Vor dem Urknall Blick in Gottes letzten Schlupfwinkel

Was war vor dem Urknall? Viele Forscher halten schon die Frage für Unfug, da es keine Zeit vor dem Beginn der Zeit selbst geben könne. Doch Physiker suchen immer intensiver nach einem Weltall vor dem unseren - und wollen es jetzt erstmals mathematisch gefunden haben.

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Am Anfang war ein Knall. Es folgten einige hundert Millionen Jahre tiefster Finsternis, bis die ersten Sterne zündeten, mit ihrem Fusionsfeuer die heute bekannten Elemente produzierten und dem beobachtbaren Universum seine gegenwärtige Gestalt gaben. So etwa - natürlich grob vereinfacht - ist nach vorherrschender Meinung das Weltall entstanden. Was aber war vor dem Urknall? War da überhaupt etwas? Und, falls ja, wie und warum hat es den Urknall ausgelöst?

Infrarot-Rundumbild des Himmels, aufgenommen vom Nasa-Satelliten "Cobe": Noch heute ist das Nachglühen des Urknalls messbar
M. Hauser/NASA

Infrarot-Rundumbild des Himmels, aufgenommen vom Nasa-Satelliten "Cobe": Noch heute ist das Nachglühen des Urknalls messbar

Viele Physiker halten schon diese Fragen für unwissenschaftlich: Da mit dem Urknall nicht nur der Raum, sondern auch die Zeit entstanden sei, sei es unsinnig, die Frage nach einer Zeit davor zu stellen. So ist die Zeit vor dem Urknall gewissermaßen auch Gottes letzter Schlupfwinkel: ein Bereich, der vor dem Zugriff der alles erklären wollenden Naturwissenschaft sicher ist und allein der Religion - oder aber der Philosophie - vorbehalten ist.

Doch das könnte sich bald ändern: Forscher haben nach eigenen Angaben eine physikalische Theorie über die Natur von Raum und Zeit so weit verfeinert, dass sie auch dort noch funktioniert, wo alle anderen Modelle wie Einsteins Relativitätstheorie und die Quantenmechanik versagen: In unmittelbarer zeitlicher Nähe des Urknalls und sogar darüber hinaus. Man habe "Fäden gefunden, die in eine frühere Zeit führen" - in die Zeit vor der Entstehung unseres heutigen Universums.

"Big Bounce" statt "Big Bang"

Verfolgt man die Entwicklung des Universums bis an dessen Anfänge zurück, bekommt die klassische Physik ein Problem: Die Krümmung der Raumzeit wird irgendwann unendlich und nähert sich der sogenannten Singularität, dem Nullpunkt des Universums. Sowohl Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die Raum und Zeit im Großen beschreibt, als auch die Quantenmechanik für die Welt im Kleinsten brechen zusammen.

"Mit der allgemeinen Relativität kann man das Universum nur bis zu dem Punkt beschreiben, an dem die Materie so dicht wird, dass die Gleichungen nicht mehr funktionieren", sagt Abhay Ashtekar, Direktor des Institute for Gravitational Physics and Geometry an der Pennsylvania State University in den USA. "Jenseits dieses Punktes müssen wir Quanten-Werkzeuge einsetzen, die Einstein noch nicht zur Verfügung standen."

Der Physiker gehört mit der Erfindung der nach ihm benannten Ashtekar-Variablen zu den Begründern der sogenannten Schleifen-Quantengravitation, auch bekannt als "Loop Quantum Gravity". Mit Hilfe dieser Theorie, so glauben Ashtekar und seine Kollegen Tomasz Pawlowski und Parampreet Singh, ist ihnen Erstaunliches gelungen: Sie haben ein Modell entwickelt, das Aussagen über ein Universum vor dem Urknall ermöglicht.

Erst zerknüllt, dann aufgebläht

Für diese Zeit habe der Computer ein Universum errechnet, das sich zu einem "Big Crunch" zusammenzieht, ansonsten aber in seiner Raumzeit-Geometrie unserem All verblüffend ähnelt. Deshalb sei unser Universum auch nicht in einem Knall aus dem Nichts entstanden. Vielmehr habe es eine Art Abpraller gegeben - einen "Big Bounce" statt eines "Big Bang". Gab es also gar keinen Anfang aller Dinge namens Urknall, sondern wurde ein früheres Universum auf kleinste Maße zerknüllt, nur um sich prompt wieder zu einem neuen All aufzublähen? Das Universum, eine titanische Ziehharmonika?

Genau das ist der Fall, glaubt man der Theorie von Ashtekar und seinen Kollegen, die in der aktuellen Ausgabe der "Physical Review Letters" erschienen ist. Die Gravitation habe das frühere Universum so weit zusammengezogen, dass die Quanteneigenschaften die Schwerkraft schließlich umgekehrt und in eine abstoßende Kraft verwandelt hätten. Durch das Kombinieren von Quantenphysik und allgemeiner Relativität habe sein Team zeigen können, "dass es tatsächlich einen Quanten-Rückstoß gibt", erklärt Ashtekar.

