Urprall statt Urknall?

Big Bounce statt Big Bang?

Wenn der Urknall in Wirklichkeit ein Urprall war, hat das für die astronomische Praxis kaum Konsequenzen. Die Idee ist zunächst eine Herausforderung für Theoretiker. Ihre Hauptfragen lauten:

Selbst wenn sich der Urknall als Urschwung erklären ließe, hören die Fragen freilich nicht auf. Denn dann wäre zwar der Ursprung unseres Universums verstanden, aber nicht das große Ganze, in dem unser All zeitlich und vielleicht auch räumlich nur ein winziger Teil sein könnte.

Falls es gute Argumente für einen Bounce gäbe, bleibt offen, ob er ein einmaliges Ereignis war oder eines unter (womöglich unendlich) vielen. Vielleicht leben wir in einem Zyklischen Universum, das gewissermaßen oszilliert oder pulsiert: als eine kosmische Kette von …Urknall–Expansion–Kontraktion–Endknall–Urknall… und so weiter. Ist diese Serie ewig? Oder gab es einen Anfang? Und was hat dann diesen verursacht?

War der Urschwung hingegen singulär, hätte sich das Vorläufer-Universum nur einmal zusammengezogen. Doch wie kam es dazu? Begann es oder existierte es ewig? Und falls Letzteres: Kollabierte es schon immer, aus einer quasi unendlichen Vergangenheit und Größe, oder verharrte es eine unbestimmte Zeit und begann sich dann – zufällig? – zusammenzuziehen?

Oder war der Bounce eher „little“ als „big“? Von einem universellen Big Bounce sind nämlich Modelle zu unterscheiden, die viele lokale Umschwünge postulieren: Hier entstehen neue Universen aus dem Kollaps Schwarzer Löcher und nabeln sich gleichsam von ihrem Vorläufer-Universum ab. Das erinnert an ineinander geschachtelte russische Puppen und würde zu einer kolossalen kosmischen Verzweigung führen (bdw 6/2022, „Das Matrjoschka-Multiversum“). Ähnliche Ideen eines Prä-Big-Bangs wurden zum Beispiel im Rahmen der Stringkosmologie realisiert (bdw 4/2003, „Die Zeit vor dem Urknall“).

Modelle im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie oder deren moderate Abänderungen oder Erweiterungen sowie noch spekulativere Quantenkosmologien lassen alle diese Möglichkeiten zu. Man kann sie also momentan theoretisch nicht ausschließen – was die Situation noch unübersichtlicher macht. Naturphilosophisch betrachtet, ist das äußerst unbefriedigend, denn die Ungewissheit bleibt. Dennoch versuchen Kosmologen, die Grenzen des gegenwärtigen Nichtwissens weiter zu verschieben. Diese Anstrengungen sind nicht müßig. Zumindest ergaben sich so in den letzten Jahren zahlreiche kühne Hypothesen – und es eröffneten sich unerwartete neue Möglichkeiten.

Zündholz für den Urknall gesucht

Bereits Willem de Sitter, Alexander Friedmann und Georges Lemaître, die zwischen 1917 und 1927 die ersten dynamischen kosmologischen Modelle im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie formulierten, hatten die Möglichkeit entdeckt, dass sich der Weltraum zusammenziehen, ein Minimum durchlaufen und wieder ausdehnen kann – zumindest rein rechnerisch (bdw 10/2020, „Kosmologie kompakt“). Später äußerten Physiker wie Carl Friedrich von Weizsäcker, George McVittie und George Gamow unabhängig voneinander ähnliche Spekulationen. Doch Gamow, der in den 1940er-Jahren die Theorie vom heißen Urknall entscheidend mitgeprägt hatte, warnte deutlich: „Von einem physikalischen Gesichtspunkt aus können wir die Präkollaps-Periode völlig vergessen.“

Wirkungsvoll für diesen seltsamen kosmischen Durchschwung ist die von Albert Einstein in die Gleichungen eingeführte Kosmologische Konstante. Wenn ihr Wert positiv ist, wirkt sie antigravitativ, und wenn er groß genug ist, kann dieser Abstoßungseffekt einen totalen Kollaps verhindern und ihn zu einer Expansion überführen. Der Raum würde gewissermaßen innerlich zurückprallen – ähnlich wie ein Ball, der auf festen Boden fällt und wieder hochspringt.

Solche Lösungen der Einstein-Gleichungen fanden zunächst wenig Beachtung. Auch das Konzept eines heißen Urknalls setzte sich erst in den 1960er-Jahren durch. Da war die Kosmologische Konstante längst außer Mode. Aber sie war nicht vergessen. Und sie eröffnet zumindest theoretisch einen Ausweg aus den Singularitätstheoremen.

