Was vor dem Urknall war: Die fantastische Suche nach einem Vorgänger-Universum

Von Gerhard Hertenberger

Das Zittern des Bodens geht in ein Beben über, begleitet von Donnergrollen. Auf dem europäischen Weltraum-Airport Kourou in Französisch-Guayana, im nördlichen Südamerika dicht am Äquator gelegen, erhebt sich eine 770 Tonnen schwere Ariane-5-Rakete in einer gleißenden Abgaswolke in den Himmel. Mit an Bord sind zwei ­High-Tech-Weltraumfernrohre, die dazu bestimmt sind, Signale aus fernen Regionen unseres Universums aufzufangen: das 3,3 Tonnen schwere Infrarot-Teleskop Herschel und die 1,8 Tonnen schwere Raumsonde Planck. Der ­weiße Koloss schiebt sich immer höher in den Himmel, bis er zwischen tropischen Quellwolken verschwindet. Seit dem Start am Donnerstag, dem 14. Mai 2009, befinden sich Herschel und Planck auf ihrer Reise ins All.

Anfang Juli werden die beiden Raumsonden ihren Einsatzort weit außerhalb der Erdbahn erreichen, den etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernten, so genannten „Lagrange-Punkt L2“. Diese Region bietet eine stabile Flugbahn sowie optimale Beobachtungsbedingungen. Während das Teleskop Herschel die Infrarotstrahlung aus dem All einfangen soll, wird sein Zwilling Planck versuchen, bis in die Anfänge des Universums und möglicherweise dar­über hinaus zu schauen. Flüssiges Helium wird das Innere der Sonde auf Temperaturen abkühlen, bei denen die Detektoren jene schwache Mikrowellenstrahlung empfangen können, die aus allen Richtungen vom Rand des Weltalls zu uns strömt. Diese etwa 13,3 Milliarden Jahre alte Strahlung ist das älteste Signal des Universums, das wir empfangen können. Sie entstand, so sagen die Physiker, etwa 380.000 Jahre nach dem Urknall, als der Weltraum für Strahlung erstmals „durchsichtig“ wurde. In diesen Signalen könnten Informationen stecken, die von noch früheren Vorgängen erzählen, von Geschehnissen am Beginn unseres Universums.

Seit Jahrtausenden rätseln die Menschen, wie unsere Welt entstanden ist. Und seit Jahrzehnten beobachten Astronomen, wie weit entfernte Sterneninseln davoneilen. Doch es sind nicht die Galaxien, die rasend schnell fliegen, es ist das Universum als Ganzes, das sich mit zunehmender Geschwindigkeit ausdehnt – vergleichbar einer riesigen Seifenblase. Nach bisheriger Lehrmeinung stand am Beginn eine gewaltige Explosion, der Urknall. Zu diesem Zeitpunkt, vor etwa 14 Milliarden Jahren, sei nicht nur der Raum, sondern auch die Zeit aus einem unendlich kleinen Punkt entstanden. Davor habe – vereinfacht gesagt – nichts existiert, nicht einmal die Zeit.

Relativitätstheorie. Nun aber könnte sich eine Zäsur in der Sicht unserer Welt anbahnen: Der Urknall war möglicherweise gar nicht der Beginn von Raum und Zeit. Neueste Erklärungsmodelle für die Entstehung der Welt deuten darauf hin, dass es vor dem Urknall ein „Vorgängeruniversum“ gegeben haben könnte, das in sich zusammenstürzte. Gerüttelt wird auch an anderen Grundfesten der Physik: Manche Experten sprechen beispielsweise von einer Schwerkraft, die einst abstoßend wirkte, andere von einer Ausdehnung des Weltraums mit Überlichtgeschwindigkeit und von Paralleluniversen. Auch manch hartgesottener Naturwissenschafter gerät angesichts solcher Konzepte und ­Theorien ins Staunen. Aber wie viel von all dem ist vage Spekulation, und was ist durch konkrete Hinweise belegt?

Angefangen hat alles mit dem Versuch, die Eigenschaften von Raum und Zeit physikalisch zu verstehen. Albert Einstein ging in seiner Relativitätstheorie davon aus, dass es sich bei diesen Phänomenen um ein gleichmäßiges „Kontinuum“ handelt, vergleichbar einem Band, das man in beliebig kleine Stücke zerschneiden könnte.

