Lucio Mayer: «Ohne Zeit geht es nicht»

Die dunkle Materie führt zur dunklen Energie. Einstein hatte Recht, bis jetzt. Was aber, wenn sich die Dinge als komplizierter herausstellen, als man heute denkt? Ein Gespräch mit Astrophysiker Lucio Mayer über alternative Erden, dunkle Energie und über die Zeit vor der Zeit.

Interview: Tobias Hüberli

Lucio Mayer wurde 1972 in Mailand geboren und studierte an den Universitäten von Mailand, München und Duran Physik und Astrophysik. 2001 zog es Mayer an die University of Washington in Seattle, wo er zwei Jahre lang an einem von der NASA finanzierten Forschungsprogramm teilnahm. Inhalt der Forschung war unter anderem die Frage, wie sich Planeten formen können und was es braucht, damit auf Planeten Leben entstehen kann. 2003 kehrte Mayer nach Europa zurück und wurde von Ben Moore an die Universität Zürich geholt, wo Moore eine Astrophysik-Gruppe gründete, die heute zu einer der weltweit führenden Forschungsgruppen zählt. Dank den äusserst leistungsstarken Supercomputern der Universität Zürich und dem Swiss Supercomputing Centre in Manno (TI) ist die Zürcher Forschungsgruppe stark auf astrophysikalische Computermodelle spezialisiert. Diesen März publizierte das Team um Lucio Mayer eine wegweisende Arbeit, die ein seit zwanzig Jahren als ungelöst geltendes Problem der kalten dunklen Materie erklärt. Zu Lucio Mayers Spezialgebieten gehören neben der kalten dunkle Materie auch die schwarzen Löcher sowie die Entstehung von extrasolaren Planeten.
Lucio Mayer ist verheiratet, Vater und raucht nach gut einsteinscher Manier ab und zu eine Zigarre.

Cigar: Lucio Mayer, eines Ihrer Forschungsgebiete ist die kalte dunkle Materie. Eine Materie, die einen substantiellen Teil der vorhandenen Materie des Universums ausmachen soll, die man aber weder sehen noch berühren, noch beweisen kann.

Lucio Mayer: Es ist eine spezielle Aufgabe. Wir versuchen etwas zu verstehen, das wir nicht sehen, das nach unseren Berechnungen aber da sein muss. Wir können kalte dunkle Materie nur indirekt sehen, und zwar, weil sie die Gravität von Galaxien beeinflusst.

Cigar: Für einen Laien ausgedrückt: Ohne die Masse dieser unsichtbaren Materie, würden die Galaxien nicht zusammenhalten, die einzelnen Sterne hätten nicht genügend Anziehungskraft.

Mayer: Das war die ursprüngliche Idee. Es gibt allerdings eine fundamentalere Erklärung dafür, dass kalte dunkle Materie existieren muss, die ist allerdings etwas länger.

Cigar: Wir haben Zeit.

Mayer: In den letzten 50 Jahren haben viele gescheite Leute darüber nachgedacht, wie das Universum entstanden ist. Es gab zwei Haupt-Theorien. In den 60er und 70er Jahren war das so genannte Pancake-Szenario sehr populär, wonach am Anfang, nach dem Urknall, tausende von Galaxien zusammenklebten, um dann nach und nach in einzelne Galaxien auseinanderzufallen. In den 80er Jahren entwickelte man bessere Teleskope, man konnte weiter ins All schauen, und die Theorie der Galaxien-Haufen wurde immer unwahrscheinlicher. Man erkannte, dass einzelne dieser Ansammlungen von Galaxien noch sehr jung waren, also gar nicht von Anfang an existieren konnten. Die zweite Theorie geht davon aus, dass das Universum beim Urknall sehr klein war und sich seither ausdehnt. Die Galaxien haben sich später geformt. Und hier kommt die dunkle Materie ins Spiel. Mit der uns sichtbaren Materie, den Sternen und Planeten, hätten sich diese Galaxien gar nicht formen können, weil die Gravität, die Anziehung dieser einzelnen Sterne nicht gross genug ist. Irgendwo dazwischen muss es also unsichtbare Materie geben, welche die Galaxien zusammenhält. Das ist das stärkste Argument für dunkle Materie.

Cigar: Es fehlen aber abschliessende Beweise, könnte morgen alles wieder anders sein?

Mayer: Rückblickend auf die letzten 15 Jahre Forschung, hat sich die Theorie der dunklen Materie immer stärker konkretisiert. Zahlreiche physikalische Phänomene konnten damit erklärt werden, wir haben noch nicht alle Probleme gelöst, aber die Theorie ist stark.

Cigar: Was wird diese Forschung dem Menschen bringen?

