Physik: Das Weltall, ein Luftballon

Vor 14 Milliarden Jahren hatte unser Kosmos in einem extrem dichten und heißen Zustand seinen explosiven Anfang. Was aber hat diesen „Urknall“ ausgelöst – und was war davor? „Wenn Sie auf diese Frage eine Antwort suchen“, so lautete noch vor einem Vierteljahrhundert ein beliebtes Bonmot unter Astronomen, „dann müssen Sie den Fachbereich wechseln!“ Die Schöpfung des Kosmos schien sich dem naturwissenschaftlichen Zugriff zu entziehen und eine Angelegenheit der Religionen zu bleiben.

Doch die Zeiten haben sich geändert. In den astronomischen und physikalischen Fachjournalen finden sich heute zahlreiche Aufsätze, die sich mit der Zeit vor dem Urknall und möglichen Ursachen für die Entstehung des Universums befassen. „Das ist eine Folge der Bemühungen der Physiker, die Quantenphysik und Gravitation unter dem Dach einer einheitlichen Theorie zu vereinen“, erläutert der Kosmologe Simon White, der das Max-Planck-Institut für Astrophysik in Garching leitet. „Nur mit einer solchen Theorie lassen sich die ersten Sekundenbruchteile des Kosmos beschreiben.“

Das moderne physikalische Weltbild basiert auf zwei Säulen, die bislang nahezu unverbunden nebeneinander stehen: Die Relativitätstheorie Einsteins erfasst die Zusammenhänge zwischen Raum, Zeit und Gravitation und beschreibt deshalb das Universum als Ganzes und seine zeitliche Entwicklung. Die Quantenmechanik dagegen mit all ihren seltsamen Phänomenen ist eine Theorie des Mikrokosmos, der winzigen Bausteine der Materie.

Im Urknall jedoch lassen sich Makro- und Mikrokosmos nicht länger voneinander trennen, relativistische und quantenmechanische Effekte sind zwangsläufig miteinander verbunden. So hat die Suche nach einer Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik auch zu einem neuen Blick auf den Anfang unseres Universums geführt.

Ein Ansatz für eine solche Vereinigung ist die „Schleifen-Quantengravitation“. Darin bestehen nicht nur die Materie, sondern auch Raum und Zeit auf kleinsten Skalen aus nicht weiter teilbaren Elementen. Diese Raumzeit-Quanten sind unverstellbar klein. „Ihre Ausdehnung beträgt etwa 10 hoch minus 32 Millimeter“, erläutert der an der Pennsylvania-State- Universität tätige deutsche Physiker Martin Bojowald. „Selbst mit unseren besten Instrumenten können wir heute nur 10 hoch minus 15 Millimeter kleine Strukturen erkennen.“ Sie sind also etwa 100 Billiarden Mal größer als die Raumzeit-Quanten. Deshalb macht sich die Körnigkeit der Raumzeit weder im Alltag noch in physikalischen Experimenten bemerkbar.

Ganz anders beim Urknall. In der Relativitätstheorie ging der Kosmos aus einer „Singularität“ hervor. Damit bezeichnen Physiker einen Zustand unendlicher Dichte und Temperatur, in dem die bekannten physikalischen Gesetze nicht mehr anwendbar – und somit auch keine Aussagen darüber möglich sind, was zuvor geschah. Die Theorie der Schleifen-Quantengravitation sieht im Urknall nur eine Grenze. Bojowald war der erste Forscher, der die Theorie der winzigen Raumzeit-Quanten auf den Urknall angewendet hat – mit einem überraschenden Ergebnis: „Die Körnigkeit der Raum-Zeit führt dazu, dass die Gravitation bei extrem hohen Dichten nicht länger anziehend, sondern stark abstoßend wirkt.“ Und damit öffne sich auch ein Tor zu der Zeit vor dem Urknall. „Dem expandierenden Kosmos ging, so lassen sich die Gleichungen interpretieren, ein zusammenstürzender Kosmos voraus.“

