Wie der Zusammenprall mit einem verborgenen Universum den Urknall gezündet haben könnte: Am Anfang war der Weltenbrand.
Das Erstaunen war den erwartungsvoll gespannten Gesichtern deutlich anzumerken. Schließlich wird man nicht jeden Tag Zeuge der Entstehung unseres Universums. Dabei geht es im Vortragssaal des Space Telescope Science Instituts in Baltimore normalerweise nicht gleich ums Ganze. Dort wird meist von Entdeckungen des Hubble-Weltraumteleskops berichtet. Und ursprünglich wollte Paul Steinhardt über die Natur der seltsamen Energie sprechen, die gegenwärtig die Ausdehnung des Weltraums beschleunigt (bild der wissenschaft 7/2001, „Die mysteriöse Dunkle Energie”). Doch der renommierte Physiker und Mathematiker an der Princeton University in New Jersey hatte sein Thema geändert. Zur großen Überraschung seiner Zuhörer – Astronomen, Kosmologen und Physiker aus aller Welt, die hier zu einer einwöchigen Konferenz über das „Dunkle Universum” zusammengekommen waren – versuchte er an jenem denkwürdigen 4. April 2001 nichts weniger als den Urknall zu erklären. Erst ein paar Tage vorher hatte er mit seinem Studenten Justin Khoury sowie mit seinen Kollegen Burt A. Ovrut von der University of Pennsylvania in Philadelphia und Neil Turok von der University of Cambridge, England, eine wissenschaftliche Arbeit fertig gestellt: Danach ist der Urknall nicht der Beginn von allem, sondern die Folge einer gigantischen Kollision – des Zusammenpralls zweier Universen.
Steinhardts Team spricht vom Ekpyrotischen Universum. Der Name ist aus der griechischen Stoa entlehnt. Im Rahmen dieser philosophischen Richtung hatten Zenon aus Kition und Kleanthes aus Assos, angeregt von Spekulationen Heraklits, vor 2300 Jahren behauptet, die Welt würde in regelmäßigen Intervallen von Feuer verzehrt und wieder neu entstehen. Dieses Ausbrennen, griechisch „ ekpyrosis”, kam einer Reinigung gleich, die – Zeus ausgenommen – nicht einmal die Götter verschont.
Was Steinhardt und seine Kollegen offerieren, klingt kaum weniger fantastisch. Doch „das Modell ist keine bloße Fantasterei, sondern eine Frage tiefer mathematischer Konsistenz” , wie Ovrut betont. Diese Mathematik hat es freilich in sich, denn die Fundamente des Ekpyrotischen Szenarios liegen nicht in der Standardphysik. Und so hat Steinhardt seinen staunenden Zuhörern zunächst einmal Nachhilfe in der heterotischen M-Theorie gegeben, die Ovrut, Dan Waldram (Queen Mary and Westfield College, London) und Andre Lukas (University Sussex) entwickelt hatten (siehe Kasten nächste Seite). Sie beschreibt alle fundamentalen Naturkräfte in einer einheitlichen Form. Wenn sie richtig ist, dann gibt es nicht nur unser sichtbares Universum, sondern auch noch ein zweites „verborgenes” Universum. Diese beiden vierdimensionalen Universen sind in eine fünfdimensionale Raumzeit eingebettet und untereinander von der fünften Raumdimension getrennt. Materie und Strahlung können die Universen nicht verlassen. Aber die Schwerkraft vermag die fünfdimensionale Raumzeit, auch „Bulk” genannt, zu durchkreuzen. „ Sie ist wie ein Ozean, in dem die Universen schwimmen und durch den Gravitationswellen pflügen”, erläutert Ovrut.
Weil sich selbst hart gesottene Physiker keine unendlich großen vierdimensionalen Universen in einer fünfdimensionalen Raumzeit vorstellen können, beschreiben sie die Universen kurzerhand als so genannte Branen: Dabei hängen unser sichtbares und das verborgene Universum wie zwei straff gespannte, parallel ausgerichtete Leintücher herum, getrennt vom Bulk dazwischen. Der Abstand zwischen den Branen kann ursprünglich beliebig groß gewesen sein. Heute ist er mikroskopisch winzig und beträgt vielleicht nur rund 10-31 Meter – 10000 Planck-Längen. Die Branen haben eine entgegengesetzte innere Spannung und sind deshalb „ steif”, das heißt, dass sie weder flattern noch sich berühren. Der Begriff des Paralleluniversums ist hier also ganz wörtlich zu verstehen. Die seltsame Zwischenzone besitzt eine innere Krümmung. „Die Metrik ist nicht einheitlich, so dass ein Lineal seine Länge ändern würde, könnte man es von einer Seite zur anderen bewegen”, beschreibt es Steinhardt.