Auch für den Ursprung des kosmischen Feuerball-Stadiums gibt es Erklärungen. Gut begründet und durch einige Messungen erhärtet, ist die Vorstellung von der Kosmischen Inflation: Demnach hatte ein hypothetisches Energiefeld namens Inflaton – oder mehrere oder etwas anderes – den Weltraum gewaltig aufgebläht und war dann zu einem Feuerwerk aus heißen Elementarteilchen zerfallen (bdw 11/2009, „Der Urknall“). Das würde die Entstehung der bekannten Materie erklären, aber nicht die der Raumzeit und seiner Energiefelder. „Wenn die Inflation das Dynamit hinter dem Urknall ist, dann suchen wir noch immer nach dem Zündholz“, hat der Kosmologe Michael Turner von der University of Chicago das Problem auf den Punkt gebracht.

Was erzeugte den Urprall?

Die Allgemeine Relativitätstheorie mit einer positiven Kosmologische Konstante ist die einfachste, aber nicht die einzige Erklärungsmöglichkeit für einen Big Bounce. Es gibt eine Fülle weiterer Szenarien dafür.

Ein Klasse von Erklärungen postuliert ein bislang nicht nachgewiesenes Energiefeld oder eine Art exotische Materie oder Kombinationen davon; allen ist eine effektiv antigravitative Wirkung gemeinsam. Sie wäre die Rückprallkraft des Big Bounce, hervorgerufen durch eine überkritische Komprimierung dieses sonderbaren Stoffs mit negativem Druck (oder sogar negativer Energiedichte). Ursache könnte das Inflaton gewesen sein oder eine Art Higgs-Feld, wie es die Teilchenphysik kennt und zur Erklärung der trägen Masse benötigt, oder einer der vielen Kandidaten für die rätselhafte Dunkle Energie, die gegenwärtig den Weltraum auseinandertreibt. Das sind alles reine Spekulationen. Sie funktionieren aber zumindest in der mathematischen Physik.

Eine andere Klasse von Erklärungen basiert auf modifizierten Gravitationstheorien – also einer Änderung oder Erweiterung der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das sind ebenfalls klassische Theorien, die also keine Quanteneffekte berücksichtigen, jedoch zusätzliche Eigenschaften der Raumzeit oder auch der Masse-Energie postulieren und so die Krümmungssingularitäten vermeiden. Beispielsweise kann dies durch eine Torsion geschehen: Wirbeleffekte in der Raumzeit. Sie tauchen im Rahmen der Relativitätstheorie nicht auf, lassen sich aber damit in Verbindung bringen. Gleichungen dazu hatte schon Albert Einstein formuliert und vor ihm der französische Mathematiker Élie Cartan (bdw 11/2014, „Einsteins Vermächtnis“).

Zu guter Letzt beruhen die Hoffnungen der Physiker auf einer Theorie der Quantengravitation, zuweilen etwas pathetisch Weltformel genannt, die die Relativitäts- und Quantenfeldtheorie miteinander verbindet beziehungsweise überwindet. Verschiedene Kandidaten konkurrieren um dieses ehrgeizige Ziel. Jeder hat seine Vorzüge und Nachteile. Unklar ist, welcher Ansatz am meisten Erfolg verspricht. Aber einige können bereits mit Urknall-Erklärungsversuchen aufwarten; und in vielen davon sind Versionen eines Bounce im Angebot.

Widerspenstiges Raumzeit-Gespinst

Für Aufsehen haben beispielsweise Modelle der Loop Quantum Cosmology (LQC) gesorgt. Diese ergibt sich durch mehr oder weniger drastische Vereinfachungen aus der Loop Quantum Gravity, auch Schleifen-Quantengravitation oder Quantengeometrie genannt. Sie postuliert eine diskrete, also quantisierte Struktur der Raumzeit im Gegensatz zum Kontinuum klassischer Feldtheorien wie der Allgemeinen Relativitätstheorie: ein sogenanntes Spin-Netzwerk. Dieses Gespinst erzeugt quasi Raum und Zeit; Materie und Energie sind seine Anregungszustände (bdw 12/2003, „Jenseits von Raum und Zeit“). Es ist wie bei einem kontinuierlichen Film, der bei extrem genauer Betrachtung aus einzelnen Bildern besteht, die aus einzelnen Bildpunkten zusammengesetzt sind – das Kontinuum von Raum und Zeit ist gewissermaßen eine Oberflächenillusion.

