KOSMOLOGIE
Die Zeit vor dem Urknall
von Stefan Deiters
astronews.com
16. Mai 2006

Unser Universum entstand nach der allgemein anerkannter Theorie im so genannten Urknall. Die Existenz von Raum und Zeit begann mit diesem Ereignis, so dass sich eine Frage nach dem "Davor" eigentlich von selbst verbietet. Für viele ist dies allerdings alles andere als befriedigend. Einem Team von Physikern der PennState University ging das ähnlich. Sie schauten in die Zeit vor dem Urknall und machten eine überraschende Entdeckung. 

Entstand unser Universum aus einem Big Bounce? Foto: STScI / NASA

Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist der Urknall der Anfang schlechthin. Nicht nur Materie entstand in diesem Ereignis vor mehr als 13 Milliarden Jahren, sondern auch die so genannte Raumzeit. Klassische Theorien liefern keinerlei Hinweise darauf, was vor dem Urknall passiert sein könnte und manche Frage nach dem "Davor" wird gerne damit beantwortet, dass eben die Zeit auch erst durch den Urknall entstanden ist und es somit logischerweise kein "Davor" gibt.

Für viele hört sich das allerdings wie eine Entschuldigung an und die Frage wie es eigentlich zu dem Zustand kam, mit dem unser Universum seinen Anfang nahm, beschäftigt normale Menschen genauso wie Astronomen und Physiker. Eine Forschergruppe der amerikanischen PennState University glaubt jetzt, eine Antwort auf die Frage nach dem "Davor" gefunden zu haben: "Die allgemeine Relativitätstheorie kann unser Universum sehr gut beschrieben, allerdings nur bis zu einem Zeitpunkt, zu dem es so dicht wird, dass die Gleichungen einfach nicht mehr gelten", erläutert Abhay Ashtekar, Direktor des Institutes für Gravitationsphysik und Geometrie. "Ab diesem Zeitpunkt müssen wir Werkzeuge der Quantenphysik benutzen, die Einstein noch nicht zur Verfügung standen."

Durch die Kombination von Quantenphysik mit der allgemeinen Relativitätstheorie konnten Ashtekar und zwei Mitarbeiter ein Modell entwickeln, das die Entwicklung unseres Universums durch den Urknall zurückverfolgt. Auf der "anderen Seite" entdeckten sie ein in sich zusammenfallendes Universum, das dem unsrigen ansonsten recht ähnlich ist. Die Forscher veröffentlichten ihre Untersuchung in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

Die Modellrechnungen der Forscher zeigten, dass vor dem Urknall ein Universum existierte, das unserem Universum verdammt ähnlich gesehen haben muss, das allerdings nicht wie das unsrige expandierte, sondern sich zusammenzog. Irgendwann im Laufe des durch die Gravitationskräfte bewirkten Kollapses wurde ein Punkt erreicht, zu dem die Quanteneigenschaften der Raumzeit die Gravitationskräfte plötzlich abstoßend machten. "Wir benutzten Einsteins kosmologische Gleichungen mit einigen quantenphysikalischen Änderungen", erklärt Ashtekar. "Und statt eines Urknalls sahen wir so etwas wie eine Quantenabstoßung, also einen Big Bounce statt eines Big Bang."

Da die Wissenschaftler so überrascht waren, dass sie aus ihren Modellen ein zweites nahezu klassisches Universum vor dem Urknall erhielten, wiederholten sie über mehrere Monate ihre Modellrechnungen mit verschiedenen Parametern. "Immer wieder fanden wir das Big Bounce-Szenario", so Ashtekar. Ganz neu ist die Idee, dass es schon einmal ein Universum vor dem unsrigen gab nicht. Allerdings gelang es Ashtekar und seinen Kollegen erstmals die Existenz dieses Vorgängeruniversum mit einem mathematischen Modell herzuleiten und auch Aussagen über die Beschaffenheit des Raums zu machen.

Die Forscher nutzten für ihre Modellrechnung die so genannte Schleifen-Quantengravitations-Theorie, die derzeit zu den führenden Modellen gezählt wird, mit denen man die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik zu einer neuen allumfassenden Theorie verbinden kann. Kernpunkt dieses Schleifen-Modells ist, dass die Raumzeit selbst eine atomähnliche Struktur besitzt. Das uns vertraute Kontinuum ist danach nur einen Näherung. Die Raumzeit besteht aus winzigen eindimensionalen Fäden.

Normalerweise spielt diese Struktur des Universums keine größere Rolle. Nur in zeitlicher Nähe des Urknalls wird der Unterschied wichtig: Das Gefüge der Fäden wird auseinander gerissen, wodurch sich die Quantennatur des Raumes offenbart. Gravitation wirkt plötzlich abstoßend und es kommt zum Big Bounce.

"Mit unseren ersten Modellen haben wir versucht ein homogenes Universums zu modellieren", so Ashtekar. "Durch diese Rechnungen sind wir recht zuversichtlich geworden, dass die Idee der Schleifen-Quantengravitation zuverlässig funktioniert. In der nächsten Zeit wollen wir unsere Modelle besser an die wirklichen Gegebenheiten in unserem Universum anpassen und natürlich auch versuchen, noch mehr über die Quantengravitation zu erfahren."