Wie unser Universum Entstanden sein Könnte

Es gibt drei neue Theorien wie unser Universum entstanden sein könnte, diese will ich heute hier vorstellen: die Theorien No-Boundary, Big Bounce und das gespiegelte Universum. Alle drei sind sie sehr interessant, aber wir werden wohl nie in der Lage sein herauszufinden wie genau unser Universum entstanden ist.

In diesem Blogeintrag werde ich größere Textauszüge aus dem Magazin „Spektrum der Wissenschaft – Wie entstand das Universum?“ (05.26) nehmen, dort werden die Theorien nämlich wunderbar erklärt. Und vielleicht animiere ich den einen oder die andere diese Ausgabe zu kaufen. Es geht dabei um den Artikel „Wie alles begann“ (S. 18-22), verfasst wurde der Artikel von Sarah Scoles die Wissenschaftsjournalistin in Colorado, USA, ist.
Der Text wurde von Manon Bischoff übersetzt.
Originaltitel: „What came before the big bang?“ (Scientific American, 2026).

Das Magazin hat insgesamt 82 Seiten und kostet €9,80. Die Sektionen „Forschung Aktuell“ und „Spektogramm“ finde ich auch immer sehr faszinierend!
In der Schweiz sind es 14,80 CH, in Österreich der gleiche Preis wie in Deutschland.

Wie unser Universum entstanden sein könnte

Das No-Boundary Proposal oder Hartle-Hawking Proposal

Die erste Theorie stammt von James Hartle (17. August, 1939 – 17. Mai, 2023) und Stephen Hawking (8. Januar, 1942 – 14. März, 2018). Im „No-boundary proposal“ werden die Prinzipien der Quantenmechanik auf den Urknall angewendet. Statt eines anfanges, also einen Zeitpunkt wo Raum und Zeit begannen, bilden Raum und Zeit eine geschlossene Oberfläche in Form einer vierdimensionalen Raumzeit-Halbkugel.
Im Grunde können Sie es sich als eine Erdkugel vorstellen, wobei der Urknall der Nordpol ist. Ein „Vorher“ gibt es nicht, ebenso wie es nichts nördlicheres gibt.

Textauszug

[..] In der Kosmologie kenne wir das Ergebnis: das Universum, wie es heute aussieht. „Die Frage ist: Was ist der Ursprungszustand?“, sagt Jean-Luc Lehners, ehemaliger Leiter der Gruppe für Theoretische Kosmologie am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam. Anstatt das Problem direkt vollständig zu lösen, können Physiker und Physikerinnen es in kleinere Stücke unterteilen. Sie betrachten zunächst das heutige Universum als Ergebnis und versuchen herauszufinden, aus welchem Zustand es sich entwickelt haben könnte – dieser muss gar nicht so weit in der Vergangenheit liegen.
Dann können die Fachleute einen Schritt weiter in die Vergangenheit gehen, indem sie diesen Zustand als neues Ergebnis betrachten und bestimmen, welche Bedinungen früher im Universum ihn hervorgebracht haben könnten, und so weiter. Im Prinzip lässt sich das unendlich oft wiederholen, sodass man sich Schritt für Schritt einem Ursprungszustand des Universums nähert.

Diese unendliche Regression ergab jedoch für die Physiker Stephen Hawking und James Hartle, die sich in den 1980er-Jahren gemeinsam mit dem Thema beschäftigten, keinen Sinn. Sie beschlossen, die ultimative Eingabe des Universums, seinen „Anfang“ zu eliminieren. Stattdessen entwickelten sie das „no-boundary proposal“. Bei diesem Modell des Kosmos schlugen sie vor, dass Zeit und Raum eine abgeschlossene Oberfläche bilden: eine vierdimensionale Raumzeit-Halbkugel.
Auch wenn unsere Vorstellungskraft bei vier Dimensionalen versagt, kann man ein vereinfachtes Bild der Situation heranziehen. Dafür stellt man sich die Zeitentwicklung des Universums als eine Art Erdkugel vor. Der Urknall markiert dabei den Nordpol. In diesem Fall gibt es kein „Vorher“, genauso wie es keinen Ort nördlich des Nordpols gibt.
Das „Vorher“ wird als Konzept irrelevant. Jean-Luc Lehners zieht diese Idee in seinen Berechnungen heran und untersucht, ob sich das Universum, wie wir es heute sehen, aus einem solchen sphärischen Modell erschaffen lässt.

