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Was war vor dem Urknall? - Eine Frage der Physik oder Religion?
25.03.2013 um 10:49Im Standartmodell ist der Anfang und die Entstehung durch die Urknalltheorie beschrieben. Doch was war vor dem Urknall und ist die Frage danach, die Suche nach Antworten noch Physik, oder ist das „bestenfalls“ Religion?
Die Frage wurde in einem anderen Thread aufgeworfen, dort aber nicht Thema. Darum mache ich mal hier einen neuen Thread zu auf, die Aussage lautet:
@Cricetus
Gott oder/und Evolution » Cricetus » hat Sonntag, 23.03.2013, 16:18 geschrieben:
Mit unseren heutigen Methoden gibt es aber keine Möglichkeit das davor zu erkunden. Punkt. Aus. Wir brauchen dafür andere Methoden, aber solange wir die nicht haben, ist jede Vermutung was davor war nicht mehr als eine Vermutung. Eben keine Theorie, keine Physik, sondern bestenfalls Religion.
[emphasis mine]
Ich sage mal große Worte, und bestreite diese Aussage. Bester ist das, sonst macht ein Disput auch keinen Spaß. Nein, mal ganz konkret, ich halte das für falsch und werde auch meine Meinung hier begründen, und bin gespannt, wie andere hier im Forum das sehen. Nebenbei werde ich ein paar echte Physiker in meinem Forum dazu befragen.
Dann zur Sache „Punkt. Aus.“ ist kein Argument, sondern ein Armutszeugnis, die Offenbarung keine Argumente zu haben, der Versuch sich einen Dialog zu entziehen. Im Sinne, es ist so wie ich sage, ich habe Recht, da gibt es nichts zu rütteln, und nun schweige. Solche gute Rhetorik kenne ich sonst nur von Vertretern der Kritik, den Cranks eben. Das mal vorab zu „Punkt. Aus.“.
Nun dann mal Fakten, wie stellt sich die Wissenschaft der Frage, was war vor dem Urknall und stellt sie sich dieser überhaupt?
Ja sie tut es, und man wird es nicht glauben, darüber wird an Universitäten gesprochen, nicht in Kirchen, und es sind Wissenschaftler, eben Physiker und Kosmologen die sich dieser Frage sehr ernsthaft annehmen und nicht Theologen. Schauen wir also mal, wenn wir da so haben, und was da so zu gesagt wird, zum Einstieg und Übersicht mal ein PDF, man achte, es findet sich auf der Domain der Universität Frankfurt:
Vor dem Urknall (Archiv-Version vom 27.02.2012)
Dann mal ein paar Beiträge im Zitat, zum Teil auch nur auszugsweise:
Telepolis » Wissenschaft » Harald Zaun (Archiv-Version vom 14.02.2013) » hat Samstag, 27.06.2009 geschrieben » Der Zeitpfeil vor dem Urknall
Der deutsche Astrophysiker Martin Bojowald wagt den Sprung zurück zum Ursprung des Universums – und in die Zeit davor
Gab es vor dem „Big Bang“ Zeit und Raum, oder regierte das Nichts? Hat es unsere Welt schon einmal gegeben?
Martin Bojowald versucht diese Frage mit der von ihm weiterentwickelten Schleifengravitation-Theorie zu beantworten, in der Raumzeit-Atome den Raum aufbauen. Bojowald (geb. 1973) hat nach dem Studium am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam gearbeitet und ist nun Assistant Professor an der Penn State University (USA). In seinem unlängst erschienenen Buch „Zurück vor dem Urknall“ stellt er seine These detailliert vor, von der er selbst sagt: „Genau genommen verstehe ich die Theorie der Schleifengravitation selbst noch nicht so ganz.“
Irgendwann zu keinem Zeitpunkt und irgendwo an keinem bestimmten Ort öffnete sich der Vorhang zum ersten Akt des größten kosmischen Dramas aller Zeiten. Es war eine Premiere ohne Generalprobe, die kein Zuschauer sehen, kein Auditorium hören und kein Chronist protokollieren konnte: eine gewaltige Ouvertüre eines grandiosen Schauspiels. Als sich der Urknall (engl.: Big Bang) vor ungefähr 13,7 Milliarden Jahren völlig lautlos und absolut lichtfrei in Szene setzte, befreiten sich Raum, Zeit und Materie aus einem unendlich heißen und dichten Punkt: der Urknall-Singularität. Binnen einer Quintillionstel (Zahl mit 30 Nullen nach dem Komma) Sekunde blähte sich der Raum weit über die Größe des heute beobachtbaren Universums auf. Seitdem expandiert das Universum – mit zunehmender Geschwindigkeit.
