Janna Levin: Der Klang des Universums

Für uns ist der Weltraum ein Ort der Stille. Doch die Physikerin Janna Levin behauptet, dass der Weltraum seinen eigenen Soundtrack hat – eine klangliche Komposition, die aus einigen der dramatischsten Ereignissen besteht, die das All zu bieten hat. (Schwarze Löcher zum Beispiel spielen auf der Raumzeit wie auf einer Trommel.) Dieser Vortrag ist ein verständlicher und zum Denken anregender Klangspaziergang durch das Universum.

Bitte machen Sie sich alle für einen Moment

eine ganz einfache Tatsache bewusst:

So ziemlich alles,

was wir über das Universum wissen,

wissen wir durch Licht.

Wir können auf der Erde stehen und in den Nachthimmel sehen

und Sterne mit unseren bloßen Augen betrachten.

Die Sonne befeuert unser peripheres Sehen,

wir sehen Licht, das vom Mond reflektiert wird,

und in der Zeit, die vergangen ist, seit Galileo jenes rudimentäre Teleskop

auf die Himmelskörper richtete,

ist das uns bekannte Universum als sichtbares Licht zu uns gereist

und hat dabei unermessliche Zeitalter kosmischer Geschichte durchquert.

Mit Hilfe all unserer modernen Teleskope

haben wir das alles studieren können:

diesen beeindruckenden Stummfilm des Universums,

diese Serie von Schnappschüssen,

die bis zum Urknall zurückreichen.

Aber das Universum ist kein Stummfilm,

denn das Universum ist nicht stumm.

Ich möchte Sie davon überzeugen,

dass das Universum einen Soundtrack besitzt

und dass dieser Soundtrack im Weltraum an sich abgespielt wird:

Denn das All kann schwingen wie eine Trommel.

Es kann eine Art Tonaufnahme erklingen lassen,

die im ganzen Universum zu hören ist;

von einigen der dramatischsten Geschehnisse, als diese sich ereigneten.

Nun würden wir gerne

zu dem wunderbaren visuellen Arrangement,

das wir vom Universum haben,

eine klangliche Komponente hinzufügen.

Und auch, wenn wir bislang die Klänge des Universums noch nie gehört haben,

sollten wir in den nächsten paar Jahren

langsam den Lautstärkeregler für das, was da draußen passiert, hochdrehen.

Aus diesem Ehrgeiz heraus,

Lieder des Universums einzufangen,

richten wir unser Interesse

auf Schwarze Löcher und das ihnen innewohnende Versprechen.

Schwarze Löcher hämmern nämlich gegen die Raumzeit

wie Holzschlegel auf eine Trommel.

Sie haben einen sehr charakteristischen Klang,

den ich Ihnen gerne vorspielen möchte; oder unsere Vorstellung davon,

wie sich dieses Lied anhören wird.

Schwarze Löcher sind ein dunkles Etwas vor einem dunklen Himmel.

Wir können sie nicht direkt sehen.

Sie erreichen uns nicht durch Licht, zumindest nicht direkt.

Wir können sie indirekt sehen,

da Schwarze Löcher in ihrer Umgebung entsetzlichen Schaden anrichten.

Sie zerstören die Sterne in ihrer Umgebung.

Sie verbrennen Trümmerteile in ihrer Umgebung.

Aber sie erreichen uns nicht direkt durch Licht.

Eines Tages sehen wir vielleicht einen Schatten,

den ein schwarzes Loch vor einem hellen Hintergrund wirft,

aber bis jetzt ist uns das nicht gelungen.

Und dennoch kann man Schwarze Löcher hören,

auch, wenn sie unsichtbar sind.

Der Grund dafür ist, dass sie auf der Raumzeit wie auf einer Trommel spielen.

Wir verdanken die Vorstellung, dass das Weltall wie eine Trommel klingt,

Albert Einstein, dem wir so viel verdanken.

Einstein erkannte, dass, wenn der Weltraum leer wäre,

wenn das Universum leer wäre,

es wie auf diesem Bild aussehen müsste,

nur eben ohne dieses hilfreiche Raster.

