George Smoot über das Design des Universums

Ich dachte, ich versuche einmal, Ihren Blickpunkt auf die Welt ein wenig zu verändern, indem ich Ihnen ein bisschen was von dem Design zeige, das wir in der Natur finden. Mit dem ersten Bild werde ich über den Beginn des Universums sprechen und darüber, was ich die kosmische Tatortuntersuchung nenne, also die Betrachtung der Überbleibsel des Schöpfungsprozesses, um daraus abzuleiten, wie er sich abgespielt hat, und den anschließenden Versuch, es zu verstehen.

Eine der Fragen, die ich Ihnen gestellt habe, war: Wenn Sie sich umschauen, was sehen Sie? Nun, Sie sehen diesen Raum, der von Designern gestaltet wurde und durch die Arbeit von Menschen, aber was Sie tatsächlich sehen, ist eine Menge von Material, das schon da war, das nur auf eine bestimmte Weise umgeformt wurde. Also ist die Frage: Wie ist das Material hier hergekommen? Wie ist es zu der Form gekommen, die es hatte, bevor es umgeformt wurde usw.? Es ist eine Frage der Kontinuität. Eine der Fragen, mit denen ich mich auseinandersetze, ist also: Wie begann das Universum und wie wurde es geformt? Wie sah der gesamte Prozess der Erschaffung und der Evolution des Universums aus, der die Hervorbringung dieser Materialien verursachte?

Das ist die Ausgangsüberlegung. Lassen Sie mich nun fortfahren und Ihnen das Hubble Ultra Deep Field zeigen. Wenn Sie dieses Bild betrachten, sehen Sie viel Dunkelheit mit einigen hellen Objekten darin. Vier dieser Objekte sind Sterne, man kann sie dort sehen – kleine Pluszeichen. Das ist ein Stern, das ist ein Stern, alles andere ist eine Galaxie. Es gibt hier also einige tausend Galaxien, die man mit dem bloßen Auge gut erkennen kann. Und wenn ich mir diese Galaxie hier genauer anschaue, die der unseren sehr ähnlich ist, frage ich mich, ob dort auch gerade eine Design-Konferenz stattfindet und intelligente Wesen darüber nachdenken, welches Design Sie verwenden werden, und vielleicht gibt es dort ein paar Kosmologen, die versuchen zu verstehen, wo das Universum an sich hergekommen ist, und vielleicht sogar einige, die unsere Galaxie betrachten und herauszufinden versuchen, was bei uns vor sich geht.

Aber es gibt noch viele andere Galaxien, einige sind nah und haben in etwa die Farbe der Sonne, und andere sind weiter weg und sind etwas bläulicher usw. Aber eine der Fragen ist – eine Frage an Sie: Wieso gibt es so viele Galaxien? Denn das hier ist ein sehr übersichtlicher Teil des Nachthimmels. Das sind nur 1.000 Galaxien. Es gibt ungefähr – sichtbar für das Hubble-Weltraumteleskop, wenn man Zeit hätte, den gesamten Sternenhimmel zu fotografieren – 100 Milliarden Galaxien. Das ist eine sehr große Anzahl an Galaxien. Es gibt ungefähr so viele Sterne in unser eigenen Galaxie.

Aber wenn man sich einige der Regionen wie diese anschaut, sieht man mehr Galaxien als Sterne, was eigentlich ein Widerspruch ist. Man sollte sich also die Frage stellen, was für ein Design, was für ein schöpferischer Prozess und was für ein Design eine Welt wie diese produziert haben. Und dann werde ich Ihnen zeigen, dass es tatsächlich viel komplizierter ist. Wir werden versuchen, das zu verfolgen. Wir haben ein Werkzeug, das uns dabei hilft, und das ist die Tatsache, dass das Universum so unglaublich groß ist, dass es in gewisser Weise eine Zeitmaschine ist. Wir haben ein Bild von ineinander liegenden Sphären erstellt, damit Sie es sehen können. Die Erde liegt im Mittelpunkt dieser Sphären, einfach weil wir von dort aus beobachten. Der Mond ist nur zwei Sekunden entfernt, wenn man also den Mond fotografiert, hat man den Mond von vor zwei Sekunden, das macht kaum einen Unterschied. Zwei Sekunden sind wie die Gegenwart. Die Sonne ist vor acht Minuten. Das ist keine große Sache, wenn es nicht gerade eine Sonneneruption gibt, die man umgehen will. Dann hätte man gern eine kleine Vorwarnung.