ART hat versagt
Heute, 13,7 Milliarden Jahre später, ist die Urknall-Theorie trotz einiger Anfechtungen „auf dem Markt der kosmologischen Theorien“, wie es der franko-kanadische Astrophysiker Hubert Reeves charakterisiert, nach wie vor „die bei weitem beste Wahl“. Die Expansion des Raumes, die sich in der Rotverschiebung widerspiegelt und das „Echo“ des Urknalls, das sich in der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung verewigt hat, avancierten zu den beiden heiligen Säulen der Urknall-Theorie.
Doch seit einigen Jahren rüttelt ein deutscher Astrophysiker mit einem neuen Modell an den Festen der Kosmologie, das zwar die historische Dimension des Urknalls nicht in Frage stellt, jedoch der Urknallsingularität den Garaus macht. „Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) hat in punkto Anfangssingularität völlig versagt“, so der deutsche Astrophysiker Martin Bojowald. Einsteins Theorie ignoriere, dass die Konzentration der Materie und die Stärke der Gravitation durch die feine Quantenstruktur der Raumzeit begrenzt werde.
Bojowald, der an der Pennsylvania State University in den USA lehrt und forscht, wendet schon seit knapp zehn Jahren als erster seines Genres eine vergleichsweise neue Theorie auf den Urknall an. Der 36-jährige, von Boulevard-Gazetten längst als zweiter Einstein gefeiert, hat sein Theorie-Fundament auf die Schleifenquantengravitation (Loop-Theorie oder kurz Schleifengravitation) gebaut. Ein Modell, das bereits Ende der 1980er Jahre konzipiert und seither ständig verbessert wurde. Es teilt den Raum und die Zeit in kleinste Einheiten auf, in so genannte Raumzeit-Atome. Sie verhindern, dass das Universum im Urknall auf die Größe null schrumpft. Denn in Bojowalds modifiziertem Konzept hat es sich ausgeknallt mit dem Urknall. Einst als Anfang alles Seins gefeiert, degradiert der deutsche Theoretiker den Big Bang zum „Grenzfall“. Er sei bestenfalls eine Grenze, ein Übergangsstadium, sagt Bojowald.
Um hinter die Fassade des Urknalls zu blicken, nimmt Bojowald die Raumzeit mit Argusaugen unter die Lupe und versucht, ihre Feinstruktur präzise zu erfassen. Die Relativitätstheorie sei blind dafür, sagt er.
Dass für die Raumzeit in unserer Gedankenwelt überhaupt Raum ist, verdanken wir Albert Einstein. Zu einer Zeit, als Physiker den Raum noch als nicht-physikalisches Gebilde ansahen, der einfach und immer schon existent war, erkannte Einstein als Erster, dass die Raumzeit nicht bloß die Bühne lieferte, auf der das Drama des Universums abläuft, sondern selbst das Geschehen aktiv mitgestaltet.
Materielle Raumzeit-Quanten
In Bojowalds Konzept gewinnt die Einstein'sche Raumzeit sogar an deutlichen Konturen. Während bislang viele kosmologische Theorien die Raumzeit schlichtweg vernachlässigten, wertet Bojowald sie bewusst auf und beseelt sie sogar mit materiellen Bausteinen: den Raumzeit-Quanten. Laut Schleifengravitation existieren derlei Gebilde nicht wie normale Atome in einem bereits bestehenden Raum, sondern bilden ihn, bauen ihn auf, geben ihm Form, Struktur und Aussehen. „Stellen wir uns einfach zwei Punkte in einem Raum vor, die aufgrund des Fehlens von Raumzeit-Atomen zueinander eine Distanz von Null haben“, so Bojowald. „Fügen wir nun einige Raumzeit-Atome hin zu, vergrößert sich die Entfernung zwischen den beiden Punkten. Je mehr Raumzeit-Atome hinzu stoßen, desto größer wird die Distanz der Punkte zueinander.“ Auf diese Weise entsteht Raum.
Dabei ist das komplexe Gewebe der Raumzeit-Atome so dicht strukturiert, dass es wie ein Kontinuum wirkt. Mit einer Größe von nur 0,00000000000000000000000000000001 Millimeter (Planck-Länge) sind Raumzeit-Atome weitaus kleiner als ihre herkömmlichen materiellen Kollegen. Selbst das beste Elektronenmikroskop könnte ein einzelnes hypothetisches Raumzeit-Atom mitnichten auflösen. Direkt wird sich die atomar strukturierte Raumzeit also nicht nachweisen lassen; indirekt vielleicht schon, hofft Bojowald. „Wenn Raumzeit-Atome existieren, wird es nicht wie bei den materiellen Atomen Jahrhunderte dauern, Indizien dafür zu finden.“ Mit etwas Glück könnte der im Mai dieses Jahres erfolgreich gestartete ESA-Forschungssatellit Planck winzige Schwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung detektieren und daraus Informationen über die Quantengravitation extrahieren.