Das Spin-Netzwerk lässt sich nicht beliebig komprimieren. Das sollte Singularitäten verhindern, wie sie sonst beim Kollaps ausgebrannter Kerne von Riesensternen zu einem Schwarzen Loch entstehen würden. Ähnliches müsste dann auch für ein ganzes in sich zusammenstürzendes Universum gelten. Genau das ergaben erste LQC-Modelle, die Martin Bojowald und Abhay Ashtekar von der Pennsylvania State University ab 2001 entwickelt haben. Eine gleichsam taktweise ablaufende Zeit führt zwar in Quantenschritten zu einer extremen Zunahme der Krümmung und Dichte. Doch spätestens in der Größenordnung der Planck-Dichte (5,2 · 1093 Gramm pro Kubikzentimeter) schwingt das Spin-Netzwerk zurück – es kommt zu einem Bounce (bdw 4/2004, „Der umgestülpte Urknall“).

Seither haben Schleifen-Quantenkosmologen die Modelle verfeinert und „realistischer“ gemacht. Die Ergebnisse sind uneinheitlich und zum Teil heftig umstritten. Das große Ziel einer Urknall-Erklärung und Singularitätsvermeidung bleibt aber unverändert bestehen, auch wenn es beim aktuellen Forschungsstand noch in weiter Ferne erscheint – und die Loop Quantum Cosmology vielleicht schlicht zu viele idealisierte oder unrealistische Annahmen benötigt.

Abhay Ashtekar hat zum Beispiel mit Tomasz Pawłowski und Parampreet Singh ein LQC-Modell formuliert, das ein zyklisches Universum beschreibt, welches sich von einem Urknall zum nächsten entwickelt – und dies vielleicht in alle Ewigkeit. Der Bounce ist hier gleichsam die Regel, nicht eine einzigartige Ausnahme.

Ashtekar hofft, dass sich mithilfe eines Bounce auch Merkmale unseres heutigen Universums verstehen lassen. Das betrifft vor allem charakteristische Muster in der Temperaturverteilung der Kosmischen Hintergrundstrahlung, die bereits 380.000 Jahre nach dem Urknall freigesetzt wurde, als der Weltraum sich so weit abgekühlt hat, dass er durchsichtig wurde. Vergleichbare Erklärungsversuche haben jüngst Ivan Agullo von der Louisiana State University in Baton Rouge und sein Team sowie Aurélien Barrau mit zwei Kollegen von der Universität Grenoble in Frankreich publiziert.

Die Zeit vor der Zeit

Wenn der Urknall nicht der Anfang der Zeit war, sondern ein Übergang, dann gibt es wohl eine Zeit vor unserer Zeit. Das macht ihre seit Langem rätselhafte Richtung noch mysteriöser.

Physiker sprechen vom Zeitpfeil oder, genauer, von verschiedenen, teilweise vielleicht unabhängigen Pfeilen der Zeit, um die Asymmetrie der Zeit zu beschreiben. Diese ist überhaupt nicht selbstverständlich. Denn die grundlegenden bekannten Naturgesetze sind zeitsymmetrisch, unterscheiden also nicht zwischen Zukunft und Vergangenheit (bdw 12/2002, „Wenn die Zeit rückwärts läuft“).

Oft gilt die Entropie als Richtungszeiger, denn gemäß des Zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik nimmt sie statistisch fast immer zu. Das steht im Einklang mit den Alltagserfahrungen: Eier und Porzellanteller zerbrechen, fügen sich aber nicht von selbst zusammen; Milch verteilt sich im Kaffee, Äpfel faulen und Lebewesen altern – alles unumkehrbar.

Dieses Phänomen ist für Kosmologen ein großes Problem, denn im Urknall beziehungsweise im sehr frühen Universum war die Entropie äußerst gering. Das erfordert eine Erklärung – oder war schlicht ein außerordentlicher Zufall. Falls der Urknall ein Phasenübergang war, verschärft sich das Problem noch, denn in einem – womöglich ewigen – Vorläufer-Universum hätte sich die Entropie extrem vergrößern können. Und in einem oszillierenden Universum sollte sie sich eigentlich von Zyklus zu Zyklus erhöhen. Falls sie aber mit dem oder jedem Urknall quasi auf Null zurückgestellt würde, müsste es dafür eine Erklärung geben.

