Ein Universum rund ums Schwarze Loch

Vielleicht machen sich die Kosmologen ganz unnötig Gedanken über das physikalisch schwer fassbare Problem der Singularität, das am Anfang des Urknalls gestanden haben müsste: Das Weltall könnte auch beim Kollaps eines Sterns mit vier Raumdimensionen entstanden sein

Der Urknall, der gemeinhin als Beginn von Raum und Zeit gilt, hat ein im Wortsinn kleines Problem: Er muss sich auf winzigstem Raum abgespielt haben. Je näher man ihm kommt, desto stärker muss sich die komplette Energie des Kosmos in einer Raumeinheit zusammengedrängt haben, bis alles in einem Punkt unendlicher Dichte konzentriert war.

Dieser Zustand ist mit der Allgemeinen Relativitätstheorie nicht fassbar. Physiker betrachten den Urknall deshalb notgedrungen mit einer Theorie, die Großes (das Weltall) und Kleines (die Quantenwelt) vereint. Allerdings gibt es darüber noch keine Einigkeit - nur ein paar Kandidaten.

Da wäre etwa die Stringtheorie, nach der der Raum aus winzigen, Klaviersaiten ähnlichen Objekten aufgebaut ist. Diese "strings" sind eindimensional, sie vibrieren mit einer bestimmten Frequenz, der sich eine Energie zuordnen lässt. Inzwischen haben Physiker diese Idee um andere Strukturen zur "M-Theorie" ausgebaut: Punktteilchen und vor allem Membranen ("branes"), die bis zu neun Dimensionen besitzen können. Um zu den Elementarteilchen und den Naturgesetzen zu kommen, wie wir sie kennen, muss man die überzähligen Dimensionen auf ganz bestimmte Art "aufwickeln", wie die Forscher diesen Vorgang nennen.

Es gibt ganz unterschiedliche Möglichkeiten, die Membranen und Strings aufzuwickeln, und je nachdem, welche man wählt, entsteht ein andersartiges Universum. Insgesamt sind so 10¹⁰⁰ verschiedene Universen möglich, und viele davon können gleichzeitig existieren, ohne dass die Bewohner des einen irgend etwas von den im anderen Universum existierenden Lebewesen mitbekommen würden. Kämen sich allerdings bei der Bewegung über eine zusätzliche elfte Dimension hinweg zwei dreidimensionale Welten zu nahe kamen, könnten diese kollidieren - und im Urknall unser Universum gebären.

Noch etwas ergiebiger ist der Konkurrent der Stringtheorie, die Schleifenquantengravitation. Nach ihr ist das Universum nur scheinbar kontinuierlich. Tatsächlich aber ist alles, wirklich alles, quantisiert, das heißt in kleine Häppchen aufgeteilt, auch die Gravitation. Der Raum ist nicht mehr der Behälter für das Universum, sondern er ist ein Teil davon, der ebenfalls zerstückelt ist und die Form eines Netz aus Linien und Knoten annimmt. Die Elementarteilchen entsprechen dann verschiedenen Knotentypen, zwischen den Linien und Knoten befindet sich: nichts. Die Theorie der Schleifenquantengravitation führt zu einigen seltsam anmutenden Folgerungen, beschreibt aber einige interessante Phänomene auch besser als andere Theorien.

Was sich aus ihr für den Urknall ergibt, hat erstmals 2004 der deutsche Physiker Martin Bojowald simuliert. Zunächst vermeidet man das Konzept der Singularität, denn das Schleifenquanten-Universum hat eine bestimmte Mindest-Strukturgröße, die es nicht unterschreiten kann. Rechnet man sich immer näher an den Urknall heran, erreicht man ein neues, anderes oder auch Vorgänger-Universum, in dem alle Richtungen (auch die der Zeit) umgekehrt sind. Dieses Universum vor dem Universum zieht sich in Richtung des Urknalls zusammen. Hat sich das Weltall unter dem Einfluss der Gravitation sehr weit zusammengezogen, zerreißt irgendwann das aus den Quantenschleifen bestehende Gewebe der Raumzeit - und die Gravitation verwandelt sich unter dem Einfluss dieses "Quanten-Rückstoßes" in eine stark abstoßende Kraft, die das Universum wieder auseinander treibt.

Aber vielleicht brauchen wir die schönen neuen Theorien gar nicht, um den Urknall zu erklären? Drei kanadischen Physikern fiel auf, dass die dem Beginn des Universums zugrunde liegende Singularität eine Besonderheit aufweist: Im Gegensatz zu allen anderen bisher bekannten Singularitäten (die sich innerhalb von Schwarzen Löchern befinden) ist sie nicht von einem Ereignishorizont umgeben. Dabei handelt es sich um eine gekrümmte Fläche, eine Sphäre, aus deren Innerem keinerlei Information mehr zum Beobachter gelangen kann.

In einem auf arxiv.org verfügbaren Artikel beschreiben die Forscher nun, welche Vermutung sie daraus entwickelt haben: Womöglich sehen wir diesen Ereignishorizont ja gerade deshalb nicht, weil wir ein Teil davon sind. Das Universum, wie wir es kennen, wäre damit der dreidimensionale Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs mit vier Raumdimensionen, das beim Kollaps eines ebenfalls vierdimensionalen Sterns entstanden ist. Das klingt noch plausibler, weil die Simulation der Physiker ergab, dass sich ein solcher dreidimensionaler Ereignishorizont ständig ausdehnen müsste - ein Vorgang, den wir als Expansion des Universums wahrnehmen.

Der Prozess würde auch erklären, warum das Weltall so ausgesprochen homogen ist. Bisher mussten die Kosmologen dafür eine besonders schnelle Expansionsphase kurz nach dem Urknall bemühen, die so genannte Inflationsphase. Als das All zwischen 10^-38 und 10^-35 Sekunden alt war, hätte es sich demnach um einen Faktor zwischen 10³⁰ und 10⁵⁰ ausgedehnt. Ist es zunächst noch so groß wie ein Proton, hat es danach die Ausdehnung eines Fußballs. Diese Inflation braucht für eine vernünftige (das heißt ins bisherige kosmologische Weltbild passende) Erklärung die so genannten Inflatonen. Diese später komischerweise nie wieder auftauchenden Teilchen werden von der Schwerkraft nicht zueinander hin gezogen, sondern stoßen sich ab. Das fiktive vierdimensionale Universum jedoch, in dem der 4D-Stern kollabiert sein müsste, hätte durch seine vergleichsweise ewige Existenz genug Gelegenheit gehabt, zu einer homogenen Struktur zu gelangen.

Ein Problem hat jedoch auch diese Idee: Ihre Vorhersagen weichen um vier Prozent von den Daten des Planck-Observatoriums der ESA ab, das Fluktuationen der kosmischen Hintergrundstrahlung genau kartiert hat - während diese Daten mit der bisherigen Theorie genau übereinstimmen. Die Forscher wollen ihr Modell nun so erweitern, dass auch diese Differenz verschwindet. Dann gibt die neue Theorie zwar nicht notwendigerweise die Wahrheit wieder - aber da sie alle Beobachtungen am besten erklärt, wäre sie die bisher wahrscheinlichste Erklärung für die Entstehung des Universums. Mehr verlangen Physiker nicht von einer guten Theorie.