Da in der Schleifengravitation der Raum in Atome des Volumens unterteilt ist, kann der Raum nur endlich viel Materie und Energie speichern. Existieren wie bei einer Singularität sehr hohe Energiedichten, verändert die atomare Struktur der Raumzeit das Wesen der Schwerkraft. Und zwar dergestalt, dass sie abstoßend wird, ähnlich einem porenreichen, nassen Schwamm, der einmal voll gesogen, das überschüssige Wasser wieder abstößt. Übertragen auf den Beginn des Universums kann es in kosmischer Urzeit daher keine Anfangssingularität gegeben haben. Allenfalls besaß das frühe Universum eine sehr hohe, aber endliche und keineswegs unendliche Dichte. Auf einem Raumgebiet von der Größe eines Protons konzentrierten sich vor 13,7 Milliarden Jahren sage und schreibe eine Billion Sonnenmassen (Planck-Dichte). Als darauf hin die Gravitation ihre abstoßende Kraft entfachte, übernahm die Expansion des Raums die Regie.
Kosmos mit negativer Zeit
Da Bojowalds Modell keine Urknallsingularität erlaubt, fällt auch der starre Anfangspunkt weg, an dem der Zeitpfeil abgeschossen wurde. Astrophysiker nennen ihn Planck-Zeit. Sie definiert gemäß der Einstein'schen Relativitätstheorie den frühest möglichen Zeitpunkt der Welt (zehn hoch minus 43 Sekunden nach dem Urknall). Alles, was sich vor der Planck-Zeit jemals abgespielt hat, ist nach Ansicht vieler Wissenschaftler ein Buch mit „acht“ Siegeln.
Für Bojowald jedoch nicht. Er hält es für durchaus denkbar, dass unser Universum bereits vor dem Urknall existiert hat – und zwar als Spiegeluniversum in einer negativen, umgestülpten Zeitdimension. „Das Universum hatte keinen Anfang. Es existierte immer schon“, so Bojowald.
Wie sich bei seinen mehrjährigen Berechnungsmarathon herauskristallisierte, präsentierte sich das vorangegangene Universum als bizarre Welt mit negativer Zeit, in der der Kosmos nicht mehr expandiert, sondern kollabiert. Raum und Zeit sind demnach schon vor dem Urknall in der Welt; allerdings in einer verkehrten. „Der Raum wird praktisch in sich selbst umgestülpt. Das kann mit einem ideal kugelförmigen Luftballon veranschaulicht werden, aus dem die Luft entweicht. Übrig bleibt ein leerer Ballon, wobei alle Teile der Hülle aufeinander stoßen – wie in einer Singularität“, erläutert Bojowald. Dann werde sich der Ballon zwangsläufig wieder zu einer Kugel aufblähen, wobei die vorherigen Innenseiten nun außen seien.
Dieser Prozess kann zyklisch verlaufen, sich also für alle Ewigkeit wiederholen, vermutet der Astrophysiker. Der Urknall war daher eher eine Art Urprall. Mit Sicherheit aber war das Schattenuniversum dem Unsrigen ziemlich ähnlich. In ihm regierten die uns bekannten Naturgesetze mit genauso großer Strenge. Und in ihm flog auch ein artverwandter Zeitpfeil ins Ungewisse der Zukunft. Und in ihm fanden auch, glaubt Bojowald, intelligente Lebensformen eine Nische. „Ob diese aber wirklich die gleichen Theorien wie wir entwickeln, wage ich jedoch zu bezweifeln.“
Mit Bojowald befasst sich schon mal ein Wissenschaftler ganz konkret mit dieser Frage, aber da gibt es noch mehr:
Wissenschaft im Dialog (Archiv-Version vom 16.03.2013) » Was war vor dem Urknall? (Archiv-Version vom 02.02.2014)
Zu dieser Frage gibt es unterschiedliche Theorien. Nach der klassischen Urknall-Theorie (Big Bang) begann unser Universum mit dem Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren. In dem Moment entstanden auch Raum und Zeit. Nach dieser Theorie macht deshalb die Frage nach dem „Davor“ keinen Sinn. Neuere Theorien, die die Quantentheorie in die Überlegungen einbeziehen, gehen davon aus, dass es den Urknall im herkömmlichen Verständnis gar nicht gab und dass es vor unserem Universum bereits ein oder auch mehrere andere Universen gegeben hat.
Unser heutiges Universum expandiert, d.h. die Galaxien bewegen sich voneinander weg. Spult man nun die Geschichte des Weltalls gedanklich zurück, kommt man zu einem Punkt, in dem alle Masse und die Raumzeit in einem ausdehnungslosen Punkt vereinigt waren. Diesen Punkt nennen Physiker Singularität. Dichte und Raumkrümmung sind in diesem Punkt unendlich groß. Auch die Zeit endet an dieser Urknall-Singularität. Ein „Davor“ kann es folglich nicht geben. Dieses Szenario ist eine Konsequenz der Relativitätstheorie.
