Was war vor dem Urknall?

Schon als Kind war ich von enervierender Unnachgiebigkeit, sobald mir eine befriedigende Antwort vorenthalten und durch typische Erwachsenen-Statements wie „So etwas fragt man nicht!“ oder „Da gibt es nichts und nun sei still!“ ersetzt wurde. (Sobald einer der Großen ehrlich eingestand ‚Das weiß ich leider auch nicht‘, hörte ich auf, ihn mit endlosen Wie- und Wieso-Fragen zu tyrannisieren:)
Bis heute scheint die Frage nach dem, was vor dem Urknall gewesen sei, solch eine unbotmäßige ‚dumme‘, weil nicht legitime Frage zu sein, auf die bekannte Koniferen der Physik (nein, kein Tippfehler – ich meine jene selbsternannten ‚Edelgewächse‘ in ihrer weithin blendenden Hybris) ähnlich genervt reagieren wie manche Erwachsenen auf meine Kinderfragen. Eine wahre Choryphäe hingegen bliebe duldsamer im Angesicht von Fragen, welche der normalgebildete Menschenverstand nun einmal aufwirft.

Ausgangspunkt

Die Entwicklung unseres anthropozentrischen Weltbildes lässt sich als eine Geschichte vorläufiger Mutmaßungen und deren Korrekturen auffassen:

  • Nur eine Erde, die den Mittelpunkt von allem bildet ⇒ falsch
    (inzwischen wurden mehrere erdähnliche Planeten außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt)
  • Nur 1 Sonne, die anfangs als übernatürliche Quelle von Licht und Wärme angesehen wurde ⇒ falsch
  • Nur 1 Galaxie, solange man nicht über die Milchstraße hinausblicken konnte ⇒ falsch
    (es existieren 100 Milliarden Galaxien allein im sichtbaren, zugänglichen Teil des Universums)
  • Nur 1 Universum (solange man nicht über dessen Grenzen hinaus blicken und forschen kann ⇒ auch falsch?

Um dieser Frage nachzugehen, braucht es zunächst einige Festlegungen: Der Begriff Universum oder Kosmos lässt sich definieren als „die Gesamtheit von Raum, Zeit und aller Materie und Energie darin“. Das beobachtbare Universum beschränkt sich hingegen auf die vorgefundene Anordnung aller Materie und Energie, angefangen bei den elementaren Teilchen bis hin zu den großräumigen Strukturen wie Galaxien und Galaxienhaufen. Als heute allgemein anerkannte Theorie zur Beschreibung der großräumigen Struktur des Universums kann das Standardmodell der Kosmologie herangezogen werden.-

Die Urknalltheorie geht davon aus, dass das Universum in diesem „bestimmten Augenblick“ (=dem Urknall) aus einer Singularität heraus entstanden ist und sich seitdem ausdehnt (→ Expansion des Universums). Zeit, Raum und Materie seien mit dem Urknall entstanden. Das Alter des Universums wird mit  13,81 ± 0,04 Milliarden Jahren angegeben.

Vortrag von Prof.Dr. Gerd Ganteför an der  Universität Konstanz (20.12.2016)

Der Experimentalphysiker Gerd Ganteför (*1956) wurde durch populärwissenschaftliche Arbeiten, öffentliche Auftritte und Vorträge zu naturwissenschaftlichen Themen bekannt, u.a. sein Werk „Der Weltuntergang findet nicht statt“).

Was nach dem Urknall aus kosmologischer Perspektive ‚mit der Materie‘ geschah, lässt sich heute recht gut nachvollziehen: Kosmologische Simulationen berechnen und modellieren das dynamische Verhalten von Materie in großen Raumbereichen Milliarden. Es werden unterschieden:

  • Globale Simulationen, die im Verlauf im Simulationsverlauf Filamente (Materieansammlungen) und

    Struktur des Universums, vgl. Wikipedia

    Voids (Hohlräume) erzeugen – die größten Strukturen im beobachtbaren Universum.

  • Lokale Simulationen wie die Aquarius-Simulation (s. Video unten) betrachten die Entwicklung eines einzelnen dunkle-Materie-Halos. Der Halo (‚Lichthof‘) einer Galaxie ist ein kugelförmiger Bereich, der größer ist als die Galaxie selbst und in dessen Zentrum die Galaxie eingebettet ist. Die Aquarius-Halos sind in ihrer Masse und kosmischen Nachbarschaft dem Milchstraßenhalo ähnlich.
    „Diese Ähnlichkeit ermöglicht statistische Vorhersagen über die zu erwartende Dichte- und Geschwindigkeitsverteilung der dunklen Materie innerhalb der Milchstraße. Solche Vorhersagen sind für den Versuch des direkten Nachweis von dunkler Materie interessant“…weiterlesen

Die gut sichtbaren hellen Punkte sind nicht einzelne Galaxien, sonder Galaxiencluster, sie enthalten bis zu einigen tausend Galaxien, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten im gemeinsamen Schwerefeld bewegen. Nach heutigem Wissen sind sie die größten Strukturen des Universums, die gravitativ gebunden sind. Ihre Masse liegt bei etwa 1014 bis 1015 Sonnenmassen in einem typischerweise 10 bis 20 Millionen Lichtjahre umfassenden Gebiet.
Zu beobachten ist die sich infolge der Gravitation verdichtende, „verklumpende“ Materie. Die Materie ist also nicht gleichmäßig verteilt.

