Die Ewigkeit vor dem Urknall

09.04.2004

Die "Loop-Quantum-Gravity-Theory" will die ultimative Grenzfrage der Kosmologie lösen

Wenn sich heutzutage jemand mit "demjenigen" beschäftigt, was die Welt "im Innersten zusammen hält", dann sind dies die Philosophen und Kosmogonen unserer Tage: die Astrophysiker der Postmoderne. Schließlich sind sie es, die Theorien in die Welt setzen, die nicht von dieser Welt zu sein scheinen, aber dieselbige dennoch zu beschreiben und deren Herkunft zu ergründen versuchen. Einer von ihnen ist der deutsche Astrophysiker Martin Bojowald vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik bei Potsdam, der kürzlich mit einer komplexen Theorie vorstellig geworden ist, der zufolge unser Universum nicht aus dem Nichts, sondern aus einem bizarren hochkomplexen Raumzeit-Spin-Netzwerk generiert wurde. Danach war der Urknall bestenfalls eine Übergangsphase und nicht der Beginn von allem.

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Sich an die Grenze des Undenkbaren wagen, das Spekulative bis zum letzten ausreizen und dabei ruhig einmal den Boden des Rationalen verlassen und in höheren Sphären schweben - dies scheint in der Kosmologie seit einigen Jahren salonfähig wie nie zuvor. Die Theorien, mit denen die Astrophysiker dabei um ungeteilte Aufmerksamkeit buhlen, mögen teils bizarr, teils abstrakt-mathematisch anmuten - faszinierend und publikumswirksam sind sie indes allemal.

Zeitpfeil Richtung vorgegeben

Längst hat sich innerhalb der Astrophysik und Kosmologie ein subtiler Trend zum Metaphysischen abgezeichnet, der seinen stärksten Ausdruck in dem Vokabular findet, das dem Science-Fiction-Genre entliehen ist. Ehemals futuristische Begriffe wie Wurmlöcher, Zeitreisen, Tunneln oder Quantenteleportation sind in astronomischen Kreisen inzwischen zu geflügelten Wörtern avanciert und haben einen Paradigmenwechsel eingeläutet, der sich in immer gewagteren, wenngleich abstrakteren Theoriemodellen manifestiert, worunter das etablierte Urknall-Modell allerdings nicht fällt. Denn trotz einiger Schwächen und Unklarheiten ist es "auf dem Markt der kosmologischen Theorien", wie es einmal der franko-kanadische Astrophysiker Hubert Reeves umschrieb, nach wie vor "die bei weitem beste Wahl".

Dem "Big Bang" zufolge entsprang vor ungefähr 13,7 Milliarden Jahre in einer gewaltigen "Explosion" hochintensive Strahlung. Binnen einer Quintillionstel (Zahl mit 30 Nullen) Sekunde blähte sich der Raum aus einem undefinierbaren unendlich kleinen Punkt ("Singularität") von unvorstellbar hoher Energiedichte und Temperatur mit unglaublicher "Geschwindigkeit" um den unvorstellbaren Faktor 1029 auf - weit über die Größe des heute beobachtbaren Universums hinaus. Dabei wurden eben jene Ingredienzien freigesetzt, die "später" zu Antimaterie und wohl auch zu bislang noch unbekannten Energieformen zusammenfanden. "Zeitgleich" wurde der Raum "geformt" und die Richtung des Zeitpfeils vorgegeben.

Pre-Big-Bang-Theorien: Gott III und Linde

Den Anfangspunkt, an dem dieser Zeitpfeil gewissermaßen "abgeschossen" wurde, nennen Astrophysiker Planck-Zeit (tPL). Sie definiert den frühestmöglichen Zustand der Welt, wie er 1043 Sekunden nach dem Urknall gewesen sein mag. Vor allem aber bildet sie die Grenze der klassischen Beschreibung von Raum und Zeit. Alles, was sich vor der Planck-Zeit t = 10-43 Sekunden einstmals auch immer zugetragen hat, sprengt den Rahmen der Einsteinschen Relativitätstheorie, weil sie ein "davor" nicht beschreibt. Anders gesagt: Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt bestenfalls einen ersten Moment der Zeit voraus, der nach dem Urknall in diese Welt trat. Was vor diesem Moment war, entzieht sich ihrer Kenntnis.

