Zwischen ewiger Unendlichkeit und unendlicher Ewigkeit

Zwei Astrophysiker glauben, dass der niedrige Wert der Kosmologischen Konstante auf ein zyklisches Universum hindeutet

Auf der Suche nach dem wahren Wesen unseres Universums entwickeln Forscher immer stärker metaphysisch angehauchte Modelle und Theorien. Zwei dieser kreativen Denker, die schon seit Jahren an dem gängigen Urknall-Modell rütteln, sind die beiden Kosmologen Paul J. Steinhardt und Neil Turok. Im „ScienceExpress“ strapazieren beide Astrophysiker nochmals ihre These vom zyklischen Universum, um den Grund für den niedrigen Wert der Kosmologischen Konstante zu erklären.

Als Zeit und Raum sich vor zirka 13,7 Milliarden Jahren in einem ungeheurem Inferno binnen einer Quintillionstel (Zahl mit 30 Nullen) Sekunde aus einem undefinierbaren unendlich kleinen Punkt (Singularität) von unbeschreiblich hoher Energiedichte und Temperatur mit unglaublicher "Geschwindigkeit" befreiten und jene Ingredienzen in die Welt traten, die später zu Materie, Antimaterie und auch bislang noch unbekannten Energieformen zusammenfanden, geschah etwas absolut Unerklärliches. Während der inflationären Phase expandierte das Universum derart rasch, dass sich ein ehemals zusammenhängender Bereich weit über die Größe des heute beobachtbaren Universums ausdehnte. Der Urknall feierte seine Geburtspicosekunde.

Mehrere Dekaden lang arrangierten sich die Astronomen mit dieser Erklärung, bis vor genau zehn Jahren. Damals entdeckten Kosmologen zu ihrer Überraschung, dass sich entgegen früherer Annahmen die Expansionsgeschwindigkeit des Universums, das Auseinanderdriften der Galaxien, nicht verlangsamt, sondern vielmehr beschleunigt. Seit dem Urknall dehnt sich das All immer weiter und schneller aus.

Liegt der Schlüssel zum Geheimnis dieses Universums jenseits der Theoreme Einsteins? (Bild: NASA)

Auch wenn Wissenschaftler den Big Bang schon seit geraumer Zeit mit Formeln und angemessenen Wörtern zu beschreiben versuchen, ist doch der gewählte Terminus Urknall, den der Verfechter der Steady-State-Theorie Fred Hoyle am 25. Februar 1950 während der BBC-Radiosendung „Man’s Place in the Expanding Universe“ erstmals zum Besten gab, alles andere als angemessen. Schließlich war der Urknall im eigentlichen Sinne weder ein „Ereignis“ – hierfür wären die Koordinaten Zeit und Raum eine entscheidende Voraussetzung gewesen – noch eine Explosion im herkömmlichen Sinn. Ebenso wenig ging er mit einem Knall einher, da ein solcher eine räumliche Dimension und zugleich einen Luftwiderstand erfordert hätte. Nein, der Urknall war alles andere als eine Explosion irdischer Art, da er sich eben nicht in einem bereits existierenden Raum „ereignete“.

Dessen ungeachtet ist das Urknall-Modell trotz einiger Anfechtungen das einheitlich anerkannte Standardmodell der Kosmologie. Es ist "auf dem Markt der kosmologischen Theorien", wie es einmal der franko-kanadische Astrophysiker Hubert Reeves charakterisierte, nach wie vor "die bei weitem beste Wahl".

Dennoch werden derzeit immer mehr Wissenschaftler auf der Suche nach dem wahren Wesen unseres Universums mit ungewöhnlichen, fast schon metaphysisch angehauchten Modellen und Theorien vorstellig. Zwei Forscher, die aus diesem Holz geschnitzt sind, sind die beiden Astrophysiker Paul J. Steinhardt (Princeton University/USA) und Neil Turok (Cambridge University/England).

Das Urknall-Modell ist auf dem Markt der innovativen Ideen vielleicht noch die beste Wahl, aber ganz bestimmt nicht die einzige… (Bild: NASA)

Sie glauben, dass der Big Bang allgemein kein singuläres (für sich gesehen natürlich schon) Ereignis ist, sondern sich schon seit Ewigkeiten immerfort zyklisch wiederholt. Die beiden Wissenschaftler 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 Brane-Universen miteinander, die sich zyklisch entlang einer fünften räumlichen Dimension aufeinander zu- und voneinander fortbewegen, so entzündet sich ein Urknall.

Im Zuge des kosmischen Ultra-Crashs entsteht genug Energie bzw. Materie, die in das neue Universum einfließt. Während sich die Universen wieder voneinander entfernen, dünnt der junge Kosmos binnen Billionen Jahre wieder aus, bis der nächste urknall-erzeugende Crash ansteht. Danach laufen die Brane-Universen in der fünften Dimension wieder auseinander. Dieser Vorgang soll sich alle paar Billionen Jahre wiederholen – bis in alle Ewigkeit. Dabei ist die ursächliche Kraft, welche für die Kollision der Welten bewirkt, nach Ansicht der Forscher ein Kraftfeld, das ohnedies eine entscheidende Rolle im Kosmos zu spielen scheint: die Dunkle Energie.

