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Theoretische Physik: All ohne Urknall – das ekpyrotische Universum

Nach einem neuen Modell entstand unser Kosmos nicht durch den berühmten, aber physikalisch fragwürdigen Urknall, sondern bei der Kollision zweier Vorgänger-Welten in einem zehndimensionalen Raum.


Das Weltall dehnt sich unablässig aus. Verfolgt man seine Entwicklung im Zeitraffer zurück, schnurrt es daher gleichsam zusammen: Es wird immer dichter, während die verschiedenen Raumregionen einander näher und näher rücken. Schließlich gelangt man bei dieser gedanklichen Kompression unweigerlich in Bereiche, in denen Quanteneffekte auftreten müssten.

So erfolgreich die bekannten Urknallmodelle der Kosmologen die spätere Evolution des Universums beschreiben, stoßen sie hier an die Grenzen ihrer Gültigkeit – noch bevor die Reise in die Vergangenheit beim Big Bang angelangt ist, jenem unphysikalisch-abrupten Beginn des Universums, dem die Modelle ihren Namen verdanken. Eine Beschreibung dieser frühen Phase unserer Welt müsste die Gravitation und Quanteneffekte gleichermaßen einschließen. Wie eine solche Theorie der Quantengravitation aussieht, steht zur Zeit noch in den Sternen – weltweit suchen theoretische Physiker fieberhaft danach.

Inflation als Notbehelf

Ein weiterer Mangel der Urknallmodelle ist, dass sie eine Reihe von Eigenschaften unserer Welt nicht recht erklären können. Warum ist der Raum flach, wie wir es aus dem Alltag gewohnt sind, obwohl er nach den Urknallmodellen auch mehr oder weniger stark gekrümmt sein könnte? Warum war das frühe Universum äußerst gleichförmig, obwohl einige Teilregionen gar keine Gelegenheit gehabt haben sollten, sich zu durchmischen? Wie kam es andererseits zu den charakteristischen kleinen Inhomogenitäten, aus denen letztendlich Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen entstanden sind? Warum sehen wir keine exotischen Elementarteilchen – etwa magnetische Monopole –, wie sie unter den extrem energiereichen Bedingungen hätten entstehen müssen, die im frühen Universum geherrscht haben sollen?

Offenbar erzählen die Urknallmodelle nicht die ganze Geschichte, und der von ihnen beschriebenen Expansionsphase, in die der Kosmos vor 12 bis 16 Milliarden Jahren eintrat, ging eine andersartige Entwicklung voraus. Nach dem derzeit verbreitetsten Modell war dies eine Inflationsphase, in der sich das All rasant aufblähte und die einzelnen Raumgebiete mit exponentiell wachsender Geschwindigkeit auseinander strebten. Unter dieser Annahme lassen sich für die genannten Besonderheiten unserer Welt recht natürliche Erklärungen finden.

Kürzlich hat jedoch eine Gruppe von Physikern – Paul Steinhardt von der Universität Princeton, sein Doktorand Justin Khoury, Burt Ovrut von der Universität von Pennsylvania in Philadelphia und Neil Turok von der Universität Cambridge – ein Alternativmodell vorgeschlagen: das "ekpyrotische Universum". So antik sein Name, der auf Vorstellungen der altgriechischen Stoiker von einer feurigen Regeneration des Alls zurückgeht, so modern ist das Konzept selbst – leitet es sich doch vom Neuesten ab, was die professionellen Welterklärer zu bieten haben: den Stringtheorien.

Diese sind nach Meinung vieler theoretischer Physiker die bislang besten Aspiranten auf eine Theorie der Quantengravitation. Ihre Besonderheit: Sie sehen in den bekannten Elementarteilchen nicht gesonderte Partikel, sondern nur unterschiedliche Schwingungszustände ein und derselben Sorte winziger, eindimensionaler Fädchen oder Saiten, englisch strings.

Allerdings lassen sich die Stringtheorien bisher nur in neun Raumdimensionen widerspruchsfrei formulieren. Um die drei Dimensionen unserer Alltagswelt zu erklären, muss man postulieren, dass die restlichen sechs winzig klein zusammengerollt sind und unseren Blicken daher verborgen bleiben – ähnlich wie uns die zweidimensionale Fläche eines dünnen Trinkhalms aus der Entfernung eindimensional erscheint. Die zusammengerollten Dimensionen beeinflussen dabei die Schwingungszustände der Strings und erweisen sich sogar als notwendig, um die Vielfalt der experimentell nachgewiesenen Elementarteilchen halbwegs reproduzieren zu können.

Steinhardt und seine Kollegen gehen bei ihrem kosmologischen Modell von einer Erweiterung der Stringtheorie aus, die sogar zehn Raumdimensionen hat und den klangvollen Namen heterotische M-Theorie trägt. Dort sind sechs der zehn Raumdimensionen winzig klein zusammengerollt – mit Radien in der Größenordnung von 10E-33 Metern.

Welten im Zusammenstoß

Eine weitere Dimension ist dagegen nicht in sich aufgewickelt, sondern ähnelt einem Strich mit einer Länge von 10–33 bis 10–29 Metern, der durch zwei Raumpunkte begrenzt wird. Im vierdimensionalen Raum, der nach Abzug der sechs aufgerollten Dimensionen übrig bleibt, entsprechen diese Randpunkte dreidimensionalen Gebilden. Sie heißen im Jargon der Physiker "Drei-Branen" – in Analogie zu den zweidimensionalen Membranen unserer Alltagswelt.

Unser sichtbares Universum wäre eine solche Drei-Bran, und sowohl die Materieteilchen, die wir kennen, als auch drei der vier Grundkräfte könnten sich lediglich auf dieser Drei-Bran ausbreiten. Einzig die Gravitation wäre im Stande, den leeren Raum zwischen den beiden Rändern zu überbrücken und uns das Vorhandensein des gegenüberliegenden zweiten Randes anzuzeigen.