Die Einsteinsche Theorie reicht an dieser Stelle jedoch nicht mehr aus, die physikalischen Vorgänge zu beschreiben, denn sie berücksichtig nur die Gravitation, nicht aber die Quanteneffekte, die in der Nähe der Singularität eine Rolle gespielt haben. Vor einem ähnlichen Problem standen die Forscher als es darum ging, zu erklären, warum Atome stabil sind. Nach der klassischen Mechanik hätten die Elektronen ständig Energie verlieren und schließlich in den Kern stürzen müssen. Erst die Quantenmechanik, nach der Energie nicht in beliebigen sondern nur in diskreten Beträgen abgegeben wird, konnte die Stabilität erklären.
Um nun die physikalischen Prozesse am Beginn des Universums zu beschreiben, bemühen sich heute Physiker in aller Welt darum, die Quantentheorie mit der Relativitätstheorie zu vereinigen zu einer Theorie der Quantengravitation. Dafür gibt es unterschiedliche Modelle, von denen die so genannte Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation zu den derzeit favorisierten gehören. Allen diesen Theorien gemeinsam ist, dass sie durch Berücksichtigung von Quanteneffekten ausschließen, dass eine Singularität entsteht. Masse und Raumzeit waren auf ein winziges Volumen zusammengedrängt, aber nicht in einem ausdehnungslosen Punkt. Damit ist der Weg frei für die Hypothese, dass es vor unserem Universum bereits etwas gab.
In der Stringtheorie gibt es subatomare Fäden bzw. Saiten (englisch Strings), deren unterschiedliche Schwingungen unterschiedliche Materieteilchen repräsentieren. Ein Szenario vom Anfang der Welt, das auf der Stringtheorie basiert, geht davon aus, dass unser vierdimensionales Universum eine von vielen Branen (abgeleitet von Membran) und damit Teil eines höherdimensionalen Universums ist. Stoßen zwei solcher Branen zusammen, kommt es zum Urknall. Die Bewegungsenergie der Branen verwandelt sich in Materie und Strahlung. Der Zusammenstoß wäre damit der Beginn unseres vierdimensionalen Universums, nicht jedoch des höherdimensionalen Universums, dessen Teil es ist. Wie das höherdimensionale Universum entstanden ist bzw. ob es schon immer bestanden hat, darüber kann auch diese Theorie keine Aussage treffen.
Nach der Schleifen-Quantengravitation sind Raum und Zeit nicht kontinuierlich sondern bestehen aus diskreten Stückchen. Vor unserem Universum, so vermuten die Anhänger dieser Theorie, gab es bereits ein Universum mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften, das sich immer weiter zusammenzog bis zu einer winzig kleinen Ausdehnung. Anschließend expandierte es wieder. Demnach begann unser Universum mit einem Big Bounce – dem Großen Aufprall. Man kann sich diesen Prozess anhand eines Luftballons veranschaulichen, aus dem die Luft entweicht und somit das Volumen abnimmt, bis die Teile der Hülle aufeinander stoßen. Die Wände des Luftballons können sich durchdringen. Der Prozess des Zusammenziehens geht dann sozusagen mit umgekehrten Vorzeichen weiter. Aus Kontraktion wird Expansion, nur dass jetzt das, was vorher innen war, nun außen ist und umgekehrt. Das führte dazu, dass sich das Vorgängeruniversum in einigen Eigenschaften von unserem Universum unterscheidet. Erst kürzlich gelang es amerikanischen Forschern, die Existenz und die Eigenschaften dieses Vorgängeruniversums zu berechnen.
Noch basieren all diese Szenarien auf theoretischen Überlegungen, aber die Physiker hoffen, schon bald u.a. mit Hilfe von Gravitationswellendetektoren messbare Indizien für das eine oder andere Modell zu finden.
Die Frage wurde beantwortet von Prof. Thomas Thiemann vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam.
[emphasis mine]
Hier noch zwei Links zu Artikel über Bojowald:
Existierte das Universum bereits vor dem Urknall?
Kosmologie: was vor dem Urknall geschah.
Auch auf Wikipedia findet man etwas über Wikipedia: Martin Bojowald, und dort liest man, das er einiges Veröffentlicht hat, ein paar Preise eingeheimst und Physiker ist. Ganz sicher ist er aber kein Spinner und kein Theologe. Hier noch ein Artikel von ihm im Spektrum der Wissenschaft:
Der Ur-Sprung des Alls, Spektrum der Wissenschaft, Mai 2009, S. 26-32.
Damit sollte klar sein, die Frage, was war vor dem Urknall ist nicht „im besten Fall Religion“, sondern gehört in die Physik, sie wird dort gestellt, man modelliert dazu eine Theorie, und es wird auch möglich sein, später diese Theorie zu prüfen. Die Wissenschaft stellt natürlich auch die Frage, was war vor dem Urknall, ganz sicher gibt es da kein „Punkt. Aus.“, das gab es in der Wissenschaft noch nie, und wird es hoffentlich auch nie gegeben.
Es fängt immer mit einer Frage an, dann wird spekuliert, dann folgen Hypothesen und darauf dann Theorien. Das ist hier auch nicht anders.
