Der Urschwung

Von der Eselei zum Standard

Albert Einstein hatte die Kosmologische Konstante Anfang der 1930er-Jahre als die angeblich „größte Eselei“ seines Lebens verworfen. Doch das war eher ein Geschmacksurteil. Noch 1954 schrieb er im Anhang zu seinem Buch „Grundzüge der Relativitätstheorie“: „Die Einführung des ,kosmologischen Gliedesʻ in die Gravitationsgleichungen ist zwar relativistisch möglich, vom Standpunkt der logischen Ökonomie aber verwerflich.“

Der Physik-Nobelpreisträger Steven Weinberg hat das später einmal lakonisch so kommentiert: „Einstein ging 1915 von der Annahme aus, dass die Feldgleichungen so einfach wie möglich gewählt werden sollten. Die Erfahrungen haben uns gelehrt, solchen Annahmen zu misstrauen; wir stellen in der Regel fest, dass jede nicht durch eine Symmetrie oder ein anderes fundamentales Prinzip verbotene Komplikation tatsächlich in unseren Theorien vorkommt. Dass eine Kosmologische Konstante eine unnötige Komplikation sei, ist daher kein hinreichendes Argument. Die Einfachheit muss – wie alles andere – begründet werden.“

Leitet man die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie aus grundlegenden Prinzipien ab, stellt sich heraus, dass die Kosmologische Konstante zwingend darin enthalten ist. Λ muss deshalb als eine Naturkonstante interpretiert werden wie die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit oder die Gravitationskonstante. Und ihr Zahlenwert lässt sich nicht willkürlich festlegen, sondern nur empirisch bestimmen. Wenn Λ also zu den Einstein-Gleichungen gehört, dann muss man irgendwie messen, wie groß der Wert von Λ ist – er könnte natürlich auch Null sein. Astronomische Beobachtungen und nicht die Theorie beziehungsweise Denkökonomie müssen hier das letzte Wort haben. Weltmodelle mit einer positiven Kosmologischen Konstante dürfen also nicht von vornherein ausgeschlossen werden. Tatsächlich hatten sie immer wieder Befürworter.

Weil Λ das Alter des Universums erhöht und somit mehr Zeit für die Stern- und Galaxienbildung bietet, was aufgrund von schwerwiegenden Messfehlern lange ein Problem für Kosmologen war, plädierte bereits Lemaître für eine positive Kosmologische Konstante. Ähnliches versuchten beispielsweise 1967 Vahe Petrosian und seine Kollegen von der Cornell University in Ithaka, New York, sowie 1975 James E. Gunn vom California Institute of Technology in Pasadena und Beatrice M. Tinsley von der Yale University in New Haven, Connecticut. Ab 1988 argumentierten auch Wolfgang Priester von der Universität Bonn, Josef Hoell von der Deutschen Agentur für Raumfahrtangelegenheiten in Bonn sowie Dierck-Ekkehard Liebscher vom Astrophysikalischen Institut in Potsdam für einen positiven Λ-Wert und sogar für ein Weltalter von rund 30 Milliarden Jahren. Alle diese Forscher wollten astronomische Daten erklären, die sich später freilich als falsch oder unzureichend erwiesen haben.

Doch ab 1998 wurde deutlich, dass sich die Ausdehnung unseres Universums beschleunigt, nicht verlangsamt. Und dafür ist die theoretisch einfachste und am wenigsten spekulative Erklärung eine positive Kosmologische Konstante. Sie firmiert mittlerweile sogar als Anfangsbuchstabe des kosmologischen Standardmodells (ΛCDM, Lambda Cold Dark Matter). Für ein solches Modell hatten bereits 1990 George Efstathiou, Will Sutherland und Steve Maddox von der britischen University of Oxford argumentiert.

Big Bounce statt Big Bang

Unklar ist allerdings immer noch, was genau die Kosmologische Konstante bedeutet. Einerseits kann man sie zur linken, geometrischen Seite der Einstein-Gleichungen rechnen und ihr die Rolle einer Krümmung zuschreiben. Andererseits lässt sie sich auch auf die rechte, materielle Seite stellen und als eine Dichte interpretieren, deren zugehöriger Druck einen negativen Wert und daher eine antigravitative Wirkung hat. Im Kontext der Quantenfeldtheorie wird Λ schließlich als Energiedichte des Vakuums gedeutet.

