Forscher haben ein Modell eines schrumpfenden Universums entwickelt, das vor dem Urknall existierte. Bildnachweis: NASA. klicken um zu vergrößern
Der Urknall beschreibt, wie das Universum vor 13,7 Milliarden Jahren als einzelner Punkt begann und sich seitdem ausdehnt, aber er erklärt nicht, was davor passiert ist. Forscher der Penn State University glauben, dass es in unserem aktuellen Universum Spuren von Beweisen geben sollte, die verwendet werden könnten, um zurückzublicken vor dem Urknall . Ihren Forschungen zufolge gab es ein kontrahierendes Universum mit einer ähnlichen Raum-Zeit-Geometrie wie unser expandierendes Universum. Das Universum kollabierte und „hüpfte“ dann als Urknall.
Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie stellt der Urknall den Anfang dar, das große Ereignis, bei dem nicht nur die Materie, sondern auch die Raumzeit selbst geboren wurde. Während klassische Theorien keine Hinweise auf die Existenz vor diesem Moment bieten, hat ein Forschungsteam der Penn State Quantengravitationsberechnungen verwendet, um Fäden zu finden, die in eine frühere Zeit führen. „Die allgemeine Relativitätstheorie kann verwendet werden, um das Universum bis zu einem Punkt zu beschreiben, an dem die Materie so dicht wird, dass ihre Gleichungen nicht mehr bestehen“, sagt Abhay Ashtekar, Inhaber des Eberly-Familienlehrstuhls für Physik und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik und Geometrie an der Penn State. „Darüber hinaus mussten wir Quantenwerkzeuge anwenden, die Einstein nicht zur Verfügung standen.“ Durch die Kombination von Quantenphysik mit allgemeiner Relativitätstheorie konnten Ashtekar und zwei seiner Postdoktoranden, Tomasz Pawlowski und Parmpreet Singh, ein Modell entwickeln, das durch den Urknall zu einem schrumpfenden Universum führt, das eine ähnliche Physik wie wir aufweist.
In den in der aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlichten Forschungsarbeiten zeigt das Team, dass es vor dem Urknall ein kontrahierendes Universum mit einer Raum-Zeit-Geometrie gab, die ansonsten der unseres gegenwärtig expandierenden Universums ähnelt. Als die Gravitationskräfte dieses vorherige Universum nach innen zogen, erreichte es einen Punkt, an dem die Quanteneigenschaften der Raumzeit bewirken, dass die Schwerkraft eher abstoßend als anziehend wird. „Mithilfe von Quantenmodifikationen von Einsteins kosmologischen Gleichungen haben wir gezeigt, dass es anstelle eines klassischen Urknalls tatsächlich einen Quantensprung gibt“, sagt Ashtekar. „Wir waren so überrascht von der Erkenntnis, dass es ein weiteres klassisches Universum vor dem Urknall gibt, dass wir die Simulationen mit unterschiedlichen Parameterwerten über mehrere Monate wiederholten, aber wir fanden, dass das Big-Bounce-Szenario robust ist.“
Während die allgemeine Idee eines anderen Universums, das vor dem Urknall existierte, schon früher vorgeschlagen wurde, ist dies die erste mathematische Beschreibung, die seine Existenz systematisch begründet und Eigenschaften der Raum-Zeit-Geometrie in diesem Universum herleitet.
Das Forschungsteam nutzte die Schleifen-Quantengravitation, einen führenden Ansatz für das Problem der Vereinheitlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenphysik, der auch am Penn State Institute of Gravitational Physics and Geometry Pionierarbeit leistete. In dieser Theorie hat die Raum-Zeit-Geometrie selbst eine diskrete „atomare“ Struktur und das bekannte Kontinuum ist nur eine Annäherung. Das Raumgefüge ist buchstäblich aus eindimensionalen Quantenfäden gewoben. In der Nähe des Urknalls wird dieser Stoff heftig zerrissen und die Quantennatur der Geometrie wird wichtig. Es macht die Schwerkraft stark abstoßend, was zum Big Bounce führt.
„Unsere anfängliche Arbeit geht von einem homogenen Modell unseres Universums aus“, sagt Ashtekar. „Allerdings hat es uns Vertrauen in die zugrunde liegenden Ideen der Schleifen-Quantengravitation gegeben. Wir werden das Modell weiter verfeinern, um das Universum, wie wir es kennen, besser darzustellen und die Merkmale der Quantengravitation besser zu verstehen.“
Die Forschung wurde von der National Science Foundation, der Alexander von Humboldt-Stiftung und dem Penn State Eberly College of Science gefördert.
Originalquelle: PSU-Pressemitteilung