Und nun kommst Du.
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Die Frage wurde in einem anderen Thread aufgeworfen, dort aber nicht Thema. Darum mache ich mal hier einen neuen Thread zu auf, die Aussage lautet:
@Cricetus
Gott oder/und Evolution » Cricetus » hat Sonntag, 23.03.2013, 16:18 geschrieben:
Mit unseren heutigen Methoden gibt es aber keine Möglichkeit das davor zu erkunden. Punkt. Aus. Wir brauchen dafür andere Methoden, aber solange wir die nicht haben, ist jede Vermutung was davor war nicht mehr als eine Vermutung. Eben keine Theorie, keine Physik, sondern bestenfalls Religion.
[emphasis mine]
Ich sage mal große Worte, und bestreite diese Aussage. Bester ist das, sonst macht ein Disput auch keinen Spaß. Nein, mal ganz konkret, ich halte das für falsch und werde auch meine Meinung hier begründen, und bin gespannt, wie andere hier im Forum das sehen. Nebenbei werde ich ein paar echte Physiker in meinem Forum dazu befragen.
Dann zur Sache „Punkt. Aus.“ ist kein Argument, sondern ein Armutszeugnis, die Offenbarung keine Argumente zu haben, der Versuch sich einen Dialog zu entziehen. Im Sinne, es ist so wie ich sage, ich habe Recht, da gibt es nichts zu rütteln, und nun schweige. Solche gute Rhetorik kenne ich sonst nur von Vertretern der Kritik, den Cranks eben. Das mal vorab zu „Punkt. Aus.“.
Nun dann mal Fakten, wie stellt sich die Wissenschaft der Frage, was war vor dem Urknall und stellt sie sich dieser überhaupt?
Ja sie tut es, und man wird es nicht glauben, darüber wird an Universitäten gesprochen, nicht in Kirchen, und es sind Wissenschaftler, eben Physiker und Kosmologen die sich dieser Frage sehr ernsthaft annehmen und nicht Theologen. Schauen wir also mal, wenn wir da so haben, und was da so zu gesagt wird, zum Einstieg und Übersicht mal ein PDF, man achte, es findet sich auf der Domain der Universität Frankfurt:
Vor dem Urknall (Archiv-Version vom 27.02.2012)
Dann mal ein paar Beiträge im Zitat, zum Teil auch nur auszugsweise:
Telepolis » Wissenschaft » Harald Zaun (Archiv-Version vom 14.02.2013) » hat Samstag, 27.06.2009 geschrieben » Der Zeitpfeil vor dem Urknall
Der deutsche Astrophysiker Martin Bojowald wagt den Sprung zurück zum Ursprung des Universums – und in die Zeit davor
Gab es vor dem „Big Bang“ Zeit und Raum, oder regierte das Nichts? Hat es unsere Welt schon einmal gegeben?
Martin Bojowald versucht diese Frage mit der von ihm weiterentwickelten Schleifengravitation-Theorie zu beantworten, in der Raumzeit-Atome den Raum aufbauen. Bojowald (geb. 1973) hat nach dem Studium am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam gearbeitet und ist nun Assistant Professor an der Penn State University (USA). In seinem unlängst erschienenen Buch „Zurück vor dem Urknall“ stellt er seine These detailliert vor, von der er selbst sagt: „Genau genommen verstehe ich die Theorie der Schleifengravitation selbst noch nicht so ganz.“
Irgendwann zu keinem Zeitpunkt und irgendwo an keinem bestimmten Ort öffnete sich der Vorhang zum ersten Akt des größten kosmischen Dramas aller Zeiten. Es war eine Premiere ohne Generalprobe, die kein Zuschauer sehen, kein Auditorium hören und kein Chronist protokollieren konnte: eine gewaltige Ouvertüre eines grandiosen Schauspiels. Als sich der Urknall (engl.: Big Bang) vor ungefähr 13,7 Milliarden Jahren völlig lautlos und absolut lichtfrei in Szene setzte, befreiten sich Raum, Zeit und Materie aus einem unendlich heißen und dichten Punkt: der Urknall-Singularität. Binnen einer Quintillionstel (Zahl mit 30 Nullen nach dem Komma) Sekunde blähte sich der Raum weit über die Größe des heute beobachtbaren Universums auf. Seitdem expandiert das Universum – mit zunehmender Geschwindigkeit.
ART hat versagt
Heute, 13,7 Milliarden Jahre später, ist die Urknall-Theorie trotz einiger Anfechtungen „auf dem Markt der kosmologischen Theorien“, wie es der franko-kanadische Astrophysiker Hubert Reeves charakterisiert, nach wie vor „die bei weitem beste Wahl“. Die Expansion des Raumes, die sich in der Rotverschiebung widerspiegelt und das „Echo“ des Urknalls, das sich in der Mikrowellen-Hintergrundstrahlung verewigt hat, avancierten zu den beiden heiligen Säulen der Urknall-Theorie.