Mayer: Das wissen wir nicht. Sie müssen das so sehen, wer hätte im 19. Jahrhundert gedacht, dass das Untersuchen von physikalischen Phänomenen, etwa der Elektromagnetismus, zweihundert Jahre später das Leben auf der Erde grundlegend verändern würde. Damals verstand auch niemand, was da eigentlich passiert. Die Forschung war auf einer so fundamentalen Basis, wie die unsere heute ist. Die Forschung hat zu jeder Zeit immer einen unerwarteten Fortschritt für die Menschheit gebracht. Die Suche nach der kalten, dunklen Materie ist direkt verbunden mit der Suche nach der dunklen Energie, von der wir noch viel weniger wissen.

Cigar: Was heisst wenig?

Mayer: Wir wissen heute nicht, ob die dunkle Materie und die dunkle Energie zwei verschiedene Sachen sind oder nicht. Über die dunkle Materie wissen wir eigentlich überhaupt nichts, die Forschung steht erst am Anfang. Es gibt tausende Theorien, die meisten sind untauglich, aber das macht nichts, jede falsche Theorie führt irgendwann zur richtigen.

Cigar: Was ist Ihr Favorit?

Mayer: Einige Theorien besagen, dass die dunkle Energie und die dunkle Materie aus der gleichen Quelle stammen, wenn Sie so wollen aus einem Kraftfeld, das in einem frühen Stadium des Universums die dunkle Materie und die dunkle Energie produzierte. Dunkle Energie, was immer das auch sein mag, stellt bei weitem den grössten Teil der im Universum vorhandenen Energie dar. Stellen Sie sich vor, wenn wir einmal wissen, woraus diese Energie besteht, welche 70 Prozent des universellen Energieanteils ausmacht, und wir einen Weg finden würden, diese Energie zu nutzen. Das würde ich dann einen unerwarteten Fortschritt nennen.

Cigar: Wie kommt man dazu, eine unsichtbare Energie zu

vermuten?

Mayer: Die Idee der dunklen Energie kommt von der Kosmologie und der Astrophysik. Es ist der einzige Weg zu erklären, wieso sich das Universum nicht in einer konstanten Geschwindigkeit ausdehnt, sondern dass diese Geschwindigkeit exponentiell zunimmt.

Cigar: Gehen wir zurück zum Urknall, das Universum war noch winzig. Zwei Sekunden vor dem Urknall existierte weder Raum noch Zeit. Was sagt die Physik zu diesem Moment?

Mayer: Formell gab es keine Zeit und keinen Raum, die Gleichungen sagen uns das.

Cigar: Was war vor der Zeit?

Mayer: Diese Frage liegt jenseits der Wissenschaft, oder zumindest jenseits der Wissenschaft, wie sie heute existiert. Sehen Sie, die Physik braucht Rahmenbedingungen. Eine davon ist Zeit. Konzeptionell ist es unmöglich, ein physikalisches Modell zu bauen, das keinen Anfang hat. In jedem physikalischen Experiment ist Zeit eine Konstante, ohne Zeit geht es nicht.

Cigar: Die Physik hat keine Antworten zur Zeit vor der Zeit?

Mayer: Es gibt Theorien über die Zeit vor dem Urknall. Man kann sich ein Multi-Universum-System vorstellen. Darin gäbe es immer ein Universum, vor unserem Universum, wenn Sie so wollen eine unabreissbare Kette von Universen, sogar heute würden zahlreiche Parallel-Universen existieren, mit unendlichem Volumen und unendlicher Zeit. Ich finde aber, dass wir innerhalb unseres Universums und innerhalb der 13,7 Milliarden Jahren, in der die Zeit nun existiert, bereits genügend Fragen haben, die beantwortet werden wollen.

Cigar: Was beginnen kann, kann auch enden. Wann endet die Zeit?

Mayer: Diese Frage können wir nicht beantworten, solange

wir die exakte Natur der dunklen Energie nicht kennen. Wenn sich die dunkle Energie konstant verhält, dann wird sich das Universum weiterhin ausdehnen und die Zeit wäre unendlich. Wenn sich die dunkle Energie aber als etwas komplizierter herausstellt, wenn sie etwa ein zeitabhängiges Verhalten zeigt, dann sind viele verschiedene Szenarios möglich.

Cigar: Zum Beispiel?

Mayer: Nehmen wir an, dass die dunkle Energie irgendwann ihr Verhalten ändert, und sich die Ausdehnungsgeschwindigkeit des Universums verlangsamt oder sogar umkehrt, dann wäre auch die Zeit endlich.

Cigar: Das Universum würde wieder zurückschrumpfen, zurück zum Urknall und zum Anfang der Zeit.

