Die Probleme mit dem Urknall beginnen schon bei dem Begriff selbst: Hier hat nichts im herkömmlichen Sinn geknallt. Laut vielen Fachleuten war er vielmehr der Anbeginn von Raum und Zeit. Er war Ausgangspunkt der Bedingungen und Prozesse, die schließlich Leben und Menschen hervorbrachten – die nun hier sitzen und über Raum und Zeit nachdenken. Obschon der Urknall somit den Anfang von allem markiert, kommen wir als neugierige Wesen nicht umhin, uns zu fragen, was davor war. Selbst wenn »davor« erneut ein irreführendes Wort ist, da Zeit erst danach existierte. 

Jahrtausendelang war das, was vor und zu Beginn des Universums geschah, kein Thema für die Naturwissenschaften. Solche Fragen fielen in den Bereich der Philosophie, sagt die Physikphilosophin Jenann Ismael von der Johns Hopkins University in Baltimore. Die Menschheit interessiert sich seit jeher dafür, woher wir kommen. Viele Fragen gehen noch mehr ins Detail: Was sind Raum und Zeit? Hat die Zeit einen Anfang? Hat der Raum Grenzen?

Mittlerweile gehören solche Rätsel in das Gebiet der Kosmologie. Aber selbst nachdem das Fach zu einer anerkannten Wissenschaft wurde, klafften noch große Lücken, resümiert Ismael: »Die Kosmologie stand auf wackeligen Beinen.« Diese Ansicht vertrat vor allem der Physiker James Jeans (1877–1946). Das hat sich im Lauf der vergangenen 100 Jahre geändert. Die einst rein philosophischen Überlegungen sind inzwischen in den Bereich der Theorie, der Experimente und der Daten vorgedrungen. »Diese alten konzeptionellen Fragen tauchen nun unter einer neuen Perspektive auf«, so die Philosophin.

Es ist unklar, ob die Wissenschaft als Disziplin und Wissenschaftler als Menschen jemals in der Lage sein werden, diese grundlegenden Fragen endgültig zu beantworten. Schließlich kann niemand vor den Urknall blicken. Und vermutlich wird die Menschheit auch niemals dazu in der Lage sein, zumindest nicht direkt. Dennoch liefert das aktuelle und zukünftige Universum wertvolle Hinweise auf die ferne Vergangenheit.

»Wenn keine messbare Unterscheidung möglich ist, betreibt man einfach nur Metaphysik mit Gleichungen« Brian Keating, Kosmologe

Und während Fachleute ständig die Grenzen unseres Wissens erweitern, testen Kosmologinnen und Kosmologen ihre kühnen Theorien über die Zeit vor dem Urknall indirekt mithilfe von verfügbaren Daten. Dies scheint der einzige Weg zu sein, um einer potenziellen Wahrheit näherzukommen. »Ich bin offen für jedes theoretische Konzept über den Ursprung des Alls, aber ich nehme es erst dann ernst, wenn es ein klares Ziel für Beobachtungen liefert, die mit realen Instrumenten durchgeführt werden können«, sagt der Kosmologe Brian Keating von der University of California in San Diego. »Wenn keine messbare Unterscheidung möglich ist, betreibt man einfach nur Metaphysik mit Gleichungen.« 

Immerhin gibt es mehrere Konzepte zu den Ursprüngen des Kosmos, die Keating und andere Fachleute ernst nehmen. Hier stellen wir drei von ihnen vor.

Raum und Zeit sind grenzenlos

Die Quantenmechanik ist die Physik des extrem Kleinen, wo Zufall und Unsicherheit herrschen. Erstaunlicherweise ist sie aber auch jene Theorie, die das frühe Universum geprägt haben könnte. Denn zu Beginn von Raum und Zeit, als das All noch nicht auf riesige Skalen ausgedehnt war, spielten Quanteneffekte eine wichtige Rolle. Um den Quantenkosmos zu verstehen, berechnen Forschende, wie wahrscheinlich ein bestimmtes Ergebnis eingetreten sein könnte angesichts eines gewissen Ausgangszustands. 