Aber dann kommt man zum Jupiter und der ist 40 Minuten weit weg. Das ist ein Problem. Sie haben von den Kommunikationsproblemen zum Mars gehört, denn das Licht braucht lange, um dort anzukommen. Aber wenn man sich die nächstgelegenen Sterne anschaut, die nächsten 40 oder 50 Sterne, sind es etwa 10 Jahre. Man nimmt also ein Bild von den Geschehnissen von vor 10 Jahren auf. Und wenn man sich das Zentrum der Galaxie anschaut, dann ist das tausende von Jahren her. Wenn man Andromeda betrachtet, die nächste große Galaxie, dann ist das 2 Millionen Jahre her. Wenn man ein Foto von der Erde vor 2 Millionen Jahren machen würde, würde man darauf keinen Hinweis auf menschliches Leben entdecken, denn damals gab es, wie wir meinen, noch keine Menschen. Das ist der Maßstab. Mit dem Hubble-Weltraumteleskop schauen wir uns hunderte Millionen bis einer Milliarde Jahre an.

Doch wenn es uns gelänge, eine Methode zu finden, mit der wir noch weiter gucken können – es gibt Dinge, die noch weiter weg sind, und worin meine Arbeit hauptsächlich besteht, ist die Entwicklung von Methoden – wir könnten noch weiter in die Vergangenheit blicken, in Epochen, in denen es noch keine Sterne und Galaxien gab, zurück zu der Zeit, als das Universum heiß und dicht und sehr anders war. Das ist also der Ablauf, und ich habe hier eine etwas künstlerischere Version davon. Hier ist die Galaxie im Zentrum, die Milchstraße, und drum herum sind die Hubble – die näher gelegenen Galaxien, und dort ist eine Sphäre, die die unterschiedlichen Zeitpunkte markiert. Dahinter sind ein paar jüngere Galaxien.

Sie bekommen einen Überblick? Der Beginn der Zeit ist seltsam – er ist außerhalb. Und es gibt einen Teil des Universums, den wir nicht sehen können, denn er ist so dicht und heiß, dass ihn das Licht nicht verlassen kann. Wie man auch nicht in das Zentrum der Sonne sehen kann, man muss andere Methoden anwenden, um herauszufinden, was in der Sonne vorgeht. Aber man kann den Rand der Sonne sehen, und beim Universum ist es ähnlich, man kann den Rand sehen. Dann sehen Sie dieses Modellgebiet an der Außenseite, das ist die Strahlung, die vom Urknall übrig geblieben ist, die tatsächlich unglaublich einförmig ist. Das Universum ist eine fast perfekte Kugel, doch es gibt winzige Variationen, die wie hier sehr übertrieben darstellen. Und von dort gehen wir in der Zeitabfolge, von diesen winzigen Variationen zu diesen unregelmäßigen Galaxien und ersten Sternen zu diesen weiter entwickelten Galaxien und schließlich zum Sonnensystem usw.

Es ist also eine große Designaufgabe, aber wir wir werden sehen, wie es weitergeht. Diese Messungen wurden mit einigen Satelliten gemacht, und die sehen Sie hier. Da war der COBE-Satellit, der 1989 gestartet wurde, mit dem wir diese Variationen entdeckt haben. Im Jahr 2000 dann wurde der MAP-Satellit gestartet – der WMAP – und der hat etwas bessere Aufnahmen gemacht. Später im selben Jahr – das ist die coole Tarnkappen-Version, die ein paar sehr schöne Designelemente hat, das sollten Sie sich anschauen – wird der Planck-Satellit gestartet, der hochauflösende Aufnahmen produzieren wird. Das wird der Teil sein, in dem es um das Verstehen des Anfang des Universums geht.