Von der Materie ist heute bekannt, dass sie nicht eine „kontinuierliche Knetmasse“ ist, sondern sozusagen aus „Minikörnchen“ – Atomen – besteht und diese ihrerseits aus Elementarteilchen. Neue Berechnungen der Physik deuten nun darauf hin, dass auch Raum und Zeit aus winzigen „Minibausteinen“ bestehen könnten, aus kleinsten Einheiten. Falls es diese Raum- und Zeitbausteine wirklich gibt, sind sie derzeit zu klein, um experimentell nachgewiesen zu werden. Die besten Mikroskope sind heute imstande, Gebilde bis zu einer Kleinheit von 10–18 Meter aufzulösen, also bis zu jenem Maß, das man erhält, wenn man einen Meter in eine Trillion Teile teilt; eine Zahl mit 18 Nullen. Die „körnige“ Raumstruktur würde jedoch, falls sie existiert, im Bereich von 10–35 Metern liegen, einer Kommazahl hinter 35 Nullen.

Wenn Raum und Zeit tatsächlich aus ­solchen Basisbausteinen bestehen, dann ­haben die Physiker ein gewaltiges Problem: Denn dann kann der Urknall, so wie man ihn sich bisher vorgestellt hat, nicht stattgefunden haben. Ein solch winziger Raumbaustein kann nämlich nicht unendlich viel Masse und Energie aufnehmen, daher sei, sagen die Berechnungen, die Geburt eines ganzen Universums aus einem unendlich kleinen Punkt (einer „Singularität“) nicht möglich.

Einsteins Relativitätstheorie hilft uns bei der Frage, ob ein punktförmiger Urknall überhaupt möglich ist, nicht weiter. Sie versagt bei winzigen Maßstäben. Die merkwürdigen Punkte mit unendlicher Masse und Energie („Singularitäten“), wie sie in Schwarzen Löchern und beim Urknall anscheinend auftreten, können von dieser ­Theorie nicht mehr erfasst werden. Theoretische Physiker sind der Meinung, dass hier nur ein Zusammenführen der Einstein’schen mit der Quantentheorie eine Lösung bringen kann. Die Quantentheorie mit ihren faszinierenden Konsequenzen ist die Grundlage für die Beschreibung unserer Welt im Mikrokosmos.
Doch auch da gibt es ein Problem: Die Schwerkraft (Gravitation) lässt sich mit der Quantentheorie bisher nicht befriedigend vereinen, und bei extremen Phänomenen wie dem Urknall oder den Schwarzen Löchern liefern Einsteins allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie sogar Widersprüche.

Experten in aller Welt versuchen daher seit Jahren, die beiden Welterklärungsmodelle zu einem großen Ganzen zu vereinen: Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, mit der die Schwerkraft beschrieben werden kann, und die Quantentheorie, die das Verhalten von Teilchen im Mikrokosmos gut charakterisiert. Ein Gesamtmodell verwendet das Konzept von winzigen „schwingenden Fäden“ (String-Theorie), aus denen die Elementarteilchen aufgebaut sind, ein anderes Gesamtmodell geht hingegen von winzigen „Schleifen“ und „körniger Raum-Zeit“ aus (Schleifen-Quantengravitation).

Claus Kiefer, Professor am Institut für Theoretische Physik der Universität Köln, rät zu schrittweisem Erkenntnisgewinn: „Bevor ich so exotische Dinge wie sieben zusätzliche Raum-Zeit-Dimensionen oder Paralleluniversen annehmen muss, um die Welt zu erklären, scheint es mir besser, zunächst mal jene Dinge zu betrachten, mit denen wir uns schon gut auskennen. Die Relativitätstheorie erklärt vieles sehr gut, wir sehen ihre unmittelbaren Auswirkungen etwa bei GPS-Empfängern, und abgesehen von den kleinsten Abständen funktioniert auch die Kombination mit der Quantentheorie recht gut.“ Im Mikrokosmos oder beim Zeitpunkt null des Universums müsse man dann eben irgendwelche Zusatzkonzepte heranziehen, eben die „strings“ der String-Theorie oder die „loops“ der Schleifen-Quantengravitation. Von keiner dieser Theorien ist derzeit klar, ob sie die gewünschte Vereinigung tatsächlich erbringt, meint Kiefer.