Mayer: Genau. Im Moment zirkulieren recht viele komplizierte physikalische Modelle, die auf sich zeitabhängig verhaltender dunkler Energie basieren. Aber die einfache kosmologische Konstante, die Einstein in seinen Gleichungen für die schwarze Energie verwendete (und später verwarf), scheint mit unseren Daten übereinzustimmen. Zumindest besser als all die anderen Modelle. Zurzeit gehen wir darum davon aus, dass das einfache Modell Einsteins, nämlich, dass sich die schwarze Energie konstant verhält, stimmt. Aber in den nächsten zehn Jahren kann sich vieles ändern. Die Nasa und Esa planen einige Missionen, die uns neue Proben und Erkenntnisse über die schwarze Energie und schwarze Materie bringen werden.

Cigar: Sind Zeitreisen möglich?

Mayer: Im Prinzip ja. Wenn etwa ein Astronaut zu nahe an ein superstarkes Gravitätsfeld, an ein schwarzes Loch kommt, dann vergeht die Zeit für diesen Astronaut viel langsamer, als für einen weit entfernten Betrachter. In diesem Sinn sind Zeitreisen, so wie sie Einstein in der Relativitätstheorie beschrieb, möglich. Aber es braucht spezielle Voraussetzungen, nämlich ein riesiges schwarzes Loch.

Cigar: Es gibt Versuche, Daten mit Überlichtgeschwindigkeit in die Vergangenheit zurückzuschicken.

Mayer: Diese Frage hat zu tun mit der Verbindung zwischen der Theorie der Quantenmechanik und der Theorie der Gravität. Das ist neben der dunklen Materie und der dunklen Energie das andere, sehr offene Feld der fundamentalen Physik, weil es keine allgemeingültige Theorie gibt. Seit Einstein und Schrödinger hat man versucht, die Quantenmechanik und die Gravitätstheorie zu vereinen, aber ohne Erfolg. Was ich sagen will ist, quantenmechanische Phänomene und die Theorie der Gravität sind verschiedener Natur. Das Senden von Information gehört in die Quantenmechanik, Raum- und Zeitreisen in die Gravität. Zeitreisen, wenn sie denn möglich sind, können nur erklärt werden, wenn man es schafft, eine vereinbarte Theorie aus der Quantenmechanik und Gravität zu schmieden.

Cigar: Welche Bedeutung hat Zeit für Sie?

Mayer: Wenn ich an etwas arbeite, das mich fasziniert, verhalte ich mich fast wie ein Astronaut in einem schwarzen Loch. Die Zeit vergeht für mich viel langsamer als für die Welt um mich herum. Als Physiker will man so schnell wie möglich zu fundamentalen Antworten kommen. Aber gerade bei Fragen zu der dunklen Materie stösst man anstelle von Antworten immer wieder auf neue Fragen. Das ist zwar spannend, aber frustrierend zugleich, weil die finale Antwort weiter von einem wegrückt.

Cigar: Wann werden Sie verrückt?

Mayer: Die Gefahr ist schon da. Es ist wichtig, dass man einige starke Verbindungen hat, zu Leuten, die etwas ganz anderes tun. In meinem Fall ist es sehr gesund, dass meine Frau nicht in der Physik tätig ist. Sie bringt mich zurück in die Realität.

Cigar: Sie haben an einem NASA-Programm teilgenommen, das nach Leben auf anderen Planeten forscht. Existieren alternative Erden?

Mayer: Absolut, ziemlich viele sogar, und wir werden einige davon entdecken. Sehr bald. Die Kepler-Mission, die vor einem Jahr gestartet wurde, ist mit hochauflösenden Instrumenten ausgerüstet, welche die Eklipse messen, die Planeten auf ihre Sterne projektieren. Bereits heute hat Kepler so einige neue Planeten entdeckt. wir rechnen damit, dass wir in drei, spätestens fünf Jahren erdenähnliche Planeten finden.

Cigar: Und was passiert dann?

Mayer: Der erste Planet, der die gleiche Masse wie die Erde und eine ähnliche Distanz zu einem Stern vom Typ unserer Sonne hat, wird die grösste Newsmeldung in der Geschichte der Menschheit. Und es wird passieren, es ist nur eine Frage der Zeit.

Cigar: Wo sind diese Planeten. Von welchen Distanzen reden wir?

Mayer: Diese Planeten sind immer noch in unserer Galaxie. Etwa zwischen zehn und hundert Lichtjahren entfernt, also nicht sehr weit.

Cigar: Und trotzdem unerreichbar?

Mayer: Natürlich, mit der heutigen Raumfahrt ist es unmöglich. Ausser wir können in Zukunft von einer Galaxie in die andere springen, per Wurmloch zum Beispiel, wer weiss das schon. Wir werden aber sicher Informationen über die atmosphärische Zusammensetzung von solchen Planeten erhalten. ­Momentan wächst eine riesige Wissenschaft zusammen, die an solchen Planeten forscht. Das sind zum Beispiel auch Leute, die ihr ganzes Leben die Atmosphäre der Erde untersucht haben, und jetzt ihre Erfahrung in diese Forschung einbringen.

Ausgabe 2/2010