Der Zeitpfeil vor dem Urknall

Wunderschöne Sombrero-Galaxie. Bild: ESO

Der deutsche Astrophysiker Martin Bojowald wagt den Sprung zurück zum Ursprung des Universums - und in die Zeit davor

Gab es vor dem "Big Bang" Zeit und Raum, oder regierte das Nichts? Hat es unsere Welt schon einmal gegeben? Martin Bojowald versucht diese Frage mit der von ihm weiterentwickelten Schleifengravitation-Theorie zu beantworten, in der Raumzeit-Atome den Raum aufbauen. Bojowald (geb. 1973) hat nach dem Studium am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam gearbeitet und ist nun Assistant Professor an der Penn State University (USA). In seinem unlängst erschienenen Buch „Zurück vor dem Urknall“ stellt er seine These detailliert vor, von der er selbst sagt: „Genau genommen verstehe ich die Theorie der Schleifengravitation selbst noch nicht so ganz.“

Irgendwann zu keinem Zeitpunkt und irgendwo an keinem bestimmten Ort öffnete sich der Vorhang zum ersten Akt des größten kosmischen Dramas aller Zeiten. Es war eine Premiere ohne Generalprobe, die kein Zuschauer sehen, kein Auditorium hören und kein Chronist protokollieren konnte: eine gewaltige Ouvertüre eines grandiosen Schauspiels. Als sich der Urknall (engl.: Big Bang) vor ungefähr 13,7 Milliarden Jahren völlig lautlos und absolut lichtfrei in Szene setzte, befreiten sich Raum, Zeit und Materie aus einem unendlich heißen und dichten Punkt: der Urknall-Singularität. Binnen einer Quintillionstel (Zahl mit 30 Nullen nach dem Komma) Sekunde blähte sich der Raum weit über die Größe des heute beobachtbaren Universums auf. Seitdem expandiert das Universum – mit zunehmender Geschwindigkeit.

Bild: NASA

Heute, 13,7 Milliarden Jahre später, ist die Urknall-Theorie trotz einiger Anfechtungen "auf dem Markt der kosmologischen Theorien", wie es der franko-kanadische Astrophysiker Hubert Reeves charakterisiert, nach wie vor "die bei weitem beste Wahl“. Die Expansion des Raumes, die sich in der Rotverschiebung widerspiegelt und das „Echo“ des Urknalls, das sich in der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung verewigt hat, avancierten zu den beiden heiligen Säulen der Urknall-Theorie.

Doch seit einigen Jahren rüttelt ein deutscher Astrophysiker mit einem neuen Modell an den Festen der Kosmologie, das zwar die historische Dimension des Urknalls nicht in Frage stellt, jedoch der Urknallsingularität den Garaus macht. „Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) hat in punkto Anfangssingularität völlig versagt“, so der deutsche Astrophysiker Martin Bojowald. Einsteins Theorie ignoriere, dass die Konzentration der Materie und die Stärke der Gravitation durch die feine Quantenstruktur der Raumzeit begrenzt werde.

Bojowald, der an der Pennsylvania State University in den USA lehrt und forscht, wendet schon seit knapp zehn Jahren als erster seines Genres eine vergleichsweise neue Theorie auf den Urknall an. Der 36-jährige, von Boulevard-Gazetten längst als zweiter Einstein gefeiert, hat sein Theorie-Fundament auf die Schleifenquantengravitation (Loop-Theorie oder kurz Schleifengravitation) gebaut. Ein Modell, das bereits Ende der 1980er Jahre konzipiert und seither ständig verbessert wurde. Es teilt den Raum und die Zeit in kleinste Einheiten auf, in so genannte Raumzeit-Atome. Sie verhindern, dass das Universum im Urknall auf die Größe null schrumpft. Denn in Bojowalds modifiziertem Konzept hat es sich ausgeknallt mit dem Urknall. Einst als Anfang alles Seins gefeiert, degradiert der deutsche Theoretiker den Big Bang zum „Grenzfall“. Er sei bestenfalls eine Grenze, ein Übergangsstadium, sagt Bojowald.

Um hinter die Fassade des Urknalls zu blicken, nimmt Bojowald die Raumzeit mit Argusaugen unter die Lupe und versucht, ihre Feinstruktur präzise zu erfassen. Die Relativitätstheorie sei blind dafür, sagt er.

Dass für die Raumzeit in unserer Gedankenwelt überhaupt Raum ist, verdanken wir Albert Einstein. Zu einer Zeit, als Physiker den Raum noch als nicht-physikalisches Gebilde ansahen, der einfach und immer schon existent war, erkannte Einstein als Erster, dass die Raumzeit nicht bloß die Bühne lieferte, auf der das Drama des Universums abläuft, sondern selbst das Geschehen aktiv mitgestaltet.

