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Zur Zeit gibt es keine astrophysikalische oder sonstige Beobachtung,
aufgrund derer man die Gültigkeit von
Einsteins Allgemeiner
Relativitätstheorie in Frage stellen müsste. Dennoch
wissen die Physiker, dass sie keine vollständige Beschreibung
der Wirklichkeit liefern kann, denn nach den von Hawking, Penrose und anderen
bewiesenen
Singularitätentheoremen sagt die Theorie ihren eigenen Zusammenbruch voraus:
Wenn wir beispielsweise die Evolution des Universums mit Hilfe der
Urknallmodelle
in der Zeit zurückverfolgen, dann wird es immer dichter und dichter.
Weit genug in die Vergangenheit verfolgt,
zieht sich all der Raum, den wir heute um uns herum sehen, zu einem
einzigen Punkt zusammen, an dem die
Dichte und die Gravitationskräfte
unendlich groß gewesen sein sollten. Mathematisch lässt sich mit
solchen unendlichen Größen nicht rechnen, und auch
Einsteins
Gleichungen, die in den Urknallmodellen die Evolution des Kosmos bestimmen,
brechen dort zusammen. Damit muss die Allgemeine Relativitätstheorie
zwangsweise unvollständig sein:
Den Urknall selbst können ihre Gleichungen nicht beschreiben.
Es gibt seit einigen Jahrzehnten die Hoffnung, dass eine Theorie der
Quantengravitation, eine
Verbindung der Allgemeinen Relativitätstheorie mit den Konzepten der
Quantentheorie die Grenzen überschreiten
kann. Konkretisiert haben sich diese Hoffnungen allerdings erst in den
letzten Jahren, mit der so genannten Schleifen-Quantengravitation und ihrer Anwendung auf die
Kosmologie.
Das Urknall-Universum, das aus einem von Unendlichkeit geplagten Anfang
hervorgeht, wie in der folgenden Abbildung dargestellt...
...stellt sich in der Schleifen-Quantengravitation als ein Universum heraus,
dessen Vergangenheit sich noch über den Urknall hinaus weiterverfolgen
lässt - ein zunächst kollabierendes Universum, das sich dort,
wo die Allgemeine Relativitätstheorie den Urknall vermutet, zur
Größe Null zusammenzieht und anschließend so expandiert,
wie es die herkömmlichen Urknallmodelle vorhersagen:
Man kann sich diese Entwicklung als die eines Luftballons
veranschaulichen, aus dem die Luft entweicht. Normalerweise würde die
Hülle einfach in sich zusammenfallen, aber wenn man sich vorstellt,
dass sich die verschiedenen Regionen der Hülle problemlos
durchdringen könnten, dann würde sich die Hülle durch den beim
Kollaps gewonnenen Schwung anschließend wieder aufblähen,
wobei nun die alte Außenseite der Oberfläche zur Innenseite
geworden ist.
Diese Kombination von Kollaps und Ausdehnung ist allerdings nur möglich,
weil das Universum, wenn alle Ausdehnungen zu winzigen Längen geschrumpft
sind, in ein Regime gerät, in dem die von der Schleifen-Quantengravitation
postulierten Quanteneigenschaften von Raum und Zeit entscheidend werden.
In der folgenden Abbildung ist das durch die Lupe und durch die
sprungartige Struktur von Kollaps und erneuter Expansion nahe des Umkehrpunktes
angedeutet:
Die Quanten-Gleichungen der Schleifen-Modelle zeigen, wie sich das
Universum durch den Bereich extremer Kompression hindurch entwickelt
und danach in jene Phase der Expansion übergeht, in der wir uns
heute noch befinden. Außerdem sagt die Theorie,
dass sich der Raum am Umkehrpunkt sozusagen umstülpt, wie der
Luftballon im obigen Beispiel - oder, mathematisch gesagt: seine
Orientierung umkehrt.
[Martin Bojowald, AEI]
Die relativistischen Grundkonzepte, die diesem Vertiefungsthema zugrundeliegen,
werden in
Einstein
für Einsteiger erklärt, insbesondere im Abschnitt
Relativität und Quanten
und im Abschnitt
Kosmologie.
Ein wenig mehr dazu, wie das Modell mit den
extremen physikalischen Bedingungen am Umkehrpunkt fertig wird, findet sich
im Vertiefungsthema Die gebändigte Dichte. Verwandte
Vertiefungsthemen auf einstein-online finden sich in den Sektionen
Relativität und Quanten und Kosmologie.
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