Was wir sahen, waren diese Variationen, die etwas über die Geheimnisse der Struktur der Raumzeit aussagen sowie über den Inhalt des Alls und darüber, wie das Universum in seine ursprüngliche Bewegung versetzt wurde. Hier haben wir ein recht spektakuläres Bild, und ich komme nun auf den Anfang zurück, an dem wir einen mysteriösen Prozess haben, der das Universum anwirft. Dann kommt eine Phase von sich beschleunigender Expansion, und das All dehnt sich aus und kühlt ab, bis es durchsichtig wird, dann kommt das finstere Zeitalter, und dann leuchten die ersten Sterne auf, entwickeln sich zu Galaxien und werden später zu noch größeren Galaxien. Das ist etwa der Zeitpunkt, an dem sich unser Sonnensystem zu bilden begann. Es reift heran bis in die Gegenwart. Es gibt da ein paar spektakuläre Dinge. Dieser Papierkorbteil hier repräsentiert, was die Struktur der Raumzeit während dieser Phase mit sich selbst anstellt. Ein recht merkwürdiges Modell, oder? Was haben wir für Beweise dafür?

Lassen Sie mich Ihnen ein paar Grundmuster der Natur zeigen, die da herrühren. Ich stelle mir die Raumzeit als die eigentliche Substanz des Alls vor, und die Galaxien und Sterne sind nur der Schaum auf dem Ozean. Sie sind eine Markierung für interessante Wellen und andere Begebenheiten. Hier zeigt uns der Sloan Digital Sky Survey die Orte von einer Millionen Galaxien. Jeder Punkt ist eine Galaxie. Sie richten ein Teleskop in den Himmel, machen ein Bild, finden heraus, was Sterne sind und löschen diese, betrachten die Galaxien, schätzen ein, wie weit entfernt sie sind, und markieren sie. Und kreisförmig angeordnet, ergibt sich so ein Bild. Sie sehen diese Strukturen, dieses Ding, das wir die Große Mauer nennen, doch es gibt Voids (Leerräume) und diese Dinger hier, und sie fransen aus, weil das Teleskop nicht empfindlich genug ist.

Jetzt werde ich es Ihnen in 3D zeigen. Man macht Aufnahmen, während sich die Erde dreht, und erhält einen Fächer. Es gibt einige Stellen, die man wegen unserer eigenen Galaxie nicht aufnehmen kann, oder weil es keine Teleskope gibt, die das tun könnten. Auf dem nächsten Bild sehen Sie die 3D-Version dieser Rotation. Sehen Sie diese fächerförmigen Aufnahmen des Himmels? Denken Sie daran, jeder Punkt hier ist eine Galaxie, Sie sehen die Galaxien in unserer Nachbarschaft und Sie erkennen die Struktur. Hier sehen Sie, was wir die Große Mauer nennen, und die komplizierte Struktur sowie diese Leerräume. Es gibt Stellen ohne Galaxien und Stellen mit Tausenden von Galaxien auf einem Haufen. Es gibt also ein interessantes Muster, aber wir haben nicht genügend Daten, um das Muster zu erkennen. Wir haben nur eine Million Galaxien, also halten wir eine Million Bälle in der Luft, aber was passiert eigentlich? Es gibt eine andere Vermessung, die dieser sehr ähnlich ist und sich Two-Degree Field of View Galaxy Redshift Survey nennt.