„Die No-boundary-Theorie findet in der Physikcommunity recht viel Unterstützung oder zumindest Interesse“, sagt Sean Carroll, Professor für Naturphilosophie an der Johns Hopkins University. Auch wenn einige Fachleute Bedenken hinsichtlich der Präzision dieser Idee haben, hält Carroll sie angesichts des derzeitigen Wissens über Quantentheorie für einen „natürlichen Ausgangspunkt“.
(vgl. s. Seite 20-21)

Der Big Bounce oder Urprall

Die Urprall-Theorie wurde von dem Physiker Paul Steinhardt (*25. Dezember, 1952) von der Princeton University entwickelt. Zuvor hat er maßgeblich bei der Inflationstheorie mitgewirkt, nach der die Raumzeit nach dem Urknall für eine sehr kurze Zeit sich rasant ausgedehnt hat. Jedoch zweifelte er bald daran, weil man das Konzept ständig anpassen musste an kosmologische Messungen. Für ihn war es ein Zeichen, das sinkende Schiff – oder wie er es formuliert hat: die sinkende Titanic – zu verlassen.

Seiner Theorie nach ist unser Universum einem Zyklus unterworfen: das Universum dehnt sich aus, wie es momentan zu sein scheint, und zieht sich dann wieder zusammen bis es wieder von vorn mit der Expansion beginnt. Dabei fällt es aber nicht komplett in eine Singularität zurück, sondern schrumpft auf einen Bruchteil seiner heutigen Größe und behält eine endliche Ausdehnung. Als Big Bounce wird der schnelle Übergang zwischen Kontraktion und Expansion bezeichnet.

Textauszug

[…] Nachdem Steinhardt diese Theorie [Inflationstheorie des Universum] mitbegründet hatte, kamen ihm Zweifel. Unter anderem, weil man das Konzept ständig anpassen musste, damit es zu den kosmologischen Messungen passte. „Es ist wirklich schwer, ein historisches Beispiel zu finden, bei dem ein solches Vorgehen tatsächlich zur richtigen Antwort geführt hat“, sagt Steinhardt. „Es ist fast immer ein Zeichen dafür, dass die Titanic sinkt.“ Er hielt die Zeit für reif, in ein Rettungsboot zu stein.

Also entwickelte er die Idee eines zyklischen Universums: eines, das sich ausdehnt, wie es unser Kosmos derzeit zu tun scheint, sich dann ein weig zusammenzieht und schließlich wieder von vorn mit der Expansion beginnt.
„Wenn Menschen an schrumpfende Universen denken, denken sie meist an einen völligen Kollaps“, erklärt Steinhardt. In seiner Vorstellung fällt der Kosmos allerdings nicht wieder zu einem unendlich kleinen Punkt zusammen. In Steinhardts Theorie reduziert sich das Universum zwar auf einen Bruchteil seiner Größe, behält aber dabei stets eine endliche Ausdehnung. Laut dieser Theorie ist das, was wie ein Urknall aussieht, in Wirklichkeit ein „Urprall“. Der schnelle Übergang zwischen Kontraktion und Expansion wird daher als „Big Bounce“ bezeichnet. Diese Dynamik glättet den Kosmos auf eine Weise, die nicht mit der Inflation erklärbar ist, sagt Steinhardt, und erzeugt so ein Universum, das flach und in alle Richtungen gleich erscheint.
Steinhardt möchte diese Idee nicht nur mit den zugänglichen Daten aus der Vergangenheit überprüfen, sondern auch durch die Erfassung der Gegenwart und die sorgfältige Beobachtung der Zukunft. „Das wird zeigen, dass die derzeitige Phase der beschleunigten Expansion nicht ewig andauern kann“, erklärt Steinhardt. „Sie muss enden.“ Diese Idee werfe wiederum eine neue Frage auf: „Könnte sie bereits jetzt zu Ende sein?“