Obwohl erst ab der Planck-Zeit die Modelle der klassischen Kosmologie einen Raumzeit-Rahmen und die thermodynamischen Voraussetzungen für die klassische Kosmologie bieten, setzen diverse Forscher neuerdings gänzlich andere Prämissen und überschreiten bewusst jene Grenzen, die von der Einsteinschen Relativitätstheorie gezogen wurden. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, suchen die Forscher schon seit geraumer Zeit händeringend nach einer Theorie, die sowohl die Gesetze des Großen (Raumzeit) als auch die Gesetze des Kleinen (Quanten) in Einklang bringt.

Eine solche Brücke geschlagen haben beispielsweise die US-Astrophysiker Richard Gott III und Li-Xin Li von der Princeton University in New Jersey schon vor einigen Jahren. Sie glauben, dass das Universum sich selbst kreiert hat. "Wir nehmen an, dass das Universum eher aus irgend etwas als aus dem Nichts entstanden ist", vermutet Richard Gott III. "Dieses Etwas war es selbst." Demnach ist der Weltraum wie ein Zeitreisender, der in der Vergangenheit immerfort sein eigener Vater wird, in einer zyklischen Zeitschleife gefangen, um sich ständig aufs Neue selbst zu erschaffen.

Nicht minder ungewöhnlich ist die von dem russischen Kosmologen Andrei Linde (Stanford-Universität/Kalifornien) entworfene Multiversum-Theorie, die manche Experten sogar als "zweite kopernikanische Wende" feiern. Ihr zufolge entstehen aus dem Vakuum durch quantenphysikalische Fluktuationen spontan Raum-Zeit-Blasen, die sich explosionsartig zu einem Universum ausdehnen. Aus zahlreichen Big Bangs sind viele, wenn nicht sogar unendlich viele Baby-Universen mit unterschiedlichen Ausgangsgrößen hervorgegangen. Zu Beginn "existierte" ein instabiles Nichts, das irgendwie zu strahlen begann. Dabei bildeten sich Millionen kleiner Blasen, von denen sich jede zu einem eigenem Universum aufblähte. Auch das uns vertraute, sichtbare Universum ist danach nicht mehr als eine "Schaumblase" unter vielen.

Pre-Big-Bang-Theorien: Steinhardt und Smolin

Dagegen glauben Paul J. Steinhardt (Princeton University) und Neil Turok (Cambridge University), dass der Urknall sich schon seit Ewigkeiten immerfort zyklisch wiederholt. Die beiden US-Astrophysiker vermuten, dass wir in einer vierdimensionalen Membran leben, zu der es ein spiegelbildliches Gegenstück gibt: ein Paralleluniversum. In diesem höherdimensionalen "Haupt-Universum" bildet unser Universum, das eine Raumdimension weniger besitzt, eine "Bran" (abgeleitet von Membran), wobei die zweite "Bran" zu besagtem Schattenuniversum gehört. Kollidieren nun diese beiden "Branes" miteinander, was alle paar Billionen Jahre geschehen soll, entzündet sich ein Urknall.

Lee Smolin indes geht von einem völlig anderen Ansatz aus und stellt die Frage: Was wäre eigentlich, wenn es zwischen der Singularität des Big Bang, jener Keimzelle des Universums, in der alles Entstandene, Vergangene und Werdende im Universum vor astronomisch langer Zeit einmal in einem unendlich kleinen, unendlich heißen, unendlich dichten und unendlich unerklärlichen punktartigen Gebilde konzentriert gewesen war, und der Singularität von Schwarzen Löchern eine "qualitative" Parallele gäbe? Wäre es möglich, dass bei beiden Singularitäten ein- und derselbe dichte Zustand vorherrscht?

