Wärmetod des Universums

Was ist der Wärmetod des Universums?

Der Wärmetod beschreibt das Universum am Ende aller Prozesse. Energie verteilt sich im Lauf der Zeit immer gleichmäßiger, bis nirgends mehr ein nutzbarer Unterschied besteht. Genau diese Unterschiede, etwa zwischen heiß und kalt, treiben alle Vorgänge an, von der Sternentstehung bis zum Stoffwechsel. Sind sie verschwunden, kommt alles zum Stillstand: keine Sterne, keine Wärmeströme, kein Leben. Übrig bleibt ein gleichförmiger, eiskalter Raum.

Deshalb heißt das Szenario auch Big Freeze oder Kältetod. Es ist kein Knall und kein Zusammensturz, sondern ein langsames Verlöschen über unvorstellbare Zeiträume. In einem sich ewig ausdehnenden Universum gilt der Big Freeze in der heutigen Kosmologie als das wahrscheinlichste Ende, im Gegensatz zu einem Big Crunch, bei dem alles wieder in sich zusammenfiele, oder einem Big Rip, bei dem die Expansion am Ende sogar Atome zerrisse.

Wärmetod, Entropie und der zweite Hauptsatz

Der Wärmetod ist die kosmische Konsequenz des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik. Dieser besagt, dass die Entropie eines abgeschlossenen Systems mit der Zeit nicht abnimmt, sondern zunimmt oder bestenfalls gleich bleibt. Entropie ist dabei ein Maß dafür, wie gleichmäßig Energie verteilt ist. Hohe Entropie heißt gleichmäßig verteilt und damit nicht mehr nutzbar.

Betrachtet man das gesamte Universum als ein solches abgeschlossenes System, dann steigt seine Gesamtentropie unaufhaltsam, während die nutzbare Energie sinkt. Am Ende dieses Weges steht der Zustand maximaler Entropie, eben der Wärmetod. Der zweite Hauptsatz liefert damit auch den physikalischen Zeitpfeil: Er erklärt, warum die Zeit eine Richtung hat und Vergangenheit und Zukunft sich unterscheiden.

Woher kommt die Idee?

Das Konzept stammt aus dem 19. Jahrhundert. Um 1850 beschrieb der britische Physiker William Thomson, später Lord Kelvin, erstmals die Vorstellung einer allgemeinen Energieentwertung. Rudolf Clausius, der den Begriff der Entropie prägte, fasste das Universum als ein riesiges thermodynamisches System auf und formulierte die Schlussfolgerung, dass dessen Entropie einem Maximum zustrebt.

Gegen die Vorstellung eines endgültigen Wärmetods gab es früh Einwände. Ludwig Boltzmann und vor allem Henri Poincaré mit seinem Wiederkehrsatz von 1890 argumentierten, dass ein abgeschlossenes System nach extrem langer Zeit beliebig nahe an seinen Ausgangszustand zurückkehren könne. Aus dieser Debatte um Zufall und Wiederkehr stammt auch das verwandte Gedankenexperiment des Boltzmann-Gehirns.

Der Wärmetod in der Science-Fiction

Leichte Spoiler-Warnung zu Asimovs Kurzgeschichte folgen.

Kein Werk hat den Wärmetod so berühmt vertont wie Isaac Asimovs Kurzgeschichte 'The Last Question' (1956, auf Deutsch 'Die letzte Frage'). Über Jahrtausende stellen Menschen und ihre immer mächtigeren Computer dieselbe Frage: Lässt sich die Entropie des Universums umkehren, lässt sich der Wärmetod abwenden? Die Antwort lautet stets, es gebe noch nicht genug Daten für eine sinnvolle Antwort. Erst am Ende, als das Universum längst erloschen ist und nur noch der körperlose Superrechner existiert, findet dieser die Lösung und beginnt mit den Worten der Schöpfung von Neuem.

Damit steht der Wärmetod in der SF für die größte denkbare Grenze, gegen die Intelligenz anzukämpfen versucht. Dasselbe Bild prägt das Subgenre der Sterbenden Erde, in dem die erlöschende Sonne und die erschöpfte Welt das nahende Ende vorwegnehmen. Auch die Verdunstung Schwarzer Löcher durch Hawking-Strahlung, ein realer Prozess, gehört zur Physik dieses fernen Endes; mehr dazu im Eintrag Schwarzes Loch.