Unsere Messungen darüber, wie sich das Universum ausdehnt, stammen von weit entfernten Objekten, die ihr Licht vor langer Zeit ausgestrahlt haben. Die Umstände könnten sich in der Zwischenzeit geändert haben – wir wissen es vielleicht nur noch nicht, weil es so schwer ist, die Auswirkungen zu messen. „Wir müssen Objekte in unmittelbarer Nähe betrachten, um dies festzustellen“, sagt Steinhardt. Das sei jedoch nicht die Stärke von Kosmologen. Sie müssten neue Techniken und Instrumente entwickeln, um nach solchen nahe gelegenen Effekten zu suchen.
Besonders faszinierend ist laut Steinhardt, dass dem Raum während des Übergangs von Kontraktion zu Expansion „nichts Schlimmes passiert“. Informationen – sogar Objekte wie Schwarze Löcher – von der Zeit vor dem Big Bounce könnten auf einen Zeitpunkt danach übertragen werden. „Es mag Dinge in unserem beobachtbaren Universum geben, die aus der Zeit ‚davor‘ stammen“, sagt er. Wir sollten also die Augen offenhalten.
(vgl. s. Seite 21)

Das gespiegelte Universum oder CPT-symmetrisches Universum

Der Physiker Latham Boyle vom Higgs Center for Theoretical Physics der University of Edinburgh, der einst der Doktorand von Steinhardt war, hat eine andere Theorie.
Sein Konzept kommt ebenfalls ohne die kosmische Phase der Inflation aus.
Laut seiner Theorie gibt es ein Universum nach dem Urknall und ein Universum vor dem Urknall, in einem geht die Zeit vorwärts und in dem anderen rückwärts. Bei uns gibt es Materie, im anderen Universum gibt es Antimaterie. Wenn hier links links ist, dann ist dort links rechts. Dabei stützt sich Boyle auf die CPT-Symmetrie: würde man in einer Reaktion die Teilchen durch Antiteilchen ersetzen, sie durch einen Spiegel betrachten und rückwärts in die Zeit schauen dann liefe die Reaktion genauso ab.

Was hier beschrieben wird ist eine grundlegende Eigenschaft der Quantenfeldtheorie.
Hierbei steht das CPT für charge, parity und time (= Ladung, Parität und Zeit). Dieses fundamentale physikalische Gesetz wurde im Jahr 1955 von Wolfgang Pauli (25. April, 1900 – 15. Dezember, 1958) aufgestellt. Der erklärte Vorgang, in der alles vertauscht wurde (Materie mit Antimaterie, Spiegelung und Zeitumkehr), steht im Einklang mit den Gesetzen der Physik. Boyle nahm diese Beobachtung und verallgemeinerte sie indem er sie auf den ganzen Kosmos anwendete.

Textauszug

Eine andere Auffassung über die Zeit vor dem Urknall hat der ehemalige Doktorand von Steinhardt, der Physiker Latham Boyle vom Higgs Center for Theoretical Phyiscs der University of Edinburgh. Wie das Konzept des Big Bounce ist auch Boyles bevorzugter Vorschlag konzeptionell recht einfach – und kommt ebenfalls ohne eine kosmische Phase der Inflation aus. „Es gibt das Universum nach dem Urknall und das Universum vor dem Urknall“, sagt er, „und sie sind gewissermaßen Spiegelbilder voneinander.“
Das kann man sich laut Boyle wie die Spitzen zweier Eistüten vorstellen, die sich berühren, wobei ihr Berührungspunkt den Urknall darstellt. „Die Zeit verläuft vom Urknall aus in beide Richtungen“, erläutert er. Auf unsere Seite geht sie vorwärts, auf der Spiegelseite rückwärts. Was vor dem Urknall geschah, ist das Gegenstück dessen, was danach pasierte. Und das betrifft nicht nur die Zeit. In unserem Teil des Universums gäbe es Materie, auf der anderen Seite Antimaterie. Hier wäre links links, dort wäre links rechts.

Boyles Idee stütz sich auf die sogenannte CPT-Symmetrie, die alle bisher beobachteten physikalischen Phänomene erfüllen: Wenn man in einer Reaktion die Teilchen durch Antiteilchen ersetzt (also die Ladung >C< austauscht), sie durch einen Spiegel betrachtet (die Parität >P< umkehrt) und rückwärts in der Zeit >T< schaut, läuft die Reaktion genauso ab. Boyle verallgemeinert diese Beobachtung, indem er sie auf den gesamten Kosmos anwendet.