Entstünde dann nicht hinter jedem Horizont eines Schwarzen Loches ein neues Universum? Inspiriert von diesen Fragen, entwickelte Smolin 1999 einen ungewöhnlichen Theorieansatz, wonach die Singularität eines Schwarzen Loches nicht nur ein zerstörerisches, sondern auch zugleich ein kreatives Moment haben könnte. Danach könnte jedes Schwarze Loch die Eizelle zu einem neuen Universum sein. Jenseits des Ereignishorizonts könnte ein kollabierender Stern aus einem sehr dichten Zustand "an einen bestimmten Punkt" heraus explodieren und somit eine Umkehrung des Kollapses der Sternmaterie einleiten. Ein potenzieller Beobachter hätte das Gefühl, in einem Bereich zu weilen, "in dem sich alles voneinander wegbewegt". Dieser expandierende Bereich könnte eine inflationäre Phase durchmachen und sich zu einem neuen Universum aufblähen, das unserem stark ähnelt.

LQG - Schüssel zum kosmischen Gral?

So abenteuerlich solcherlei Gedanken auch klingen - jetzt rüttelt ein deutscher Astrophysiker mit einer noch ungewöhnlicheren Theorie an den Festen der Kosmologie, die die "historische" Dimension des Urknalls zwar nicht in Abrede stellt, dafür aber mit einer höchst fantastischen Erklärung die Zeit vor dem "Big Bang" zu definieren versucht. Diesem neuen Ansatz zufolge existierte unser Universum bereits vor dem Urknall - und zwar in einer negativen Zeitdimension als inverse Kopie seiner selbst, quasi als Spiegeluniversum in einer umgestülpten Zeitdimension. "Das Universum hatte keinen Anfang. Es existierte immer schon", brachte Martin Bojowald vom Max Planck Institut für Gravitationsphysik in Golm bei Potsdam den Kern seiner neuen These jüngst gegenüber dem Wissenschaftsmagazin NewScientist lapidar auf den Punkt.

So abgehoben Bojowald Erklärungsansatz auch anmutet - das theoretische Fundament, auf dem seine Idee fußt, ist sogar noch eine Nuance phantastischer. Er basiert nämlich auf einer noch vergleichsweise jungen Theorie, die sich in der Fachwelt sukzessive als Loop Quantum Gravity ("Schleifen-Quantengravitation" oder "Loop-Quantengravitation" - LQG) einen Namen gemacht hat. Nicht wenige Forscher glauben, dass dieses Modell eines Tages die Astrophysik revolutionieren könnte. Schließlich bietet es wie kaum ein anderes den derzeit vielversprechendsten Ansatz zur Vereinigung von Quantenmechanik und Gravitation (daher der Name "Quantengravitation"). Gelänge es die widersprüchlichen Prinzipien zwischen Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenphysik aufzulösen und beide Theorien miteinander zu einer höherdimensionierten Formel zu verschmelzen (Grand Unified Theory), könnte dies der Schlüssel zum Verständnis von Schwarzen Löchern sein, mit dem sich zugleich das Tor zum Urknall-Szenario öffnen ließe. Dann könnten die String-Theorie oder die auf ihr basierende und weiterentwickelte M-Theorie eines Tages das Nachsehen haben, sofern sich der neue mathematische Entwurf auf dem hartumkämpften Markt der Weltformel als bestes Modell durchsetzen sollte.