Aber wenn wir uns im freien Fall durch das Weltall bewegten,

auch ohne dieses hilfreiche Raster,

dann könnten wir es vielleicht selbst malen.

Denn wir würden erkennen, dass wir uns entlang gerader Linien,

entlang unverzerrter, gerader Pfade

durch das Universum bewegen.

Einstein erkannte auch

(und genau darum geht es),

dass wenn man Energie oder Masse ins Universum bringt,

sie das Universum krümmt.

Käme ein im freien Fall befindlicher Körper,

sagen wir, an der Sonne vorbei,

dann würde er verzerrt werden,

entlang der natürlichen Krümmungslinien im Raum.

Das ist Einsteins großartige Allgemeine Relativitätstheorie.

Selbst Licht wird entlang dieser Pfade gebeugt.

Und ein Körper kann so stark gebeugt werden,

dass er in eine Umlaufbahn um die Sonne gelangt,

so wie die Erde, oder wie der Mond in der Erdumlaufbahn.

Dies sind natürliche Krümmungen im Weltraum.

Was Einstein nicht wusste, war Folgendes:

Wenn man die Sonne nehmen

und zu einem Ball von von sechs Kilometern Durchmesser zusammenpressen würde,

wenn man etwas mit der millionenfachen Masse der Erde nehmen

und auf sechs Kilometer zusammenpressen würde,

dann würde man ein Schwarzes Loch erzeugen;

einen Körper von solcher Dichte,

dass Licht, das zu nahe daran vorbei käme, niemals mehr entkommen könnte.

Es wäre ein schwarzer Schatten vor dem Universum.

Es war nicht Einstein, der das erkannte,

sondern Karl Schwarzchild,

ein Deutschjude. Als er im 1. Weltkrieg

in die deutsche Armee eintrat, war er bereits ein erfolgreicher Wissenschaftler,

der an der russischen Front arbeitete.

Ich stelle mir gerne vor, wie Schwarzchild im Krieg in den Schützengräben

Flugbahnen für Kanonen berechnete

und zwischendurch

Einsteins Gleichungen berechnete,

wie man das in Schützengräben eben so macht.

Er las Einsteins gerade veröffentlichte

Allgemeine Relativitätstheorie

und war von dieser Theorie gefesselt.

Bald hatte er

eine genaue mathematische Lösung entwickelt,

die etwas Außerordentliche beschrieb:

Kurven, die so stark gekrümmt waren,

dass das Weltall in sie herabregnen würde.

Das Weltall selbst würde sich wie ein Wasserfall biegen

und in den Schlund eines Loches hinabfließen.

Selbst Licht würde diesem Strom nicht entrinnen.

Licht würde mitgerissen werden in den Abgrund

und alles andere ebenso.

Alles, was übrig bliebe, wäre ein Schatten.

Er schrieb Einstein

und sagte: »Wie Sie sehen werden,

war der Krieg gnädig zu mir.

Trotz schweren Artilleriefeuers

ist es mir gelungen, zu entkommen

und im Land Ihrer Gedanken spazierenzugehen.«

Einstein war von der Präzision dieser Lösung sehr beeindruckt,

und, wie ich hoffe, auch vom Engagement des Wissenschaftlers.

Dies zeigt, wie hart Wissenschaftler selbst unter erschwerten Bedingungen arbeiten.

In der folgenden Woche stellte er Schwarzchilds Idee

der Preußischen Akademie der Wissenschaften vor.

Aber Einstein hielt Schwarze Löcher zeitlebens für eine mathematische Kuriosität.

Er glaubte nicht daran, dass es sie wirklich gäbe.

Er war überzeugt, die Natur würde uns vor ihrer Entstehung schützen.

Es sollte Jahrzehnte dauern,

bis der Begriff »Schwarzes Loch« geprägt wurde

und Menschen begriffen,

dass Schwarze Löcher astrophysische Körper sind.

Tatsächlich sind sie die leblose Zustandsform

extrem dichter Sterne,

die in einer entsetzlichen Katastrophe

am Ende ihres Lebens in sich zusammenfallen.