Zwischen der sichtbaren und der verborgenen Bran könnte es weitere Universen („Bulk-Branen”) geben, nicht aber hinter ihnen. „Das sichtbare und verborgene Universum werden manchmal als Branen am Ende der Welt bezeichnet, weil sie einen begrenzten Bereich mit der Extradimension umschließen”, sagt Steinhardt. „Es ist möglich, dass es darin viele andere Branen gibt, und wir denken zurzeit darüber nach, ob sie einen messbaren Effekt auf unser Universum haben können.”
Über die Eigenschaften des verborgenen Universums am anderen Ende der Welt lässt sich nur spekulieren. Entscheidend ist aber, wie sich unser eigenes Universum verändert hat. „Anstatt mit fast unendlicher Temperatur und Dichte zu beginnen, war das Universum am Anfang kalt, leer und statisch”, sagt Steinhardt. Der Raum dehnte sich also nicht aus und war ein perfektes Vakuum – ohne Materie, nur von den unvermeidlichen Quantenfluktuationen durchsetzt. „Ein langweiliger Ort”, meint Ovrut.
Im ursprünglichen Ekpyrotischen Szenario, wie es Steinhardt in Baltimore vorgestellt hat, geschah nach einer ungewissen Zeit des stummen Verharrens der Branen etwas Seltsames: Von dem verborgenen Universum begann sich eine neue Bran zu lösen, vergleichbar einer zweiten Haut. Diese ebenfalls unendlich große, aber „leichtere” Bulk-Bran – sie besaß eine viel geringere Energiedichte als das sichtbare und verborgene Universum auf Grund ihrer geringeren inneren Spannung – driftete langsam auf unser leeres Vorläufer-Universum zu. Binnen Sekunden oder vielleicht auch Milliarden Jahren näherte sie sich immer weiter, stieß schließlich auf unser Universum und wurde absorbiert. Dieses heizte sich durch den Zusammenstoß gewaltig auf. Die kosmische Feuersbrunst – der Weltenbrand (Ekpyrosis) – schuf die heutige Materie und Energie im Weltall.
„Der heiße Urknall entstand also durch die Kollision zwischen der langsam sich bewegenden Bulk-Bran mit unserer sichtbaren Bran” , malte Steinhardt in Baltimore diesen kosmischen Aufprall aus, der die Annahme eines mysteriösen Anfangspunkts von Raum und Zeit überflüssig macht. „Auch wenn das Universum eine unbegrenzt lange Periode vor der Kollision existiert hat, beginnt die kosmische Zeit, wie sie normalerweise definiert wird, erst mit dem Zusammenprall.” Nachdem er seinen Vortrag beendet hatte, gab es viel Beifall – aber auch verblüfftes Schweigen. Dafür wurde abends während des Konferenz-Dinners umso heftiger diskutiert. So kam es, dass bei Tisch immer wieder von „Extradimensionen” gesprochen wurde und die verwirrten Kellner sich plötzlich mit Bulk-Branen und verborgenen Universen konfrontiert sahen.
Inzwischen haben Steinhardt und seine Kollegen ihr Modell zusammen mit Nathan Seiberg vom Institute of Advanced Study in Princeton weiterentwickelt beziehungsweise modifiziert. Ihre Rechnungen zeigen, dass höchstens einige Jahrmilliarden nach dem Aufprall der Bulk-Bran auch die verborgene Bran mit unserem Universum kollidieren musste. Im Gegensatz zur Bulk-Bran verschmolz das verborgene Universum dabei nicht mit unserem. „ Diese Kollision war elastisch und erzeugt kaum Strahlung und Materie”, sagt Steinhardt.