In manchen Modellen wird das Problem elegant gelöst. Das gilt besonders für ein Szenario, das Paul Steinhardt von der Princeton University mit Neil Turok vom Perimeter-Institut für Theoretische Physik im kanadischen Waterloo, Anna Ijjas von der New York University und anderen entwickelt hat (bdw 5/2002, „Ewige Wiederkehr“). Hier werden nicht nur Eigenschaften wie die Temperaturverteilung der Kosmischen Hintergrundstrahlung und die Dunkle Energie des Universums erklärt, sondern es kann auch auf die Hypothese der Kosmischen Inflation verzichtet werden, weil die Kontraktionsphase vor dem Bounce dieselben Phänomene verständlich macht. Und es gibt kein Problem mit der Entropie: Sie steigt zwar unaufhörlich an, selbst über potenziell unendlich viele Bounce-Zyklen hinweg, nicht aber die Entropiedichte. Und weil unser beobachtbares Universum nur ein winziger Ausschnitt eines viel größeren Universums nach dem Bounce ist, hat es eine relativ geringe Entropie.

Zeit und Gegenzeit

Doch diese Lösung gilt nicht für Bounce-Modelle allgemein. Mehr noch: Manche haben die irritierende Eigenschaft, dass die Entropie vom Bounce weg in beide Richtungen anwächst, es also zwei entgegengesetzte thermodynamische Zeitpfeile gibt. Wenn dies für alle möglichen Zeitpfeile in diesen Modellen gilt, wäre ihr Urschwung im temporalen Sinn eigentlich gar nicht erfolgt – die beiden Regionen diesseits und jenseits des Bounce stünden nicht in einem kausalen Kontakt. Eher müsste man hier von einem doppelten Urknall sprechen, einem Double Bang. Er wäre quasi derselben Wurzel entsprungen, einem einzigen Moment. Insofern dieser keine Singularität war, bilden die beiden gleichsam entgegengesetzt zueinander expandierenden Regionen jedoch trotzdem eine gemeinsame Raumzeit.

Manche Bounce-Modelle, so mussten Kosmologen zu ihrer großen Überraschung feststellen, haben also eine äußerst seltsame Eigenschaft: Hier scheint die Zeit entgegengesetzt abzulaufen im Vergleich zu der in unserem Universum. Die Richtung der Zeit zeigt somit jeweils vom Bounce weg – in unserem Universum in die Zukunft, davor (aus unserer Perspektive) aber in die Vergangenheit.

Ein erstes zeitsymmetrisches Bounce-Modell stellte Stephen Hawking zusammen mit James Hartle und Thomas Hertog 2007 vor (bdw 7/2008, „Die Korrektur“). Doch die Kosmologen waren sich unschlüssig und auch nicht ganz einig, wie ernst sie es mit der Rückwärtszeit meinen sollten – und verfolgten den Gedanken in ihren weiteren Publikationen kaum noch.

Auch in der Loop Quantum Cosmology gibt es ein Modell eines Double Bang; Martin Bojowald formulierte es 2009. Und auf einer anderen theoretischen Basis hat Neil Turok mit seinen Kollegen Latham Boyle und Kieran Finn ab 2018 die Idee eines Zwillingsuniversums ausgearbeitet: Demnach existiert jenseits des Bounce ein Spiegeluniversum, in dem nicht nur die Zeit verkehrt läuft, sondern auch Eigenschaften der Materie und Kräfte spiegelsymmetrisch zu uns sind – die Ladungen, die Zahl der Teilchen und Antiteilchen et cetera. Alle Sonderbarkeiten in unserem All werden quasi durch die gegenteiligen im Antiall kompensiert.

Zeitsymmetrischer Urschwung

Ein anderes, weniger exotisch anmutendes zeitsymmetrisches Bounce-Modell stammt von Don N. Page. Schon 1984 hatte der Kosmologe von der University of Alberta im kanadischen Edmonton über immerwährende Bounce-Universen spekuliert. Er fand mathematische Lösungen für unendlich viele sphärische (geschlossene) Friedmann-Modelle, die Universen ohne eine Kosmologische Konstante beschreiben. Sie entstehen und vergehen ohne Singularitäten, durchlaufen also ewig oszillierende Urknall–Endknall-Entwicklungen. Allerdings erwies sich die Wahrscheinlichkeit für diese physikalisch extrem vereinfachten und daher unrealistischen Modelle als äußerst gering.

2009 schlug Don Page im Rahmen der von Stephen Hawking wesentlich geprägten Euklidischen Quantengravitationstheorie und -kosmologie ein zeitsymmetrisches Modell vor, das er noch immer bevorzugt. Dieses Universum mit positiver Kosmologischer Konstante hat eine hohe Wahrscheinlichkeit für einen Bounce. Zentral dafür ist die Annahme eines speziellen Quantenzustands des Universums – eine Randbedingung, die man zusätzlich zu Naturgesetzen für die kosmologische Beschreibung benötigt.