Wir werden nun das All mit Warp-Geschwindigkeit einer Million durchfliegen. Jedes Mal, wenn man auf eine Galaxie stößt und man etwas über die Galaxie weiß, was der Fall ist, denn es gibt Messungen der Rotverschiebung und so was, nimmt man den Typ der Galaxie auf und die Farbe, also ist das hier eine wirkliche Abbildung. Wenn man sich im Zentrum von Galaxien befindet, ist es schwierig, ein Muster zu erkennen; es ist, als ob man sich im Zentrum des Lebens befände. Es ist schwierig, das Muster im Zentrum des Publikums zu erkennen, es ist schwierig, dieses Muster zu erkennen. Also entfernen wir uns, drehen uns um und schauen zurück. Zunächst sieht man die Struktur der Vermessung und dann beginnt man die Struktur der Galaxien zu erkennen, die wir hier draußen sehen. Man erkennt also wieder das Ausmaß dieser Großen Mauer von Galaxien in dieser Gegend.

Aber man kann auch die Voids sehen, man sieht die komplizierte Struktur und fragt sich: Wie ist das passiert? Stellen Sie sich vor, Sie sind der Gestalter des Alls. Wie verteilen Sie Galaxien in einem solchen Muster? Das ist nicht einfach eine Zufallsstreuung. Dahinter steckt ein komplizierterer Prozess. Wie kommt man dahin? Jetzt geht es um ein ernsthaftes Spiel. Das heißt, wir müssen ernsthaft Gott spielen, nicht nur das Leben der Menschen ändern, sondern das Universum erschaffen. Wenn das also Ihre Aufgabe ist, wie bewältigen Sie sie? Was ist die Methode? Was versuchen Sie genau zu tun?

Ich werde Ihnen die Ergebnisse einer sehr großen Simulation zeigen, die unsere Vorstellung vom Universum wiedergibt, indem sie einige Spielprinzipien und einige Designprinzipien benutzt, die sich die Menschen mühevoll erarbeitet haben, aber die die Natur offenbar von Anfang an eingesetzt hat. Man beginnt mit ein paar sehr einfachen Zutaten und einigen einfachen Regeln, aber man braucht genügend Zutaten, um es kompliziert zu machen. Dann lässt man den Zufall zu, einige Fluktuationen und Zufälle, und erhält eine große Anzahl von verschiedenen Ergebnissen.

Was ich Ihnen zeigen werde, ist die Verteilung von Materie in Abhängigkeit von der Größe. Wir werden hineinzoomen; das ist das Schema der ganzen Sache. Wir mussten noch etwas hinzugeben, um das Universum korrekt zu gestalten. Es nennt sich dunkle Materie. Das ist Materie, die nicht mit Licht in der Weise interagiert, wie das normale Materie tut, wie das Licht auf mich und die Bühne scheint. Sie ist durchlässig für Licht, doch um sie zu sehen, werden wir sie weiß machen, okay? Also ist das Zeug, das im Bild weiß erscheint, dunkle Materie. Es sollte besser unsichtbare Materie heißen, aber die dunkle Materie haben wir sichtbar gemacht. Das Zeug, das gelb erscheint, ist die gewöhnliche Materie, die sich in Sterne und Galaxien verwandelt hat.

Ich werde Ihnen nun den nächsten Film zeigen. Wir werden hineinzoomen. Sehen Sie dieses Muster und achten Sie auf dieses Muster. Wir zoomen immer weiter hinein. Sie sehen all diese Filamente, Strukturen und Leerräume dort. Wenn einige dieser Filamente zu einem Knoten zusammenkommen, ergibt das einen Superhaufen von Galaxien. Dieser hier, den wir uns jetzt näher anschauen, besteht aus zwischen 100.000 und einer Million Galaxien in dieser kleinen Region. Wir leben also im Busch. Wir leben nicht im Zentrum des Sonnensystems, wir leben nicht im Zentrum der Galaxie und unsere Galaxie ist nicht der Mittelpunkt des Haufens.

Wir zoomen also hinein. Das ist eine Region, die vermutlich mehr als 100.000, eher um die eine Million Galaxien beinhaltet. Wir zoomen weiter hinein. Ich habe versäumt, über die Größenverhältnisse zu sprechen. Ein Parsec hat 3,26 Lichtjahre. Also hat ein Gigaparsec drei Milliarden Lichtjahre – das ist die Größe. Das Licht braucht also drei Milliarden Jahre, um diese Distanz zu überwinden. Wenn man sich den Abstand zwischen da und dort anschaut, das ist die Distanz zwischen uns und Andromeda. Diese kleinen Flecken, die Sie hier sehen, sind Galaxien.

