Was war vor dem Urknall? Forscher enthüllen erstaunliche Entdeckung

• Das Universum begann vor etwa 13,8 Milliarden Jahren mit einer Explosion aus einer winzigen, heißen, dichten Energiekugel, die als Urknall bekannt ist. Die Theorie des Urknalls wurde im Laufe der Jahrzehnte verfeinert und umfasst eine Phase sehr schneller Expansion namens Inflation. Forscher untersuchen, ob die Gesetze der Schwerkraft vor der Inflation in einer Singularität zusammengebrochen sind. Einige Singularitäten können durch mathematische Tricks umgangen werden, aber die Krümmungssingularität beim Urknall könnte eine echte physikalische Grenze darstellen. Die Forschung zielt darauf ab, eine umfassende physikalische Theorie zu entwickeln, die allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik vereint.

Vor etwa 13,8 Milliarden Jahren bestand das gesamte Universum aus einer winzigen, heißen, dichten Energiekugel, die plötzlich explodierte. So begann alles gemäß der standardmäßigen wissenschaftlichen Theorie des Urknalls, die in den 1920er Jahren Gestalt annahm. Diese Theorie wurde im Laufe der Jahrzehnte verfeinert, insbesondere in den 1980er Jahren, als viele Kosmologen zu der Überzeugung gelangten, dass das Universum in seinen ersten Momenten eine kurze Phase außerordentlich schneller Expansion namens Inflation durchlief, bevor es in ein langsameres Tempo überging.

Diese kurze Periode wird einer eigentümlichen Form von Hochenergiematerie zugeschrieben, die die Schwerkraft umkehrt und das Gewebe des Universums exponentiell schnell „aufbläst“, was zu einem millionenfachen Wachstum in weniger als einem Bruchteil einer Sekunde führt. Die Inflation erklärt, warum das Universum so glatt und homogen erscheint, wenn man es auf großen Skalen betrachtet. Doch wenn die Inflation für alles verantwortlich ist, was wir heute sehen, stellt sich die Frage: Was, wenn überhaupt etwas, kam davor?

Keine Experimente konnten bisher beobachten, was vor der Inflation geschah. Mathematische Modelle könnten jedoch einige mögliche Szenarien skizzieren. Forscher wenden Einsteins allgemeine Relativitätstheorie an – eine Theorie, die Schwerkraft mit der Krümmung der Raumzeit gleichsetzt – soweit zurück in die Zeit, wie sie reicht.

Mathematische Analyse

Das ist die Hoffnung von drei Forschern: Ghazal Geshnizjani vom Perimeter Institute, Eric Ling von der Universität Kopenhagen und Jerome Quintin von der Universität Waterloo. Das Trio veröffentlichte kürzlich eine mathematische Analyse, die die Möglichkeit bietet, über unser Universum hinauszusehen. Robert Brandenberger, ein Physiker an der McGill University, lobte das neue Papier als neuen Maßstab für die Analyse der Mathematik des Beginns der Zeit. In manchen Fällen könnte das, was zunächst wie eine Singularität aussieht – ein Punkt in der Raumzeit, an dem mathematische Beschreibungen ihren Sinn verlieren – tatsächlich eine Illusion sein.

Das zentrale Problem, mit dem sich Geshnizjani, Ling und Quintin beschäftigen, ist, ob es einen Punkt vor der Inflation gibt, an dem die Gesetze der Schwerkraft in einer Singularität zusammenbrechen. Das einfachste Beispiel für eine mathematische Singularität ist die Funktion 1/x, wenn x gegen null geht. Die Funktion nimmt einen Wert x als Eingabe und gibt einen anderen Wert aus. Je kleiner der Wert von x, desto größer wird 1/x und nähert sich der Unendlichkeit. Wenn x null ist, ist die Funktion nicht mehr definiert: Sie kann nicht als Beschreibung der Realität verwendet werden.

Singularitäten und ihre Bedeutung

Manchmal jedoch können Mathematiker Wege finden, eine Singularität zu umgehen. Ein Beispiel ist der Nullmeridian, der durch Greenwich, England, verläuft. Wenn man eine Funktion von 1/Längengrad hätte, würde sie in Greenwich «verrückt spielen». Doch durch eine Neujustierung des Nullmeridians könnte die Funktion normal arbeiten, wenn sie sich dem Royal Observatory in Greenwich nähert. Etwas Ähnliches geschieht an den Grenzen mathematischer Modelle von Schwarzen Löchern. Die Gleichungen, die nicht drehende schwarze Löcher beschreiben, enthalten einen Term, dessen Nenner am Ereignishorizont des Schwarzen Loches gegen null geht. Dies führte Physiker zu der Annahme, dass der Ereignishorizont eine physikalische Singularität sei. Aber der Astronom Arthur Eddington zeigte, dass bei Verwendung eines anderen Koordinatensystems die Singularität verschwindet.

