Thomas Hertog hat keine Angst vor großen Fragen. Wie hat unser Universum begonnen? Wie wird es enden? Ebensolchen Themen widmet sich der belgische Astrophysiker in seiner Forschung. Einen kongenialen Partner dafür hat er in Stephen Hawking gefunden. Kurz bevor der britische Physiker im März dieses Jahres verstarb, ist Hertog mit ihm die letzten Korrekturen einer gemeinsamen Publikation durchgegangen. Es geht dabei um eine quantenphysikalische Annäherung an den Urknall.

STANDARD: Als langjähriger Kollege von Stephen Hawking waren Sie auch an dessen letzter Publikation "A Smooth Exit from Eternal Inflation" beteiligt, die einige Wochen nach seinem Tod im Frühjahr erschienen ist. Darin schlagen Sie eine neue Theorie zum Ursprung des Universums vor. Was stört Sie denn an der gängigen Urknalltheorie?

Hertog: Die aktuelle Theorie des Urknalls wird als kosmische Inflation bezeichnet. Ihr zufolge ist beim Urknall nicht nur unser Universum entstanden, sondern auch viele andere – man spricht vom Multiversum. Wir können uns das Multiversum wie ein Mosaik verschiedener Universen vorstellen, wie Bläschen in kochendem Wasser. Die Gesetze der Physik und der Chemie können sich von Universum zu Universum unterscheiden. Manche beinhalten Sterne und beheimaten Leben, andere sind fast völlig leer. Das Problem mit der gängigen Theorie ist, dass sie kaum Vorhersagen über unser eigenes Universum trifft.

STANDARD: Um die Vorgänge im Universum zu beschreiben, ist Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie das anerkannte Modell. Was sagt uns diese Theorie über die Entstehung des Universums?

Hertog: Einsteins Relativitätstheorie gibt uns eine gute Erklärung dafür, wie sich das Universum entwickelt, wenn es einmal existiert. Aber die Theorie sagt uns nichts darüber, wie das Universum entstanden ist. Daher denken wir, dass eine Kombination von Einsteins Relativitätstheorie und der Quantentheorie notwendig ist, um das frühe Stadium unseres Universums zu verstehen.

STANDARD: Welche Schwierigkeiten ergeben sich, wenn man die Quantentheorie zur Beschreibung des Ursprungs des Universums heranzieht?

Hertog: Die Quantentheorie und die Relativitätstheorie eröffnen uns zwei sehr unterschiedliche Perspektiven auf die Welt. Die Quantenrealität wird von Unsicherheiten und Zufällen bestimmt. Daher ergibt jede quantenphysikalische Theorie des Urknalls nicht nur ein Universum, sondern immer ein ganzes Ensemble an Universen – das Multiversum. Die große Herausforderung, vor der die moderne Kosmologie heute steht, liegt darin, die Multiversum-Theorie testbar zu machen. Mit der Publikation von Stephen Hawking und mir unternehmen wir einen Schritt in diese Richtung.

STANDARD: Welche Vorteile bietet Ihre neue Theorie gegenüber den herkömmlichen Vorstellungen?

Hertog: Unser Modell basiert auf der Stringtheorie, die sich um eine Vereinheitlichung von Relativitätstheorie und Quantentheorie bemüht. Im Speziellen verwenden wir das holografische Prinzip der Stringtheorie. Es besagt, dass das Universum ein großes, komplexes Hologramm ist: Die physikalische Realität in dreidimensionalen Räumen kann mathematisch in speziellen Fällen zu zweidimensionalen Projektionen auf einer Oberfläche vereinfacht werden. Stephen und ich haben erkannt, dass wir dieses Konzept anwenden können, um die früheste Phase unseres Universums als Hologramm zu beschreiben. Dadurch können wir das Multiversum in unserer Theorie auf eine überschaubarere Anzahl an möglichen Universen reduzieren.

