Da war doch was vor dem Urknall.

aus scinexx                                                               Übergang von einem Universum ins nächste?

Big Bounce statt Big Bang
War der Urknall wirklich der Anfang von allem?

Der Urknall ist nach gängiger Lehrmeinung der Anfang von allem – erst durch ihn entstand das Universum. Doch war vor dem „Big Bang“ wirklich nichts? Inzwischen werden daran Zweifel laut, denn einigen neueren Modellen zufolge könnte der Urknall auch nur ein Übergang gewesen sein. Gab es einen „Big Bounce“ statt eines „Big Bang“?

Die Idee eines zyklischen Universums mit wechselnd Phasen des sich Ausdehnens und wieder Zusammenziehens ist nicht neu. Lange aber galten solche Modelle als veraltet und nicht im Einklang mit modernen Erkenntnissen der Physik und Kosmologie. Das aber hat sich nun geändert. Denn immer mehr zeigt sich, dass auch der lange etablierte Urknall einige Fragen aufwirft, die man bisher nicht beantworten kann. Deshalb erlebt nun die Vorstellung eines „Big Bounce“ eine Renaissance – eines explosiven Übergangs von einem Universum zum nächsten.

Warum der Big Bang Fragen aufwirft 
Das Urknall-Problem

Wie begann unser Universum? Und was war davor? So fundamental diese Fragen auch sind – bisher gibt es darauf keine eindeutige Antwort. Klar scheint nur: Der Kosmos, so wie wir ihn kennen, entstand vor rund 13,8 Milliarden Jahren.
Gängiger Theorie nach war der Urknall der Beginn von allem - Raum, Zeit, Strahlung und Materie

Was man über den Urknall weiß – oder annimmt

Gängiger Theorie zufolge waren im Urknall alle Materie und Strahlung des Universums auf einen winzigen Punkt konzentriert – eine Singularität. Dieser „Urkeim“ dehnte sich dann explosionsartig aus und schuf die Raumzeit, die Grundkräfte der Physik und alle Materie. Diese erste große Ausdehnung muss das Ur-Universum in Sekundenbruchteilen um den Faktor 10 hoch 30 bis 10 hoch 100 vergrößert haben. Wie genau dies geschah und ob es diese kosmische Inflation tatsächlich gab, ist allerdings bis heute unbewiesen und strittig.

Weitgehend einig sind sich Forscher dagegen darüber, was als nächstes geschah: Aus dem ultraheißen und dichten Quark-Gluonen-Plasma entstanden die ersten Atombausteine und dann die ersten Atome. Als Folge trennte sich rund 380.00 Jahre nach dem Urknall die Strahlung von Materie, das anfangs trübe Universum wurde durchsichtig und die kosmische Hintergrundstrahlung wurde frei. Noch später entstanden die ersten Sterne – die Elementfabriken des Kosmos. 

Die offenen Fragen

Soweit, so etabliert, scheint es. Doch ausgerechnet am Uranfang des Kosmos scheiden sich die Geister. Denn das gängige Bild vom Urknall lässt einige entscheidende Fragen offen. Eine davon ist die nach dem Wie und Warum des Ganzen: Was hat dazu geführt, dass vor 13,8 Milliarden Jahren plötzlich aus dem Nichts etwas entstand? Gab es einen Auslöser oder war es bloßer Zufall? Und wie kann aus Nichts Materie entstehen?

Der britische Physiker Stephen Hawking versuchte dies so zu erklären: „Weil die Zeit selbst erst mit dem Urknall begann, ist dies ein Ereignis, das nicht durch etwas oder jemanden verursacht worden sein kann. Die Gesetze der Natur selbst sagen uns, dass das Universum entstanden sein kann, ohne dass dazu Energie oder eine Ursache nötig war.“ Doch andere Astrophysiker haben genau daran ihre Zweifel.

Die kosmische Hintergrundstrahlung ist überall erstaunlich gleich - selbst bei Gegenden, die an entgegengesetzten Enden unseres Sichthorizonts liegen.