Der Urknall war also eigentlich ein Urprall: Ein Universum – vielleicht dem unseren ganz ähnlich, mit Galaxien, Sternen und Planeten – fiel in sich zusammen wie ein Ballon, aus dem die Luft entweicht. Schließlich erreichte der Kosmos eine durch die Körnigkeit der Raum-Zeit bestimmte Minimalgröße, es gab einen gewaltigen Rückprall und ein neuer Kosmos – der unsrige – begann sich rasant auszudehnen. Wobei sich, um beim Bild des Ballons zu bleiben, das Innere nach Außen krempelte. Damit wäre also die Frage nach dem „Davor“ beantwortet: Der Kosmos hat schon vor dem Urknall ewig existiert. Vielleicht kehrt sich nach zig Milliarden Jahren auch die gegenwärtige Ausdehnung des Universums wieder in eine Kontraktion um und es kommt in ferner Zukunft erneut zu einem Urprall – ein Vorgang, der sich endlos wiederholen könnte.

Ein solches zyklisches Universum besitzt keinen ersten Anfang, für den man nach einer Erklärung suchen müsste. Allerdings, auf die alte Leibniz’sche Frage, warum es überhaupt etwas und nicht nichts gibt, liefert auch dieses Modell keine Antwort.

Unter Physikern ist die Schleifen-Quantenkosmologie Bojowalds allerdings umstritten. „Es ist eine sehr einfache Näherung sehr komplizierter Gleichungen“, bemängelt Hermann Nicolai vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. „Daraus sollte man nicht solche weit reichenden Schlussfolgerungen ziehen. Und einen Kosmos ohne zeitlichen Anfang gibt es auch in anderen Theorien.“

Bojowald nimmt diese Kritik gelassen: „Die Singularität des Urknalls ergibt sich ebenfalls aus sehr stark vereinfachten Gleichungen der Relativitätstheorie – wenn wir nun mit ähnlichen Vereinfachungen in der Schleifen-Quantengravitation diese Singularität überwinden können, ist das ein großer Fortschritt.“

Die meisten Physiker favorisieren jedoch einen anderen Ansatz für die Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik: die „Stringtheorie“. Darin sind die Bausteine der Materie keine punktförmigen Elementarteilchen, sondern schwingende „Fäden“ (englisch: strings) in zehn oder mehr Dimensionen, von denen wir nur die bekannten drei räumlichen Dimensionen wahrnehmen können. In diesem Modell könnte der Urknall beispielsweise vom Zusammenstoß zweier Universen im höherdimensionalen Raum ausgelöst worden sein.

Ob überhaupt eine dieser spekulativen Theorien korrekt ist – und wenn ja welche – können letztlich nur Experimente und Beobachtungen zeigen. Bojowald hofft dabei auf den europäischen Satelliten „Planck“, der noch in diesem Jahr starten und die kosmische Hintergrundstrahlung, eine Art Strahlungsecho des Urknalls, genauer als je zuvor untersuchen soll. Winzige Schwankungen in diesem Strahlungsrauschen könnten den Wissenschaftlern Informationen über die ersten Sekundenbruchteile des Universums liefern. Und damit vielleicht auch über die Quantengravitation.

Hermann Nicolai setzt dagegen eher auf den Large Hadron Collider am Forschungszentrum Cern, der in diesem Jahr endlich in Betrieb gehen soll. Denn die Vereinigung von Quanten- und Relativitätstheorie sagt auch die Existenz neuer Teilchen voraus. Nicolai: „Wenn wir am LHC solche neuen Elementarteilchen finden, dann dürften sich viele bisher geäußerte Theorien erledigt haben.“

Martin Bojowald hat seine Ideen in dem Buch „Zurück vor den Urknall – Die ganze Geschichte des Universums“ aufgeschrieben. Es erscheint heute im S. Fischer Verlag und kostet 19 Euro 95.