Die Zeit vor der Zeit

28.03.2012

Warum die Existenz des Universums womöglich nicht mit dem Urknall begonnen hat

Der Urknall hat ein im Wortsinn kleines Problem: Er muss sich auf winzigstem Raum abgespielt haben. Je näher man ihm kommt, desto stärker muss sich die komplette Energie des Kosmos in einer Raumeinheit zusammengedrängt haben, bis alles in einem Punkt unendlicher Dichte konzentriert war. Dieser Zustand ist mit der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht fassbar, Einsteins Werk versagt hier. Physiker würden den Urknall deshalb gern mit einer Theorie betrachten, die Großes (das Weltall) und Kleines (die Quantenwelt) vereint.

Würden - weil es leider mehr als einen Kandidaten für diese Alles-Theorie gibt. Geschichtlich gesehen noch sehr jung, aber doch die älteste aktuell diskutierte Vertreterin ist die Stringtheorie, nach welcher der Raum aus winzigen, Klaviersaiten ähnlichen Objekten aufgebaut ist. Diese "strings" sind eindimensional, sie vibrieren mit einer bestimmten Frequenz, der sich eine Energie zuordnen lässt. Inzwischen haben Physiker diese Idee zur "M-Theorie" um andere Strukturen ausgebaut: Punktteilchen und vor allem Membranen, die bis zu 9 Dimensionen besitzen können.

Um zu den Elementarteilchen und den Naturgesetzen zu kommen, wie wir sie kennen, muss man die überzähligen Dimensionen auf ganz bestimmte Art "aufwickeln", wie die Forscher diesen Vorgang nennen. Es gibt ganz unterschiedliche Möglichkeiten, die Membranen und Strings aufzuwickeln, und je nachdem, welche man wählt, entsteht ein andersartiges Universum. Insgesamt sind so 10 hoch 100 verschiedene Universen möglich. Und nicht nur möglich, sondern sogar wahrscheinlich. Wobei kein Bewohner eines speziellen Exemplars irgend etwas von den im Nachbar-Kosmos existierenden Lebewesen mitbekommen würde.

Die Superstring-Theorie sieht die Gravitation als einzige Kraft in einer Extra-Dimension (Grafik: DESY)

Allerdings kann auch ein großer Teil dieser Universen aus den besagten Membranen bestanden haben oder bestehen, ohne dass es je zur Entstehung von Elementarteilchen kam. Wenn sich jedoch, so die Idee der Forscher, bei der Bewegung über eine zusätzliche elfte Dimension hinweg zwei dreidimensionale Welten zu nahe kamen, könnten diese kollidiert sein - wodurch im Urknall unser Universum geboren wurde. Was dann passiert, hängt mit dem weiteren Verhalten der kollidierten Membranen zusammen: Nähern diese sich irgendwann erneut, könnte mit einem neuen Urknall ein ganzer Zyklus entstehen.

Die Schleifenquantengravitation

In Sachen Welt vor der Welt noch ergiebiger ist der Konkurrent der Stringtheorie, die Schleifenquantengravitation. Nach ihr ist das Universum nur scheinbar kontinuierlich. Tatsächlich aber ist alles, wirklich alles, quantisiert, auch die Gravitation. Der Raum ist nicht mehr der Behälter für das Universum, sondern er ist ein Teil davon, der ebenfalls zerstückelt ist und die Form eines Netzes aus Linien und Knoten annimmt. Die Elementarteilchen entsprechen dann verschiedenen Knotentypen, zwischen den Linien und Knoten befindet sich: nichts. Kein leerer Raum, sondern ganz und gar nichts.

Die Theorie der Schleifenquantengravitation führt zu einigen seltsam anmutenden Folgerungen, beschreibt aber manch interessante Phänomene besser als andere Theorien. Was sich aus ihr für den Urknall ergibt, hat erstmals 2004 der deutsche Physiker Martin Bojowald simuliert. Zunächst vermeidet man das Konzept der Singularität, denn das Schleifenquanten-Universum hat eine bestimmte Mindest-Strukturgröße, die es nicht unterschreiten kann. Rechnet man sich immer näher an den Urknall heran, erscheint dieser nicht mehr als unüberwindbare Schranke. Stattdessen erreicht man mit einem "Plopp" die Minuszeit - ein neues, anderes oder auch Vorgänger-Universum, in dem alle Richtungen (auch die der Zeit) umgekehrt sind.