Doch seit einigen Jahren rüttelt ein deutscher Astrophysiker mit einem neuen Modell an den Festen der Kosmologie, das zwar die historische Dimension des Urknalls nicht in Frage stellt, jedoch der Urknallsingularität den Garaus macht. „Die Allgemeine Relativitätstheorie (ART) hat in punkto Anfangssingularität völlig versagt“, so der deutsche Astrophysiker Martin Bojowald. Einsteins Theorie ignoriere, dass die Konzentration der Materie und die Stärke der Gravitation durch die feine Quantenstruktur der Raumzeit begrenzt werde.
Bojowald, der an der Pennsylvania State University in den USA lehrt und forscht, wendet schon seit knapp zehn Jahren als erster seines Genres eine vergleichsweise neue Theorie auf den Urknall an. Der 36-jährige, von Boulevard-Gazetten längst als zweiter Einstein gefeiert, hat sein Theorie-Fundament auf die Schleifenquantengravitation (Loop-Theorie oder kurz Schleifengravitation) gebaut. Ein Modell, das bereits Ende der 1980er Jahre konzipiert und seither ständig verbessert wurde. Es teilt den Raum und die Zeit in kleinste Einheiten auf, in so genannte Raumzeit-Atome. Sie verhindern, dass das Universum im Urknall auf die Größe null schrumpft. Denn in Bojowalds modifiziertem Konzept hat es sich ausgeknallt mit dem Urknall. Einst als Anfang alles Seins gefeiert, degradiert der deutsche Theoretiker den Big Bang zum „Grenzfall“. Er sei bestenfalls eine Grenze, ein Übergangsstadium, sagt Bojowald.
Um hinter die Fassade des Urknalls zu blicken, nimmt Bojowald die Raumzeit mit Argusaugen unter die Lupe und versucht, ihre Feinstruktur präzise zu erfassen. Die Relativitätstheorie sei blind dafür, sagt er.
Dass für die Raumzeit in unserer Gedankenwelt überhaupt Raum ist, verdanken wir Albert Einstein. Zu einer Zeit, als Physiker den Raum noch als nicht-physikalisches Gebilde ansahen, der einfach und immer schon existent war, erkannte Einstein als Erster, dass die Raumzeit nicht bloß die Bühne lieferte, auf der das Drama des Universums abläuft, sondern selbst das Geschehen aktiv mitgestaltet.
Materielle Raumzeit-Quanten
In Bojowalds Konzept gewinnt die Einstein'sche Raumzeit sogar an deutlichen Konturen. Während bislang viele kosmologische Theorien die Raumzeit schlichtweg vernachlässigten, wertet Bojowald sie bewusst auf und beseelt sie sogar mit materiellen Bausteinen: den Raumzeit-Quanten. Laut Schleifengravitation existieren derlei Gebilde nicht wie normale Atome in einem bereits bestehenden Raum, sondern bilden ihn, bauen ihn auf, geben ihm Form, Struktur und Aussehen. „Stellen wir uns einfach zwei Punkte in einem Raum vor, die aufgrund des Fehlens von Raumzeit-Atomen zueinander eine Distanz von Null haben“, so Bojowald. „Fügen wir nun einige Raumzeit-Atome hin zu, vergrößert sich die Entfernung zwischen den beiden Punkten. Je mehr Raumzeit-Atome hinzu stoßen, desto größer wird die Distanz der Punkte zueinander.“ Auf diese Weise entsteht Raum.
Dabei ist das komplexe Gewebe der Raumzeit-Atome so dicht strukturiert, dass es wie ein Kontinuum wirkt. Mit einer Größe von nur 0,00000000000000000000000000000001 Millimeter (Planck-Länge) sind Raumzeit-Atome weitaus kleiner als ihre herkömmlichen materiellen Kollegen. Selbst das beste Elektronenmikroskop könnte ein einzelnes hypothetisches Raumzeit-Atom mitnichten auflösen. Direkt wird sich die atomar strukturierte Raumzeit also nicht nachweisen lassen; indirekt vielleicht schon, hofft Bojowald. „Wenn Raumzeit-Atome existieren, wird es nicht wie bei den materiellen Atomen Jahrhunderte dauern, Indizien dafür zu finden.“ Mit etwas Glück könnte der im Mai dieses Jahres erfolgreich gestartete ESA-Forschungssatellit Planck winzige Schwankungen in der kosmischen Hintergrundstrahlung detektieren und daraus Informationen über die Quantengravitation extrahieren.