Blick zurück in die Urzeit des Kosmos (Bild: NASA/ESA/S. Beckwith/HUDT Team)

Bezogen auf den Kosmos als Ganzes kommt dieser Energie eine für die Expansionsdynamik entscheidende Bedeutung zu. Denn sie ist es offensichtlich, welche die beschleunigte Expansion des Weltraums vorantreibt. Ausgehend von den Vorstellungen der Quantenfeldtheorie, wonach das gesamte Raum-Zeit-Kontinuum stets von den Feldern erfüllt ist, bilden die virtuellen Teilchen/Anti-Teilchen-Paare bei der Abwesenheit von reeller Materie einen nichteliminierbaren Untergrund, der den Grundzustand (Vakuum) repräsentiert. Anders gesagt lässt sich dem Vakuum keine Energie mehr entziehen, da es bereits den niedrigsten Energiezustand einnimmt und den Weltraum zudem homogen durchsetzt.

Reden Astrophysiker von der Kosmologischen Konstante bzw. Vakuumenergiedichte, dann meinen sie in der Regel ein- und dasselbe. Schließlich wird in den kosmologischen Modellen die Vakuumenergie durch die so genannte Kosmologische Konstante repräsentiert. Gleichwohl haben Kosmologen trotz aller Anstrengungen den genauen Zusammenhang zwischen der Kosmologischen Konstanten und der Quantentheorie der Materie bislang nicht aufdecken können.

Hubble-Aufnahme von drei Sternpopulationen in der Galaxie NGC 346. Die ferne Welteninsel ist 210.000 Lichtjahre von der Erde entfernt. (Bild: NASA/ESA/A. Nota, STScI/ESA)

Sicher ist nur, dass der Weltraum nicht nur von der uns bekannten realen kosmischen Materie durchdrungen ist, sondern auch von den virtuellen Teilchen des Quantenvakuums. Dieses unwirklich anmutende quantentheoretische Vakuum, das in Wirklichkeit von Paaren virtueller Teilchen und Anti-Teilchen durchsetzt ist, besitzt eine von Null verschiedene Energiedichte: eben besagte Vakuumenergie.

Dem Urknall-Modell zufolge müsste eigentlich die Dichte des Vakuums bei rund 1093 Gramm pro Kubikzentimeter liegen. De praxi liegt sie aber viel niedriger. Paul Steinhardt und Neil Turok nahmen diese Diskrepanz zum Anlass, um mithilfe des zyklischen Universums ein Modell zu entwickeln, das erklären könnte, warum die Vakuumenergiedichte im gegenwärtigen Kosmos zirka 10120 Größenordnungen kleiner ist als in der Theorie.

Zyklisches Universum im Modell (Bild: MPE Garching bei München)

"Das Standard-Modell hat einige Risse", erklären Steinhardt und Neil Turok "Die kürzlich gemachten Entdeckungen einer kosmischen Beschleunigung und der Dunklen Energie wurden in dem bisherigen Standard-Modell nicht berücksichtigt. Ferner erklärt das Standard-Modell nicht den Beginn der Zeit, die anfänglichen Bedingungen im Universum oder was mit ihm in ferner Zukunft geschieht", so das Forscherduo. Ungeklärt sei vor allem die Frage, warum die Vakuumenergiedichte im heutigen Universum etwa 10120 Größenordnungen kleiner ist als die Theorie es vorhersagt. Bislang scheiterten alle Versuche, den Wert der Vakuumenergiedichte auf der Basis der Quantentheorie dergestalt zu extrapolieren, dass der Wert der Kosmologischen Konstante heute exakt gleich Null ist.

Während ihrer Studien kamen die beiden Kosmologen zu dem Ergebnis, dass der Schlüssel zur Weisheit die „Zeit“ ist, weil die viel zu geringe Energiedichte des Vakuums mit dem Alter des Universums zusammenhängt. Fakt ist: Besagter geringer Wert ist das Resultat eines zyklischen Universums, in dem sich über die Jahrbillionen viele Big Bangs ereignet haben. Denn in einem sich auf alle Ewigkeit durch einen Urknall selbst regenerierendem Universum, das permanent Materie und Energie generiert, ist genügend Zeit vorhanden, damit infolge wiederholter Quantenübergänge der heute registrierte niedrige Wert der Kosmologischen Konstante entstehen konnte. Für Steinhardt und Turok ist dies, wie sie im Science Express (4. Mai 2006, 1/10.1126) schreiben, ein klarer Hinweis darauf, dass das Gesamtalter des Universums sich pro Zyklus auf eine Billion Jahre belaufen könnte. Hierzu Steinhardts Kollege Neil Turok gegenüber dem Deutschlandfunk:

In unserem Modell durchläuft das Universum viele Zyklen, in denen es sich ausdehnt und wieder zusammenfällt. Vielleicht hat es unendlich viele solcher Zyklen gegeben. Die Dunkle Energie nimmt von Zyklus zu Zyklus ab. Allerdings dauert ein Zyklus umso länger, je schwächer die Dunkle Energie ist. Es ist also kein Zufall, dass wir jetzt in einem Zyklus mit sehr geringer Dunkler Energie leben. Heute dauert der Zyklus etwa eine Billion Jahre.

(Harald Zaun)

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