Es sind aber auch Modelle möglich, die ganz ohne Bulk-Bran funktionieren. „Das macht die Sache einfacher”, freut sich Steinhardt. „Warum ignorieren wir nicht einfach die Bulk-Bran und gehen von einer inelastischen Kollision der sichtbaren und verborgenen Bran aus?” Die Gleichungen der M-Theorie lassen diese Möglichkeit zu. „Der Aufprall erzeugt Materie und Strahlung, und unser Universum beginnt sich durch die gewonnene Rückstoßenergie auszudehnen, während die andere Bran sich wieder entfernt und dann in einer – mikroskopisch kleinen – Distanz verharrt.” Aus der vierdimensionalen Innenperspektive unseres Universums erscheint dieser Vorgang anders als in der fünfdimensionalen Beschreibung. „Wir schlagen eine Neuinterpretation der Urknall-Singularität vor”, resümiert Steinhardt. „Zunächst erscheint unsere Bran sich zusammenzuziehen. Wenn die verborgene Bran aufprallt, fängt die Expansion unseres Universums an. Die Urknall-Singularität ist also nicht der Anfang der Zeit, sondern eine Brücke zu einer früheren Kontraktionsphase.” Was genau bei diesem Umschwung passiert, wollen die Physiker nun mit den Feinheiten der M-Theorie beschreiben. Unklar ist auch, was bei der Kollision mit dem verborgenen Universum geschieht. „ Vielleicht wird es ebenfalls aufgeheizt. Aber die Physik dort könnte ganz anders sein, so dass es eventuell schneller abkühlt oder weniger Energie hat.”
Welche der beiden Versionen des Ekpyrotischen Szenarios besser ist, muss sich noch zeigen. Fest steht, dass dieser Ansatz der Kosmologie völlig neue Möglichkeiten eröffnet. Vor allem benötigt er keine immense, überlichtschnelle Aufblähung des Weltraums im Bruchteil einer Sekunde, wie sie die Inflationstheorie beschreibt (siehe voriger Artikel). Steinhardt: „Unser Modell funktioniert gegenläufig – langsam, aber über eine lange Zeitspanne.” Dennoch kann das Ekpyrotische Szenario ebenfalls alle kosmologischen Schwierigkeiten ausräumen, derentwegen die Inflationstheorie entwickelt wurde.
• Die „ekpyrotische Temperatur” liegt mit einer Energie von etwa 1010 oder 1011 Gigaelektronenvolt acht bis neun Größenordnungen unter der Planck-Skala der Urknall-Singularität und fünf bis sechs Größenordnungen unterhalb der Masse der magnetischen Monopole. Das heißt, dass sich diese gar nicht bilden können und also auch nicht „weginflationiert” werden müssen.
• Die Flachheit unseres Universums verwundert nicht länger. Da beide Branen von Anfang an flach waren, ist es auch das Universum nach der Kollision. Steinhardt: „Flach + flach = flach.”
• Die Gleichförmigkeit des Universums ist eine Folge der langen Zeiträume vor der Kollision, während deren sich alle etwaigen Unterschiede nivellieren konnten. Die verschiedenen Regionen standen also schon in ursächlicher Wechselwirkung und müssen nicht, wie in der Inflationstheorie, über den Beobachtungshorizont hinausgeschoben werden.
• Die winzigen Inhomogenitäten, die sich in der Temperaturverteilung der Kosmischen Hintergrundstrahlung widerspiegeln, folgen aus den Quantenfluktuationen der Branen. Durch diese zufälligen Ereignisse sind die „Leintücher” nicht vollkommen glatt, sondern leicht gewellt. Deshalb klatschen sie nicht überall exakt zum gleichen Zeitpunkt aufeinander, so dass Unregelmäßigkeiten in der Strahlungs- und Materiedichte entstanden – die Vorläufer der heutigen Galaxiensuperhaufen. „Wir haben gezeigt, dass kollidierende Branen das Spektrum der Temperaturschwankungen in der Kosmischen Hintergrundstrahlung erzeugen können”, berichtet Steinhardt. „Für uns ist das ein wesentlicher Punkt. Er bedeutet, dass diese Kollision, wenn sie stattgefunden hat, uns nicht nur unmittelbar verständlich macht, warum das Universum so gleichförmig ist, sondern sie erlaubt es uns auch, die heutigen großräumigen Strukturen des Universums zu verstehen: die Galaxienverteilung.”
Steinhardt und seine Kollegen betonen, dass das Ekpyrotische Szenario nicht gegen die Urknalltheorie Front macht, sondern den Urknall vielmehr zu erklären versucht. Mit der Inflationstheorie ist es allerdings unvereinbar. „Das falsche Vakuum, das die Inflation bewirkt, kann in einem kontrahierenden Universum vor dem Urknall nicht überleben. Es zerfällt rasch und verschwindet”, führt Steinhardt aus, der Anfang der achtziger Jahre die Inflationstheorie selbst maßgeblich mitentwickelt hatte. „Wir greifen die Inflationstheorie nicht an, sondern schlagen lediglich eine Alternative vor.”