Da in der Schleifengravitation der Raum in Atome des Volumens unterteilt ist, kann der Raum nur endlich viel Materie und Energie speichern. Existieren wie bei einer Singularität sehr hohe Energiedichten, verändert die atomare Struktur der Raumzeit das Wesen der Schwerkraft. Und zwar dergestalt, dass sie abstoßend wird, ähnlich einem porenreichen, nassen Schwamm, der einmal voll gesogen, das überschüssige Wasser wieder abstößt. Übertragen auf den Beginn des Universums kann es in kosmischer Urzeit daher keine Anfangssingularität gegeben haben. Allenfalls besaß das frühe Universum eine sehr hohe, aber endliche und keineswegs unendliche Dichte. Auf einem Raumgebiet von der Größe eines Protons konzentrierten sich vor 13,7 Milliarden Jahren sage und schreibe eine Billion Sonnenmassen (Planck-Dichte). Als darauf hin die Gravitation ihre abstoßende Kraft entfachte, übernahm die Expansion des Raums die Regie.
Kosmos mit negativer Zeit
Da Bojowalds Modell keine Urknallsingularität erlaubt, fällt auch der starre Anfangspunkt weg, an dem der Zeitpfeil abgeschossen wurde. Astrophysiker nennen ihn Planck-Zeit. Sie definiert gemäß der Einstein'schen Relativitätstheorie den frühest möglichen Zeitpunkt der Welt (zehn hoch minus 43 Sekunden nach dem Urknall). Alles, was sich vor der Planck-Zeit jemals abgespielt hat, ist nach Ansicht vieler Wissenschaftler ein Buch mit „acht“ Siegeln.
Für Bojowald jedoch nicht. Er hält es für durchaus denkbar, dass unser Universum bereits vor dem Urknall existiert hat – und zwar als Spiegeluniversum in einer negativen, umgestülpten Zeitdimension. „Das Universum hatte keinen Anfang. Es existierte immer schon“, so Bojowald.
Wie sich bei seinen mehrjährigen Berechnungsmarathon herauskristallisierte, präsentierte sich das vorangegangene Universum als bizarre Welt mit negativer Zeit, in der der Kosmos nicht mehr expandiert, sondern kollabiert. Raum und Zeit sind demnach schon vor dem Urknall in der Welt; allerdings in einer verkehrten. „Der Raum wird praktisch in sich selbst umgestülpt. Das kann mit einem ideal kugelförmigen Luftballon veranschaulicht werden, aus dem die Luft entweicht. Übrig bleibt ein leerer Ballon, wobei alle Teile der Hülle aufeinander stoßen – wie in einer Singularität“, erläutert Bojowald. Dann werde sich der Ballon zwangsläufig wieder zu einer Kugel aufblähen, wobei die vorherigen Innenseiten nun außen seien.
Dieser Prozess kann zyklisch verlaufen, sich also für alle Ewigkeit wiederholen, vermutet der Astrophysiker. Der Urknall war daher eher eine Art Urprall. Mit Sicherheit aber war das Schattenuniversum dem Unsrigen ziemlich ähnlich. In ihm regierten die uns bekannten Naturgesetze mit genauso großer Strenge. Und in ihm flog auch ein artverwandter Zeitpfeil ins Ungewisse der Zukunft. Und in ihm fanden auch, glaubt Bojowald, intelligente Lebensformen eine Nische. „Ob diese aber wirklich die gleichen Theorien wie wir entwickeln, wage ich jedoch zu bezweifeln.“
Mit Bojowald befasst sich schon mal ein Wissenschaftler ganz konkret mit dieser Frage, aber da gibt es noch mehr:
Wissenschaft im Dialog (Archiv-Version vom 16.03.2013) » Was war vor dem Urknall? (Archiv-Version vom 02.02.2014)
Zu dieser Frage gibt es unterschiedliche Theorien. Nach der klassischen Urknall-Theorie (Big Bang) begann unser Universum mit dem Urknall vor ca. 13,7 Milliarden Jahren. In dem Moment entstanden auch Raum und Zeit. Nach dieser Theorie macht deshalb die Frage nach dem „Davor“ keinen Sinn. Neuere Theorien, die die Quantentheorie in die Überlegungen einbeziehen, gehen davon aus, dass es den Urknall im herkömmlichen Verständnis gar nicht gab und dass es vor unserem Universum bereits ein oder auch mehrere andere Universen gegeben hat.
Unser heutiges Universum expandiert, d.h. die Galaxien bewegen sich voneinander weg. Spult man nun die Geschichte des Weltalls gedanklich zurück, kommt man zu einem Punkt, in dem alle Masse und die Raumzeit in einem ausdehnungslosen Punkt vereinigt waren. Diesen Punkt nennen Physiker Singularität. Dichte und Raumkrümmung sind in diesem Punkt unendlich groß. Auch die Zeit endet an dieser Urknall-Singularität. Ein „Davor“ kann es folglich nicht geben. Dieses Szenario ist eine Konsequenz der Relativitätstheorie.