In der Kosmologie kennen wir das Ergebnis: das Universum, wie es heute aussieht. »Die Frage ist: Was ist der Ursprungszustand?«, sagt Jean-Luc Lehners, ehemaliger Leiter der Gruppe für Theoretische Kosmologie am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam.

Anstatt das Problem direkt vollständig zu lösen, können Physiker und Physikerinnen es in kleinere Stücke unterteilen. Sie betrachten zunächst das heutige Universum als Ergebnis und versuchen herauszufinden, aus welchem Zustand es sich entwickelt haben könnte – dieser muss gar nicht so weit in der Vergangenheit liegen. Dann können die Fachleute einen Schritt weiter in die Vergangenheit gehen, indem sie diesen Zustand als neues Ergebnis betrachten und bestimmen, welche Bedingungen früher im Universum ihn hervorgebracht haben könnten, und so weiter. Im Prinzip lässt sich das unendlich oft wiederholen, sodass man sich Schritt für Schritt einem Ursprungszustand des Universums nähert.

Diese unendliche Regression ergab jedoch für die Physiker Stephen Hawking und James Hartle, die sich in den 1980er-Jahren gemeinsam mit dem Thema beschäftigten, keinen Sinn. Sie beschlossen, die ultimative Eingabe des Universums, seinen »Anfang«, zu eliminieren. Stattdessen entwickelten sie das »no-boundary proposal«. Bei diesem Modell des Kosmos schlugen sie vor, dass Zeit und Raum eine abgeschlossene Oberfläche bilden: eine vierdimensionale Raumzeit-Halbkugel.

Auch wenn unsere Vorstellungskraft bei vier Dimensionen versagt, kann man ein vereinfachtes Bild der Situation heranziehen. Dafür stellt man sich die Zeitentwicklung des Universums als eine Art Erdkugel vor. Der Urknall markiert dabei den Nordpol. In diesem Fall gibt es kein »Vorher«, genauso wie es keinen Ort nördlich des Nordpols gibt. Das »Vorher« wird als Konzept irrelevant. Jean-Luc Lehners zieht diese Idee in seinen Berechnungen heran und untersucht, ob sich das Universum, wie wir es heute sehen, aus einem solchen sphärischen Modell erschaffen lässt.

»Die No-boundary-Theorie findet in der Physikcommunity recht viel Unterstützung oder zumindest Interesse«, sagt Sean Carroll, Professor für Naturphilosophie an der Johns Hopkins University. Auch wenn einige Fachleute Bedenken hinsichtlich der Präzision dieser Idee haben, hält Carroll sie angesichts des derzeitigen Wissens über Quantentheorien für einen »natürlichen Ausgangspunkt«.

Ein unendlich wiederkehrender Kosmos

Der Physiker Paul Steinhardt von der Princeton University hat eine völlig andere Vorstellung davon, was vor dem Beginn des uns bekannten Universums geschah. Und die widerspricht einer Theorie, an deren Entstehung er selbst beteiligt war: der Inflation. Diese besagt, dass sich die Raumzeit nach dem Urknall für einen sehr kurzen Zeitraum rasant ausdehnte. Die Inflationstheorie soll erklären, warum das beobachtbare Universum auf großen Skalen überall flach und gleichförmig aussieht.

Nachdem Steinhardt diese Theorie mitbegründet hatte, kamen ihm Zweifel. Unter anderem, weil man das Konzept ständig anpassen musste, damit es zu den kosmologischen Messungen passte. »Es ist wirklich schwer, ein historisches Beispiel zu finden, bei dem ein solches Vorgehen tatsächlich zur richtigen Antwort geführt hat«, sagt Steinhardt. »Es ist fast immer ein Zeichen dafür, dass die Titanic sinkt.«

Er hielt die Zeit für reif, in ein Rettungsboot zu steigen. Also entwickelte er die Idee eines zyklischen Universums: eines, das sich ausdehnt, wie es unser Kosmos derzeit zu tun scheint, sich dann ein wenig zusammenzieht und schließlich wieder von vorn mit der Expansion beginnt. »Wenn Menschen an schrumpfende Universen denken, denken sie meist an einen völligen Kollaps«, erklärt Steinhardt. In seiner Vorstellung fällt der Kosmos allerdings nicht wieder zu einem unendlich kleinen Punkt zusammen. In Steinhardts Theorie reduziert sich das Universum zwar auf einen Bruchteil seiner Größe, behält aber dabei stets eine endliche Ausdehnung.

