Das Foto des US-Weltraumteleskops "Hubble" zeigt eine Aufnahme aus der Zeit vor rund 13 Milliarden Jahren.
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Das Foto des US-Weltraumteleskops "Hubble" zeigt eine Aufnahme aus der Zeit vor rund 13 Milliarden Jahren.

"Big Bang Theorie"

Der Urknall - Beginn der Welten

Die physikalischen Gesetze müssen auch für den Urknall gelten. Deshalb ersinnen Wissenschaftler immer neue Theorien zum Anfang unseres Universums. Einige davon bringen erstaunliche Phänomene zu Tage.

Von Wolfgang Silvanus

Wie entstand das Universum: Hatte es einen Anfang, wurde es also erschaffen, oder existiert es gleichsam von Ewigkeit zu Ewigkeit, ohne definierten Beginn und mit einer nie endenden Zukunft? Darüber sinnieren Generationen von Naturforschern. Den meisten von ihnen galten Raum und Zeit als unveränderliche Größen, die schon ewig existieren. Bis ins 20. Jahrhundert hinein beschränkte sich das bekannte Universum auf die Milchstraße mit ihren Sternen. Allerdings fanden die Himmelsforscher auch seltsame und unerklärliche Nebelflecken darin.

Im Jahr 1929 entdeckte der US-Astronom Edwin Hubble dann, dass die Galaxien im Universum auseinanderfliegen, als seien von einem einzigen Punkt aus weggeschleudert worden. Offenbar hatte es eine Art Urexplosion gegeben, die Raum und Zeit sowie die Materie hervorbrachte, die das All heute erfüllt – und zwar vor einer endlichen Zeit. Der britische Astronom Fred Hoyle prägte dafür den Begriff „Urknall“. Später fanden sich weitere Indizien für diesen jähen Weltenbeginn. Der Disput um die ewige Existenz des Alls schien damit entschieden.

Mit dem Urknall gibt es indes ein Problem: Im Punkt null müssten Temperatur und Dichte unendlich hoch gewesen sein. Einen solchen Zustand nennen die Astrophysiker eine Singularität. Doch unendliche Größen im Universum sind nicht möglich und mit den bekannten physikalischen Gesetzen auch nicht zu beschreiben. Deshalb wollten die Forscher die Singularität möglichst umgehen. Dazu ersannen sie Modelle, die abermals ein ewiges Universum in Betracht zogen, das keinen Beginn hatte. Die Debatte um den Weltenbeginn entbrannte somit erneut.

Hawking lehnt Urknall-Singularität ab

Daran beteiligte sich auch der britische Physiker und Kosmologe Stephen Hawking. Er lehnt die Urknall-Singularität ab, weil er glaubt, dass die Naturgesetze auch bei der Entstehung des Universums gegolten haben sollten. Eine Urexplosion ohne Ursache könne aber nur durch übernatürliche Kräfte ausgelöst worden sein. „Ein Schöpfungspunkt wäre ein Ort, an dem die Wissenschaft kollabiert. Man müsste die Religion und die Hand Gottes zu Hilfe nehmen“, konstatierte Hawking bei einem kosmologischen Kongress, den die Universität Cambridge Mitte Januar zu seinem 70. Geburtstag veranstaltete.

Eines der alternativen Modelle, die ohne Anfangssingularität auskommen, ist der sogenannte Urschwung. Er beruht auf einer Theorie der deutschen Astronomen Wolfgang Priester und Hans-Joachim Blome. Vor dem Urknall, glaubten sie, gab es ein anderes Universum. Es bestand ewig, enthielt aber keine Materie, sondern war von Quantenfeldern erfüllt, die aus reiner Energie bestanden. Dieser Kosmos kontrahierte langsam, bis er auf ein winziges Volumen mit hoher, aber nicht unendlicher Energiedichte geschrumpft war. Die geballte Energie detonierte und brachte dabei die heute existierende Materie hervor. Das war der „Urschwung“ – ein etwas sanfterer Urknall, in dem das Vorläuferuniversum in unseres überging.

Später erweiterten andere Forscher die Theorie. Nun beschrieb sie einen Kosmos, der nicht nur einen Urschwung durchlief, sondern viele. Nach jedem davon expandiert der Raum, bevor die Schwerkraft seiner Massen die Ausdehnung bremst und sie in einem Endknall zusammenstürzen.

Diese Zyklen könnten schon seit ewiger Zeit ablaufen. Ein ähnliches Modell entwickelte auch der deutsche Astrophysiker Martin Bojowald, der heute an der Pennsylvania State University forscht. „Wir können die Zeit jetzt weiter zurückverfolgen, über den Urknall hinaus – sogar so lange, bis wir die negative Unendlichkeit erreichen“, erläutert er. „Das Universum hat somit keinen Anfang, es existiert ewig.“

Hypothese der "ewigen Inflation"

Eine Kette von Universen, die endlos in die Vergangenheit zurück reicht, beschreibt auch die Hypothese von der „ewigen Inflation“. Erdacht hat sie der Kosmologe Alex Vilenkin von der Tufts University im US-Staat Massachusetts. Sein Modell beruht auf der Idee der kosmischen Inflation, die der US-Physiker Alan Guth entwickelte. Danach blähte sich unser All unmittelbar nach dem Urknall in winzigen Sekundenbruchteilen exponentiell auf ein Vielfaches seiner Größe auf.