Ebenfalls strittig ist die Frage, warum Materie und Strahlung in unserem Universum so gleichmäßig verteilt sind. Egal in welche Richtung oder in welche Entfernung wir schauen – überall gibt es in großem Maßstab ähnliche Dichten und Verteilungen von Galaxien, Gasnebeln und Strahlung. Die gängige Theorie behilft sich hier mit der Annahme der kosmischen Inflation. Gleichzeitig ist jedoch umstritten, ob dadurch nicht auch Unmengen von Paralleluniversen entstehen müssten – Stephen Hawking bezweifelte dies, andere Forscher halten dies aber für wahrscheinlich. 

Alternativen gesucht

Damit scheint klar: So etabliert der Urknall uns auch scheint, in Wirklichkeit ist er bis heute kaum verstanden und stark umstritten. Insofern ist es kaum verwunderlich, dass einige Forscher nach alternativen Erklärungsmöglichkeiten für den Uranfang unseres Kosmos suchen. Ihre große Frage dabei: Was wäre, wenn der Urknall gar nicht der Anfang von Allem war? Wenn es vor unserem Universum schon ein anderes, früheres gab? Der Urknall wäre dann nur eine Art explosiver Übergang von einem Kosmos zum nächsten – ein Big Bounce statt eines Big Bang.
Was aber bedeutet dies konkret?

Was für und gegen ein zyklisches Universum spricht
Übergang statt Uranfang?

Die Idee eines zyklischen Universums ist nicht neu: Schon die frühen indischen Gelehrten beschreiben in den Veden das Universum als eine ewige, sich wiederholende Abfolge von Entstehen, Zerstören und Wiedererstehen. Aber auch die Stoiker der griechischen Antike teilten diese zyklische Weltsicht. Ihrer Vorstellung nach ging der Kosmos als gigantische Kugel durch Phasen von Expansion und Ausdünnung, gefolgt von Phasen der Verdichtung und Kontraktion.

Die Maya glaubten ebenfalls an eine ewige Wiederkehr. Sie rechneten sogar mit wahrhaft astronomischen Zahlen, um die Dauer der verschiedenen Zyklen von Sonne, Mond, Planeten und Sternen zu beschreiben. „Die archetypische Auffassung eines zyklischen Universums hat Menschen die gesamte Geschichte hindurch fasziniert – sie findet sich in mythischen und wissenschaftlichen Kosmologien bis in die Gegenwart hinein“, sagt der dänische Wissenschaftshistoriker Helge Kragh.


Auch Albert Einstein beschäftigte sich mit der idee eines zyklischen Universums.

Einstein und die Folgen

Auch Albert Einstein hat sich zeitweilig mit der Möglichkeit eines oszillierenden, zyklischen Universums beschäftigt – und hielt diese Idee für durchaus plausibel. Aus Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie leitete der russische Mathematiker Alexander Friedmann in den 1920er Jahren ab, dass sich die Expansion des Universums auch umkehren kann. Er schrieb: „Fälle sind auch möglich, in denen sich der Radius der Raumkrümmung periodisch ändert. Das Universum würde zu einem Punkt kontrahieren, dann seinen Radius wieder bis zu einem bestimmten Punkt vergrößern, um sich dann wieder zu verkleinern und so weiter.“

Das Universum würde demnach ständige Zyklen aus Ausdehnung und Kontraktion durchleben. Der Kosmologe Richard Tolman griff diese Überlegungen in den 1930er Jahren auf und veröffentlichte umfangreiche mathematische Berechnungen, die ergründeten, in welcher Form ein zyklisches Universum möglich wäre. Seine Veröffentlichungen lösten einen bis heute anhaltenden Boom neuer zyklischer Modelle in der Kosmologie aus. 

Kein Nichts, kein Ursachenproblem

Die Vorteile dieser Idee scheinen auf der Hand zu liegen: Wenn das Universum ewige Zyklen durchlebt, dann räumt dies das lästige Problem der Anfangssingularität aus dem Weg. Die Frage, wie alle Materie aus dem Nichts entstehen kann, wird bei solchen Modellen hinfällig – denn sie war ja schon immer in irgendeiner Form da. Es gab nie ein absolutes Nichts. „Das oszillierende Modell umgeht praktischerweise das Problem der Genesis und erscheint daher aus philosophischer Sicht attraktiv“, konstatiert der US-Physiker und Nobelpreisträger Steven Weinberg.

