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KOSMOLOGIE
Am Urknall führt kein Weg vorbei
Redaktion / Pressemitteilung des Max-Planck-Instituts für Gravitationsphysik
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16. Juni 2017

Könnte man Anfang und Entwicklung unseres Universums vielleicht auch ohne Urknall verstehen? Diese Frage bewegte in den letzten Jahrzehnten einige bekannte Kosmologen. Nun haben Wissenschaftler aus Kanada und Deutschland neue Berechnungen angestellt und gezeigt, dass man ohne Urknall nicht auskommt. Außerdem scheint dieser noch komplizierter zu sein, als bislang gedacht.

HUDF

Das Universum wie wir es heute beobachten (hier eine Hubble-Aufnahme) lässt sich nicht ohne Urknall verstehen.  Bild: NASA, ESA, H. Teplitz und M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) und Z. Levay (STScI) [Großansicht]

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.

Eine solche These wird von bedeutenden Kosmologen - unter anderen von James Hartle, Stephen Hawking und Alexander Vilenkin - seit den 1980iger 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.

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. Dies würde den Urknall ersetzen.

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Lange Zeit blieben jedoch die wahren Konsequenzen dieses Modells fraglich. Mit besseren mathematischen Methoden konnten Dr. Jean-Luc Lehners, Forschungsgruppenleiter "Theoretische Kosmologie" 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.

"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 Lehners. 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.

Über ihre Untersuchungen berichten die Wissenschaftler in zwei Fachartikeln. Einer ist im Physical Review D erschienen.

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siehe auch
Kosmologie: Langsames Auftauen statt Urknall? - 25. Februar 2014
Links im WWW
Preprint des Fachartikel im Physical Review D bei arXiv.org
Preprint des zweiten Fachartikels bei arXiv.org
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut)
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