Das ekpyrotische Modell geht davon aus, dass sich diese höherdimensionale Welt ursprünglich in einem strukturlosen Grundzustand minimaler Energie befand, in dem es keine Materie der uns bekannten Art gab. Doch die für die Quantenwelt typischen Fluktuationen machen es möglich, dass sich auch aus solch einem einfachen Gebilde kompliziertere Strukturen ergeben können. Einige der denkbaren Entwicklungen führen tatsächlich zu einem Universum, das nach Art der Urknallmodelle expandiert.

Wie sehen sie aus? In einem der von Steinhardt und Kollegen diskutierten Szenarien bildet sich nahe am einen Rand eine weitere, dritte Drei-Bran. Sie ist parallel zu den beiden anderen ausgerichtet, aber im Unterschied zu diesen nicht völlig glatt; vielmehr weist sie auf Grund von Quanteneffekten kleine Fluktuationen und Beulen auf. Ihre Entstehung ist zur Zeit nicht exakt berechenbar, dürfte aber qualitativ der Bildung von Blasen in kochendem Wasser ähneln, die hie und da aus winzigen Bläschen hervorgehen. Auch die Dynamik des resultierenden Systems lässt sich bisher nicht exakt beschreiben, doch kann man Plausibilitätsargumente dafür finden, dass die neue Bran von der ihr ferneren Rand-Bran angezogen wird und deshalb beginnt, sich langsam zu ihr hin zu bewegen.

Nach einiger Zeit kollidiert sie mit der Rand-Bran und verschmilzt mit ihr. Schon bei ihrer Annäherung wird auf der Rand-Bran ein Prozess in Gang gesetzt, der einem hypothetischen Beobachter dort wie die Expansionsbewegung eines Urknallmodells erschiene. Bei der Kollision selbst entstehen aus der Bewegungsenergie der driftenden Bran dann hochenergetische Teilchen, die das Randuniversum bevölkern. Das Ergebnis ist ein mit heißer Materie gefüllter Kosmos, der sich so ausdehnt, als wäre er aus einem Urknall hervorgegangen – allerdings ohne dass er die problematischen frühen Phasen der Urknallmodelle wirklich durchlaufen hätte.

Bei alldem verspricht das ekpyrotische Modell auch Lösungen für die eingangs genannten kosmologischen Probleme. Die Homogenität von Materie und Strahlung ergibt sich ebenso wie die flache Geometrie des Raums direkt aus den niederenergetischen Zuständen der kollidierenden Branen. Die problematischen exotischen Teilchen würden bei den für das Modell vorgeschlagenen Energien gar nicht erst erzeugt. Die Quantenfluktuationen der mittleren, bewegten Bran erklären das Vorkommen und die Eigenschaften der winzigen Inhomogenitäten im frühen Universum.

Im Gegensatz zum Inflationsmodell würde keine vollständig ausgearbeitete Theorie der Quantengravitation benötigt, um den Ursprung des Kosmos zu beschreiben. Die Rahmenwelt, von der unser Universum einen Rand darstellt, war in diesem Modell ja schon immer vorhanden; und was vor und während der Branenkollision geschah, sollte sich im Prinzip mit den existierenden Formulierungen der Stringtheorie beschreiben lassen.

So gut sich dies alles anhören mag, sind Heureka-Rufe allerdings sicherlich noch verfrüht. Das ekpyrotische Modell ist gerade erst veröffentlicht worden und hat seine Feuerprobe noch vor sich: die Diskussion der Kosmologen und Stringtheoretiker, die sich in den nächsten Monaten im Internet und in den Fachzeitschriften abspielen dürfte. Der erste Gegenartikel ließ keine zwei Wochen auf sich warten; seine Autoren – darunter Andrej Linde, wie Steinhardt einer der Väter der Inflationsmodelle – üben harte Kritik an den vorgeschlagenen Annahmen und Mechanismen und stellen die Vorhersagekraft des ekpyrotischen Modells grundsätzlich in Frage. Zwei Antwortartikel, in denen Steinhardt und Kollegen auf die Einwände eingehen, sind gerade im World Wide Web erschienen.

Nagelprobe mit Gravitationswellen

Die Diskussion wird sich jedenfalls noch eine Weile auf der rein theoretischen Ebene bewegen müssen. Bislang gibt es nämlich nur wenige Beobachtungsdaten, mit deren Hilfe man Modellen für die Entstehung des Universums auf den Zahn fühlen könnte. Während die herkömmliche Expansion gut durch Beobachtungen abgesichert ist, ermöglichen es genaue Messungen der Inhomogenitäten in der kosmischen Hintergrundstrahlung erst seit kurzem, überhaupt konkretere Vorhersagen der Inflationstheorie zu prüfen. Leider sind dies Vorhersagen, in denen Inflation und Ekpyrosis übereinstimmen.

Um anhand von Beobachtungen zwischen den beiden Modellen entscheiden zu können, müsste man die Eigenschaften von Gravitationswellen aus dem frühen Weltall ermitteln. Indirekt könnte dies über die Polarisation der kosmischen Hintergrundstrahlung schon recht bald gelingen; ein direkter Nachweis dürfte, wenn überhaupt, allerdings erst mit hochempfindlichen zukünftigen Gravitationswellendetektoren möglich sein. Ob sich das ekpyrotische Modell zum ernsthaften Konkurrenten für die Inflation entwickeln kann, bleibt also abzuwarten. Wer Genaues über den letzten Ursprung unserer Welt wissen möchte, muss sich wohl oder übel noch in Geduld fassen.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 8 / 2001, Seite 12
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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