„Beim gegenwärtigen Kenntnisstand der Physik haben wir keine allgemein akzeptierten Prinzipien, aus denen ein bestimmter Quantenzustand des Universums folgt. Selbst wenn wir eine Weltformel hätten, die eine vollständige dynamische Theorie wäre, erscheint es mir zweifelhaft, dass sie sich auf einen einzigen Quantenzustand beschränkt“, bedauert er. „Ich würde eine Singularität nicht ausschließen, aber es erscheint mir einfacher, Bedingungen für einen Quantenzustand des Universums zu spezifizieren, die unseren Beobachtungen nicht widersprechen“, formuliert er es vorsichtig. Genau das leistet sein Modell. „Es hat Vorzüge gegenüber einem singulären Urknall-Modell, auch wenn es sicherlich auf einigen Annahmen beruht, die künftig durch elegantere ersetzt werden dürften.“ Page geht von einer Verletzung der Starken Energiebedingung aus. „Das beweist nicht, dass es keine Singularität in der Vergangenheit gab, ermöglicht dies aber. Und das hielt man für völlig unplausibel, als Stephen Hawking und Roger Penrose ihre Singularitätstheoreme bewiesen hatten.“ Für diese war eine solche Energiebedingung essenziell.

Pages Modell ist mathematisch und konzeptuell verwandt mit Hawkings sogenannten Instanton-Modellen, die einen Anfang der Zeit beschreiben, aber nicht so stark von mathematischen Uneindeutigkeiten geplagt. Außerdem ist die Quantenwahrscheinlichkeit für ein Universum wie unseres höher, während Hawkings Ansatz eher ein sehr rasch expandierendes, fast leeres Universum nahelegt wie das 1917 von de Sitter formulierte (bdw 4/20017, „100 Jahre dynamisches Universum“) – im Widerspruch zu den Messungen. „Das betrachte ich als den Hauptvorteil meines Modells“, sagt Page. Schon Mitte der 1980er-Jahre hatte er mit Hawking zusammengearbeitet und diesen zu einer Korrektur motiviert. Hawking dachte damals, dass sich die Zeitrichtung in einem kontrahierenden Universum umkehren würde, was er später als seinen größten Fehler ansah und widerrief.

Nun meint Page, dass es tatsächlich zwei entgegengesetzte Zeitpfeile gibt – aber vom Bounce weg, wie Hawking schon 2007 vermutet hat. Pages Modell zeigt eine klare Zeitsymmetrie. „Die Entropie war im Bounce minimal und hat sich weg von ihm in beide Richtungen vergrößert“, erläutert er. „Daher würden Beobachter auf der anderen Seite des Bounce aus ihrer subjektiven Zeitperspektive ebenfalls ein expandierendes Universum wahrnehmen und sich an eine Zunahme der Entropie erinnern.“ Er bezweifelt sogar prinzipiell, dass ein kollabierendes Universum mit derselben Zeitrichtung wie unseres einen Urschwung durchlaufen kann, der ein Universum mit niedriger Entropie hervorbringt – wie wir offensichtlich in einem leben.

Temporal betrachtet, könnte man das zeitsymmetrische Modell so interpretieren, dass sich zwei Universen im Bounce voneinander getrennt haben. Allerdings hängen Raum und Zeit zusammen wie auch die singularitätsfreie Raumzeit selbst. Dafür gibt es in der Relativitätstheorie „keine absolute, bevorzugte Hyperfläche, für die man eindeutig einen Zeitpunkt Null nennen kann“, wie es Page ausdrückt. „Aufgrund solcher Ambiguitäten wäre es willkürlich zu definieren, was die beiden Universen sind.“

Außerdem müssen sich nicht zwingend nur zwei entgegengesetzte Universen aus dem kosmischen Quantenzustand entwickeln. Eher ist es eine Superposition (Quantenüberlagerung) zahlreicher Universen mit vielleicht radikal unterschiedlichen Eigenschaften.

Kosmische Vergesslichkeit

Der Charme der zeitsymmetrischen Modelle hat einen Preis: Die Gegenzeit macht es unwahrscheinlich, dass das Vorläufer-Universum einen Einfluss auf unsere Zeit hat. Das mindert nicht nur die Erklärungskraft, sondern auch die Chancen für eine wissenschaftliche Überprüfung der Hypothese.

