War der Urknall wirklich der Anfang von allem oder nur eine Art Übergang von einem Universum zum nächsten? Physiker der amerikanischen Penn State University sind schon seit einiger Zeit überzeugt, dass unser Universum einen Vorgänger hatte. Mit Hilfe eines neuen mathematischen Modells wollen sie nun sogar in dieses Vorgänger-Weltall zurückblicken. Erschwert wird dies allerdings durch die sogenannte Quantenunschärfe.

Alles schon einmal dagewesen? Amerikanische Physiker glauben, dass es keinen Urknall, sondern einen Big Bounce gab und davor ein komplettes Universum. Bild: STScI / NASA

"Meine Arbeit führt ein neues mathematisches Modell ein, mit dessen Hilfe man Eigenschaften eines Quantenzustands beschreiben kann, während er einen Big Bounce durchläuft", erläutert Martin Bojowald, Assistenzprofessor für Physik an der amerikanischen Penn State University. Der sogenannte "Big Bounce", was übersetzt etwa "Große Abstoßung" bedeutet, ersetzt in Bojowalds Modell den klassischen Urknall oder Big Bang. Konkret bedeutet dies, dass es vor unserem Universum bereits ein anderes Universum gegeben hat, das dann aber immer weiter geschrumpft ist, um sich dann als unser Universum wieder auszudehnen. Mit Hilfe von Bojowalds Theorie kann man dabei einiges über die Eigenschaften des Vorgängeruniversums lernen - allerdings nicht alles: Durch die extremen Kräfte, die während des Big Bounce wirken, würde es nämlich zu einer Art "kosmischen Vergesslichkeit" kommen.

Das Urknall-Modell, nach dem unser Universum vor mehr als 13 Milliarden Jahren aus einer Singularität entstand und sich seitdem immer weiter ausdehnt, gilt seit langem als das beste kosmologische Modell um die beobachteten Daten zu beschreiben. Allerdings hat es ein gravierendes Problem: Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist unser Universum aus etwas entstanden, was mathematisch wenig Sinn macht: Aus einem Punkt mit keinerlei Ausdehnung aber unendlich großer Masse und Energie.

Die Physiker um Bojowald sind mit ihren Forschungen dabei, ein Gebiet zu betreten, das selbst Einstein unbekannt war: die Zeit vor dem Urknall. Sie nutzen dafür die neue Theorie der Schleifen-Quantengravitation, mit deren Hilfe Einsteins Relativitätstheorie mit Gleichungen der Quantenphysik kombiniert wird. Mit diesem Modell ist es möglich, die Existenz eines Big Bounce mathematisch zu beschreiben und auch Eigenschaften des Vorgänger-Universums zu berechnen. Für die Wissenschaftler eröffnet sich damit eine Spalte in der bislang undurchdringlichen Barriere, die der Urknall bis heute darstellte.

"In Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie fehlt die Quantenphysik, die man aber benötigt, um Zustände extrem hoher Energien zu beschreiben, wie es sie in der Anfangsphase unseres Universums gab", erklärt Bojowald. "aber jetzt haben wir die Schleifen-Quantengravitation, eine Theorie die die nötige Quantenphysik enthält." Die Schleifen-Quantengravitation wurde an der Penn State University entwickelt und gilt manchen heute als vielversprechendster Weg, einer vereinheitlichten Theorie aus allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenphysik (astronews.com berichtete).

Als die Wissenschaftler nun mit diesem Modell die Geschichte unseres Universums zurückverfolgten, stellten sie fest, dass unser Universum aus einem Punkt geboren wurde, der eine gewissen Ausdehnung hat (also nicht Null ist) und auch eine maximale Energie (die also nicht unendlich ist). Deswegen liefern die Gleichungen auch vor dem "Urknall" brauchbare Ergebnisse und bieten den Forschern eine Blick in die "Zeit davor".