Im Gegensatz dazu gehen im Zentrum eines Schwarzen Lochs die Dichte und die Krümmung gegen unendlich auf eine Weise, die nicht durch ein anderes Koordinatensystem eliminiert werden kann. Die Gesetze der allgemeinen Relativitätstheorie beginnen unsinnige Aussagen zu erzeugen. Dies wird als Krümmungssingularität bezeichnet. Sie impliziert, dass etwas geschieht, das jenseits der derzeitigen physikalischen und mathematischen Theorien liegt.

Geshnizjani, Ling und Quintin untersuchten, ob der Auftakt des Urknalls eher dem Zentrum eines Schwarzen Lochs oder einem Ereignishorizont ähnelt. Ihre Untersuchung stützt sich auf einen Theorem von Arvind Borde, Alan Guth und Alexander Vilenkin. Dieses Theorem, bekannt unter den Initialen BGV, besagt, dass die Inflation einen Anfang haben musste. Sie konnte nicht unaufhörlich in der Vergangenheit stattgefunden haben. Es muss eine Singularität gegeben haben, die den Startschuss gab.

Interpretation der Singularität

Quintin und seine Kollegen haben daran gearbeitet herauszufinden, ob diese Singularität eine Krümmungssingularität ist oder eine Koordinatensingularität, die umgangen werden kann. Eric Woolgar, ein Mathematiker an der Universität Alberta, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte, dass sie unser Bild der Singularität des Urknalls klärt. “Sie können sagen, ob die Krümmung an der Anfangssingularität unendlich ist oder ob die Singularität milder ist, was es uns ermöglichen könnte, unser Modell des Universums auf Zeiten vor dem Urknall auszudehnen.”

Zur Klassifikation möglicher präinflationärer Szenarien nutzten die drei Forscher einen Parameter, der als Skalierungsfaktor bezeichnet wird und beschreibt, wie der Abstand zwischen Objekten über die Zeit verändert hat, während sich das Universum ausdehnt. Per Definition ist der Urknall der Zeitpunkt, an dem der Skalierungsfaktor null war – alles war in einem dimensionslosen Punkt komprimiert.

Während der Inflation nahm der Skalierungsfaktor exponentiell zu. Vor der Inflation könnte der Skalierungsfaktor auf verschiedene Weisen variiert haben. Das neue Papier bietet eine Taxonomie der Singularitäten für verschiedene Szenarien des Skalierungsfaktors. “Wir zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen der Skalierungsfaktor eine Krümmungssingularität erzeugt, und unter anderen Bedingungen tut er das nicht”, so Ling.

Fazit: Physikalische Grenzen und Zukunft

Forscher wussten bereits, dass in einem Universum ohne Materie, jedoch mit Dunkler Energie, die in dem BGV-Theorem identifizierte Inflationsphase eine Koordinatensingularität ist, die eliminiert werden kann. Aber das reale Universum enthält natürlich Materie. Könnten mathematische Tricks auch hier die Singularität umgehen? Die Forscher zeigten, dass, wenn die Menge der Materie im Vergleich zur Menge der Dunklen Energie vernachlässigbar ist, die Singularität eliminiert werden kann. “Lichtstrahlen können tatsächlich durch die Grenze hindurchgehen,” sagte Quintin. “Und in diesem Sinne kann man hinter die Grenze sehen; es ist keine Backsteinmauer.” Die Geschichte des Universums würde sich somit über den Urknall hinaus erstrecken.

Allerdings denken Kosmologen, dass das frühe Universum mehr Materie als Energie hatte. In diesem Fall zeigt die neue Arbeit, dass die BGV-Singularität eine reale physikalische Krümmungssingularität wäre, an der die Gesetze der Schwerkraft nicht mehr gelten.

Eine Singularität deutet darauf hin, dass die allgemeine Relativitätstheorie keine vollständige Beschreibung der grundlegenden Gesetze der Physik bieten kann. Anstrengungen, eine solche Beschreibung zu erstellen, die eine Versöhnung der allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik erfordert, sind im Gange. Ling sieht das neue Papier als einen Schrittstein zu einer solchen Theorie. Um das Universum auf höchstem Energieniveau zu verstehen, sagte er, „müssen wir zunächst die klassische Physik so gut wie möglich verstehen.“