Die komplexen Spin-Netzwerke der LQG

Entwickelt wurde die "Schleifen-Quantengravitationstheorie" von Lee Smolin und seinem Institutskollegen Abhay Ashtekar sowie Ted Jacobson (University of Maryland) und Carlo Rovelli (Université de la Mediterranée Marseille). Nach diesem Konzept, das erstmals 1987 in Indien vorgestellt wurde, besteht die Welt aus kleinsten ringförmigen Gebilden ("Loops"), die maximal einen Durchmesser von 10-33 Metern aufweisen. Nicht allein der Raum, sondern auch die Zeit generieren sich aus diesen strukturellen Bausteinen bzw. "diskreten Stücken", wie Smolin sie nennt. Gäbe es eine Möglichkeit, einen direkten Blick in diesen Sub-Mikrokosmos zu werfen, offenbarte sich dem Betrachter ein linienförmiges, verknotetes unübersichtliches Gewebe aus polymerartigen eindimensionalen Fäden, in dem aber Raum und Zeit noch nicht existent sind. "Nur die Linien und Knoten existieren; sie machen den Raum aus, und die Art ihrer Verbindungen definiert die Geometrie des Raumes", so Smolin über die so genannten Spin-Netzwerke.

Dabei entspreche ein Knoten in der Regel einem Volumen von einer Kubik-Planck-Länge, und eine Linie einer Fläche von einer Planck-Länge zum Quadrat, wobei aber ein solches Spin-Netzwerk, wie Smolin betont, beliebig groß und komplex sein könne. "Könnten wir den Quantenzustand des Universums detailliert abbilden - seine durch die Schwerkraft von Galaxien, Schwarzen Löchern und allem übrigen verzerrte räumliche Geometrie -, so käme ein gigantisches, unvorstellbar komplexes Spin-Netz mit rund 10184 Knoten heraus", verdeutlicht Smolin in einem Fachbeitrag im Spektrum der Wissenschaft. Noch verzwickter wird das Ganze in bezug auf das "Werden" der Zeit. Ähnlich dem Raum, der durch die diskrete Geometrie seiner Spin-Netze definiert wird, ergeht es der Zeit, wird sie doch erst durch die Abfolge diskreter Züge definiert, die das Netzwerk umordnen.

Das heißt, auch die Zeit ist nun diskret. Sie fließt nicht wie ein Fluss, sondern tickt wie eine Uhr, wobei jedes Ticken ungefähr einer Planck-Zeit von 10-43 Sekunden entspricht.

Das "Nichts" existierte schlichtweg nicht

Just den Konnex von Raum und Zeit vor Augen und zugleich die Art und Weise, wie diese gemäss der LQG kreiert werden, unternahm der deutsche Physiker Dr. Martin Bojowald eine mathematisch-intellektuelle Reise zurück in die frühste Vergangenheit des Kosmos und untersuchte, wie das Universum aus Sicht der LQG zum bzw. vor dem Zeitpunkt des Big Bang ausgesehen haben könnte. Dabei zeigte sich, dass unter Anwendung der LQG-Theorie die bekannten mathematischen Schwierigkeiten der Allgemeinen Relativitätstheorie, die unterhalb der Planck-Skala, also bei Singularitäten auftreten, schlichtweg vermieden werden konnten.

Die LQG-Theorie geht davon aus, dass auf der Planck-Skala eine präzise, reiche und diskrete Struktur existiert, die es zu ergründen gilt. Unter der Planck-Skala (PDF) verstehen Kosmologen die kleinstmögliche Längenskala, die eine Größenordnung von 10-33 Zentimeter aufweist. "Die klassische Raumzeit löst sich im Urknall auf, aber das Spin-Netzwerk ist noch da", betont Ashtekar, bei dem Bojowald als Postdoc arbeitete. Für Ashtekar währt das Spin-Netzwerk ewig.

Es gab keine Entstehung des Universums aus dem Nichts, weil das Nichts schlichtweg nicht existiert. Es gab immer schon etwas.

Und dieses "Ewas" ist das von den Forschern postulierte Spin-Netzwerk, das zwei Charakteristika aufweist. Erstens hat es eine "feinkörnige" Struktur, die aus unerschöpflich vielen verknoteten schleifenartigen Ringen besteht. Zweitens ist es extrem klein: Jede dieser Schleifen ist jeweils eine Planck-Länge, also 10-33 Zentimeter, groß. Aber damit nicht genug.

