Vakuumzerfall: sofortiges, quantenmechanisches Ende?

Die Episode über das kosmische Schicksal des Universums, in dem Zeit keine Bedeutung hat.

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In dieser Folge führen euch Eva und Jana an die Grenzen von Raum, Zeit und Vorstellungskraft: Es geht vom Wärmetod über den Big Rip bis zum Big Crunch. Wir sprechen über den kosmischen Wettstreit zwischen Gravitation und Dunkler Energie, über Sternleichen, Schwarze Löcher und die fünf Ären des Universums – vom hellen Anfang bis zum Dunklen Ende. Eine Reise in die fernste Zukunft des Univerums, in der selbst Zeit an Bedeutung verliert.

Einleitung

Der Herbst ist da, die Tage werden kürzer und Eva und Jana widmen sich einem Thema, das perfekt zu dieser Jahreszeit passt: der Endlichkeit von allem. Passend zu Halloween wird es dabei ein wenig kosmisch-gruselig, denn wir sprechen über Sternleichen, zerreißende Raumzeit und die vielleicht stillste Form des Untergangs: dem langsamen kosmischen Verlöschen des Universums.

In dieser Folge reisen wir gedanklich in eine Zukunft, die so fern ist, dass unsere Vorstellungskraft an ihre Grenzen stößt. Es geht um Zeiten jenseits von 10³⁰, 10⁴⁰ oder gar 10¹⁰⁰ Jahren. Es geht um das Ende der Sterne, der Galaxien und vielleicht sogar der Raumzeit selbst.

Das beobachtbare Universum

Bevor wir über das Ende reden, klären wir, was wir überhaupt sehen können: das beobachtbare, für uns sichtbare, Universum ist rund 90 Milliarden Lichtjahre groß. Da auch Licht eine endliche Geschwindigkeit hat, es also Zeit benötigt, bis es zu uns gelangt, gibt es eine Grenze, bis zu der wir sehen können. Wir können nicht erfahren, was dahinter ist, denn das Licht dieser weit entfernten Regionen wird uns nie erreichen. Das liegt daran, dass sich der Raum selbst seit dem Urknall ausgedehnt und dadurch vergrößert hat. Da diese Ausdehnung sogar beschleunigt erfolgt, weil sie durch die Dunkle Energie angetrieben wird, entfernen sich manche Regionen schneller, als ihr Licht uns je erreichen kann.

Das Universum kann also noch viel größer sein, als wir es uns vorstellen können. Wenn wir uns also Gedanken über das Ende des Universums machen, können wir das nur in Bezug auf unser uns bekanntes Universum machen. Hier liegen zwei Kräfte in einem kosmischen Wettstreit, der schließlich über das Schicksal des Universums entscheiden wird: die Gravitation, die Materie zusammenzieht, und die Dunkle Energie, die den Raum auseinanderreißt.

Drei Modelle für das Ende des Universums

Erste physikalische Überlegungen dahingehend kamen von William Thomson (Lord Kelvin) (1852), der den 2. Hauptsatz der Thermodynamik (Entropie kann nur zunehmen) auf das Universum überträgt. Wenn das Universum einem geschlossenen System gleicht, und sich die Energie gleichmäßig verteilt, wird sich irgendwann ein thermodynamisches Gleichgewicht einstellen. Dann gäbe es keine freie Energie mehr und somit keine Energiequellen, keine Arbeit und keine Bewegung.

Als man durch die Arbeiten von Einstein, Friedmann, Lemaître und Hubble im 20. Jahrhundert erkannte, dass das Universum expandiert, sich also ausdehnt, war die Frage nach dem Ende des Universums nicht mehr nur religiös-philosophisch, sondern physikalisch: Wie sähe die Zukunft eines sich ewig ausdehnenden Universums aus?

Big Freeze (Wärmetod): In diesem Modell expandiert das Universum ewig weiter, bis alle Sterne ausgebrannt sind, nur mehr weiße Zwerge, Neutronensternen und Schwarze Löcher existieren. In einer Ära der Schwarzen Löcher gibt es nur mehr diese dunklen Giganten, bis selbst diese in einer ferner Zukunft von mehr als 10¹⁰⁰ Jahren verdampfen und ein kaltes dunkles Universum zurückbleibt. Es gibt keine Strukturen mehr, keine Prozesse, keine Ereignisse und dadurch auch keine Zeit, es hat schlicht seine Bedeutung verloren. Das endgültige thermische Gleichgewicht ist erreicht.

Big Rip: Die Entdeckung der Dunklen Energie Ende der 1990er Jahre zeigte, dass sich das Universum seit 6,1 Mrd. Jahren sogar beschleunigt ausdehnt. Während sich beim Big Freeze alles in sehr langer Zeit in Strahlung umwandeln würde, würde beim Big Rip durch die Dunkle Energie alles viel kürzer und schneller passieren, bis schließlich in einem singulärem Ereignis (dem Big Rip) das Universum von der größten zur kleinsten Struktur zerreißt: zuerst Galaxien, dann Sonnensysteme, schließlich Atome.

Big Crunch (und eventuell Big Bounce): wenn die Dunkle Energie nicht dominiert, dann könnte die Gravitation die Expansion stoppen und sogar umkehren. Das Universum würde kollabieren, sich erhitzen und in einer einzigen gewaltigen Singularität enden, was vielleicht der Beginn eines neuen Zyklus wäre, ein neuer Urknall, in dem alles von vorne beginnt.

Ein exotisches Zusatzszenario ist der Vakuumzerfall: Sollte unser Universum in einem metastabilen Zustand existieren, könnte durch den quantenmechanischen Tunneleffekt eine Blase „echtes Vakuum“ entstehen. Diese würde sich dann mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und unser Universum auslöschen. Ein derartiges Ereignis ist unvorhersehbar, theoretisch, aber physikalisch möglich.

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