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Kosmologie: Ein Kosmos ohne Anfang?

Mit neuen Modellen wagen Theoretiker Aussagen über die Zeit vor dem Urknall. Der Ursprung der Welt wird zum Prüfstein für bestimmte Theorien der Quantengravitation.
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Eine Frage, so alt wie die menschliche Kultur: Gab es die Welt schon immer oder hatte sie einen Anfang? Mit den vielfältigen mythischen Antworten (siehe Kasten auf S. 40) können sich Naturwissenschaftler nicht zufriedengeben. Sie haben in den letzten neunzig Jahren eine Vorstellung von der Entstehung der Welt entwickelt, die auf dem festen Boden der Relativitätstheorie steht und durch zahlreiche Beobachtungen gestützt wird: das Modell eines Universums, das vor knapp 14 Milliarden Jahren aus einem heißen, dichten Zustand entstand und seither stetig expandierte und abkühlte. In den einfachsten Modellvarianten kann man den Anfang der Welt in der heißen Frühzeit bis zu einer »Urknall-Singularität« zurückverfolgen, doch exakt dort stößt die Beschreibung an ihre Grenzen. An der Singularität wäre die Materiedichte unendlich hoch und der Raum unendlich eng zusammengezogen, und damit verliert das Modell seine Grundlage. Die Raum-Zeit-Geometrie, das Fundament von Einsteins Theorie, ist unter solchen Bedingungen nicht mehr definiert.

Eine Alternative bietet seit wenigen Jahren die so genannte Schleifen-Quantenkosmologie (Loop Quantum Gravity): Das Modell eines Kosmos, der schon immer existierte, aber bis vor rund 14 Milliarden Jahren so weit kontrahierte, dass seine Temperatur und Dichte alle jemals gemessenen Werte weit überstiegen – als wäre die Masse der gesamten Erde auf weniger als ein Billionstel eines Billionstels des Volumens eines Atomkerns zusammengepresst. Während das Volumen jeder beliebigen Raumregion auf null sank, wuchs die Dichte der darin enthaltenen Materie nicht über alle Grenzen an, sondern fiel – aller Anschaulichkeit zuwider – ebenfalls auf null ab. Unmittelbar darauf kehrte sich der Prozess um: Eine Expansionsphase begann, in der die Dichte zunächst wieder anstieg, bald aber wie gewohnt begann, mit zunehmender Ausdehnung abzufallen. Dann erst setzte die Entwicklung ein, die das Standardmodell der Kosmologie beschreibt: Ein stetig ausdünnendes, abkühlendes Universum, in dem sich 400 000 Jahre später Atomkerne und Elektronen zu elektrisch neutralen Atomen verbinden und die kosmische Hintergrundstrahlung freisetzen; stetig verklumpende Materie, die schließlich jenes komplexe Netz von Galaxienhaufen bildet, das wir heute beobachten (siehe SdW 4/2007, S. 32).

Kollaps und anschließende Expansion des Kosmos – dieses Szenario stellt die weit verbreitete Vorstellung vom Urknall als Anfang der Welt in Frage.

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