Diese Entwicklungen der Theoretischen Physik und Astronomie haben die alten Ideen von Willem de Sitter und seinen Kollegen reaktiviert, zumal sich dadurch vielleicht verstehen lässt, warum das All so groß und gleichförmig wurde: Ein mächtiger Anschub von Λ hätte möglicherweise genügt. Und die ominöse Urknall-Singularität wäre auch vermieden.

Inzwischen hat sich für dieses Szenario die Bezeichnung Big Bounce eingebürgert – als Ergänzung, als Erklärung oder zuweilen auch als Alternative für Big Bang. In die Kosmologie eingeführt wurde der Begriff 1987 von dem Bonner Astrophysiker Wolfgang Priester und Hans-Joachim Blome vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Köln. Ein Jahr darauf erschien das Buch „Big Bang, Big Bounce“ des sowjetischen Teilchenphysikers Iosif Rozental von der Akademie der Wissenschaften in Moskau – eine erweiterte Übersetzung des russischen Originals von 1984, das einen anderen Titel hatte und überhaupt nicht von Bounce-Modellen handelt (sie werden im Buch nicht einmal erwähnt). Im Deutschen kann man von einem Urprall oder, wie es schon Wolfgang Priester tat, von einem Urschwung sprechen.

Die Wirkung aus dem Vakuum

Die abstoßende Kraft im Bounce könnte im einfachsten Fall durch die antigravitative Wirkung einer positiven Kosmologischen Konstante verursacht worden sein. Es gibt jedoch auch andere Modelle sowohl im Rahmen der klassischen Physik als auch der Quantenphysik. Selbst wenn Λ doch Null wäre, könnte ein unbekanntes Skalarfeld dieselbe Auswirkung entfalten. Dazu haben Özenç Güngör und Glenn D. Starkman von der Case Western Reserve University in Cleveland, Ohio, 2021 ein Modell publiziert. Oder die kosmische Abstoßung war das Resultat repulsiver Effekte der Quantengravitation. Das sind alles kühne Spekulationen wahrhaft kosmischen Ausmaßes.

Ein Vorteil eines De-Sitter-Modells ist, dass sich die Bildung der Materie von der Entstehung der Raumzeit entkoppeln lässt. Denn man kann annehmen, dass Raum und Zeit schon da waren, lange bevor es Materie gab. Genau das ist die Vorstellung im Big-Bounce-Modell von Wolfgang Priester und Hans-Joachim Blome. Demnach existierte schon immer eine primordiale materie- und strahlungsfreie, überall gleichartige Raumzeit, in der sämtliche physikalische Felder nur in ihrem Grundzustand vorhanden waren. Dieser niedrigste Energiezustand von quantisierten Feldern wird im Rahmen der Quantenfeldtheorie als Quantenvakuum definiert. Elementarteilchen, also reale Materie, sind angeregte Zustände dieses Quantenvakuums. Es ist den Teilchen somit begrifflich vorgeordnet. Daher liegt die Vermutung nahe, dass es auch zeitlich vor der Materie existierte.

Raumzeit vor Materie

Das Big-Bounce-Modell geht von einem materiefreien Weltraum mit sphärischer Metrik und konstanter Energiedichte des Quantenvakuums aus. Er kollabierte zu einem Minimum: einem Urschwung, in dem das Universum nur etwa 10–25 Zentimeter groß war. Das ist winzig, doch noch immer stattliche 100 Millionen Mal größer als die Planck-Länge, die die Skala der Quantengravitation definiert, in der sich die gewöhnliche Raumzeit auflöst. Dafür existiert noch keine Theorie, und sie wäre für die Beschreibung eines klassischen Bounce unnötig. Es gab somit auch keine Singularität, und die Raumzeit existierte bereits vor dem Bounce.

Trotzdem war die Raumzeit dabei extrem gekrümmt. Dann erfolgte durch den negativen Druck des Vakuums der Rückprall. Das wäre zudem eine physikalische Erklärung von de Sitters Modell.

Der rasend schnelle Urschwung könnte 10–32 Sekunden später einen Phasenübergang ausgelöst haben, wie er auch von den anderen Urknall-Modellen angenommen wird. Dem Modell zufolge betrug der Krümmungsradius damals 600 Zentimeter und die Temperatur 1028 Grad Celsius. Während dieser extrem kurzen Zeitspanne des Phasenübergangs könnte sich die Energie des Quantenvakuums in Materie und Strahlung umgewandelt haben. Dabei wäre diese Energie fast völlig verbraucht worden, was erklären würde, warum die Energiedichte des Weltalls heute extrem gering ist. Seither dehnt sich die Materie mit der Expansion des Weltraums aus – und wird das bei einem positiven Λ-Wert immer weiter tun.