Unsere Sonne hingegen wird nicht als Schwarzes Loch enden.

Sie ist dafür einfach nicht groß genug.

Aber wir haben ein kleines Gedankenexperiment durchgeführt,

so wie Einstein es auch gerne tat.

Stellen wir uns vor, dass wir

die Sonne auf sechs Kilometer Durchmesser zusammenpressen

und eine winzige Erde in ihre Umlaufbahn bringen,

sagen wir 30 km entfernt

von dieser schwarzen Sonne.

Diese Erde würde von selbst leuchten,

(denn da die Sonne dann verschwunden wäre, gäbe es keine andere Lichtquelle)

also lassen wir unsere kleine Erde von selbst leuchten.

Wir könnten die Erde in eine unbeschwerte Umlaufbahn bringen

etwa 30 km entfernt von

dem zerquetschten Schwarzen Loch.

Dieses zerquetschte Schwarze Loch

wäre in etwa so groß wie Manhattan.

Es würde sich noch ein wenig in den Hudson ergießen,

bevor es die Erde zerstörte.

Aber ungefähr darüber reden wir.

Wir reden über etwas, das man zusammenpressen kann,

bis es halb so groß ist wie Manhattan.

Jetzt bringen wir die Erde ganz dicht heran,

bis auf etwa 30 km,

und sehen, wie sie sich auf einer perfekten Umlaufbahn um das Schwarze Loch bewegt.

Es gibt einen Art Mythos,

dass Schwarze Löcher alles im Universum verschlingen,

aber tatsächlich muss man ihnen sehr nahe kommen, um hineinzufallen.

Was aber von unserem Standpunkt aus besonders beeindruckend ist,

ist die Tatsache, dass wir die Erde immer sehen können.

Sie kann sich nicht hinter dem Schwarzen Loch verstecken.

Das Licht, das von der Erde kommt, einiges davon fällt hinein,

aber einiges wird gestreut und kehrt zu uns zurück.

Man kann also nichts hinter einem Schwarze Loch verbergen.

Wenn dies der Kampfstern Galactica ist

und Sie gegen die Zylonen kämpfen,

dann verstecken Sie sich besser nicht hinter dem Schwarzen Loch.

Die können sie sehen.

Unsere Sonne wird also nicht zu einem Schwarzen Loch kollabieren,

ihre Masse reicht hierfür nicht aus.

Aber es gibt Zehntausende von Schwarzen Löchern in unserer Galaxis.

Wenn eines davon die Milchstraße auslöschte,

würde das so aussehen.

Wir würden einen Schatten des Schwarzen Lochs sehen,

vor dem Hintergrund von Milliarden von Sternen

der Milchstraßen-Galaxis und ihrer leuchtenden Staubbahnen.

Sollten wir auf dieses Schwarze Loch zufallen,

würden wir all das Licht sehen, das um es herum gebeugt würde,

und wir könnten sogar in den Schatten eintreten,

ohne zu bemerken, dass etwas Ungewöhnliches passiert.

Es wäre schlecht, wenn wir versuchten, unsere Triebwerke zu zünden und zu flüchten,

denn das könnten wir nicht,

genauso wenig, wie das Licht entkommen kann.

Aber auch, wenn das Schwarze Loch von außen dunkel ist,

ist es in seinem Inneren nicht dunkel,

denn alles Licht der Galaxis könnte hinter uns einfallen.

Und obwohl aufgrund eines Phänomens der Relativitätstheorie (der so genannten Zeitdilation)

unsere Uhren im Verhältnis zur galaktischen Zeit

langsamer zu gehen schienen,

würde es so aussehen, als ob die Entwicklung der Galaxis

sich beschleunigt hätte und uns entgegen geschossen käme,

kurz bevor wir vom Schwarzen Loch zu Tode zermalmt würden.

Es wäre wie bei einer Nahtod-Erfahrung,

wenn man das Licht am Ende des Tunnels sieht.

Allerdings wäre es eine umfassende Todeserfahrung.

(Gelächter)

Und man könnte niemandem

vom Licht am Ende des Tunnels erzählen.

