Mikrokosmos und Makrokosmos sind eins

23. Mai 2014

Am vierten Abend seiner Vorlesungsreihe "Vom Urknall zur Dunklen Materie – Eine Zeitreise durch das Universum" begrüßte Prof. Dr. Christof Wetterich den Nobelpreisträger des Jahres 2004. Prof. Dr. Frank Wilczek vom renommierten Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge, USA, sprach an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) über "Quantum Theory and the Universe".
 

Der Träger der 15. Johannes Gutenberg-Stiftungsprofessur stellt seinen prominenten Gast mit sichtlicher und deutlich hörbarer Begeisterung vor. "Den Nobelpreis für Physik bekam er für Arbeiten, die er gerade mal im Alter von 22 Jahren durchführte", erzählt Prof. Dr. Christof Wetterich. "Er hat viele Dinge in unserem Fach beeinflusst. Wir beide teilen die Sicht auf die Physik als eine Einheit. Aber sein Blick geht weit über die Physik hinaus."

Auf diesen Mann sind offensichtlich viele neugierig. Der größte Hörsaal auf dem Gutenberg-Campus ist wieder gut gefüllt. Wetterichs Vorlesungsreihe "Vom Urknall zur Dunklen Energie – Eine Zeitreise durch das Universum" erfreut sich anhaltenden Interesses.

Von den kleinsten Dingen

"Ich werde zeigen, dass es starke Verbindungen gibt zwischen der Mikrowelt und der Makrowelt", verspricht Prof. Dr. Frank Wilczek. "Wenn wir die kleinsten Dinge verstehen, scheint es dazu zu führen, dass wir auch die größten Dinge begreifen: Die Struktur des Universums fußt auf Quantenfluktuationen." Diesen Bogen will der Nobelpreistäger in seinem Vortrag "Quantum Theory and the Universe" schlagen.

Für solch weite Bögen ist Frank Anthony Wilczek, geboren 1951 in New York City, bekannt. Damit glänzte er schon als Promotionsstudent in Princeton. Dort entdeckte er zusammen mit David Gross die sogenannte "Asymptotische Freiheit". Die beiden machten Aussagen zur starken Wechselwirkung zwischen Quarks, die immer schwächer wird, je näher die Quarks beieinanderliegen. Mit dieser Theorie brachten sie die Quantenchromodynamik einen großen Schritt weiter und nahmen dafür knapp 30 Jahre später den Nobelpreis für Physik entgegen.

Wilczek zeigt die Quantenfluktuation im computeranimierten Film. Ein wenig erinnert die Struktur an Korallenkolonien, deren Äste mal anschwellen, mal zurückschrumpfen. Alles scheint in hektischer Bewegung. "Quantenfluktuationen sind voller spontaner Aktivitäten", erklärt der Professor. Diese Aktivitäten finden dort statt, wo das menschliche Auge nur leeren Raum wahrnimmt. Teilchen- und Antiteilchenpaare entstehen im Vakuum und zerfallen gleich wieder. "Diese Fluktuationsfelder sind geprägt von ständigen Energiewechseln."

Strukturen aus Keimen

Nun wagt der Physiker einen Sprung. "Struktur aus Keimen" überschreibt er das nächste Kapitel seines Vortrags. "Die Strukturen des Universums stammen aus der Zeit, als alles noch uniform war – aber mit kleinen Fluktuation."

Wer Wetterichs Vorlesungsreihe bisher verfolgt hat, ist mit dieser Tatsache vertraut: Bis 400.000 Jahre nach dem Urknall bestand das Universum aus heißem Plasma. Das Ende dieser Phase lieferte das erste direkt sichtbare Bild von der fernen Vergangenheit: den Schnappschuss von der kosmischen Hintergrundstrahlung, eine Karte vom Innern einer Kugelschale, die auf den ersten Blick zwar uniform wirkt, aber bei näherer Betrachtung von kleinen Unterschieden im Energielevel geprägt ist.

Diese kleinen Unterschiede vergrößerten sich. Die Regionen mit mehr Energie zogen Energie aus ihrer Umgebung an. "Die Bereiche wurden dichter und dichter." Galaxien entstanden, Sterne und Planeten. "Es beginnt mit einer beinahe uniformen Verteilung der Materie, dann wird sie weniger und weniger uniform. Aus kleinen Keimen bilden sich größere Strukturen."

Big Bang und B modes

Darauf baut Wilczek auf: Er sieht die Quantenfluktuationen als kleine Keime. "Um sie dazu zu bringen, in großem Maßstab zu agieren, brauchen wir einen Input. Das ist der Big Bang." Das Kleine breitet sich aus. So stellt sich der Nobelpreisträger in etwa die Verbindung vom Subatomaren zum Universellen vor. Belege für diese Theorie liefert jener bereits von Wetterich vorgestellte Schnappschuss des Universums. Von ihm ausgehend lässt sich berechnen, wie die kleinen Keime wachsen.

Ein weiterer Beleg sind die "B modes", die erst vor einigen Monaten vom Südpol aus beobachtet wurden. "Es sind spezielle Muster von Polarisationen in der kosmischen Hintergrundstrahlung, zusätzliche Strukturen, die noch kleiner sind als die, die wir bisher beobachten konnten. Diese B modes wurden geprägt von Fluktuationen in Raum und Zeit."

Fluktuationen also allenthalben, ob im Mikro- oder im Makrokosmos. Das eine ist der Keim des anderen. Das kann Wilczek nicht nur nachmessen und nachrechnen, auch rhetorisch legt er das fesselnd und einleuchtend dar, selbst wenn es für den Laien nicht an jeder Stelle einfach ist, den Verknüpfungen zu folgen.

Als Schlussfolgerung jedoch stellt er dann einen Satz in den Raum, der an Klarheit nichts zu wünschen übrig lässt. "Das Universum wird regiert von mathematischen Gesetzen, die wir Menschen finden und verstehen können – und diese Gesetze funktionieren zu jeder Zeit und an allen Orten gleich." Lächelnd schaut der Professor mal in etwas ratlose, mal in begeisterte Gesichter. "Ist das nicht fantastisch?", so der Nobelpreisträger von 2004.