Beweissuche. Was die String-Theorie betrifft, werden Experimente mit dem neuen Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) des CERN bei Genf vermutlich in den nächsten zwei bis vier Jahren zeigen, ob ihr Konzept zutrifft oder nicht. Falls ja, hätte das erstaunliche Konsequenzen: Die Theorie verlangt geradezu, dass es neben dem dreidimensionalen Raum und der Zeit noch zahlreiche weitere „kontrahierte“ Dimensionen gibt. Und sie lässt den Schluss zu, dass außer unserem Weltall noch unzählige weitere Universen existieren. Für das zweite Gesamtmodell, die Schleifen-Quantengravitation, suchen Physiktheo­retiker vor allem in astrophysikalischen Beobachtungen nach Effekten, etwa bei energiereicher Gammastrahlung, die Milliarden Lichtjahre durchs All fliegt und dabei von der portionierten Raum-Zeit verändert werden müsste.

Einem jungen deutschen Physiker namens Martin Bojowald, der derzeit an der Pennsylvania State University forscht, ist es vor Kurzem gelungen, für dieses zweite Modell eine solide mathematische Grundlage zu schaffen. Seine Erkenntnisse werden nicht nur in Wissenschafterkreisen intensiv diskutiert, sondern fanden auch in den Medien eine heftige Resonanz. Bojowalds Berechnungen führen nämlich – wie die String-Theorie – zu erstaunlichen Schlussfolgerungen: Da Raum und Zeit aus winzigen „Bausteinen“ bestehen, in denen unendlich hohe Energien nicht möglich sind, könne ein „punktförmiger“ Urknall nicht stattgefunden haben. Seiner Theorie zufolge war der Beginn unserer Welt zwar von winziger Ausdehnung, aber eben nicht unendlich klein. Dies mag unerheblich klingen, hat aber gewaltige Konsequenzen: Raum und Zeit hätten, so Bojowald, möglicherweise schon vorher existiert, also vor dem Urknall. Und es wäre noch etwas Ungeheuerliches denkbar: die Existenz eines spiegelverkehrten „Vorgängeruniversums“, das in sich zusammengestürzt sein könnte.

„Dass unser Universum oszilliert, sich also nach einem Urknall ausdehnt und wieder zusammenstürzt, um sich dann erneut auszudehnen, diese Idee wurde schon vor vielen Jahren angedacht“, erzählt Peter Christian Aichelburg, Professor für Gravitationsphysik an der Universität Wien. „Das Problem war, dass man keine befriedigende Theorie dafür besaß. Man konnte diese Vorgänge nicht rechnerisch erfassen“.

Dies scheint nun dem jungen Physiker Bojowald gelungen zu sein. Er spricht von einem „bounce“ (englisch „Rückprall“), dem Zusammensturz eines Universums, der zur Geburt eines neuen Universums führt. Und er konnte eine Theorie aus Formeln vorlegen, die diese Vorgänge gut beschreibt. Zwar schrumpft das Vorgängeruniversum in seinen Modellen nicht auf einen unendlich kleinen Punkt (eine Singularität), aber die Dichte von Materie und Energie ist so ungeheuer, dass ein unerfreulicher Effekt eintritt: Die Information über die Beschaffenheit des Vorgängeruniversums geht bei diesem gewalttätigen Vorgang anscheinend völlig verloren. Falls es je eine solche frühere Welt gab, wird es uns – so besagen die Berechnungen – kaum je möglich sein, etwas über deren Beschaffenheit zu erfahren.

Die Schwierigkeit bei solchen Theorien bestehe darin, dass es kaum Möglichkeiten gibt, experimentelle Hinweise über die Richtigkeit zu erhalten, sagt Aichelburg. Er vergleicht das Problem mit einem Kreuzworträtsel, bei dem es keine Anleitung für das Ausfüllen der Felder gibt. Man kann nur durch Probieren versuchen, eine konsistente Gesamtlösung zu erraten.