Tatsächlich hat die Inflationstheorie, obwohl noch immer unbewiesen, im Laufe von 20 Jahren die Vorherrschaft in der Debatte um das frühe Universum gewonnen und alle Konkurrenten aus dem Feld geschlagen, obwohl sie weder von einer Quantentheorie der Gravitation abgeleitet werden noch das Rätsel der Urknall-Singularität lösen kann – und nicht einmal behandelt. „ Wir brauchen einen Ersatz, einen guten Konkurrenten, den wir in der Hinterhand haben, falls die Inflationstheorie versagt”, begrüßt Michael Turner, einer der Hauptverfechter der kosmischen Inflation, das Ekpyrotische Konkurrenzmodell. Der quirlige Kosmologe von der University of Chicago spart nicht mit Vorschusslorbeeren: „Es gibt heute bereits so viele Beobachtungsdaten, dass es schwierig ist, einen neuen Ansatz zu entwickeln, der überhaupt eine Chance hat. Doch das Modell ist verrückt genug, um wahr zu sein. Denn wenn man ein wirklich schweres Problem wie das vom Beginn des Universums knacken will, braucht man verrückte Ideen.”
Doch Andrei Linde (Stanford University) hat, wie er sagt, die Ekpyrosis einer Epikrisis unterzogen, einer kritischen Bewertung, und ein mathematisch modifiziertes Feuerwerk vorgeschlagen, das er augenzwinkernd „Pyrotechnisches Universum” nennt. Manche der Einwände hat Steinhardts Team bereits zu entkräften versucht. Es gibt aber noch ein prinzipielles Problem, meint Linde: Das Ekpyrotische Universum erfordert enorme Feinabstimmungen. „Die Branen müssten ungeheuer genau parallel sein – besser als 1 zu 1030 auf einer Skala, die 1030-mal größer ist als der Abstand zwischen den Branen. Die Inflation lässt alle früheren Inhomogenitäten verschwinden, aber das Ekpyrotische Szenario vergrößert selbst sehr kleine Anfangsungleichförmigkeiten exponentiell. Anstatt das Homogenitäts-Problem zu lösen, machte es dies noch viel schlimmer.” Stephen Hawking hieb mit einem Vortrag im letzten Oktober in München in dieselbe Kerbe. „Ich denke, eine viel plausiblere Erklärung für den Ursprung einer Branwelt ist die Annahme, dass sie spontan als Fluktuation des Vakuums entsteht”– ohne Paralleluniversum.
Steinhardt ist nicht überzeugt. „Der Anfangszustand, den wir vorschlagen, ist einer der maximalen Symmetrie, bei dem die Branen tatsächlich über eine unendliche Distanz parallel sind. Diese Symmetrie kann aber nicht perfekt sein, sonst würden die Branen bis in alle Ewigkeit verharren. Winzige Symmetriebrechungen sind nötig. Sie können exponentiell klein sein – durchaus im Rahmen der von Linde genannten Werte.” Hinzu kommt, dass die Inflation auch gewisse Feinabstimmungen benötigt und nicht erklären kann. „Tatsache ist, dass weder die Inflationstheorie noch das Ekpyrotische Modell die Frage nach den Anfangsbedingungen komplett beantwortet.” Steinhardts Mitstreiter Neil Turok sieht hier sogar ein prinzipielles Problem. „Solange wir keine vollständige Theorie der Quantengravitation besitzen und die Stringtheorie mit der Teilchenphysik verknüpft haben, kann niemand von uns einen Sieg verkünden.”
Doch vielleicht lässt sich die Ekpyrosis bald empirisch überprüfen, denn in der Kosmischen Hintergrundstrahlung könnte noch ein wenig „Rauch” des Weltenbrands übrig geblieben sein. Die Gravitationswellen aus dem frühen Universum sollten nämlich bei der Ekpyrosis im kurzwelligen Bereich stärker ausgeprägt sein als bei der Inflation. Künftige Messungen der Gravitationswellen und deren „Abdruck” in der Polarisation der Hintergrundstrahlung können also im Prinzip eine Entscheidung zwischen den beiden konkurrierenden Theorien erzwingen.
„In einem Jahrhundert”, glaubt Turner, „wird einer der beiden folgenden Sätze in den Physik-Lehrbüchern stehen: ‚Vor 100 Jahren waren die Forscher so verzweifelt bei der Suche nach Erklärungen, dass sie zusätzliche Raumdimensionen erfanden. Welche Drogen hatten nur ihren Verstand vernebelt?‘ Oder: ‚Vor 100 Jahren waren die Leute so provinziell, dass sie sich trotz vieler Hinweise auf zusätzliche Dimensionen weigerten, deren Existenz zu akzeptieren.”
Rüdiger Vaas