Nun haben wir noch niemals so einen Schatten eines Schwarzen Loches gesehen,

aber Schwarze Löcher kann man hören,

auch wenn sie unsichtbar sind.

Stellen Sie sich bitte eine astrophysikalisch realistische Situation vor.

Stellen Sie sich zwei Schwarze Löcher vor, die ein langes Leben gemeinsam verbracht haben.

Vielleicht waren es einmal Sterne,

die zu zwei Schwarzen Löchern kollabierten,

jedes mit einer Masse zehnmal so groß wie die der Sonne.

Wir quetschen sie jetzt zu einem Durchmesser von 60 km zusammen.

Sie können sich mehrere

hundert Male pro Sekunde drehen.

Am Ende ihres Lebens

umkreisen sie einander beinahe mit Lichtgeschwindigkeit.

Sie können Tausende von Kilometern

im Bruchteil einer Sekunde zurücklegen.

Und während sie das tun, beugen sie nicht nur den Raum,

sondern sie hinterlassen in ihrem Kielwasser

ein Klingen des Raumes,

eine echte Welle aus Raumzeit.

Der Weltraum zieht sich zusammen und dehnt sich aus,

während sie aus diesen Schwarzen Löchern hervorströmt

und auf das Universum einhämmert.

Und sie reisen mit Lichtgeschwindigkeit

hinaus in den Kosmos.

Diese Computersimulation

verdanken wir einer Relativitäts-Arbeitsgruppe der NASA Goddard.

Es hat fast 30 Jahre gedauert, bis jemand dieses Problem gelöst hatte.

Dies war eine dieser Gruppen.

Hier sehen wir zwei Schwarze Löcher, die einander umkreisen,

wieder mit den hilfreichen, aufgemalten Linien.

Vielleicht können Sie sehen – es ist ein bisschen undeutlich –

aber wenn Sie die roten Wellen sehen, die austreten,

das sind Gravitationswellen.

Sie stellen tatsächlich den Klang des tönenden Weltraums dar

und werden mit Lichtgeschwindigkeit aus diesen Schwarzen Löchern austreten,

während sie immer leiser werden

und schließlich verschmelzen werden

zu einem sich drehenden, stillen Schwarzen Loch.

Wenn Sie nahe genug wären,

würden der Klang des sich zusammenziehenden und

ausdehnenden Weltraums in Ihren Ohren dröhnen.

Sie würden den Klang buchstäblich hören können.

Natürlich würde auch Ihr Kopf gepresst und gedehnt werden, was recht unangenehm wäre,

weshalb Sie auch Mühe hätten, das Geschehen zu begreifen.

Aber ich möchte Ihnen gerne vorspielen,

welche Klänge wir hier prognostizieren würden.

Dies hier ist von meiner Arbeitsgruppe –

ein etwas weniger glamouröses Computermodell.

Stellen Sie sich vor, dass ein leichteres Schwarzes Loch

in ein sehr schweres Schwarzes Loch fällt.

Was Sie hören,

ist das Geräusch, mit dem das leichte Schwarze Loch auf das Weltall hämmert,

jedes Mal, wenn es dicht daran vorbeikommt.

Wenn es sich wieder entfernt, ist es etwas zu leise.

Aber es trifft auf wie ein Schlegel

und zertrümmert das Weltall regelrecht,

lässt es wie eine Trommel schwingen.

Wir können vorhersagen, wie das klingen wird.

Wir wissen: Wenn es hineinfällt,

wird es schneller und lauter.

Und schließlich

hören wir, wie der kleine Kerl in den großen Kerl fällt.

(Dumpfer Aufprall)

Dann ist er verschwunden.

Ich habe das noch nie so laut gehört – es ist wirklich viel dramatischer.

Zu Hause klingt es eher etwas enttäuschend,

mehr so wie ding, ding, ding.

Dies ist ein anderes Geräusch aus meiner Gruppe.

Nein, ich zeige Ihnen keine Bilder,

denn Schwarze Löcher hinterlassen keine

hilfreichen Tintenspuren.

Der Weltraum hat keine bunten,

aufgemalten Linien.