Nach der Quanten-Gravitationstheorie besteht die sogenannte Raumzeit, also das fundamentale Gerüst unseres Universums, aus eindimensionalen Quantenfäden. In der Nähe des Big Bounce herrschten extreme Bedingungen, durch die diese Fäden äußerst gespannt sind, wodurch die Gravitation plötzlich abstoßend wurde. Anstatt also in einer Singularität zu verschwinden - wie es nach Einsteins Gleichungen hätte der Fall sein müssen - dehnte sich das Universum plötzlich wieder aus - unser expandierendes Universum war geboren. Nach der Theorie gab es also vor unserem Universum ein anderes, sehr ähnliches Universum, das sich allerdings nicht ausdehnte, sondern zusammenzog.

Um nun mehr über dieses Vorgänger-Universum zu erfahren, musste Bojowald ein neues mathematisches Modell entwickeln: "Die bisherigen Methoden lieferten nur schrittweise Näherungen an die Lösung, die nicht so allgemein und umfassend war, wie man sich das wünscht", erläutert er. So entwickelte der Wissenschaftler eine analytische Lösung für die Gleichungen, die nicht nur exakter, sondern auch deutlich kürzer und einfacher war. "Das bisherige nummerische Modell sah sehr kompliziert aus, lieferte aber eine sehr saubere Lösung, was schon ein Hinweis darauf war, dass es eventuell eine mathematische Vereinfachung geben könnte."

Bojowalds Gleichungen benötigen Parameter, die den Zustand unseres heutigen Universums sehr genau beschreiben. Nur so können die Wissenschaftler in die Vergangenheit zurückrechnen und den Zustand des Universums zu früheren Zeiten bestimmen. Außerdem enthält das Modell einige freie Parameter, also Daten, die man nicht genau kennt, die aber nötig sind, um bestimmte Eigenschaften zu beschreiben. Dabei entdeckte Bojowald, dass zwei dieser freien Parameter sich gegenseitig ergänzen: einer spielt fast ausschließlich vor dem Big Bounce, der andere nur danach eine Rolle.

Diese beiden Parameter stehen für die "Quantenunschärfe" im gesamten Universum vor und nach dem Big Bounce. "Diese Unschärfen entstehen, wenn man ein System aus der Quantensicht betrachtet, es also beispielsweise mit der Quanten-Gravitations-Theorie berechnet", erläutert Bojowald. "Das ist vergleichbar mit der Unschärferelation in der Quantenphysik, die eine Beziehung zwischen der Position eines Objektes und seiner Geschwindigkeit herstellt. Wenn man das eine misst, kann man das andere nicht bestimmen."

Ähnliches scheint auch für die gefundenen Unschärfefaktoren vor und nach dem Big Bounce zu gelten: "Der genaue Unschärfefaktor des gesamten Universums vor dem Big Bounce kann man niemals mit Werten aus dem heutigen Universum bestimmen, auch nicht mit den besten Messungen, die je möglich sein werden", so Bojowald. Dies dürfte eine weitere Schwierigkeit darstellen, wenn man versuchen möchte mehr über die Materie im Universum vor dem Big Bounce zu erfahren.

Trotzdem bietet sein Modell nach Ansicht Bojowalds viele Vorteile: "Bei früheren nummerischen Modellen hat man schlecht erkennen können, welche freien Parameter es gibt und wie ihr Einfluss aussah. Das ist bei diesem Modell anders." Und Bojowald machte noch eine Entdeckung: Mindestens ein Parameter aus dem früheren Universum überlebt den Big Bounce nicht. Die Folge sei, so Bojowald, dass sich Universen, die aufeinander folgen, nie exakt gleichen werden. "Das immer wieder neue Entstehen von identischen Universum scheint durch eine Art eingebaute kosmische Vergesslichkeit verhindert zu werden." 

URL des Artikels: http://www.astronews.com/news/artikel/2007/07/0707-005.shtml

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