Martin Bojowald. Bild: Harald Zaun

In Bojowalds Konzept gewinnt die Einstein'sche Raumzeit sogar an deutlichen Konturen. Während bislang viele kosmologische Theorien die Raumzeit schlichtweg vernachlässigten, wertet Bojowald sie bewusst auf und beseelt sie sogar mit materiellen Bausteinen: den Raumzeit-Quanten. Laut Schleifengravitation existieren derlei Gebilde nicht wie normale Atome in einem bereits bestehenden Raum, sondern bilden ihn, bauen ihn auf, geben ihm Form, Struktur und Aussehen. „Stellen wir uns einfach zwei Punkte in einem Raum vor, die aufgrund des Fehlens von Raumzeit-Atomen zueinander eine Distanz von Null haben“, so Bojowald. „Fügen wir nun einige Raumzeit-Atome hin zu, vergrößert sich die Entfernung zwischen den beiden Punkten. Je mehr Raumzeit-Atome hinzu stoßen, desto größer wird die Distanz der Punkte zueinander.“ Auf diese Weise entsteht Raum.

Dabei ist das komplexe Gewebe der Raumzeit-Atome so dicht strukturiert, dass es wie ein Kontinuum wirkt. Mit einer Größe von nur 0,00000000000000000000000000000001 Millimeter (Planck-Länge) sind Raumzeit-Atome weitaus kleiner als ihre herkömmlichen materiellen Kollegen. Selbst das beste Elektronenmikroskop könnte ein einzelnes hypothetisches Raumzeit-Atom mitnichten auflösen. Direkt wird sich die atomar strukturierte Raumzeit also nicht nachweisen lassen; indirekt vielleicht schon, hofft Bojowald. „Wenn Raumzeit-Atome existieren, wird es nicht wie bei den materiellen Atomen Jahrhunderte dauern, Indizien dafür zu finden.“ Mit etwas Glück könnte der im Mai dieses Jahres erfolgreich gestartete ESA-Forschungssatellit Planck winzige Schwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung detektieren und daraus Informationen über die Quantengravitation extrahieren.

Martin Bojowald, Zurück vor dem Urknall, S. Fischer-Verlag, Frankfurt a. M. 2009

Da in der Schleifengravitation der Raum in Atome des Volumens unterteilt ist, kann der Raum nur endlich viel Materie und Energie speichern. Existieren wie bei einer Singularität sehr hohe Energiedichten, verändert die atomare Struktur der Raumzeit das Wesen der Schwerkraft. Und zwar dergestalt, dass sie abstoßend wird, ähnlich einem porenreichen, nassen Schwamm, der einmal voll gesogen, das überschüssige Wasser wieder abstößt. Übertragen auf den Beginn des Universums kann es in kosmischer Urzeit daher keine Anfangssingularität gegeben haben. Allenfalls besaß das frühe Universum eine sehr hohe, aber endliche und keineswegs unendliche Dichte. Auf einem Raumgebiet von der Größe eines Protons konzentrierten sich vor 13,7 Milliarden Jahren sage und schreibe eine Billion Sonnenmassen (Planck-Dichte). Als darauf hin die Gravitation ihre abstoßende Kraft entfachte, übernahm die Expansion des Raums die Regie.

Da Bojowalds Modell keine Urknallsingularität erlaubt, fällt auch der starre Anfangspunkt weg, an dem der Zeitpfeil abgeschossen wurde. Astrophysiker nennen ihn Planck-Zeit. Sie definiert gemäß der Einstein'schen Relativitätstheorie den frühest möglichen Zeitpunkt der Welt (zehn hoch minus 43 Sekunden nach dem Urknall). Alles, was sich vor der Planck-Zeit jemals abgespielt hat, ist nach Ansicht vieler Wissenschaftler ein Buch mit "acht" Siegeln.

Für Bojowald jedoch nicht. Er hält es für durchaus denkbar, dass unser Universum bereits vor dem Urknall existiert hat – und zwar als Spiegeluniversum in einer negativen, umgestülpten Zeitdimension. "Das Universum hatte keinen Anfang. Es existierte immer schon", so Bojowald.

Wie sich bei seinen mehrjährigen Berechnungsmarathon herauskristallisierte, präsentierte sich das vorangegangene Universum als bizarre Welt mit negativer Zeit, in der der Kosmos nicht mehr expandiert, sondern kollabiert. Raum und Zeit sind demnach schon vor dem Urknall in der Welt; allerdings in einer verkehrten. "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 Teile der Hülle aufeinander stoßen – wie in einer Singularität", erläutert Bojowald. Dann werde sich der Ballon zwangsläufig wieder zu einer Kugel aufblähen, wobei die vorherigen Innenseiten nun außen seien.

Unendliche Weiten in einem unendlich endlichen Kosmos, der Bojowald Theorie zufolge immer schon existiert haben könnte. Bild: NASA, ESA, J. Blakeslee and H. Ford (Johns Hopkins University)

Dieser Prozess kann zyklisch verlaufen, sich also für alle Ewigkeit wiederholen, vermutet der Astrophysiker. Der Urknall war daher eher eine Art Urprall. Mit Sicherheit aber war das Schattenuniversum dem Unsrigen ziemlich ähnlich. In ihm regierten die uns bekannten Naturgesetze mit genauso großer Strenge. Und in ihm flog auch ein artverwandter Zeitpfeil ins Ungewisse der Zukunft. Und in ihm fanden auch, glaubt Bojowald, intelligente Lebensformen eine Nische. „Ob diese aber wirklich die gleichen Theorien wie wir entwickeln, wage ich jedoch zu bezweifeln.“

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