Das Big-Bounce-Modell eröffnet somit eine Möglichkeit, die Urknall-Singularität zu umgehen, die nichts erklärt. Stattdessen bleibt das Modell trotz seines Postulats einer enormen Energiedichte des Quantenvakuums (über 1076 Gramm pro Kubikzentimeter) um den Faktor 1017 unter der Planck-Dichte. Es verlässt den Gültigkeitsbereich der bestens etablierten Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenfeldtheorie also nicht. Wie es zur Materieerzeugung im Phasenübergang kam, ist aber weiterhin unklar. Das zu erklären, ist die Aufgabe einer vereinheitlichten Theorie der Grundkräfte, nach der schon Einstein vergeblich gesucht hat, und zu der es noch keine bestätigten Hypothesen gibt.

Die Zeit vor dem Urknall

Wie das Universum vor dem Bounce beschaffen war, ist unbekannt. Vielleicht haben sich Spuren davon erhalten, insbesondere in den winzigen Temperaturschwankungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung. Ansonsten könnte höchstens eine anderweitig gut bestätigte Theorie darüber Auskunft geben.

Im Rahmen der Relativitätstheorie und ihrer hypothetischen Erweiterungen wie auch in mehreren konkurrierenden Szenarien einer Quantenkosmologie kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht. Sie werden gegenwärtig sehr kontrovers diskutiert.

So könnte ein endliches, obschon unbegrenztes – geometrisch also in sich gekrümmtes sphärisches – Vorläufer-Universum eine ewige Vergangenheit haben. Es hätte sich dann seit jeher immer mehr zusammengezogen bis zum Bounce. Das ist in gewisser Weise die einfachste Möglichkeit und entspricht dem kosmologischen Modell von de Sitter und seiner Reaktivierung durch Priester und Blome. Unbefriedigend dabei ist, dass die (ewige) Herkunft des Universums genau wie sein Kollaps nicht erklärt werden können, sondern schlicht vorausgesetzt werden müssen. Zudem bleibt unklar, ob dieses Universum wirklich ein reines Vakuum war oder vielleicht doch Materie besaß – womöglich Sterne und Galaxien. Neuerdings wird sogar spekuliert, dass seine thermodynamische Zeitrichtung entgegengesetzt zu unserer war, also quasi vom Bounce weg zeigte.

Andererseits könnte das Vorläufer-Universum selbst aus dem Kollaps eines noch früheren Universums entstanden sein, sich dann zu einem Maximum ausgedehnt haben und schließlich wieder kollabiert sein – aufgrund der Gravitation einer überkritisch hohen Materiedichte oder infolge einer negativen(!) Kosmologischen Konstante. Über ein solches Weltmodell haben bereits Friedmann und Lemaître spekuliert. Es wird in hypothetischen Quantengravitationstheorien zurzeit erneuert. Ob sich dieses pulsierende Universum wie eine durch Ur- und Endknall-Glieder verknüpfte kosmische Perlenkette in eine ewige Vergangenheit erstreckt oder aber einen absoluten Anfang besitzt, ist ein weiteres ungelöstes Rätsel.

Es ist nicht einmal notwendig, dass sich ein ganzes Universum zu einem Bounce zusammenzieht. Einer noch spekulativeren Hypothese zufolge genügt vielleicht schon ein winziger Teil davon: die Entstehung eines Schwarzen Lochs. Falls der Gravitationskollaps nicht in eine Singularität oder ein völlig entartetes Massezentrum mündet, sondern zur Ausstülpung einer neuen Blase der Raumzeit führt, könnte sich daraus ein komplettes Universum bilden und gleichsam abnabeln. Dann gäbe es wohl ein Multiversum aus einzelnen Universen, die wie russische Puppen ineinander geschachtelt sind, und jedes davon könnte die Mutter unzähliger weiterer Nachkommen sein (bdw 6/2022, „Das Matrjoschka-Multiversum“).

Doch vielleicht sind selbst solche bizarren Vorstellungen noch nicht bizarr genug. Die menschliche Fantasie ist groß, aber sie hat ihre Grenzen. Das brachte der britische Biologe John B. S. Haldane in seinem Essay „Possible Worlds“ pointiert zum Ausdruck. Der Text wurde 1927 veröffentlicht, zwei Jahre nach dem Tod von Alexander Friedmann, dem „Vater des Urknalls“. Haldanes Hypothese: „Das Universum ist nicht nur seltsamer als wir annehmen, sondern es ist auch seltsamer als wir annehmen können.“