Ein Weg, um ins Innere der Materie zu blicken, sind Teilchenbeschleuniger wie der Large Hadron Collider. Ein anderer Weg besteht darin, die uralten Signale der kosmischen Hintergrundstrahlung zu untersuchen, wie es nun mit der neuen Sonde Planck geplant ist. Dass es eine solche „Mikrowellen-Hintergrundstrahlung“ gibt, haben Physiker schon in den vierziger Jahren vorausgesagt (siehe Kasten Geschichte). Als diese Strahlung dann im Jahr 1964 erstmals aufgefangen wurde, handelte es sich eigentlich um einen Zufall beim Test einer neuen Antenne. Für diese Entdeckung erhielten Arno Penzias und Robert W. Wilson 1978 den Physiknobelpreis. Seit 1993 wissen wir, dass diese Strahlung leichte Unregelmäßigkeiten aufweist, sozusagen Flecken, Strukturen mit kleinsten Unterschieden in der Temperatur. Planck soll diese uralten räumlichen Strukturen genau untersuchen und herausfinden, wie sie entstanden sind und was sie uns über den Urknall verraten.

Der Physiker Mark Whittle von der University of Virginia wandelte übrigens kürzlich eine Computersimulation des frühen Universums in zeitlich stark gerafftes Geräusch um, das aus dem Internet heruntergeladen werden kann: http://www.space.com/scienceastronomy/big_bang_sound_040601.html.

Verzerrungen. Neben der Beobachtung räumlicher Strukturen in diesem Mikrowellenhintergrund gibt es auch die Möglichkeit, nach zeitlichen Schwankungen dieser Strahlung zu lauschen. Theoretiker sagen voraus, dass die Materie- und Energiedichte in jenen frühesten Sekundenbruchteilen des Universums zu „Verzerrungen“ und „Dichteschwankungen“ von Raum und Zeit geführt hat. Dieses seltsame, als „Gravitationswellen“ bezeichnete Phänomen wurde noch nie beobachtet, aber möglicherweise gelingt dies im Laufe der nächsten Jahre.

Bojowald ist durchaus optimistisch, dass Quantengravitationstheorien mittelfristig auch experimentell getestet werden können: „Gravitationswellen und Neutrinos sind besonders vielversprechende Werkzeuge, denn sie interagieren kaum mit Materie und durchdrangen darum das uranfängliche Plasma nahezu ohne Verlust. Diese Boten könnten uns durchaus Nachrichten aus einer Zeit kurz nach oder sogar vor dem Urknall bringen“, schreibt er in der Titelgeschichte der neuesten (Mai-)Ausgabe des Magazins „Spektrum der Wissenschaft“. Noch eine seltsame Konsequenz lässt sich aus Bojowalds Berechnungen folgern: Kurz nach dem Urknall herrschten Bedingungen, unter denen die Gravitation, also die Schwerkraft, plötzlich nicht mehr anziehend, ­sondern abstoßend wirkt. Dies ist umso ­eigenartiger, als wir – im Gegensatz zur elektromagnetischen Kraft – in unserer „normalen“ Welt keine abstoßende Schwerkraft kennen.

„All das klingt sehr merkwürdig, ist aber aus Sicht der Quantentheorie gar nicht so ungewöhnlich“, meint Aichelburg. Nach herkömmlicher, klassischer Physik würde man beispielsweise auch meinen, dass die negativ geladenen Elektronen sofort auf den positiv geladenen Atomkern drauffallen müssten, weil sich negativ und positiv gegenseitig anzieht. Die Quantentheorie zeigt, dass in unserer Welt vieles anders ist, als der Hausverstand es sich gerne denken würde. Ähnlich ist es bei der Schwerkraft: Unter diesen extrem dichten Bedingungen könnte sich die Wirkung der Gravitation umkehren und abstoßend wirken.