Die Evolution des Universums nach dem Urknall (Grafik: NASA / WMAP Science Team)

Für die Physiker ist das kein großes Problem, weil die Naturgesetze praktischerweise symmetrisch sind. Dieses Universum vor dem Universum zieht sich in Richtung des Urknalls zusammen. Die Theorie hat damit den früher schon einmal populären "Big Bounce" wiederbelebt, der das Universum sich periodisch zusammenziehen und ausdehnen sieht. Hat sich das Weltall unter dem Einfluss der Gravitation sehr weit zusammengezogen, zerreißt irgendwann das aus den Quantenschleifen bestehende Gewebe der Raumzeit - und die Gravitation verwandelt sich unter dem Einfluss dieses "Quanten-Rückstoßes" in eine stark abstoßende Kraft, die das Universum wieder auseinander treibt.

Das Penrose-Universum

Einen dritten Mechanismus für ein sich zyklisch veränderndes Universum hat der britische Mathematiker Roger Penrose 2011 vorgeschlagen. In seinem Buch "Zyklen der Zeit" widmet er sich dem Phänomen Zeit. Der "Big Freeze", eine gängige Vorstellung vom Ende des Universums, besteht darin, dass sich irgendwann sämtliche Materie in Energie umgewandelt hat, in Photonen, die sich auf ewig mit Lichtgeschwindigkeit bewegen - und für die deshalb die Zeit stillsteht (auch ein Astronaut, der lichtschnell fliegt, altert nicht). Der Raum verliert damit seine Bedeutung, denn seine Ausdehnung ist nicht messbar, wenn es keine Zeit mehr gibt. Wer könnte widerlegen, dass die Milliarden Lichtjahre nicht doch nur ein paar Zentimeter sind?

Ganz genau so sah ja das Universum kurz nach dem Urknall aus: Es bestand aus purer Energie, für die kein Zeitbegriff existierte. Nur ein Mathematiker traut sich aber wohl, scheinbar so weit auseinander liegende Zustände zu einem einzigen zusammenzusetzen: Wenn die räumliche Ausdehnung nicht definiert ist, könnte das gerade in ewiger Energie verendete Universum auch den Keim für einen neuen Urknall darstellen.

Plausible Fiktion

Lässt sich eine dieser Theorien irgendwie beweisen? Bisher handelt es sich im Grunde um plausible Fiktion. Die Forscher haben aber Ideen, wie man Hinterlassenschaften des Vorgänger-Universums ausfindig machen könnte. Denn nicht alles muss beim "Big Crunch" vergänglich sein. Im vergangenen Jahr haben Bernard Carr und Alan Coley gezeigt, dass eine bestimmte Art Schwarzer Löcher die ungemütlichen Bedingungen beim Urknall überstehen könnte.

Leider wird die Suche nach solchen, dann uralten Objekten dadurch erschwert, dass auch während des Urknalls massearme Schwarze Löcher entstehen können. Ihre Existenz hat erstmals Stephen Hawking in den 1970ern hergeleitet. Gefunden hat man diese "primordialen" Schwarzen Löcher bisher ebenso wenig wie ihre noch älteren Vettern aus dem Vorgänger-Universum - ein solches Objekt ist umso schwerer nachzuweisen, je weniger Masse es besitzt. Auch im Penrose-Universum kann es prinzipiell Überbleibsel des Vorgängers geben: Dessen Masse muss nicht komplett zerstrahlt worden sein, es genügt, wenn die Energie bei weitem das Übergewicht hat.

Der Text ist ein Ausschnitt aus dem eBook "Die neue Biografie des Universums", das der Autor bei Apple und Amazon veröffentlicht hat

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