Jetzt zoomen wir wieder heraus, und man erkennt die Struktur, die mit sehr viel Abstand sehr regelmäßig aussieht, aber aus vielen unregelmäßigen Variationen besteht. Es gibt also einfache Bausteine. Zunächst gibt es eine sehr einfache Flüssigkeit. Sie besteht aus dunkler Materie und normaler Materie, aus Photonen und aus Neutrinos, die später keine große Rolle mehr spielen. Es ist einfach eine Flüssigkeit, und die entwickelt sich mit der Zeit zu dieser komplizierten Struktur. Als Sie dieses Bild zum ersten Mal gesehen haben, haben Sie nicht viel darin sehen können. Hier blicken Sie über ein Prozent des Volumens des sichtbaren Universums und Sie sehen Milliarden von Galaxien und Knoten, aber Sie stellen fest, dass das nicht einmal die Hauptstruktur ist. Es gibt einen Rahmen, die dunkle Materie, die unsichtbare Materie, die da draußen tatsächlich alles zusammenhält.

Lassen Sie uns durchfliegen und sehen, wie viel schwieriger es ist, das zu erkennen, wenn man in der Mitte von etwas steckt. Hier ist das gleiche Endergebnis. Sie sehen ein Filament, Sie sehen das Helle, das sie unsichtbare Materie ist, und das Gelbe sind die Sterne oder die Galaxien, auf die wir treffen. Wir fliegen immer wieder drum herum, und Sie werden ab und zu sehen, wie zwei Filamente aufeinandertreffen und einen großen Galaxienhaufen bilden. Dann fliegen wir hinein in den sehr großen Haufen, und Sie sehen, wie er aussieht. Von innen sieht er nicht sehr kompliziert aus, oder? Nur wenn man ihn aus sehr großer Entfernung betrachtet und untersucht, merkt man, dass es sich um ein sehr verwobenes, kompliziertes Design handelt. Er ist so gewachsen.

Die Frage ist: Wie schwierig wäre es, so etwas zusammenzusetzen? Wie groß müsste die Baufirma sein, die dieses Universum aufbauen könnte? Darum geht es. Hier stehen wir also. Sie sehen, wie dieses Filament – wie einige Filamente aufeinandertreffen und so einen Superhaufen von Galaxien bilden. Sie müssen begreifen, dass das nicht wirklich so aussieht, wenn man – erstens kann man sich nicht so schnell bewegen, alles wäre verzerrt, aber hier werden Rendering- und Grafikprogramme benutzt. So könnte es aussehen, wenn man innerhalb von Milliarden von Jahren drum herumfliegen würde. Und wenn man die unsichtbare Materie auch sehen könnte.

Die Frage ist also: Wie würde man das Universum auf möglichst einfache Weise zusammenbauen? Wir fangen an und merken, dass das gesamte sichtbare Universum, alles, was wir in jeder Richtung mit dem Hubble-Weltraumteleskop und unseren anderen Instrumenten sehen können, einst ein Gebiet kleiner als ein Atom war. Es fing mit winzigen quantenmechanischen Fluktuationen an, die sich rasend schnell ausbreiteten. Und diese Fluktuationen dehnten sich auf astronomische Größe aus, diese Fluktuationen sind letztlich das, was wir in der kosmischen Hintergrundstrahlung sehen. Dann brauchen wir einen Weg, diese Fluktuationen in Galaxien zu verwandeln, in Galaxienhaufen, und diese Strukturen fortzuführen.

