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KOSMOLOGIE
Wie ein expandierendes Universum entsteht
Redaktion / idw / Pressemitteilung der TU Wien
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10. Dezember 2013

Ein internationales Team von theoretischen Physikern hat ausgerechnet, dass ein expandierendes Universum praktisch aus dem Nichts entstehen kann - es muss sich allerdings drehen und die richtige Temperatur haben. Für unser Universum dürfte dieses Geburtsszenario zwar nicht infrage kommen, die Forscher erhoffen sich aber davon neue Einblicke in die Struktur von Raum und Zeit.

Universum

Theoretische Physiker haben ein "Kochrezept" für ein expandierendes Universum gefunden - nur nicht für unseres.  Bild: TU Wien

Wenn man Suppe erhitzt, beginnt sie zu kochen. Wenn man Raum und Zeit erhitzt, kann ein expandierendes Universum entstehen - ganz ohne Urknall. Diesen Phasenübergang zwischen einem langweiligen leeren Raum und einem expandierenden Universum, das Masse enthält, konnte ein internationales Forscherteam nun berechnen. Grundlage ist ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen der Quantenfeldtheorie und Einsteins Relativitätstheorie.

Aus dem Alltag kennt man "Phasenübergänge" nur von Stoffen, die zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Zustand wechseln. Allerdings können auch Raum und Zeit selbst solche Übergänge durchmachen, wie die Physiker Stephen Hawking und Don Page schon 1983 zeigten. Sie berechneten, dass aus leerem Raum bei einer bestimmten Temperatur plötzlich ein Schwarzes Loch werden kann.

Lässt sich bei einem ähnlichen Prozess vielleicht auch ein ganzes Universum erzeugen, das sich kontinuierlich ausdehnt, so wie unseres? Diese Frage stellte sich Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Wien gemeinsam mit Kollegen aus Harvard, des Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der University of Edinburgh. Das Ergebnis: Tatsächlich scheint es eine kritische Temperatur zu geben, bei der aus einem völlig leeren, flachen Raum ein expandierendes Universum mit Masse wird.

"Die leere Raumzeit beginnt gewissermaßen zu kochen, es bilden sich Blasen, eine von ihnen expandiert und nimmt schließlich die gesamte Raumzeit ein", veranschaulicht Grumiller. Das Universum muss dabei rotieren - das Kochrezept für ein expandierendes Universum lautet also: erhitzen und umrühren. Diese Rotation kann dabei beliebig gering sein.

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Bei den Berechnungen wurden vorerst nur zwei Raumdimensionen berücksichtigt. "Es gibt aber nichts, was dagegen spricht, dass es in drei Raumdimensionen genauso ist", so Grumiller. Unser eigenes Universum ist allerdings wohl nicht auf diese Weise entstanden. So ist das Phasenübergangs-Modell auch nicht als Konkurrenz zur Urknalltheorie gedacht: "In der Kosmologie weiß man heute sehr viel über das frühe Universum - das zweifeln wir nicht an. Aber für uns ist die Frage entscheidend, welche Phasenübergänge in Raum und Zeit möglich sind und wie die mathematische Struktur der Raumzeit beschrieben werden kann", erklärt Grumiller.

Die Theorie ist die logische Fortsetzung der sogenannten "AdS-CFT-Korrespondenz", einer 1997 aufgestellten Vermutung, die seither die Forschung an den fundamentalen Fragen der Physik stark beeinflusst hat: Sie beschreibt einen merkwürdigen Zusammenhang zwischen Gravitationstheorien und Quantenfeldtheorien - zwei Bereiche, die auf den ersten Blick gar nichts miteinander zu tun haben müssten. In bestimmten Grenzfällen, so sagt die AdS-CFT-Korrespondenz, lassen sich Aussagen der Quantenfeldtheorie in Aussagen von Gravitationstheorien überführen und umgekehrt.

Die Quantenfeldtheorie kommt dabei immer mit einer Dimension weniger aus als die dazugehörige Gravitationstheorie – das bezeichnet man als "holographisches Prinzip". Ähnlich wie ein zweidimensionales Hologramm ein dreidimensionales Objekt darstellen kann, kann eine Quantenfeldtheorie mit zwei Raumdimensionen eine physikalische Situation in drei Raumdimensionen beschreiben.

Die Gravitationstheorien müssen dafür allerdings in einer Raumzeit mit einer exotischen Geometrie definiert werden - in sogenannten "Anti-de-Sitter-Räumen", deren Geometrie von der flachen Geometrie unserer Alltagserfahrung deutlich abweicht. Es wurde schon seit langem vermutet, dass es eine ähnliche Version dieses "holographischen Zusammenhangs" auch für flache Raumzeiten geben könnte, aber es mangelte bisher an konkreten Modellen, die diesen Zusammenhang belegten.

Letztes Jahr wurde von Grumiller und seinen Kollegen erstmals so ein Modell aufgestellt - der Einfachheit halber in bloß zwei Raumdimensionen. Das führte schließlich zur aktuellen Fragestellung: Dass es in den Quantenfeldtheorien einen Phasenübergang gibt, wusste man. Doch das bedeutete, dass es aus Konsistenzgründen auch auf der Gravitations-Seite einen Phasenübergang geben muss.

"Das war zunächst ein Rätsel für uns", erinnert sich Grumiller. "Das würde einen Phasenübergang zwischen einer leeren Raumzeit und einem expandierenden Universum bedeuten, und das erschien uns zunächst äußerst unwahrscheinlich." Die Rechenergebnisse zeigten dann aber, dass es genau diesen Übergang tatsächlich gibt. "Wir beginnen erst, diese Zusammenhänge zu verstehen", so Daniel Grumiller. Welche Erkenntnisse über unser eigenes Universum sich daraus ableiten lassen, sei heute noch gar nicht absehbar.

Über ihre Berechnungen berichten die Wissenschaftler in einem Fachartikel, der in der Zeitschrift Physical Review Letters erschienen ist.

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siehe auch
Schwarze Löcher: Von der Relativitätstheorie zu den Strings - 14. August 2013
Teilchenphysik: Bosenova um ein Schwarzes Loch? - 21. Juni 2012
Links im WWW
Technische Universität Wien
Preprint des Fachartikels bei arXiv.org
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