Laut dieser Theorie ist das, was wie ein Urknall aussieht, in Wirklichkeit ein »Urprall«. Der schnelle Übergang zwischen Kontraktion und Expansion wird daher als »Big Bounce« bezeichnet. Diese Dynamik glättet den Kosmos auf eine Weise, die nicht mit der Inflation erklärbar ist, sagt Steinhardt, und erzeugt so ein Universum, das flach und in alle Richtungen gleich erscheint.

Steinhardt möchte diese Idee nicht nur mit den zugänglichen Daten aus der Vergangenheit überprüfen, sondern auch durch die Erfassung der Gegenwart und die sorgfältige Beobachtung der Zukunft. »Das wird zeigen, dass die derzeitige Phase der beschleunigten Expansion nicht ewig andauern kann«, erklärt Steinhardt. »Sie muss enden.« Diese Idee werfe wiederum eine neue Frage auf: »Könnte sie bereits jetzt zu Ende sein?«

Unsere Messungen darüber, wie sich das Universum ausdehnt, stammen von weit entfernten Objekten, die ihr Licht vor langer Zeit ausgestrahlt haben. Die Umstände könnten sich in der Zwischenzeit geändert haben – wir wissen es vielleicht nur noch nicht, weil es so schwer ist, die Auswirkungen zu messen. »Wir müssten Objekte in unmittelbarer Nähe betrachten, um dies festzustellen«, sagt Steinhardt. Das sei jedoch nicht die Stärke von Kosmologen. Sie müssten neue Techniken und Instrumente entwickeln, um nach solchen nahe gelegenen Effekten zu suchen.

Besonders faszinierend ist laut Steinhardt, dass dem Raum während des Übergangs von Kontraktion zu Expansion »nichts Schlimmes passiert«. Informationen – sogar Objekte wie Schwarze Löcher – von der Zeit vor dem Big Bounce könnten auf einen Zeitpunkt danach übertragen werden. »Es mag Dinge in unserem beobachtbaren Universum geben, die aus der Zeit ›davor‹ stammen«, sagt er. Wir sollten also die Augen offenhalten.

Ein gespiegeltes Universum

Eine andere Auffassung über die Zeit vor dem Urknall hat der ehemalige Doktorand von Steinhardt, der Physiker Latham Boyle vom Higgs Center for Theoretical Physics der University of Edinburgh. Wie das Konzept des Big Bounce ist auch Boyles bevorzugter Vorschlag konzeptionell recht einfach – und kommt ebenfalls ohne eine kosmische Phase der Inflation aus. »Es gibt das Universum nach dem Urknall und das Universum vor dem Urknall«, sagt er, »und sie sind gewissermaßen Spiegelbilder voneinander.«

Das kann man sich laut Boyle wie die Spitzen zweier Eistüten vorstellen, die sich berühren, wobei ihr Berührungspunkt den Urknall darstellt. »Die Zeit verläuft vom Urknall aus in beide Richtungen«, erläutert er. Auf unserer Seite geht sie vorwärts, auf der Spiegelseite rückwärts. Was vor dem Urknall geschah, ist das Gegenstück dessen, was danach passierte. Und das betrifft nicht nur die Zeit. In unserem Teil des Universums gäbe es Materie, auf der anderen Seite Antimaterie. Hier wäre links links, dort wäre links rechts.

Boyles Idee stützt sich auf die sogenannte CPT-Symmetrie, die alle bisher beobachteten physikalischen Phänomene erfüllen: Wenn man in einer Reaktion die Teilchen durch Antiteilchen ersetzt (also die Ladung »C« austauscht), sie durch einen Spiegel betrachtet (die Parität »P« umkehrt) und rückwärts in der Zeit »T« schaut, läuft die Reaktion genauso ab. Boyle verallgemeinert diese Beobachtung, indem er sie auf den gesamten Kosmos anwendet.