Damit ist gewissermaßen der erste Atemzug des neu geborenen (oder frisch aus seinem ‚Ei‘ geschlüpften) Universums beschrieben, nicht aber der eigentliche Vorgang der Geburt bzw. des Schlüpfens:

Was aber hat den Urknall bewirkt?

Das größte Problem hat die Urknall-Theorie mit dem Urknall selbst„, stellt Prof. Ganteför fest und weist damit auf weiterhin bestehende Erklärungslücken hin → die allererste Phase des Universums ist uns „nicht mal im Ansatz zugänglich“:

  • Zeiten vor dem Urknall und Orte außerhalb des Universums sind physikalisch nicht definierbar. Daher gibt es in der Physik weder ein räumliches „Außerhalb“ noch ein zeitliches „Davor“ (womit die genervten Reaktionen von Physiklehrern und -professoren erklärt wären, wenn sie immer und immer wieder ausgerechnet danach gefragt werden, worauf sie im Rahmen der ‚erlaubten‘ Physik nicht antworten können…)
  • noch eine Ursache des Universums.
  • Auch sind die naturwissenschaftlichen Gesetze für die extremen Bedingungen während der ersten etwa 10−43 Sekunden nach dem Urknall nicht bekannt ⇒ die Theorie beschreibt den eigentlichen Vorgang streng genommen nicht!
  • Erst nach Ablauf der Planck-Zeit können die weiteren Abläufe physikalisch nachvollzogen werden.

Fairerweise ist dabei auch zu sagen: jene 10-43 Sekunden der Ungewissheit sind ein sehr, sehr, …sehr kleine Zeitspanne. Aber eins nach dem anderen..

Notwendige Bausteine für ein Universum aus rein naturwissenschaftlicher Sicht:

  • Vierdimensionale Raumzeit, die sich durch Gravitation krümmt,
  • Elementarteilchen, welche sich mit der nötigen Energie aus dem Nichts erzeugen, „wie Funken aus einem Amboss herausschlagen“ lassen,
  • Vier Naturkräfte (in diesem Beitrag auf Stern.de kurz und knackig erklärt):
    • Gravitation → Krümmung der Raumzeit,
    • Elektromagnetismus, durch Photonen vermittelt,
    • starke Wechselwirkung,
    • schwache Wechselwirkung.
  • Naturgesetze: Energieerhaltung, Impulserhaltung, Drehimpulserhaltung.

Was noch fehlt: die „große Vereinheitlichung“ – Derzeit arbeitet die Physik daran, für diese vier elementaren Kräfte eine gemeinsame Ursache zu finden – eine „Theorie, die alles erklärt“.

Prof. Ganteför entwickelt aus diesen Grundlagen eine noch spekulative Vorstellung:

Das Universum „ist“ die vierdimensionale Raumzeit.

Er stelle sich die Raumzeit als vierdimensionales Gewebe vor, in welches auch wir Menschen ‚als Anregungszustände‘ integriert seien. Daher haben wir keine Möglichkeit festzustellen, ob ober-/unter-/außerhalb dieses Gewebes irgendetwas existiert. Sollte etwas außerhalb unseres Raums existieren, haben wir dazu keinen beobachtenden, experimentellen Zugang.
(Diese Analogie weckt bei mir als interessiertem Laien spontane Assoziationen zu „der Matrix“, obgleich gerade solche Querbezüge vermutlich ganz und gar nicht gewollt sind. Auch würde eine matrix-mäßige Erklärung unseres Daseins die Problematik nur verlagern: es bliebe die Frage nach den Schöpfern einer solchen Matrix sowie nach deren Ursprung…)

Aus dieser Überlegung lässt sich ferner folgern: es könnte weitere/höhere Dimensionen geben. Ganteför sieht mehrere Hinweise auf eine Realität jenseits des vierdimensionalen Standardmodells:

Dunkle Energie ⇒ Verletzung der Energieerhaltung

Traditionelle Modelle besagten, dass die Expansion des Universums aufgrund der Materie und der durch sie wirkenden Gravitation verlangsamt werde. Messungen, welche diese Verlangsamung quantifizieren sollten, zeigten jedoch eine Zunahme der Expansionsgeschwindigkeit. Diese Beschleunigung ließ sich innerhalb der bisherigen Parameter des Standardmodells nicht erklären – eine ganz unerwartete Beobachtung, die seither auf eine unbestimmte Dunkle Energie zurückgeführt wird.