Der Big Bounce liefert auch eine Lösung für die ungewöhnliche Einförmigkeit des Kosmos: Die Phase der Kontraktion sorgt dafür, dass alles sozusagen homogenisiert wird. Wenn dann die erneute Ausdehnung erfolgt, bleibt diese Gleichheit erhalten. Und auch die bisher ungeklärte Ursache für den Urknall lässt sich in einem zyklischen Universum elegant beantworten: Auslöser für jeden neuen Anfang ist schlicht das Ende des vorhergehenden Zyklus. 

Die Hürde der Entropie

Allerdings gibt es bei den meisten zyklischen Modellen einen Haken: die Entropie. Nach dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nimmt in einem geschlossenen System der Grad der Unordnung immer weiter zu – und das gilt auch für den Kosmos. Selbst wenn dieser immer neue Zyklen von maximaler Kontraktion und explosiver Ausdehnung durchlebt, müsste daher die Entropie immer weiter zunehmen.

Warum, erklärt der Physiker Brian Greene so: „Mehr Entropie bedeutet, dass mehr ungeordnete Partikel zusammengequetscht werden, wenn das Universum kontrahiert. Das aber löst beim folgenden Neuanfang ein stärkeres Auseinanderfliegen aus.“ Als Konsequenz würde jeder folgende Zyklus ein wenig länger dauern als sein Vorgänger. Gleichzeitig sorgt die Entropie dafür, dass jedes Mal ein wenig mehr Strahlung im Verhältnis zur Materie entsteht. Am Ende einer langen Reihe von Zyklen stünde dann der Wärmetod – ein Zustand maximaler Entropie, indem keine geordneten Strukturen mehr existieren, keine Sterne, Galaxien oder Atome.

Betrachtet man dagegen die Vergangenheit, dann müssten die Zyklen immer kürzer werden, je weiter man zurückblickt. Wenn man nur weit genug zurückgeht, muss es demnach trotzdem irgendwann einen Zeitpunkt geben, an dem alles in einem Punkt konzentriert war – eben den Uranfang, den diese Modelle eigentlich ausschließen. Diese Erkenntnis macht viele frühe zyklische Kosmologien hinfällig.

Doch inzwischen haben Physiker einige Modelle entwickelt, die die störende Entropie loswerden – und damit einen „Big Bounce“ wieder wahrscheinlicher machen…

Quantenschleifen und ein "Urprall"
Der umgestülpte Ballon

In den letzten Jahren und Jahrzehnten ist eine regelrechte Renaissance der zyklischen Kosmologien angebrochen. In ihnen bildet der Urknall den Übergang zwischen zwei Universen. Je nach Modell gibt es dabei mal eine Singularität, mal geht das Ganze ohne diesen Ausnahmezustand der Physik vonstatten.

Nach der Theorie der Schleifen-Quantengravitation besteht die Raumzeit aus einem Netz von Quantenschleifen.

Quantenschaum statt glatter Raumzeit

Fast schon zwangsläufig ergibt sich ein zyklisches Universum aus der Theorie der Schleifen-Quantengravitation (Loop Quantum Gravity). Nach dieser 1987 erstmals vorgestellten Theorie ist das Raumzeitgefüge nicht kontinuierlich, wie von Einsteins Relativitätstheorie angenommen, sondern in winzige, unteilbare Einheiten gegliedert – die Loops oder Schleifen. Eine Schleife hat in etwa die Ausdehnung von 10^-35 Metern, das entspricht der Planck-Länge, der in der Quantentheorie definierten kleinstmöglichen Einheit.

Ein Netzwerk aus solchen miteinander verbundenen Schleifen bildet das Grundgewebe des Universums, Teilchen bilden Knotenpunkte in diesem Netz. Dadurch ähnelt der gesamte Kosmos einem Wabern aus sich fortwährend verändernden winzigen Verknüpfungen. Wegen seiner extrem geringen Größe ist dieses Quantennetz für uns weder sichtbar noch spürbar, es spielt für unsere Alltagserfahrung keine Rolle. 

In sich selbst umgestülpt

Anders aber ist dies beim Urknall oder dem großen Übergang von einem Universum zum nächsten. Nach klassischer Urknalltheorie war im Uranfang das gesamte Universum in einem Punkt unendlicher Dichte konzentriert – einer Singularität. In der gequantelten Welt der Schleifen-Quantengravitation ist dies jedoch nicht möglich. Denn hier können alle physikalischen Werte – auch die Dichte – nur endliche Werte annehmen.