Aber wenn Sie während eines Weltraumurlaubs im All umhertrieben

und Sie würden dies hier hören,

dann sollten Sie machen, dass Sie wegkommen.

(Gelächter)

Sie sollten wirklich wegkommen von diesem Geräusch.

Beide Schwarzen Löcher bewegen sich.

Beide Schwarzen Löcher kommen einander näher.

In diesem Fall schwingen sie zuerst sehr stark

und dann verschmelzen sie.

(Dumpfer Aufprall)

Jetzt ist es verschwunden.

Dieses Zirpen ist typisch für das Verschmelzen zweier Schwarzer Löcher,

dass es am Ende so zirpt.

Dies ist ist unsere Vorstellung davon,

was wir sehen würden.

Zum Glück sind wir hier in Long Beach, Kalifornien in sicherer Distanz.

Aber mit großer Wahrscheinlichkeit sind gerade irgendwo im Universum

zwei Schwarze Löcher miteinander verschmolzen.

Und genauso sicher ist es, dass der Weltraum

um uns herum schwingt, nachdem er

vermutlich Millionen Lichtjahre gebraucht hat, oder eine Million Jahre

mit Lichtgeschwindigkeit zu uns gereist ist.

Aber der Klang ist viel zu leise, als das wir ihn jemals hören könnten.

Auf der Erde werden mit großem Eifer Experimente durchgeführt,

eines davon heißt LIGO –

die Abweichungen aufspüren sollen

in der Art und Weise, wie der Weltraum sich zusammenzieht und wieder ausdehnt,

Abweichungen in der Größenordnung kleiner als ein Atomkern

auf einer Strecke von vier Kilometern.

Es ist ein unglaublich ambitioniertes Projekt

und seine Empfinflichkeit wird in den nächsten Jahren

noch weiter entwickelt werden – um das hier wahrnehmen zu können.

Es soll auch eine Mission für das Weltall geben,

die hoffentlich innerhalb der nächsten zehn Jahre starten wird.

Sie heißt LISA.

LISA wird in der Lage sein, riesige Schwarze Löcher zu sehen,

Schwarze Löcher mit der millionen- oder milliardenfachen

Dichte der Sonne.

Auf diesem Bild des Hubble-Teleskops sehen wir zwei Galaxien.

Sie sehen aus, als ob sie in einer Umarmung erstarrt sind.

Jede birgt vermutlich in ihrem Inneren

ein riesiges Schwarzes Loch.

Aber sie sind nicht erstarrt.

Sie verschmelzen miteinander.

Diese beiden Schwarzen Löcher stoßen zusammen

und werden im Laufe von Milliarden Jahren eins.

Unsere menschliche Wahrnehmungsfähigkeit ist nicht in der Lage,

ein Lied solcher Zeitdauer zu erfassen.

Aber LISA könnte das Endstadium

zweier riesiger Schwarzen Löcher sehen,

zu einem früheren Zeitpunkt in der Geschichte des Universums,

die letzen 15 Minuten, bevor sie verschmelzen.

Und es geht nicht nur um Schwarze Löcher,

sondern auch um all die großen Störungen im Universum –

und die größte von allen ist der Urknall.

Als man den Begriff prägte, war das verächtlich gemeint –

»Wer glaubt schon an einen Urknall, einen Big Bang?«

Aber heute könnte der Begriff technisch gesehen sogar angebrachter sein,

denn es könnte knallen;

es könnte ein Geräusch geben.

Diese Animation von Freunden von mir in den Proton Studios

zeigt eine Außenansicht des Big Bang, des Urknalls.

Wir wollen das nie wirklich versuchen; wir wollen niemals innerhalb des Universums sein,

weil man niemals außerhalb des Universums sein kann.

Stellen Sie sich also vor, Sie befinden sich im Urknall.

Er ist überall, überall um Sie herum

und der Weltraum wabert und schwingt völlig unkontrolliert.

14 Milliarden Jahre gehen vorüber,

aber dieses Lied erklingt immer noch um uns herum.

Galaxien bilden sich

und Generationen von Sternen werden in diesen Galaxien geboren.