Als sich Vilenkin mit Guths Idee beschäftigte, machte er eine erstaunliche Entdeckung: Die Expansion kann immer nur an bestimmten Stellen der kosmischen Urblase enden, nicht aber als Ganzes. Das bedeutet, dass sich die Inflation im gesamten Universum ewig fortsetzt und das Volumen expandierender Regionen endlos anwächst. Sie sprießen wie Blasen aus den bereits entwickelten Räumen hervor und bilden sozusagen als deren Ableger eine endlose Abfolge neuer Universen. In unserer Region des Kosmos endete die inflationäre Phase vor 13,7 Milliarden Jahren, als es den lokalen Urknall gab. Nach diesem Modell wäre die Inflation also der Urexplosion voraus gegangen.

Kosmische Blase: rückwärts in der Zeit

Bei einigen Versionen der Theorie ergab sich indes ein merkwürdiges Phänomen. Ihre Gleichungen zeigten, dass sich die kosmischen Blasen nicht nur vorwärts in der Zeit entwickeln konnten, sondern auch rückwärts. In der Tat zeigen viele physikalische Theorien, dass die Zeit keine Richtung hat. Sie kann sowohl vorwärts als auch rückwärts laufen, ohne dass sich an den Lösungen der Gleichungssysteme etwa ändert. Folglich können sich Vilenkins kosmische Blasen nicht nur endlos in der Zukunft aufblähen, sondern sie erstrecken sich auch ewig in die Vergangenheit zurück.

Dann aber fanden Vilenkin und Guth in einer gemeinsamen Studie heraus, dass sich die ewige Inflation nicht mit der beobachteten Expansion unseres Universums verträgt. Das Maß dafür ist die sogenannte Hubble-Konstante, die angibt, wie schnell sich der Raum ausdehnt. Wie sich zeigte, weist sie einen Grenzwert auf, der verhindert, dass die Inflation in beide Zeitrichtungen zugleich erfolgt. „Man kann keine Raumzeit mit dieser Eigenschaft konstruieren“, erkannte Vilenkin daraufhin. „Das Universum kann keine ewige Vergangenheit haben, es muss eine Art Grenze geben.“ Das bedeutet, dass auch die ewige Inflation einen Anfang gehabt haben muss, als eine erste Urblase in die Existenz sprang.

Dies gilt auch für das zyklische Universum, wenngleich aus einem anderen Grund, der sich aus dem „zweiten Hauptsatz der Thermodynamik“ ergibt. Er besagt, dass die Unordnung in einem System immer mehr zunimmt, wenn man keine Energie aufwendet, um die Ordnung aufrecht zu erhalten.

Der Satz lässt sich auch auf die aufeinander folgenden Universen anwenden: Wird ihnen keine neue Energie zugeführt, nimmt ihre innere Ordnung mit jedem Zyklus ab. Da außerhalb der Kosmen nichts existiert, können sie aber von nirgendwo her Energie aufnehmen. Hätte es eine ewige Abfolge gegeben, müsste der Zustand der maximalen Unordnung also längst erreicht sein. Dann wäre unser All nur von lauwarmer Strahlung erfüllt, materielle Strukturen wie Galaxien, Sterne und Planeten gäbe es nicht darin – und damit auch keine Intelligenzwesen, die das Universum in all seiner realen Pracht beobachten können. Wiederum gilt: Es muss einen ersten Kosmos gegeben haben, mit dem die Urschwung-Zyklen begannen.

Komisches Eis: Zustand ohne Raum, Zeit oder Materie

Vilenkin brachte noch ein drittes Modell zu Fall, auf das sich ein ewiges Universum gründen könnte, nämlich das des „kosmischen Eis“. Damit ist ein Zustand des Universums gemeint, in dem es weder Raum noch Zeit oder Materie gab. Es war vielmehr mit fluktuierenden Quantenfeldern gefüllt. Irgendwann zerbrach – bildlich gesprochen – das Ei, und der Urknall brach los, in dem sich die in den Feldern gespeicherte Energie in Materie umwandelte. „Ein solcher Raum müsste schon ewig bestehen. Doch was ewig existiert, muss man nicht erklären. Die Antworten auf die Fragen nach dem Ursprung der Welt verlieren sich so in der Unendlichkeit“, erklärte dazu der Münchener Kosmologe Gerhard Börner.

Im vergangenen Jahr aber errechneten Vilenkin und seine Studentin Audrey Mithani, dass das kosmische Ei nicht ewig existiert haben konnte. Vielmehr hätte es durch Quanteninstabilitäten nach endlicher Zeit kollabieren müssen. Damit wäre es völlig aus der Existenz verschwunden. Doch bevor es kollabieren konnte, zerbrach es im Weltenbeginn. Folglich konnte es bis dahin auch nur eine endliche Zeitspanne lang existiert haben. „Es gibt keine guten Kandidaten für ein Universum ohne Anfang“, resümiert Vilenkin. „Alles, was wir haben, deutet darauf hin, dass es einen Weltenbeginn gab.“

Die Frage, was das All hervorbrachte, stellt sich folglich mit aller Wucht erneut. Konnte es einfach aus dem Nichts entstanden sein, wie manche Forscher vermuten? Möglich wäre dies durch einen speziellen Quantenprozess, das sogenannte Tunneln. „Der Anfangszustand vor dem Tunneleffekt ist ein Universum mit einem verschwindenden Radius – also überhaupt kein Universum“, beschreibt Vilenkin diesen Prozess, der seiner Meinung nach keiner Ursache bedarf.

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