Und es kommt noch schlimmer, zumindest in der Loop Quantum Cosmology: Hier hatte Martin Bojowald bereits 2007 die Hypothese von der kosmischen Vergesslichkeit formuliert. Demnach wären die Verhältnisse vor und in dem Bounce so turbulent, dass selbst bei gleichsinniger Zeitrichtung nahezu alle physikalischen Informationen aus der Zeit vor dem Urknall getilgt würden. Immerhin eröffnet das eine Lösung des Entropie-Problems: Die kosmische Unordnung könnte im Bounce schlicht vergessen, das heißt auf Null gestellt worden sein. „Zumindest kann man das Problem erst einmal zurückstellen, weil die Thermodynamik in solchen Extremen unklar ist“, meint Bojowald.

Allerdings gibt es Gegenargumente. Manche LQC-Modelle kränkeln nicht an universellem Alzheimer. In ihnen lässt der Bounce gewissermaßen Botschaften passieren. So haben Alejandro Corichi und Parampreet Singh von der Pennsylvania State University sowie Wojciech Kami̒ński und Tomasz Pawłowski von der Universität Warschau in Polen Modelle berechnet, die eine „kosmische Erinnerung“ aufweisen, wie sie es formulieren.

Bojowald zufolge bestätigen diese Spezialfälle als Ausnahme jedoch die Regel oder führen sogar in die Irre. Denn brachiale Quantenfluktuationen vor dem Bounce können Rückschlüsse auf die Verhältnisse damals verhindern. Probleme bereiten zudem mathematische Vereinfachungen und sogar Fehler.

Wenn die Hypothese der kosmischen Vergesslichkeit stimmt, wäre der Urknall zwar als Urprall – oder durch diesen – erklärbar. Doch das wäre auch alles. Einen Vorstoß noch weiter zurück in die Vergangenheit würden die Gleichungen dann nicht gestatten – zumindest nicht im Rahmen der LQC. Was vor dem Bounce geschah, und warum da überhaupt etwas war, bliebe ein unlösbares Rätsel.

Auch in anderer Hinsicht haben die von Martin Bojowald wesentlich initiierten Bounce-Modelle in der Loop Quantum Cosmology an Attraktivität verloren. „Die Situation ist immer noch sehr unübersichtlich“, meint er. „Mein Hauptkritikpunkt ist, dass viele physikalische Bedingungen nicht berücksichtigt oder, noch schlimmer, falsch implementiert worden waren. Auf diesen Fehlern basieren viele Aussagen, die behaupten, dass LQC-Bounces in der Theorie generell vorkommen oder zu bestimmten beobachtbaren Konsequenzen führen.“

Bojowald sieht drei grundlegende Probleme: „Erstens ist die Wahl gewisser mathematischer Eigenschaften der Quantisierung mit Schleifen nicht so eindeutig, wie häufig behauptet wird. Zweitens sind Effekte von Quantenfluktuationen beim Bounce stärker, als oft geschrieben wurde. Und drittens kann die Art der Raumzeit ganz anders sein, als allgemein angenommen.“

Das erste Problem bezieht sich auf die mathematische Symmetrie der kosmologischen Modelle. Hierzu gab es in den letzten Jahren wichtige neue Erkenntnisse. Aus ihnen folgt, dass bestimmte mathematische Darstellungen einen Bounce favorisieren, wie schon in den früheren Berechnungen, andere aber nicht. Das zweite Problem betrifft die kosmische Vergesslichkeit aufgrund von Inhomogenitäten, die sich in kollabierenden Universen unweigerlich bilden – bis hin zu Schwarzen Löchern. Sie konterkarieren einfache Gleichungen und machen Näherungsrechnungen problematisch oder sogar obsolet. Das dritte Problem ist vielleicht die größte Herausforderung: Noch lässt sich nämlich nicht sagen, welche Struktur die Raumzeit unter Extrembedingungen eigentlich hat. Jedenfalls scheint die Geometrie beträchtlich von den Voraussetzungen der Allgemeinen Relativitätstheorie abzuweichen. „Wenn man genauer hinsieht, ist die Bounce-Hypothese in der LQC eher ein Kartenhaus“, meint Bojowald. Ob es einstürzt, umgebaut werden kann oder sich einzelne Karten zu einer neuen kosmologischen Architektur arrangieren lassen, muss momentan offenbleiben.