Und um einen dieser Sterne,

wenigstens einen einzigen,

kreist ein bewohnbarer Planet.

Und hier sitzen wir und arbeiten wie verrückt an diesen Experimenten,

machen Berechnungen und schreiben Computercode.

Stellen Sie sich vor, dass vor einer Milliarde Jahren

zwei Schwarze Löcher zusammenstießen.

Ihr Lied klingt seitdem durch den Weltraum,

schon die ganze Zeit.

Uns gab es damals noch nicht einmal.

Es kommt näher und näher –

vor 40.000 Jahren haben wir noch Höhlenbilder gemalt.

Los, beeilt Euch, möchte man sagen – Baut eure Meßgeräte.

Es kommt näher und näher und 20..,

in welchem Jahr dieses Jahrhunderts auch immer,

wenn unsere Messgeräte endlich empfindlich genug sind –

wir werden sie bauen, wir werden die Maschinen anschalten

und bang, wir werden es einfangen – das erste Lied aus dem Weltall.

Sollte es der Big Bang sein, den wir aufnehmen,

dann würde er so klingen.

(Rauschen) Es ist ein schreckliches Geräusch.

Es ist buchstäblich der Inbegriff von Lärm.

Es ist weißes Rauschen, es ist ein so chaotisches Geräusch.

Aber es ist überall um uns herum, wahrscheinlich jedenfalls,

wenn es nicht durch einen anderen Vorgang

im Universum ausgelöscht wurde.

Wenn wir es aufnehmen, wird es in unseren Ohren wie Musik klingen,

weil es ein leises Echo sein wird,

ein Widerhall des Moments unserer Erschaffung,

unseres sichtbaren Universums.

Innerhalb der nächsten zwei Jahre also

werden wir den Soundtrack ein wenig lauter stellen können

und das Universum als Klangbild ausgeben.

Aber wenn wir jene allerfrühesten Momente erfassen können,

wird uns einem Verständnis

des Urknalls viel näher bringen,

was uns wiederum näher an einige

der komplexesten, am schwersten zu fassenden Fragen bringt.

Wenn wir einen Film des Universums rückwärts abspielten,

wüssten wir, dass es in der Vergangenheit einen Urknall gegeben hat

und wir könnten sogar die Kakophonie seines Klangs wahrnehmen.

Aber war unser Urknall der einzige Urknall?

Ich denke, dass wir die Frage stellen müssen: Ist so etwas schon einmal passiert?

Wird es sich wiederholen?

Ich finde, im Sinne der Herausforderung, die TED darstellt

– das Staunen wieder zu entzünden –

können wir Fragen stellen, zumindest in dieser letzten Minute,

die sich uns sonst vielleicht für immer entziehen könnten.

Aber wir müssen uns fragen:

Ist es möglich, dass unser Universum

nur ein Ableger einer größeren Geschichte ist?

Oder ist es möglich, dass wir nur ein Ableger eines Multiversums sind –

jeder Ableger mit seinem eigenen Urknall in seiner Vergangenheit –

vielleicht haben einige von ihnen Trommel spielende Schwarze Löcher,

andere vielleicht nicht –

in einigen gibt es vielleicht intelligentes Leben, in anderen nicht –

nicht in unserer Vergangenheit, nicht in unserer Zukunft,

aber doch in irgendeiner Weise fundamental mit uns verbunden?

Wir müssen uns also fragen: Wenn es ein Multiversum gibt,

existieren dann in einem anderen Fragment dieses Multiversums

Lebewesen?

Dies sind meine Geschöpfe des Multiversums.

Gibt es andere Lebewesen in diesem Multiversum,

die sich über uns Gedanken machen

und über ihre eigenen Ursprünge?

Und wenn es sie gibt,

kann ich mir vorstellen, dass sie wie wir sind,

dass sie rechnen und Computercodes schreiben,

Instrumente bauen,

versuchen, das entfernteste Geräusch

ihrer Herkunft auszumachen

und sich fragen, wer noch da draußen ist.

Vielen Dank. Vielen Dank.

(Applaus)