinander umgewandelt werden. Beispiele dazu: potentielle, kinetische, elektrische, chemische und Wärmeenergie. Entscheidend, auch für alle Lebensformen, das Auftauchen und Vergehen, ist: Die Summe der Energiemengen der verschiedenen Energieformen, vor und nach ihrer Umwandlung ist stets dieselbe!

Die String-Theorien besagen, dass das Universum nicht aus null-dimensionalen punktförmigen Teilchen, sondern aus winzigen schwingenden „Saiten“ besteht, wobei jeder „Ton“ einem der subatomaren Gebilde entspricht.

Seit den 1980er-Jahren erlebten die String-Theorien einen starken Aufschwung. Sie gelten als die dominierende Kandidatin für eine alle Naturkräfte vereinheitlichende Theorie, die das Standardmodell der Elementarteilchenphysik und das Phänomen Gravitation miteinander verbindet. Die supersymmetrische „Super-Stringtheorie“ sagt neue Partnerteilchen für alle Bosonen und Fermionen voraus. In der Sprache dieser Theorie, die eine Weiterentwicklung der Quanten-Theorie, die das Verhalten von Energie/Materie im atomaren und subatomaren Bereich beschreibt, darstellt, sind Materie und Kräfte Schwingungen, erklingend auf hauchdünnen Saiten, die sich in einer „gefaserten“ Raum-Welt bewegen. Die Anhänger dieser Theorie halten Ausschau nach Echos aus zehn- oder elf Dimensionen. Man müsse auf die Echos achten, statt zu versuchen sie direkt zu beobachten. Ein mögliches Signal stelle die Existenz der dunklen Materie/Energie dar. Es wurde ja schon festgestellt, dass nur 4,9 Prozent des Universums aus Atomen wie Wasserstoff und Helium bestehen. Der größte Teil des Universums sei in Form der dunklen (unsichtbaren) Materie und der dunklen Energie verborgen.

Mit ihrer Schönheit, mathematischen Tiefe und Eleganz scheinen diese Theorien eine neue Ära der Physik einzuläuten. Die Kritiker behaupten allerdings, dass die Mathematik dieser Theorien zwar elegant und schön sei, dies habe aber möglicherweise nichts mit der physikalischen Realität zu tun.

Die String-Theorien sind weder experimentell bestätigt, noch widerlegt. Dies liegt daran, dass die Vereinigung der Naturkräfte erst auf Energieskalen erwartet wird, die in absehbarer Zeit nicht erreichbar sind.

Der Mut zu kühnen Vorstellungen

Die String-Theorien versuchen ein wenig weiter den Türspalt in Extradimensionen zu öffnen. Sie vermitteln uns eine neue Ahnung über das Wesen von Raum, Zeit, Materie und Energie und Geist. Es wird versucht, eine Vereinigung von Quantentheorie und Relativitätstheorie zu erreichen. Eine Theorie, was bisher nicht gelungen ist, die alle vier fundamentalen Kräfte vereint.

Wir sind davon überzeugt, dreidimensionale Wesen zu sein, die sich räumlich und zeitlich bewegen können. Vielleicht ist die dreidimensionale Welt, die wir erleben aber ein Schatten der realen Wirklichkeit, die zehn- oder elfdimensional ist?

Wenn wir uns in den drei Raumdimensionen bewegen, erleben wir unser eigenes Selbst-Sein, welches sich aber gemäß den String-Theorien in Extra-Dimensionen erstreckt. Wenn wir beispielsweise eine Straße entlang gehen, begleitet uns unser Schatten und bewegt sich wie wir, außer dass er nur in zwei Dimensionen existiert. Vielleicht, so wird spekuliert, sind wir nur dreidimensionale Schatten eines wahren Selbst, das sich in ein Nirwana von zehn oder elf Dimensionen erstreckt?

Das oft empfundene chaotische Geschehen im Universum stelle auch eine Ordnung dar, die wir nur nicht begreifen können. Unserem Intellekt stehen aus dem unendlichen Energiefluss des Universums nur jene Strukturen zur Verfügung, die unseren Sinnesorganen adäquat sind und deren Ordnungsmuster unserem Dasein entsprechen.

Wir haben wenig Ahnung darüber, wie unsere Gehirnstruktur einen Teil der Unmenge von energetischen, elektrischen und chemischen Signalen, die uns aus der Umwelt ständig einfließenden oder abgelehnten Informationen in das umwandelt, was wir unter Denkmustern oder Bewusstsein erfahren. Es stellt sich die Frage: Woher kommt alles letztlich überhaupt? Gibt es einen universellen Designer? Wenn ja, hat dann das Universum überhaupt im Licht des von uns einschlägig Erfassbaren einen Sinn und einen bestimmten Zweck?

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