Die Thesen von Bojowald lassen auch die Astronomen aufhorchen. Die schlagen sich schon seit längerer Zeit mit einem anderen merkwürdigen Phänomen herum: Die Ausdehnung des Universums scheint in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall ungeheuer stark beschleunigt worden zu sein. „Wir können indirekt auf dieses ungewöhnliche Phänomen schließen, weil wir sehen, dass die kosmische Hintergrundstrahlung in allen Richtungen in hohem Ausmaß gleichförmig ist“, erklärt der Wiener Astrophysiker Ernst Dorfi. In einem großen Universum wäre dies schwer vorstellbar, da die weit voneinander entfernten Bereiche miteinander keine ursächliche Verbindung mehr haben. Die in hohem Ausmaß gleichförmige Mikrowellenstrahlung vom Rand des Alls lässt deshalb vermuten, dass das All anfangs sehr klein war und sich dann plötzlich rasend schnell ausdehnte („Inflation“). Die Raumsonde Planck soll anhand ihrer Messdaten zeigen, ob unsere Vorstellungen von den damaligen Vorgängen zutreffen. Bojowald hält es nun für möglich, dass die rasante Expansion kurz nach dem Urknall durch jene abstoßende Gravitation (mit-)verursacht wurde, die laut seinen Modellrechnungen bei extrem hoher Dichte auftritt.

Beschleunigung. Seit den späten neunziger Jahren wissen wir übrigens, dass die Ausdehnung des Universums seit acht Milliarden Jahren erneut an Geschwindigkeit zunimmt. „Der Weltraum gibt sozusagen Gas“, sagt Dorfi. Der Grund dafür könnte in einem anderen hypothetischen Phänomen liegen, das oft als „Vakuumenergie“ oder „dunkle Energie“ bezeichnet wird: Durch die Expansion des Alls entstanden immer größere Leerräume. Mit ihnen wurde der Einfluss der dunklen Energie immer dominanter und dadurch die Ausdehnung mehr beschleunigt. Am Ende bleibt ein kaltes, sich immer weiter ausdehnendes, leeres Universum übrig.
„Wir bezeichnen die Ursache als dunkle Energie, und wir können sie relativ leicht mittels einer Konstante in den Einstein’schen Gleichungen beschreiben“, sagt Gravitationsphysiker Aichelburg. „Es gibt tausende Publikationen darüber, aber eigentlich wissen wir nicht, worum es sich dabei handelt. Die Kosmologie zählt derzeit zu einem der spannendsten Forschungsgebiete.“

Ein Teil dieser Forschung wird weiterhin an der Universität Wien mit dem Forschungsschwerpunkt Gravitationsphysik verfolgt. Nach dem Ausscheiden von Aichelburg wurde eine Professur für diesen Arbeitsbereich an der Fakultät für Physik ausgeschrieben. Martin Bojowald, der dort vor knapp zwei Wochen einen Vortrag hielt, zählt zu den möglichen Anwärtern.
Auch die Experimentalphysiker überraschen zuweilen mit Hypothesen, die weit in die Zukunft weisen, und es ist oft völlig unklar, ob sich diese als geniale Ideen oder als Luftblasen erweisen werden. Marc Millis, langjähriger Leiter des Breakthrough Propulsion Physics Project der US-Raumfahrtbehörde NASA, spekulierte beispielsweise jüngst in einem Vortrag, ob es in ferner Zukunft möglich sein könnte, die Verformung der Raum-Zeit als Antrieb zu nützen. „Wir wissen bei vielen Dingen noch nicht, ob sie möglich oder unmöglich sind, aber wir sind schon so weit fortgeschritten, dass wir bei unserer Forschung Stück für Stück unbekannte Aspekte klären können“, sagt Millis. „Selbst wenn sich Dinge als unmöglich her­ausstellen, können wir, wenn wir die richtigen Fragen stellen, wahrscheinlich Dinge entdecken, die wir andernfalls übersehen würden“.

Andere Aspekte der modernen Physik, wie manche Facetten der Quantentheorie, wirken fast metaphysisch. Etwa das physikalische Phänomen der Verschränkung, bei dem weit voneinander entfernte Teilchen miteinander verbunden scheinen. „Was derzeit in der Teilchenphysik, Gravitationsphysik und Kosmologie passiert, erinnert an die Zeit, als die Grundlagen der Quantenphysik ans Licht gekommen sind“, sagt beispielsweise Maria Spiropulu, Physikerin beim Teilchenforschungszentrum CERN, deren Spezialgebiet überzählige „verborgene“ Dimensionen sind. Wie Spiropulu rechnen viele Physiker für die kommenden Jahre mit neuen Erkenntnissen, die unser Bild von der Welt verändern werden.