Wie sah das Universum vor dem Urknall aus?

Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass ein neues Modell des Universums, das zwischen endloser Expansion und Kollaps schwankt, noch immer einen Anfang braucht.

Das Modell des hüpfenden Universums löst das Problem der Singularitäten, hat aber auch seine eigenen Mängel. (Bildquelle: NASA/WMAP Science Team/Robert)

Neue Forschungsergebnisse, die auf dem Konzept eines zyklischen Universums basieren, das einem unendlichen Wechsel von Expansion und Kontraktion unterliegt (bekannt als Modell des „springenden Universums“), weisen auf ein beunruhigendes Problem im Zusammenhang mit seiner Existenz hin.

Das Modell des hüpfenden Universums geht davon aus, dass das Universum keinen Anfang hat. Damit wird ein Problem gelöst, das die Urknalltheorie nicht erklären kann: nämlich was in der Zeit zwischen der Singularität und dem Beginn der schnellen Expansion des Universums geschah.

Die Forscher der University at Buffalo sagen, dass das neue Modell des hüpfenden Universums versucht, das Entropieproblem zu lösen – ein Maß für die nicht verfügbare Energie im Universum, die nur zunehmen kann –, aber es leidet unter den gleichen Mängeln wie zuvor vorgeschlagene Modelle der endlosen Expansion und Kontraktion. Es erfordert immer noch, dass das Universum einen Anfang hatte.

Will Kinney, Physiker an der Universität Buffalo, sagte: „Es gibt Theorien über hüpfende Universen, die dem Universum erlauben würden, unendlich weit in die Vergangenheit zurückzureichen. Doch wir sehen, dass eines der neuesten Modelle dieser Art keinen Sinn ergibt. Auch wenn das Universum Zyklen hat, muss dieses neueste Modell zur Lösung des Entropieproblems einen Anfang haben.“

Die allgemein akzeptierte Theorie über den Ursprung des Universums wird als Theorie der „kosmischen Inflation“ bezeichnet. Die Theorie geht davon aus, dass vor Anbeginn der Zeit die gesamte Energie des Universums in einer Singularität (einem infinitesimalen Punkt, der physikalisch nicht beschrieben werden kann) enthalten war.

Die Singularität verschwand nach der Phase extrem schneller Expansion, die die Urknalltheorie voraussetzt. Danach begann sich das Universum auszudehnen und abzukühlen, was zur Bildung von Materie führte – zunächst Wasserstoffatomen, dann schweren Elementen und schließlich Sternen und Galaxien.

Das Problem besteht darin, dass die Urknalltheorie zwar die Struktur des Universums vom Bruchteil einer Sekunde nach der Explosion bis zu der Struktur erklären kann, die wir heute, 13,8 Milliarden Jahre später, sehen. Sie kann jedoch nicht die Situation von der Singularität bis zum Beginn dieser Expansion erklären, und auch nicht, was die Expansion verursacht hat.

Eine Illustration der Ausdehnung des Universums. (Quelle: Getty Images)

Die Theorie des hüpfenden Universums beseitigt dieses Problem. In dieser Theorie gibt es keinen Anfang, da sich Perioden der Expansion und Kontraktion unendlich abwechseln. Daher besteht auch keine Notwendigkeit zu erklären, was vor dem Anfang geschah. Das Universum wird eine Expansion erfahren, die der im kosmischen Inflationsmodell vorgeschlagenen ähnelt, dann aber in Form eines „großen Kollapses“ wieder zusammenbricht.

Daher beginnt jede neue Expansionsperiode mit einem Zusammenbruch des vorherigen Zyklus und nicht mit einer Singularität. Kinney glaubt jedoch, dass die Theorie des hüpfenden Universums ihre eigenen Mängel hat.

Leider werden diese zyklischen Modelle seit fast hundert Jahren abgelehnt, da das Universum mit der Zeit ungeordnet wird oder die Entropie zunimmt, sodass sich jeder Zyklus vom vorherigen unterscheidet. Es ist nicht wirklich zyklisch, und die neuesten zyklischen Modelle, die rund um das Problem der Entropiezunahme vorgeschlagen wurden, legen nahe, dass die Entropie des Universums nach jedem Expansionszyklus ein wenig abnimmt.

Kinney sagte, dieses neue Modell des hüpfenden Universums versuche, alles zu dehnen, um kosmische Strukturen wie schwarze Löcher loszuwerden und so das Universum in seinen ursprünglichen homogenen Zustand zurückzubringen, bevor ein neuer Zyklus beginnt.

Diese Hypothese könnte auf der Grundlage eines schlagenden Universums existieren. „Wir können sehen, dass wir bei der Lösung des Entropieproblems bereits angenommen haben, dass das Universum einen Anfang hatte, und unser Argument zeigt, dass im Allgemeinen jedes zyklische Modell, das Entropie durch Expansion entfernt, einen Anfang haben muss“, sagte er. „Aber unser Argument lässt sich nicht auf das von Roger Penrose vorgeschlagene zyklische Modell anwenden, in dem sich das Universum in jedem Zyklus unendlich ausdehnt, also auf das Modell, das wir untersuchen.“

Kinneys Partnerin ist Nina Stein, Physik-Doktorandin der UB. Sie hebt das Problem hervor, auf das das Duo bei der Untersuchung des hüpfenden Universums stößt: „Es gibt einen Zeitpunkt, an dem es vorher nichts gab, keine Zeit, kein Wir, und wir möchten wissen, was vor diesem Zeitpunkt passiert ist“ – wie alle Wissenschaftler.

Aber soweit wir wissen, muss es in allen Modellen des Universums, die Entropie beinhalten, einen „Anfang“ geben. Es gibt immer eine Frage, die niemand beantworten kann. z. B. „Was ist vorher passiert?“

Dies bedeutet, dass die Frage, was vor der Entstehung des Universums und der Zeit existierte, bis heute ein Rätsel bleibt und unter Kosmologen auch in der kommenden Zeit heiß diskutiert werden wird.

„Es gibt viele Gründe, neugierig auf das frühe Universum zu sein, aber mein Lieblingsgrund ist, dass es eine natürliche menschliche Neigung ist, wissen zu wollen, was passiert ist“, sagte Stein. „Im Laufe der Menschheitsgeschichte und Kultur haben die Menschen immer wieder Geschichten über den Beginn des Universums erzählt. Wir wollten schon immer wissen, woher wir kommen.“

Die Ergebnisse von Kinney und Stein werden in einem Artikel diskutiert, der in der Juni-Ausgabe des Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht wurde.

VON: Robert Lea

FY: Alle möglichen Dinge

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