Die Quantelung sorgt aber für ein fast ebenso dramatisches Ereignis: Nach den Vorstellungen der Loop-Theoretiker kehrt sich am Punkt des Urknalls die Schwerkraft um: Statt anziehend zu wirken, ist sie plötzlich abstoßend, als hätte sich ihr Vorzeichen vertauscht. „Der Raum wird dabei praktisch in sich selbst umgestülpt. Das kann mit einem ideal kugelförmigen Luftballon veranschaulicht werden, aus dem die Luft entweicht“, erklärt der Quantenphysiker Martin Bojowald. Beim Urknall bewegen sich die Wände des Ballons aufeinander zu, bis sie sich berühren und sogar durchdringen.

 
Das Universum als sich umstülpender Luftballon?

Urprall statt Urknall

Das aber hat kosmologische Konsequenzen: Zum einen spricht das Modell nach Ansicht der Loop-Theoretiker fast schon zwangsläufig dafür, dass der Urknall nicht der Uranfang von Allem war. Denn im Gegensatz zur Relativitätstheorie produzieren die Gleichungen der Schleifen-Quantengravitation gültige mathematische Ergebnisse auch vor dem Urknall. „Die größte Überraschung war, dass es tatsächlich auf der anderen Seite, also vor dem Big Bang, ein anderes Universum gegeben haben könnte. Das hatten wir nicht erwartet“, sagt Abhay Ashtekar von der Pennsylvania State University.

Es könnte daher tatsächlich einen Übergang statt eines Urknalls gegeben haben, gewissermaßen einen „Urprall“: Ein Vorgänger-Universum fällt in sich zusammen und federt dann, abgestoßen von der antigravitativen Wirkung des submikroskopischen Netzwerks, wieder vom Quantenmaßstab in makroskopische Größen zurück. 

Kosmischer Gedächtnisverlust

Praktischer Nebeneffekt: Die dabei auftretenden Fluktuationen der Materie- und Energiedichte verwischen alle Informationen des vorhergehenden Universums. „Kurz gesagt leidet das Universum an einem tragischen Fall von Gedächtnisverlust“, sagt Bojowald. Nach diesem Big Bounce würde daher jedes neue Universum gleichsam von vorn beginnen, mit einer blank gewischten Tafel.

Das löst auch das Problem der Entropie: Nach Bojowalds und Ashtekars Vorstellungen wird auch die Entropie wieder quasi auf Null gesetzt, weil die Informationen über den Entropie-Zustand des alten Universums den Übergang nicht überstehen. Das neue Universum kann daher seine Geschichte ohne Entropie-„Altlast“ beginnen – so jedenfalls die Hypothese. Belegen lässt sich all dies aber bisher nicht.

Die aktuellen Hypothesen zum Big Bounce
Quantentunnel und negative Energien

Neue Hypothesen zu einem „Big Bounce“-Übergang des Universums haben in den letzten drei Jahren gleich zwei Forschergruppen entwickelt. Beiden gemeinsam ist, dass sie einen Übergang postulieren, bei dem das Universum zwar maximal klein ist, aber nicht zur Singularität wird.

In der Quantenwelt können Teilchen eine Aufenthaltswahrscheinlichkeit auch jenseits einer Barriere haben – durch diesen Tunneleffekt können sie die Barriere durchdringen, ohne sie überwinden zu müssen.

Durch den Übergang getunnelt
 
Die erste Hypothese stammt von Neil Turok vom Perimeter Institute in Ontario und Steffen Gielen vom Imperial College London. Sie gingen von der Prämisse aus, dass sich Materie im stark komprimierten Kosmos im Prinzip wie Strahlung verhält. Tatsächlich sprechen kosmologische Modelle dafür, dass in den ersten zehntausenden Jahren nach dem Urknall die Bedingungen so extrem waren, dass noch keine Materie kondensieren konnte – die Energie lag im Wesentlichen als Strahlung vor.

Auf gleiche Weise könnte der Kosmos auch nach der starken Kontraktion am Ende seines Zyklus zu einem solchen strahlendominierten Gebilde werden. Unter diesen Bedingungen wäre es möglich, dass das Universum quasi durch den Übergang hindurchtunnelt. „Wir haben festgestellt, dass das Universum glatt durch die Singularität hindurchgeht und an der anderen Seite herauskommt“, sagt Turok. 