Laut dem Forscher könnten gewisse Beobachtungen seine Hypothese eines CPT-symmetrischen Universums stützen oder auch widerlegen. Zum Beispiel hätte solch ein Universum nicht schon kurz nach dem Urknall Gravitationswellen bilden können – anders als es klassische Modelle der Kosmologie vorhersagen. Astronominnen und Astronomen suchen bereits nach solchen „primordialen“ Gravitationswellensignalen. Falls sie fündig werden, würde das die Idee eines CPT-symmetrischen Universums widerlegen. Diese sagt auch voraus, dass sich Dunkle Materie durch eine bestimmte Art von Neutrino erklären ließe. Boyle hofft, dass künftige Messungen bald mehr Informationen über Neutrinos liefern werden.

Es sei gerade die Verbindung zwischen des CPT-symmetrischen Universums zur Teilchenphysik, die diesen Ansatz so interessant mache, sagt Sean Carroll. Dem stimmt Brian Keating zu: „Was mir daran gefällt, ist die Tatsache, dass man sich aus dem Fenster lehnt und konkrete Vorhersagen macht, die Experimentalphysiker wie ich brauchen.“
(vgl. s. Seite 22)

Oberhalb sehen Sie die Graphik die Spektrum der Wissenschaft im Magazin verwendet hat. Die Bezeichnung (Universum X, Universum Y) ist gleich, die Farben sind gleich und die Darstellung in der Mitte sowie die Formen der „Eistüten“ stimmen überein.
Aber es gibt keine Pfeil der die Zeit anzeigt, anders als das Wikipedia Bild.
Es ist kein Weltuntergang, nur etwas komisch. Vielleicht gibt es jemand anders der oder die die Frage beantworten kann. Meine E-Mail finden Sie auf der Kontakt Seite des Blogs. Falls Sie eine Antwort gefunden haben, können Sie mich gerne informieren.

Quellen

Spektrum der Wissenschaft | 5.26
Wie entstand das Universum? Bekannte Theorien auf dem Prüfstand
Preis: (D) 9,80 EUR – (A/L) 9,80 EUR – (CH) 14,80 CHF

Hartle–Hawking proposal
https://en.wikipedia.org/wiki/Hartle%E2%80%93Hawking_proposal

Big Bounce
https://en.wikipedia.org/wiki/Big_Bounce

CPT-Theorem
https://www.chemie-schule.de/KnowHow/CPT-Theorem?ez_force_cookie_consent=1

Latham BOYLE
https://higgs.ph.ed.ac.uk/people/boyle-latham/

Meine Arbeitsweise

Hier noch ein kleiner Einblick in meine Arbeitsweise, also wie ich den Text markiert und beschrieben habe. Entweder benutze ich einen Bleistift und Lineal (Lineal nicht immer) oder einen Textmarker, Farbe ist in der Regel nicht so wichtig.
Die Fotos sind auch nicht die beste Qualität, es ging hauptsächlich um das zeigen.

Falls Sie mehr über die Dunkle Materie in unseren Zellen wissen wollen – die Bauanleitungen von tausenden von Proteinen die bisher übersehen wurden – oder warum es in den Afrikanischen Großen Seen eine so große Vielfalt an Buntbarschen gibt, oder was über den ältesten Kunstoff der Welt wisen wollen, dann sind Sie bei dieser Ausgabe richtig! Vielleicht hat auch die nächstgelegene Bibliothek die Ausgabe.

Bibliotheken sind ein wichtiges öffentliches Gut – ein Ort des Wissens um seine Neugier zu stillen. Ein Platz für gesellschaftliche Ereignisse, ob es ein Autor oder eine Autorin ist die vorbeikommt um ein Buch vorzustellen oder ob es eine Veranstaltung für Kinder ist.
Als Platz der intellektuellen Neugier, die jeder und jede von uns haben kann egal unserer sozialen Herkunft, gesellschaftlichen Standes und Bildungsstand, sollte sie frei von Zensur sein. Wer Biblikotheken und Bibliothekare bedroht, der bedroht uns alle.

Desto freier die Bibliotheken, desto freier der Mensch!