Dass die Gleichungen am Ende ein weiteres "klassisches Universum vor einem Urknall" ergeben hätten, sei so überraschend gewesen, dass man die Rechnungen monatelang mit verschiedenen Parametern geprüft habe. "Aber wir haben herausgefunden, dass das Big-Bounce-Szenario robust ist", so Ashtekar.

Besteht das Universum aus winzigen Schleifen?

Die Vorstellung, dass vor unserem jetzigen Universum bereits ein weiteres existierte, ist zwar nicht neu, räumen die Forscher ein. Doch sie seien die Ersten, denen es gelungen sei, die Existenz eines solchen Vor-Universums systematisch zu begründen und Rückschlüsse über dessen Raumzeit-Geometrie zu ziehen.

Der Einsatz der Schleifen-Quantengravitation habe das ermöglicht, erklären die Wissenschaftler. Das Rechenwerk ist neben der String-Theorie einer der meistversprechenden Ansätze, die bisher unvereinbaren Gegensätze zwischen Einsteins Relativitätstheorie und der Quantenmechanik zu überbrücken.

Die Schleifen-Quantengravitation besagt unter anderem, dass Raum und Zeit nicht vollkommen kontinuierlich verlaufen, wie es für Menschen den Anschein hat, sondern aus einem Gewebe kleinster Schleifen bestehen. Wie in Einsteins Relativitätstheorie ist es auch hier die Krümmung der Raumzeit, die für die Schwerkraft sorgt.

Ashtekar und seine Kollegen haben diese Theorie, die eigentlich die Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen beschreiben soll, auf das gesamte Universum angewandt. Auf dem Weg in die immer fernere Vergangenheit hätten die Formeln zunächst zu ähnlichen Ergebnissen geführt wie die klassische Kosmologie. An dem Punkt aber, wo alle anderen Gleichungen versagten, habe die Schleifentheorie gehalten.

Geteiltes Echo auf Ashtekar-Studie

Das hat zwar schon vor zwei Jahren der deutsche Physiker Martin Bojowald ausgerechnet, der damals am Potsdamer Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik gearbeitet hat und jetzt wie Ashtekar an der Pennsylvania State University tätig ist. Doch Ashtekar und seine Kollegen glauben, die Theorie noch einen Schritt weitergebracht zu haben - über den Urknall hinaus.

Wenn sich die Raumzeit auflöst, so ihr Ergebnis, widersetzen sich die winzigen Schleifen einer weiteren Verdichtung. Der Stoff, aus dem die Raumzeit gemacht ist, werde "brutal zerrissen" - und die Gravitation verwandle sich durch die Quanteneffekte in eine stark abstoßende Kraft, die den Zusammensturz des Universums stoppe. Unmittelbar danach sortieren sich die Schleifen der Theorie zufolge wieder in ein glattes Raumzeit-Gefüge und sorgen für eine explosive Ausdehnung des Alls.

Andere Wissenschaftler lobten die Arbeit von Ashtekars Team. Die Ähnlichkeiten zwischen String-Theorie und Schleifen-Quantengravitation bei der Beschreibung des Universums nach dem Urknall seien ermutigend, sagte Joe Lykken vom Fermilab in Batavia, Illinois dem Magazin "New Scientist": "Endlich sprechen wir die gleiche Sprache."

Suche nach messbaren Spuren des Vor-Universums

Andere Forscher reagieren jedoch skeptischer auf Ashtekars Studie. "Zu simplistisch", meint Hermann Nicolai, Direktor am Potsdamer Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Das Modell besteht aus einer drastischen Vereinfachung der Gleichungen."

Das Universum beruhe auf zahlreichen, möglicherweise gar unendlich vielen Variablen. Ashtekar aber reduziere alles auf zwei Größen. Sein Modell basiere unter anderem auf der Annahme eines Universums, "das vollkommen leer ist und in alle Richtungen gleich aussieht". "Ich persönlich habe starke Zweifel, dass man damit dem Problem wirklich zu Leibe rücken kann", sagte Nicolai, der den Artikel von Ashtekar und seinen Kollegen vor der Veröffentlichung in den "Physical Review Letters" als unabhängiger Experte begutachtet hat.

Zudem heize sich das Universum auf, je näher man dem Urknall komme, erklärt Nicolai. Das kompliziere die Dinge noch: Durch physikalische Prozesse kämen immer mehr Variablen ins Spiel, die Elementarteilchen lösten sich auf, neue kämen hinzu. Das Ergebnis sei "eine brodelnde Suppe von ungeheurer Komplexität".

Die neue Leistung von Ashtekar und seinen Kollegen sei, dass ihr Modell wesentlich näher an den Moment des Urknalls heranreiche als bisherige Versuche - so nahe, dass mit dem Auftreten von Quantengravitations-Effekten zu rechnen sei. "Doch die wahre Natur des Urknalls", meint Nicolai, "bleibt das große Rätsel."

Ashtekar aber will noch weiter gehen - und nicht nur theoretische, sondern auch messbare Hinweise für ein Universum vor dem unseren entdecken. "Der 'Big Crunch'", glaubt er, "löscht nicht alle Spuren dessen aus, was unser Universum früher einmal war."



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