STANDARD: Wie ist die Theorie, dass das Universum mit dem Urknall seinen Anfang genommen hat, überhaupt entstanden? Man könnte ja auch behaupten, dass das Universum immer schon existiert hat.

Hertog: Die Urknalltheorie geht zurück auf den belgischen Astronomen George Lemaître. Er hat 1927 gezeigt, dass sich aus Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie die Ausdehnung des Universums ableiten lässt. 1929 bestätigte der Astronom Edwin Hubble diese Vorhersage, indem er beobachtete, wie sich entfernte Galaxien tatsächlich immer weiter von uns wegbewegen. Einige Jahre später hat Lemaître aus der Ausdehnung des Universums geschlossen, dass es einst kleiner gewesen sein muss. Letztlich spekulierte er, dass es einen Urknall gegeben haben muss.

STANDARD: Dennoch waren damals viele Physiker nicht von der Urknalltheorie überzeugt. Was war das entscheidende Argument, um sie umzustimmen?

Hertog: Bis in die 1960er-Jahre hat es Leute gegeben, die gegen die Urknalltheorie argumentiert haben. Doch dann ist die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt worden. Sie ist gewissermaßen ein Bote des Nachglühens des Universums nach dem Urknall. Seither gibt es nur noch sehr wenige Menschen, die an der Urknalltheorie zweifeln. Stephen Hawking schrieb gerade seine Dissertation, als die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt wurde. Er zeigte in seiner Doktorarbeit, dass der Urknall in einem expandierenden Universum unvermeidbar ist.

STANDARD: Wie hat die Entdeckung Hawkings Denken geprägt?

Hertog: Stephen hat sich von diesem Moment an darauf konzentriert, eine Art Quantentheorie zu entwickeln, die den Beginn des Universums beschreibt. Er hatte das Gefühl, dass die Kosmologie ohne Verständnis des Urknalls unvollständig sein würde – und unbefriedigend.

STANDARD: Was sagt denn der Urknall über unser Universum?

Hertog: Viele Eigenschaften unseres Universums, insbesondere jene, dass es Sterne, Galaxien und intelligentes Leben beheimatet, haben ihren Ursprung in den physikalischen Bedingungen beim Urknall. Es muss also etwas Besonderes am Urknall gegeben haben, das dazu beigetragen hat, unser Universum genau in die richtige Richtung anzustoßen, dass sich Milliarden Jahre später Komplexität und Leben entwickeln können.

STANDARD: Sie haben viele Jahre mit Stephen Hawking zusammengearbeitet – inwiefern hat er Sie in Ihrer Art, Physik zu betreiben, beeinflusst?

Hertog: Stephen hatte ein großes Talent dafür, die richtigen Fragen zu stellen. Es ist ein gängiges Missverständnis, dass die theoretische Physik nur mit Formeln zu tun hat. Tatsächlich geht es in der Praxis oft darum, die richtigen Fragen zu identifizieren. Stephen hatte dafür eine ganz besondere Begabung.

STANDARD: Was Sie außerdem mit Hawking verbindet, ist Ihr Engagement, Forschung einem breiteren Publikum zu vermitteln. Warum ist Ihnen das ein Anliegen?

Hertog: Wissenschaft ist nicht nur für eine kleine Gruppe von Akademikern, die an Universitäten arbeiten, relevant. Sie ist eine globale Anstrengung, die das Fundament für technologische Innovationen bereitet. Ein bedeutsamer Anteil der weltweiten Wertschöpfung basiert mittlerweile auf Quantenphysik, die einst als rein theoretische Angelegenheit erachtet worden ist. In einer Welt, die von Technologien bestimmt wird, ist es essenziell, dass Wissenschafter sich in die Öffentlichkeit begeben und erklären, worum es in ihrer Arbeit geht. Letztlich ist die Wissenschaft etwas sehr Menschliches, was uns miteinander verbindet. Indem wir das Universum erforschen, lernen wir auch etwas über uns selbst. (Tanja Traxler, 25.9.2018)