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Den Urknall überspringen

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.

Ein unendlich altes Universum

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...

Schemazeichnung expandierendes Universum

...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:

Schemazeichnung kollabierendes und dann expandierendes Universum

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.

Quanteneigenschaften nahe dem Urknall

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:

Schemazeichnung wieder - expandierendes Universum; "Lupe" zeigt Quantenphase

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.


Weitere Informationen

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.