Das Universum als Quantenteilchen

Dieses Tunneln ist ein in der Quantenwelt durchaus gängiges Phänomen: Weil der Zustand von Elementarteilchen von Wahrscheinlichkeiten regiert wird, kann sich ein Teilchen rein theoretisch sowohl diesseits als auch jenseits einer Wand aufhalten – ohne sie physikalisch durchdringen zu müssen. Auf ähnliche Weise könnte auch das extrem komprimierte Universum wie ein Quantenteilchen reagieren und die Barriere der Singularität passieren. „Die Unschärfe von Raum, Zeit und Materie machen es unsicher, wo sich das Universum zu einem gegebenen Zeitpunkt aufhält – das erlaubt es ihm, die Singularität zu durchtunneln“, erklärt Turok.

Im Modell funktioniert dieses Tunneln des komprimierten Universums schon recht gut – allerdings nur für eine stark vereinfachte, idealisierte Version des Kosmos, wie die Forscher einräumen. „Die Fälle, die wir lösen können, sind nur sehr einfache Universen“, berichtet Gielen im „Scientific American“. Ob das Ganze auch für komplexere Universen wie das unsrige funktioniere, müsse man erst noch testen.

 
Verhinderte ein exotisches Skalarfeld die Singularität? Exotisches Feld als Übergangshelfer?

Die zweite Hypothese geht von einem Übergang aus, der auch ohne Hilfe der Quantenphysik die Singularität umschifft. Paul Steinhardt und Anna Iljas von der Princeton University postulieren dafür die Existenz eines Skalarfelds – eines Einflusses, der verhindert, dass das kritische Stadium der Singularität eintritt. Diese exotische Form der negativen Energie soll demnach kurz vor diesem Punkt die erneute Expansion einleiten und so den kompletten Kollaps vermeiden.

„An einem Punkt während oder kurz nach dem Übergang wird dann die kinetische Energie, die in den Skalarfeldern gespeichert ist, wieder in die Strahlung und Materie umgewandelt, die wir beobachten“, erklären Steinhardt und Iljas in ihrem Fachartikel. Auf diese Weise sei ein Big Bounce möglich, ohne dass man Eigenheiten der Quantentheorie benötigt oder eine Singularität eintritt. Alleedings: Ob es ein Skalarfeld in Form einer negativen Energie gab und wie dieses bisher nicht nachgewiesene Feld zustande kommt, ist bislang unklar. 

Keine Belege nirgends

Fakt ist: So spannend dies Hypothesen sein mögen – bisher bleiben alle Modelle und Szenarien zum „Big Bounce“ und einem zyklischen Universum reine Theorie. Keines von ihnen lässt sich mit heutigen Mitteln und Methoden überprüfen oder gar belegen. Und ob dies in Zukunft jemals möglich sein wird, ist ebenfalls ungeklärt. Insofern bleibt die Frage vorerst offen, ob unser Urknall wirklich einmalig und der Anfang von allem war.

17. Mai 2019 - Nadja Podbregar


Nota. - Sachlich kommentieren kann ich das nicht, ich verstehe es ja kaum. Doch ein Meta-Kommentar drängt sich mir regelrecht auf: Quantenphysik und Relativitätstheorie zeigen, dass wir Sachen denken kön- nen, die weit jenseits unserer Vorstellung liegen. Die Vorstellung erscheint als die kindliche Vorform des erwachsenen Verstandes, dessenb Höhenflügen sie staunend von dere Erde aus nachblicken muss. 

Doch wenn der Verstand an seine Grenze gestoßen ist, muss er... bei der Vorstellung Rat suchen. Die Vor- stellung von einem oszillierenden Universum - swinging universe - ist uralt, es gab sie schon bei bei Mayas und Indern, auch bei der Zweiten Stoa, und selbst Friedrich Engels hat (in Dialektik [in] der Natur) damit kokettiert, als an eine Gekrümmten Raum noch keiner dachte. Und wenn das Glasperlenspiel der Begriffe keinen weiteren Zugang zur Wirklich- keit öffnet, kehren die Forscher zur guten alten Vorstellung zurück, die dem Denken den Weg erhellen muss.

Doch welche Vorstellung sich für künftige Forschung als fruchtbar erweisen sollte - von der Idee eines durchgängig herrschenden Naturgesetzes verabschieden sich anscheinend alle.
JE