Neue Wege in die Urzeit

Immerhin haben sich in den letzten Jahren aufregende Alternativen zu einem Quantenbounce mit eindeutiger Zeitrichtung und durchgehender Zeit, wenn auch in getakteten winzigen Zeitschritten, eröffnet – in der LQC und darüber hinaus. Diese Ideen basieren überwiegend auf Arbeiten von Martin Bojowald und seinen Kollegen, darunter Brenda Jones und Pip Petersen von der Pennsylvania State University sowie Suddhasattwa Brahma, der jetzt an der University of Edinburgh in Schottland forscht. Auch hier wird ein Vorläufer-Universum angenommen. Aber der Urknall-Übergang war kein Bounce im strengen Sinn.

Eine Möglichkeit ist, dass sich der Urknall aus einer mehr oder weniger statischen Raumzeit heraus entwickelte, in der bis dahin quasi nichts geschehen wäre. „Es würde sich in unendlicher Vergangenheit asymptotisch einem nichtverschwindenden Volumen annähern“, überlegt Bojowald. „Auf ein solches emergentes Universum gibt es in der LQC jedoch keine Hinweise.“ Im Rahmen anderer Gravitationstheorien haben Kosmologen jedoch einige Vorschläge dazu publiziert.

Eine weitere Möglichkeit ist eine Art Quantentunnel-Effekt analog zum Zerfall eines radioaktiven Atoms. Klassisch ist ein solcher Zerfall „verboten“. Doch die Gesetze der Quantentheorie erlauben es, gewissermaßen durch Wände zu gehen – in diesem Fall durch die Barriere eines energetischen Potenzials. Martin Bojowald hat Nicht-Bounce-Modelle gefunden, die ein Universum quasi durch ein verschwindendes Volumen tunneln lassen, ohne dass hier eine unphysikalische Singularität herrscht. „All das ist noch wenig verstanden und ebenso wie die starken Quantenfluktuationen in der LQC lange vernachlässigt worden“, sagt Bojowald, der mit seinen Kollegen an neuen mathematischen Methoden zur Beschreibung solcher Möglichkeiten arbeitet. „Physikalisch sollte es aber relevant sein, weil die repulsive Kraft ja so etwas wie eine neue Potenzialbarriere in der Gravitation ist, die durch Quanteneffekte durchtunnelt werden könnte.“

Das erinnert an ein quantenkosmologisches Modell, das Alexander Vilenkin von der Tufts University in Medford, Massachusetts, bereits 1982 formuliert hatte: Ihm zufolge wäre das Universum quasi aus dem Nichts ins Dasein getunnelt. „Unsere neuen Modelle sind noch nicht sehr realistisch“, räumt Bojowald ein. „Es gibt aber Ähnlichkeiten mit Vilenkins Modell. Daher könnten unsere Gleichungen vielleicht auch auf ein Tunneln durch eine Phase der Zeitlosigkeit angewendet werden.“

Eine solche Phase ist in der LQC inzwischen ebenfalls ein Thema. In vielen Bounce-Modellen kommt es nämlich zu einem sogenannten Signaturwechsel der Raumzeit-Metrik. Dieses sonderbare Phänomen bezeichnet eine Umwandlung der Dimension der Zeit in eine des Raumes. Das muss nicht schlagartig erfolgen. Und es hebelt die Singularitätstheoreme aus, weil für den Vorgang einer unendlich anwachsenden Krümmung ja eine Zeit vorausgesetzt werden muss sowie eine klassische Geometrie, die für die LQC-Extremphase jedoch nicht mehr gilt. Die Singularitätstheoreme postulieren einen Abbruch sämtlicher Weltlinien in der Raumzeit bei der Krümmungssingulariät. Wenn sich aber die Zeit auflöst, können räumliche Linien dennoch fortgesetzt werden, zumindest mathematisch. Insofern ist die Annahme eines abgründigen Raumzeitrands nicht zwingend und die Physik nicht am Ende.

Wenn die vierdimensionale Raumzeit also zu einem vierdimensionalen Raum wird, dann verschwindet die Zeit – ähnlich, wie es Stephen Hawking und seine Kollegen ab Anfang der 1980er-Jahre mit den Instanton-Modellen vom Urknall beschrieben haben. Auch ein Tunneleffekt könnte mit einem solche Signaturwechsel einhergehen.