Die Einsteinsche Theorie reicht an dieser Stelle jedoch nicht mehr aus, die physikalischen Vorgänge zu beschreiben, denn sie berücksichtig nur die Gravitation, nicht aber die Quanteneffekte, die in der Nähe der Singularität eine Rolle gespielt haben. Vor einem ähnlichen Problem standen die Forscher als es darum ging, zu erklären, warum Atome stabil sind. Nach der klassischen Mechanik hätten die Elektronen ständig Energie verlieren und schließlich in den Kern stürzen müssen. Erst die Quantenmechanik, nach der Energie nicht in beliebigen sondern nur in diskreten Beträgen abgegeben wird, konnte die Stabilität erklären.
Um nun die physikalischen Prozesse am Beginn des Universums zu beschreiben, bemühen sich heute Physiker in aller Welt darum, die Quantentheorie mit der Relativitätstheorie zu vereinigen zu einer Theorie der Quantengravitation. Dafür gibt es unterschiedliche Modelle, von denen die so genannte Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation zu den derzeit favorisierten gehören. Allen diesen Theorien gemeinsam ist, dass sie durch Berücksichtigung von Quanteneffekten ausschließen, dass eine Singularität entsteht. Masse und Raumzeit waren auf ein winziges Volumen zusammengedrängt, aber nicht in einem ausdehnungslosen Punkt. Damit ist der Weg frei für die Hypothese, dass es vor unserem Universum bereits etwas gab.
In der Stringtheorie gibt es subatomare Fäden bzw. Saiten (englisch Strings), deren unterschiedliche Schwingungen unterschiedliche Materieteilchen repräsentieren. Ein Szenario vom Anfang der Welt, das auf der Stringtheorie basiert, geht davon aus, dass unser vierdimensionales Universum eine von vielen Branen (abgeleitet von Membran) und damit Teil eines höherdimensionalen Universums ist. Stoßen zwei solcher Branen zusammen, kommt es zum Urknall. Die Bewegungsenergie der Branen verwandelt sich in Materie und Strahlung. Der Zusammenstoß wäre damit der Beginn unseres vierdimensionalen Universums, nicht jedoch des höherdimensionalen Universums, dessen Teil es ist. Wie das höherdimensionale Universum entstanden ist bzw. ob es schon immer bestanden hat, darüber kann auch diese Theorie keine Aussage treffen.
Nach der Schleifen-Quantengravitation sind Raum und Zeit nicht kontinuierlich sondern bestehen aus diskreten Stückchen. Vor unserem Universum, so vermuten die Anhänger dieser Theorie, gab es bereits ein Universum mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften, das sich immer weiter zusammenzog bis zu einer winzig kleinen Ausdehnung. Anschließend expandierte es wieder. Demnach begann unser Universum mit einem Big Bounce – dem Großen Aufprall. Man kann sich diesen Prozess anhand eines Luftballons veranschaulichen, aus dem die Luft entweicht und somit das Volumen abnimmt, bis die Teile der Hülle aufeinander stoßen. Die Wände des Luftballons können sich durchdringen. Der Prozess des Zusammenziehens geht dann sozusagen mit umgekehrten Vorzeichen weiter. Aus Kontraktion wird Expansion, nur dass jetzt das, was vorher innen war, nun außen ist und umgekehrt. Das führte dazu, dass sich das Vorgängeruniversum in einigen Eigenschaften von unserem Universum unterscheidet. Erst kürzlich gelang es amerikanischen Forschern, die Existenz und die Eigenschaften dieses Vorgängeruniversums zu berechnen.
Noch basieren all diese Szenarien auf theoretischen Überlegungen, aber die Physiker hoffen, schon bald u.a. mit Hilfe von Gravitationswellendetektoren messbare Indizien für das eine oder andere Modell zu finden.
Die Frage wurde beantwortet von Prof. Thomas Thiemann vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam.
[emphasis mine]
Hier noch zwei Links zu Artikel über Bojowald:
Existierte das Universum bereits vor dem Urknall?
Kosmologie: was vor dem Urknall geschah.
Auch auf Wikipedia findet man etwas über Wikipedia: Martin Bojowald, und dort liest man, das er einiges Veröffentlicht hat, ein paar Preise eingeheimst und Physiker ist. Ganz sicher ist er aber kein Spinner und kein Theologe. Hier noch ein Artikel von ihm im Spektrum der Wissenschaft:
Der Ur-Sprung des Alls, Spektrum der Wissenschaft, Mai 2009, S. 26-32.
Damit sollte klar sein, die Frage, was war vor dem Urknall ist nicht „im besten Fall Religion“, sondern gehört in die Physik, sie wird dort gestellt, man modelliert dazu eine Theorie, und es wird auch möglich sein, später diese Theorie zu prüfen. Die Wissenschaft stellt natürlich auch die Frage, was war vor dem Urknall, ganz sicher gibt es da kein „Punkt. Aus.“, das gab es in der Wissenschaft noch nie, und wird es hoffentlich auch nie gegeben.
Es fängt immer mit einer Frage an, dann wird spekuliert, dann folgen Hypothesen und darauf dann Theorien. Das ist hier auch nicht anders.
Und nun kommst Du.