Laut dem Forscher könnten gewisse Beobachtungen seine Hypothese eines CPT-symmetrischen Universums stützen oder auch widerlegen. Zum Beispiel hätte solch ein Universum nicht schon kurz nach dem Urknall Gravitationswellen bilden können – anders als es klassische Modelle der Kosmologie vorhersagen. Astronominnen und Astronomen suchen bereits nach solchen »primordialen« Gravitationswellensignalen. Falls sie fündig werden, würde das die Idee eines CPT-symmetrischen Universums widerlegen. Diese sagt auch voraus, dass sich Dunkle Materie durch eine bestimmte Art von Neutrino erklären ließe. Boyle hofft, dass künftige Messungen bald mehr Informationen über Neutrinos liefern werden.

Es sei gerade die Verbindung des CPT-symmetrischen Universums zur Teilchenphysik, die diesen Ansatz so interessant mache, sagt Sean Carroll. Dem stimmt Brian Keating zu: »Was mir daran gefällt, ist die Tatsache, dass man sich aus dem Fenster lehnt und konkrete Vorhersagen macht, die Experimentalphysiker wie ich brauchen.«

Welche Theorie setzt sich durch?

Die meisten Physiker und Physikerinnen haben eine bevorzugte Vorstellung davon, wie das Universum entstand. Aber Lehners zeigte sich in einem Interview Ende 2025 nicht besonders zuversichtlich, dass sich die heutigen Modelle mit der Zeit durchsetzen werden. »Ich halte es für völlig absurd, dass wir im Jahr 2025 den Anfang des Universums verstehen sollten«, sagte er. »Warum nicht erst im Jahr 2 000 025 oder wann auch immer?«

Selbst wenn viele glauben, sie würden sich dem Ziel nähern, könnten sie sich auf einen trügerischen Gipfel zubewegen: jenen frustrierenden Ort, der beim Wandern wie die höchste Erhebung aussieht, in Wirklichkeit jedoch nur den Blick auf den wahren Gipfel versperrt hat. »Im Allgemeinen halte ich es für äußerst plausibel, dass es vor dem Urknall etwas gab«, sagt Carroll, »aber es ist auch denkbar, dass der Urknall wirklich der Anfang war. Es gibt zu viele Dinge, über die wir uns einfach nicht sicher sind, und ich bin skeptisch, dass unser Stand der Technik ausreicht, um aus einem dieser Modelle eindeutige Schlussfolgerungen zu ziehen.«

Kosmologinnen und Kosmologen beschäftigen sich nicht mit dem Ursprung unseres Universums, weil sie glauben, dass das Rätsel noch zu ihren Lebzeiten gelöst wird. Lehners sieht sich als Teil eines generationenübergreifenden Projekts. Es hilft der Menschheit, sich einer Wahrheit immer weiter anzunähern, auch wenn sie sie womöglich nie völlig enthüllen wird.

»Wissenschaft widmet sich oft der Erforschung von Dingen, zu denen wir keinen Zugang haben«Jenann Ismael, Physikphilosophin

Die Erforschung eines solchen physikalisch und philosophisch unzugänglichen Themas unterscheidet sich grundlegend von anderen Wissenschaftsbereichen. Üblicherweise bewegen sich die Fragen in der vertrauten Ebene von Raum und Zeit. Doch hier scheint es fast so, als lägen die Probleme prinzipiell außerhalb unserer Reichweite.

Das ist für die Physikphilosophin Ismael allerdings kein Grund, es nicht zu versuchen: Wissenschaft widme sich oft der Erforschung von Dingen, zu denen wir zumindest anfangs keinen Zugang hätten. Atome wurden vorhergesagt, bevor sie nachweisbar waren. Schwarze Löcher und Dunkle Materie entziehen sich noch immer jedem direkten Nachweis, und trotzdem ist ihre Untersuchung fraglos ein wissenschaftliches Projekt. »Der Maßstab dafür, was als Wissenschaft gilt, hat sich verschoben«, stellt Ismael fest. Der Trend dürfte sich fortsetzen – vielleicht sogar rückwärts in der Zeit bis zu einem Punkt ohne Vergangenheit.