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Was war vor dem Urknall?

Sonnenbild im Sternbild Skorpion
Aus spektakulären Phänomenen wie diesem Sonnentod im Sternbild Skorpion können Forscher Rückschlüsse auf die Beschaffenheit und Entstehung unseres Universums ziehen
© J. Kastner/ESA
Es ist das wohl größte Mysterium des Universums: Was war vor dem Urknall? Entstand das Weltall aus dem Nichts oder gab es davor bereits etwas? Seit Jahrzehnten nähern sich Physiker dieser Frage mit Experimenten, Formeln und Theorien. Was sie herausfinden, klingt wie kühne Science-Fiction – und könnte unser Weltbild revolutionieren

Eines wissen wir mit Sicherheit: Unser Universum dehnt sich aus. Eine Erkenntnis, aus der sich fundamentale Schlüsse über die Vergangenheit des Kosmos ziehen lassen: Könnten wir in der Zeit zurückgehen, würde das Universum kleiner und kleiner werden. Rein mathematisch betrachtet, schrumpfte schließlich alles auf einen Punkt zusammen.

Aus eben dieser Überlegung ist die unter Wissenschaftlern weitgehend anerkannte Theorie erwachsen, dass die Welt vor etwa 13,8 Milliarden Jahren aus diesem Punkt entstanden ist. Dass in diesem Punkt Raum und Zeit geboren wurden. Der Beginn jenes spektakulären Prozesses wird als Urknall bezeichnet.

Doch ein möglicherweise unlösbares Rätsel tut sich bei der naheliegenden Frage auf:

Was war vor dem Urknall?

Die Kosmologen haben schlicht keine Antwort darauf. Denn wie sollte man auch wissenschaftlich vor den Beginn von Zeit und Raum schauen können?

Freilich lässt sich spekulieren: Vielleicht existierte das Universum ja schon vor dem Urknall. Es zog sich zusammen, bis die Materie unvorstellbar dicht komprimiert war. Dann gab es eine Art Rückprall, und das Universum begann sich wieder auszudehnen. Dieser Rückprall wäre der Urknall. Aber er wäre nicht der Anfang von allem gewesen.

Wie das Universum ausgesehen haben könnte, das unserer Welt vorausgegangen ist, ist Gegenstand verschiedener Theorien.

Die Stringtheorie geht von zehn Raumdimensionen aus

In den Augen mancher Physiker ist die derzeit beste Theorie die Stringtheorie. Sie besagt, dass die Bausteine des Universums aus „Strings“ bestehen, winzig kleinen Fäden. Danach gibt es insgesamt zehn Raumdimensionen. Von denen nehmen wir allerdings nur drei wahr. Diejenigen Dimensionen, die wir nicht erkennen, sind winzig klein aufgerollt. Dadurch sind sie für uns unsichtbar.

Es ist in gewisser Weise so wie bei einem Draht, der auch drei Dimensionen hat, aus der Distanz aber wie ein eindimensionales – ein ausschließlich in der Länge ausgedehntes – Objekt aussieht. Und die Geometrie der aufgewickelten Dimensionen bestimmt die physikalischen Gesetze in den uns bekannten drei Raumdimensionen.

Zwar übersteigt diese Theorie die menschliche Vorstellungskraft. Schließlich ist unser Gehirn darauf eingestellt, in drei Raumdimensionen und einer Zeitdimension zu denken.

Doch lassen wir uns einmal darauf ein, dass diese vielen Dimensionen existieren, wird klar: Deren Geometrien bestimmen die Naturgesetze in unserem Universum. Beim Durchlaufen der Rückprallphase aber könnten sich die Geometrien ändern – und mit ihnen die Verfasstheit des Kosmos. Das Vorgängeruniversum hat also möglicherweise ganz anders ausgesehen als das uns bekannte.

Es ist möglich, dass das Universum aus dem Nichts entstand

Dass der Urknall den Kosmologen solche Probleme bereitet, liegt unter anderem daran, dass er aus der Relativitätstheorie von Albert Einstein hervorgeht. Zugleich ist der Urknall aber auch der Punkt, an dem die Relativitätstheorie zusammenbricht. Sie kann also keinerlei Aussage darüber treffen, wie genau die Welt im Urknall beschaffen war.

Es erscheint paradox, aber die Relativitätstheorie bringt es fertig, ihr eigenes Versagen vorherzusagen. Nötig wäre eine Theorie, die über die Relativitätstheorie hinausgeht. Und wie die aussehen wird, ist noch nicht sicher.

Allerdings muss es vor dem Urknall kein anderes Universum oder – anders gesagt – kein anderes Etwas gegeben haben. Es gibt auch die Möglichkeit, dass das Universum tatsächlich aus dem Nichts entstanden ist.

Man könnte denken, dies verletze das Gesetz von der Erhaltung der Energie. Denn Energie kann nicht einfach auftauchen oder verschwinden. Sie kann nur ihre Erscheinungsform wechseln – zum Beispiel kann aus Bewegungsenergie Wärmeenergie werden.

Doch interessanterweise ist die Gesamtbilanz für die Energie im Universum: null. So wird auf komplexe Weise die Energie, welche in der Materie steckt, durch die Gravitationsenergie, die in den Einstein-Gleichungen einen negativen Wert hat, ausgeglichen, kompensiert. Das gilt zumindest für einen endlichen Kosmos.

Der theoretische Physiker Jean-Luc Lehners vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam macht sich gemeinsam mit seinem Team daher gerade daran auszurechnen, wie sich aus dem Nichts ein Universum bilden kann. Dafür machen sie sich Quanteneffekte zunutze. So können auch im absolut leeren Raum Teilchen kurz auftauchen und wieder verschwinden. Im Rahmen der klassischen Physik funktioniert das nicht, in der Welt der Quanten ist es möglich. Physiker sprechen auch von Quantenfluktuation.

Und eben eine solche Fluktuation könnte sich – damals, vor rund 13,8 Milliarden Jahren – zu unserem Universum ausgedehnt haben.

All diese Überlegungen, Theorien, Berechnungen sprengen die Imagination der meisten Menschen (selbst die vieler Physiker). Sie widersprechen unserer Alltagserfahrung – und der Wahrnehmung jener Welt, in der wir leben und die wir kennen.

Doch auch bei den beiden großen anerkannten Theorien der Physik – der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie – waren die physikalischen Konsequenzen am Anfang nicht richtig verstanden. Erst mit der Zeit haben Forscher ein tieferes Verständnis entwickelt.

Vielleicht ist das beim Urknall ja genauso.


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