Materie- bzw. Energie-Anteil des Universums heute (oben) und zur Entkopplungszeit (unten), 380.000 Jahre nach dem Urknall.

In den Modellen besteht das Universum zum gegenwärtigen Zeitpunkt zu 68,3 % aus Dunkler Energie, 26,8 % aus Dunkler Materie und zu 4,9 % aus der sichtbaren Materie. In der Frühzeit des Universums, zum Zeitpunkt der Entkopplung der Materie von der Hintergrundstrahlung, war die Zusammensetzung noch wesentlich anders (siehe nebenstehende Grafik).

Über die physikalische Natur der Dunklen Energie kann derzeit nur spekuliert werden; ihre Existenz ist experimentell nicht direkt nachgewiesen. „Die einfachste Lösung ist, einen geeigneten Wert einer kosmologische Konstanten zu postulieren und als gegebene und grundlegende Eigenschaft des Universums hinzunehmen.“
Die Dunkle Energie als eine hypothetische Energieform wurde als in der Kosmologie als eine Verallgemeinerung der kosmologischen Konstanten eingeführt, gewissermaßen ein errechneter Korrekturfaktor, damit’s wieder passt.

Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden – daher bleibt nach dem Grundsatz der Energieerhaltung die Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems stets konstant. Es kann geschlussfolgert werden: Das Universum als Ganzes scheint ‚Energie zu verlieren und somit dieses Grundgesetz zu verletzen‘ (…außer, das Universum ist kein abgeschlossenes, isoliertes Etwas, sondern Teil eines größeren Systems, dessen Struktur wir heute nicht einmal erahnen??)

Inflation

Seit 2014 weiß man aus Beobachtungsdaten mit Bestimmtheit, dass unmittelbar nach dem Urknall die kosmologische Inflation stattgefunden hat. Innerhalb dieser äußerst kurzen inflationären Phase – unmittelbar nach dem Urknall – erfolgte die Expansion des Alls „unvorstellbar viel schneller als davor oder danach“ (Vgl. Florian Freistetter auf scienceblogs.de). Auch diese überlichtschnelle Ausdehnung stelle eine Verletzung der Energieerhaltung dar, so Ganteför.
Ebenso impliziere der Urknall an sich, jene noch unverstandene Singularität eine ⇒ Verletzung der Energieerhaltung.

Die Entfaltung der Raumzeit

Allerdings kann das Naturgesetz der Energieerhaltung unter den Bedingungen der subatomaren Quantenphysik außer Kraft gesetzt sein: Sog. Vakuumfluktuationen sollen die Verteilung der Materie im Universum entscheidend geprägt haben. „Dabei handelt es sich um virtuelle Teilchenpaare, die innerhalb von Bruchteilen von Sekunden aus dem Nichts auftauchen und sofort wieder verschwinden“ …der o.a. Amboss, aus dem Funken geschlagen werden können, meine Vorstellungskraft versagt dabei vollends – Prof. Ganteför verweist hier auf diesen Vortrag seines Kollegen Josef M. Gassner zur Urknall-Hypothese.

Spekulative, da experimentell nicht nachzuweisende Hypothese:
Unser Universum entstammt einer Vakuumfluktuation eines möglicherweise höherdimensionalen Raumes. Vorher gab es zwar keine ‚Zeit‘, aber die Gesetze der Quantenphysik waren bereits gültig. Damit wird vorausgesetzt, dass bereits vor dem Urknall ein ‚leerer n-dimensionaler Raum‘ existiert habe, in dem solche Quantenfluktuationen (könnte man sagen ‚kurzzeitige Ausstülpungen und Blasen?) um den Nullpunkt herum stattfanden.

Damit aus diesen virtuellen Ereignissen etwas bleibendes (nämlich unser Universum bzw. eine unermesslich winzige Vorstufe davon) entstehen konnte, musste die virtuelle Energie dieser einen Fluktuation in reale Energie umgewandelt werden. „Phasenübergang des Higgs-Feldes“ …ich werde erst gar nicht den Versuch machen, dies in eigene Worte zu fassen.

Nimmt man allerdings solch einen ‚leerer n-dimensionaler Raum‘ mit laufend stattfindenden Quantenfluktuationen als plausibel an, so besteht kein vernünftiger Grund, weshalb nur 1 einziges Universum im Laufe beliebiger, weil nicht existenter ‚Zeiten‘ daraus hervorgehen sollte!
Es ist unwahrscheinlich, dass nur ein einzelner Urknall stattfand; innerhalb dieses spekulativen Modells kann man sich verschiedene Universen eingebettet in einen höherdimensionalen Raum vorstellen.

Dieser Beitrag wurde unter Filmdokument, Kosmologie, Naturwissenschaft, Vortrag, Wissenschaftlichkeit abgelegt und mit , , , , , , , , , , , verschlagwortet. Setze ein Lesezeichen auf den Permalink.

Schreibe einen Kommentar