„Der Bounce würde in dieser enorm dichten Quantenphase, in der sich die Kausalität auflöst, also nicht deterministisch stattfinden“, beschreibt es Bojowald, der den Signaturwechsel zusammen mit Jakub Mielczarek von der Universität Krakau in Polen studiert. „Der diskrete Raum hat im Minimum einen derart starken repulsiven Effekt, dass er selbst die Zeit abstößt. In Modellen ohne Signaturwechsel ist das Zurückschwingen hingegen wohl nicht stark genug, um den Kollaps zu stoppen. Es scheint, als ob sich das Universum gegen den Bounce wehrt.“ Kosmologen haben hier noch viel Arbeit zu erledigen. Martin Bojowald ist vorsichtig: „Ich wage zurzeit keine detaillierten Aussagen über das Vorläufer-Universum, falls es eines gab. Es ist zumindest klar, dass es durch eine starke Quantenphase oder sogar irgendwie durch einen zeitlosen Raum hindurch müsste, um unser Universum zu starten.“

Spuk und Umschwungsknall

Doch vielleicht hatte die Natur einen anderen Ausweg – der dann eher ein diametraler Umweg gewesen wäre: „Eine Möglichkeit, eine Entwicklung durch die Zeitlosigkeit zu vermeiden, ist der zeitsymmetrische Bounce. Er wird auch in der LQC nahegelegt, wenn auch nicht eindeutig vorhergesagt“, sagt Bojowald, der das erste derartige Modell 2009 formuliert hat. Als er später den Signaturwechsel entdeckte, wurde es komplizierter: „Hier starten die beiden Universen nicht an einem gemeinsamen Urknall, sondern an den zwei entgegengesetzten Rändern des zeitlosen Bereichs. Sie müssen also nicht strikt symmetrisch sein und hängen nur indirekt zusammen.“

Hier lässt sich ebenfalls ein Fall von kosmischer Vergesslichkeit diagnostizieren. „Es ist nicht klar, wie weit man die Existenz des Zwillingsuniversums durch Beobachtungen von nur einer Seite bestätigen könnte“, betont Bojowald. „Wenn beide Universen aus einer gemeinsamen zeitlosen Phase stammen, kann man sagen, dass diese Phase zumindest teilweise vergessen wird.“ Insofern wären zeitsymmetrische Modelle also eine hinreichende, jedoch nicht notwendige Bedingung für eine kosmische Demenz im weiteren Sinn – unabhängig von starken Quantenfluktuationen.

Hier sind die Begriffsverwendungen allerdings mehrdeutig. Und wenn keine kausale und temporale Verbindung zwischen den beiden zeitsymmetrischen Teiluniversen existiert, könnte man schlicht von zwei verschiedenen Universen sprechen anstatt von einem einzigen mit einer exotischen Übergangsregion. Doch das wäre voreilig. „Zurzeit gibt es noch verschiedene Möglichkeiten von indirekten Zusammenhängen“, sagt Bojowald und denkt dabei an nichtlokale Effekte wie die ominösen Verschränkungen in der Quantenphysik (bdw 7/2021, „Einsteins Spuk“), für deren experimentellen Nachweis 2022 der Physik-Nobelpreis verliehen wurde. Diese spukhaften Fernwirkungen, wie Albert Einstein sie nannte, sind gewissermaßen selbst zeitlos. „Leider lässt sich das in der Theorie nur sehr schwer analysieren.“

Es könnte in diesem turbulenten Übergangsbereich auch ganz eigenartige, eng begrenzte Phänomene geben. „Die Differentialgleichungen mit Signaturwechsel sind mathematisch mit hydrodynamischen Gleichungen für Hyperschallgeschwindigkeiten verwandt“, hat Bojowald entdeckt. „Die meisten Lösungen haben deswegen analog zu einem Überschallknall einen cosmic boom. Die Metrik wäre hier zwar nicht entartet – im Gegensatz zur Urknall-Singularität –, die mathematischen Ableitungen sind aber unendlich … und damit auch Krümmung und Dichte. Doch wie im hydrodynamischen Fall ist die Unendlichkeit nur eine Konsequenz der kontinuierlichen Beschreibung und kommt bei einem diskreten Modell nicht vor.“

Dieser kosmische Knall oder Umschwungsknall – nicht zu verwechseln mit dem Urknall selbst! – braucht also quantenkosmologisch nicht singulär zu sein. Trotzdem wäre seine Krümmung enorm, sodass sich deren Auswirkungen schwer abschätzen lassen. Im Gegensatz zu Schwarzen Löchern wäre er allerdings raumzeitlich quasi auf einen Punkt geschrumpft. „Deshalb gäbe es kein Ereignishorizont bei einem cosmic boom“, erläutert Martin Bojowald und lächelt: „Geometrisch handelt es sich um eine Art vierdimensionale Kegelspitze – was man sich schwer vorstellen kann.“