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Originalveröffentlichungen

1.
Feldbrugge, J., Lehners, J.-L., Turok, N.
Lorentzian Quantum Cosmology
2.
Feldbrugge, J., Lehners, J.-L., Turok, N.
No smooth beginning for spacetime

Weiterführende Informationen

Ohne Urknall geht es nicht

Forscher vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam und dem Perimeter Institute in Kanada widerlegen Theorie vom „sanften Anfang“

15. Juni 2017

Beim Urknall war die Krümmung von Raum und Zeit unendlich groß – das lehrt Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie. Schwierig zu berechnen, denn bei Unendlichkeiten versagen die mathematischen Werkzeuge. Es gab jedoch noch die Hoffnung, dass eine Quantentheorie der Gravitation den Anfang von Allem einfacher beschreiben könne, man vielleicht sogar völlig ohne Urknall auskommen würde. Diese These wird von bedeutenden Kosmologen, unter anderen von James Hartle, Stephen Hawking und Alexander Vilenkin, seit den 1980ger Jahren vertreten. Forscher am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut/AEI) in Potsdam und am Perimeter Institute in Kanada haben jetzt mit neuen mathematischen Methoden nachgewiesen, dass dies nicht funktioniert. Der Urknall ist demnach noch komplizierter und mysteriöser als viele Physiker hofften.

Den Anfang des Universums zu verstehen, ist ein großes Ziel der Kosmologie. Messungen des Planck-Satelliten zeigen, dass das Weltall vor 13,8 Milliarden Jahren aus einer dichten, heißen Ursuppe bestand. Seither dehnt sich das Universum aus. Die gängige Urknalltheorie kann allerdings die eigentliche Entstehung des Alls nicht beschreiben, zu extrem sind die Bedingungen: nähert man sich dem Urknall, wird nach dem klassischen Modell das Universum immer dichter, bis ein Punkt erreicht wird, an dem Dichte und Schwerkraft unendlich groß werden.

Abb. 1: Kein "sanfter Anfang": Quantenfluktuationen, die im Laufe der Zeit immer stärker werden (rechts), verhindern ein Universum, wie wir es kennen (links). Bild vergrößern
Abb. 1: Kein "sanfter Anfang": Quantenfluktuationen, die im Laufe der Zeit immer stärker werden (rechts), verhindern ein Universum, wie wir es kennen (links). [weniger]

Eine alternative Theorie zum Urknall ist die des „Universums ohne Rand”, womit die Idee gemeint ist, dass das Universum als Quantenfluktuation aus dem Nichts erschienen ist und sich dann schnell zu einem großen klassischen Universum ausgedehnt hat. Demzufolge war die Krümmung des Universums am Anfang zwar groß, aber endlich, und die Geometrie von Raum und Zeit gleichmäßig – ohne scharfen Rand (s. Abb. 1 (links)). Dies würde den Urknall ersetzen. Lange Zeit blieben jedoch die wahren Konsequenzen dieses Modells fraglich. Mit besseren mathematischen Methoden konnten Dr. Jean-Luc Lehners, Forschungsgruppenleiter am AEI, und seine Kollegen Job Feldbrugge und Neil Turok vom Perimeter Institute in Kanada jetzt diese 35 Jahre alte These präzise definieren und damit auch die Folgen berechnen. Dabei stellte sich heraus, dass die Alternative zum Urknall keine ist: Heisenbergs Unschärferelation hat zur Folge, dass sich in diesem Modell nicht nur ganz gleichmäßige Universen aus dem Nichts bilden können, sondern auch sehr unregelmäßige. Die unregelmäßigen Universen treten dabei mit viel größerer Wahrscheinlichkeit auf, ja: je chaotischer die entstehenden Universen sind, desto wahrscheinlicher sind sie (s. Abb. 1 (rechts)). „Die Theorie vom “Universum ohne Rand” sagt demnach kein großes Universum, wie das in dem wir leben, vorher, sondern lauter kleine Universen, die sofort wieder wegen der starken Krümmung zusammenstürzen würden“, sagt Jean-Luc Lehners, Leiter der Max-Planck-Forschungsgruppe „Theoretische Kosmologie“ am AEI.

Man kann den Urknall demnach nicht so einfach umgehen. Lehners und seine Kollegen konzentrieren sich jetzt auf die Frage, welcher Mechanismus die wilden Quantenfluktuationen unter extremsten Bedingungen in Schach gehalten hat, so dass sich unser großes stabiles Universum entwickeln konnte.

 
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