Ich werde Ihnen eine kleinere Simulation zeigen. Diese Simulation wurde mit 1.000 Prozessoren einen Monat lang ausgeführt, einfach nur, um das hier sichtbar zu machen. Ich werde Ihnen jetzt eine zeigen, die zwei Tage auf einem normalen PC läuft. Es beginnt mit winzigen Fluktuationen, als das Universum an diesem Punkt war, jetzt viermal so klein und so weiter. Man beginnt diese Netze zu sehen, wie diese kosmische Netzstruktur entsteht. Das hier ist einfach, weil es die normale Materie nicht beinhaltet, nur die dunkle Materie. Man sieht, wie die dunkle Materie zusammenklumpt und die normale Materie einfach nachkommt. Das ist es also. Am Anfang ist es sehr einheitlich. Die Fluktuationen spielen sich in den Hunderttausendsteln ab. Es gibt einige Ausschläge in die Zehntausendstel, und dann verrichtet die Gravitation über Milliarden von Jahren ihre Arbeit.

Sie zieht die umliegende Materie an. Das zieht dann noch mehr Materie an und so weiter. Doch die Entfernungen im Universum sind so gewaltig und der zeitliche Rahmen so groß, dass es sehr lange braucht, um sich auszubilden. Es bildet sich immer weiter aus, bis das Universum etwa halb so groß wie jetzt ist, von der Ausdehnung her. Zu diesem Zeitpunkt beschleunigt das Universum auf geheimnisvolle Weise seine Ausdehnung und beendet die Bildung größerer Strukturen. Also sehen wir nun schon die größtmögliche Struktur, und von jetzt an bilden sich nur noch Dinge aus, die schon damit begonnen haben, und so geht es weiter.

Wir können uns die Simulation ansehen, aber sie dauert zwei Tage auf einem PC. Man braucht 30 Tage mit 1.000 Prozessoren, um die Simulation zu berechnen, die ich vorhin gezeigt habe. Wir haben also nun eine Vorstellung, wie man ernsthaft spielt, wie man das Universum erschafft, indem man mit weniger als einem Tropfen von Materie anfängt, und wir erschaffen alles, was in jeder Richtung sichtbar ist, mit fast nichts – das heißt mit etwas sehr Winzigem, extrem Kleinem – und es wird fast perfekt, außer dass es diese winzigen Fluktuationen von einem Hunderttausendstel hat, die für die interessanten Muster und Designs, die wir beobachten, verantwortlich sind, das heißt Galaxien und Sterne usw.

Wir haben also ein Modell und wir können es berechnen und benutzen, um Entwürfe davon zu machen, wie das Universum tatsächlich aussieht. Und dieses Modell geht weit über unsere ursprünglichen Vorstellungen davon hinaus. Damit also haben wir vor 15 Jahren angefangen, mit dem Cosmic Background Explorer – der die Karte oben rechts erstellt hat, die uns gezeigt hat, dass es große Fluktuationen gegeben hat, Fluktuationen in allen Größenordnungen. Das kann man sehen. Danach kam WMAP, das nur eine höhere Auflösung hat. Wir sehen die gleiche Großstruktur, aber wir entdecken auch die kleinere Struktur. Rechts unten ist dargestellt, was für eine Karte der Satellit, wenn er umgedreht wäre und die Erde erfasst hätte, gemacht hätte. Man kann ungefähr die Kontinente ausmachen, aber das war's schon.

Mit Planck erhoffen wir uns eine Auflösung, die etwa diesem Bild der Erde entspricht, auf dem man tatsächlich die komplizierten Muster der Erde erkennen kann. Man sieht wegen der scharfen Kanten und daran, wie alles zusammenpasst, dass es einige nichtlineare Prozesse gibt. Die Geologie kennt diese Effekte, nämlich die Plattentektonik usw. Das kann man allein schon an der Karte erkennen. Wir möchten bei unseren Karten des jungen Universums zu einem Punkt gelangen, an dem wir sehen, ob es nichtlineare Effekte gibt, die bewegen und verändern und die uns Hinweise darauf geben, wie die Raumzeit am Anfang tatsächlich entstand. Da stehen wir also heute, und darüber wollte ich Ihnen einen Überblick verschaffen. Ihnen einen anderen Blick darauf eröffnen, wie das Design und der ganze Rest aussieht. Danke. (Applaus)