Umgestülpter Big Bang

Wie sich während des fast zweijährigen Berechnungsmarathons, den Bojowald allein bewältigte, herauskristallisierte, scheint unter Einbeziehung der "Schleifen-Quantengravitation" bei einem Trip zurück zum Urknall das Reiseziel in der Pre-Big-Bang-Ära zu liegen. Hiernach wäre der Urknall nicht die Endstation. Vielmehr eröffnete sich auf der anderen Seite dieses Punktes eine bizarre Welt mit negativer Zeit, in der die Expansion des Kosmos durch Kontraktion ersetzt würde.

Es wäre eine Welt, in der - wie in einem umgestülpten Fußball - links und rechts, außen und innen schlichtweg vertauscht wären. "Der Raum wird praktisch in sich selbst umgestülpt. Das kann mit einem ideal kugelförmigen Luftballon veranschaulicht werden, aus dem die Luft entweicht. Übrig bleibt ein leerer Ballon, wobei alle Teilstücke der Hülle aufeinanderstoßen - wie in einer Singularität", verdeutlicht Bojowald gegenüber "Bild der Wissenschaft". Man müsse sich das so vorstellen, als würden sich die Teilstücke der Ballonhülle ungehindert durchdringen können, also einfach weiterfliegen. Dann werde sich der Ballon zwangsläufig wieder, so Bojowald, zu einer Kugel aufblähen, wobei die vorherigen Innenseiten nun außen seien. Gleichwohl würde dieses Universum unserem sehr ähneln. Auch die uns bekannten Naturgesetze hätten in ihm Gültigkeit, was angesichts der Tatsache, dass die meisten Naturgesetze auch für vertauschte Symmetriebedingungen gelten, wiederum nicht verwunderlich wäre.

Neues Weltraumteleskop könnte hilfreich sein

Wohl gemerkt vermag Bojowalds Gleichung nicht das "davor" bzw. die Pre-Big-Ära en detail zu skizzieren oder zu erklären. "Was im einzelnen vor dem Big Bang passierte, bleibt nach wie vor ungeklärt", erklärt der promovierte Physiker gegenüber Telepolis in einem Telefon-Interview.

Ohnehin verstehen wir unter Zeit vor dem Urknall nicht die gewöhnliche Zeit. Auf jeden Fall bildet für uns der Urknall nur eine Übergangsphase. Er markiert nicht den Beginn von allem.

Nun, auch wenn mit dem zur Verfügung stehenden Instrumentarium vorerst eine Überprüfung der Bojowald'schen Theorie aussichtslos scheint, gibt es ab dem Jahr 2006 eine echte Chance, einige Aspekte der neuen Theorie zu verifizieren. Und zwar dann, wenn GLAST, das Gamma Ray Large Area Space Telescope der US-Raumfahrtbehörde NASA, seine Arbeit im Orbit aufnimmt und sich bestimmten Emissionen von Strahlenpartikeln im Universum widmet, die von der LQG postuliert werden. Hierbei handelt es sich aber keineswegs um unbekannte Emissionen oder gar neue Teilchen, wie Bojowald betont.

Diese Tests beruhen auf Erwartungen, dass sich Teilchen in einer quantisierten Raumzeit etwas anders ausbreiten als in einer klassischen. Diese kleinen Änderungen versucht man zu messen.

Angenommen, den Astrophysikern gelänge es, besagte Modifikation zu registrieren, würde dies zwar nicht automatisch erklären, wie die Welt vor dem Urknall beschaffen gewesen war. Immerhin wäre es aber ein Indiz dafür, dass es irgendetwas vor dem Big Bang gegeben haben könnte - was immer es auch gewesen war, wer immer es auch kreiert haben mag.

Näheres zu Bojowalds Theorie siehe: "Absence of Singularity in Loop Quantum Cosmology" (Physical Review Letters, Bd. 86/2001, S.5227-30) und "Quantum Gravity and the Big Bang". Siehe Preprint-Server

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