In meiner Serie über grundlegende Fragen zur Astronomie habe ich letzte Woche erklärt, wie groß das sichtbare Universum ist. Aber das was wir sehen, ist nicht das gesamte Universum. Und eine häufige Frage, die mir in diesem Zusammenhang immer wieder gestellt wird, lautet: Ist das Universum unendlich groß?
Die Frage lässt sich schnell beantworten: Wir wissen nicht, ob das Universum unendlich groß ist oder nicht. Aber es lohnt sich trotzdem, ein bisschen genauer darüber nachzudenken. Alles hängt mit der Form des Universums zusammen. Hier wird es allerdings ein wenig knifflig. Das Universum in dem wir leben hat drei Raumdimensionen (diverse Hypothesen der Stringtheorie mit mehr Dimensionen ignorieren wir jetzt einfach mal). Und wir können uns zwar sehr einfach alle möglichen Formen vorstellen, die in einem dreidimensionalen Raum existieren. Die Form des dreidimensionalen Raums selbst dagegen kann man sich nicht mehr direkt vorstellen sondern muss mit Analogien arbeiten.
Das Universum ist hübsch. Aber welche Form hat es? (Bild: NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch (University of California, Santa Cruz), R. Bouwens (Leiden University), and the HUDF09 Team)
Es gibt im Prinzip nur drei unterschiedliche Formen, die in Frage kommen: Das Universum kann positiv gekrümmt sein, negativ gekrümmt sein oder gar nicht gekrümmt sein. Wie kann man sich das vorstellen? Nehmen wir als Beispiel die Erde: Die Oberfläche unseres Planeten ist positiv gekrümmt. Eine Eigenschaft so einer Oberfläche ist ihre Unbegrenztheit. Man kann über die Erde spazieren so lange man möchte und wir doch nie auf ein “Ende” stoßen. Die Erdoberfläche ist zwar nicht unendlich groß, aber trotzdem unbegrenzt. Die Oberfläche der Erde ist allerdings zweidimensional. Um das mit dem Universum zu vergleichen müssten wir uns eine vierdimensionale Kugel vorstellen, deren Oberfläche dann ein dreidimensionaler Raum mit gekrümmter Oberfläche wäre. Das können wir uns allerdings nicht vorstellen – trotzdem gilt auch hier: Ist das Universum positiv gekrümmt, dann käme man auch hier nie zu einem Ende sondern würde – nach einer sehr, sehr langen Zeit – bei jeder Reise die immer nur in eine Richtung führt am Ende wieder am Ausgangspunkt landen. Genau so wie auch ein Flugzeug problemlos um die Erde fliegen und wieder am Startflughafen landen kann.
Eine Analogie für ein Universum ohne Krümmung ist ein Blatt Papier, dessen Oberfläche völlig eben ist. Besteht das Universum aus einem dreidimensionalen flachen Raum, dann ist es allerdings nicht irgendwann zu Ende, wie das bei einem normalen Blatt Papier der Fall ist. Es wäre dann unendlich groß und man könnte in jede Richtung beliebig lange reisen ohne jemals an den Ausgangspunkt zurück zu kehren (Es gibt Spezialfälle eines flachen Universums das trotzdem nicht unendlich groß ist – zum Beispiel einen “Hypertorus” – auf die ich aber jetzt nicht eingehen will).
Ein Universum mit negativer Krümmung lässt sich ebenso schwer veranschaulichen. Eine Analogie wäre eine Form, die wie ein Pringles-Chip aussieht beziehungsweise ein Reitsattel. Auch in so einem Universum könnte man beliebig lange reisen, ohne jemals zurück zu kehren.
Welche Form das Universum tatsächlich hat, wissen wir noch nicht. Es deuten aber alle bisher gemachten Beobachtungen und Messungen darauf hin, dass es flach ist; also keine Krümmung hat. Und damit auch unendlich groß ist. Das mag jetzt vielleicht seltsam klingen, denn es gab ja vor 13,8 Milliarden Jahren einen Urknall. Wenn als vor einer endlich langen Zeit alles in einem Punkt begonnen hat und sich seitdem ausdehnt, wie kann es dann möglich sein, dass das Universum unendlich weit ausgedehnt ist und flach ist? Muss es nicht eine “Kugel” sein, also eine positive Krümmung haben?
Nein, muss es nicht. Denn die Vorstellung, dass der Urknall an einem einzigen “Punkt” stattgefunden hat, wird zwar häufig verwendet, ist aber nicht die einzige Möglichkeit, sich das Ganze vorzustellen. Stellen wir uns (sofern wir das können) ein unendlich großes Gummituch vor. Wenn sich das nun ausdehnt und seine Größe verdoppelt, ist es danach natürlich immer noch unendlich groß. Das gleiche gilt, wenn wir es schrumpfen lassen: Es bleibt immer unendlich groß. Wenn das Universum also unendlich groß ist, dann war es immer schon unendlich groß und wird immer unendlich groß sein. Es war vor allem auch zum Zeitpunkt des Urknalls unendlich groß!
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