Zyklisches Modell des Universums: Die Degeneration der Materie geschieht endlos

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Anfang der 2000er Jahre schlugen zwei Physiker der Princeton University ein kosmologisches Modell vor, nach dem der Urknall kein einmaliges Ereignis ist, sondern die Raumzeit schon lange vor der Geburt des Universums existierte.

Im zyklischen Modell durchläuft das Universum einen unendlichen sich selbst erhaltenden Kreislauf. In den 1930er Jahren stellte Albert Einstein die Idee vor, dass das Universum einen endlosen Zyklus von Urknallen und großen Kompressionen erleben kann. Die Expansion unseres Universums kann das Ergebnis des Zusammenbruchs des vorhergehenden Universums sein. Im Rahmen dieses Modells können wir sagen, dass das Universum aus dem Tod seines Vorgängers wiedergeboren wurde. Wenn ja, dann war der Urknall nichts Einzigartiges, sondern nur eine kleine Explosion unter unendlich vielen anderen. Die Zyklentheorie ersetzt nicht unbedingt die Urknalltheorie, sondern versucht, andere Fragen zu beantworten: Was geschah beispielsweise vor dem Urknall und warum führte der Urknall zu einer Phase rasanter Expansion?

Eines der neuen zyklischen Modelle des Universums wurde 2001 von Paul Steinhardt und Neil Turok vorgeschlagen. Steinhardt beschrieb dieses Modell in seinem Artikel mit dem Titel The Cyclic Model of the Univers. In der Stringtheorie ist eine Membran oder "Brane" ein Objekt, das in einer Reihe von Dimensionen existiert. Nach Steinhardt und Turok entsprechen die drei räumlichen Dimensionen, die wir sehen, diesen Branen. Zwei 3D-Branes können parallel existieren, getrennt durch eine zusätzliche, versteckte Dimension. Diese Branen – man kann sie sich als Metallplatten vorstellen – können sich entlang dieser zusätzlichen Dimension bewegen und miteinander kollidieren, wodurch der Urknall und damit Universen (wie unseres) entstehen. Wenn sie kollidieren, entwickeln sich die Ereignisse nach dem Standard-Urknallmodell: Es entsteht heiße Materie und Strahlung, es kommt zu einer schnellen Inflation, dann kühlt alles ab – und es entstehen Strukturen wie Galaxien, Sterne und Planeten. Steinhardt und Turok argumentieren jedoch, dass es zwischen diesen Branes immer eine Wechselwirkung gibt, die sie Zwischenbrane nennen: Sie zieht sie zusammen, lässt sie wieder kollidieren und den nächsten Urknall produzieren.

Das Modell von Steinhardt und Turok stellt dennoch einige Annahmen des Urknallmodells in Frage. Der Urknall sei beispielsweise nicht der Beginn von Raum und Zeit, sondern ein Übergang aus einer früheren Evolutionsphase. Wenn wir über das Urknallmodell sprechen, heißt es, dass dieses Ereignis den unmittelbaren Beginn von Raum und Zeit als solchem markierte. Außerdem muss in diesem Zyklus kollidierender Branen die großräumige Struktur des Universums durch die Kompressionsphase bestimmt werden, das heißt, bevor sie kollidieren und der nächste Urknall auftritt. Nach der Urknalltheorie wird die großräumige Struktur des Universums durch eine Phase schneller Expansion (Inflation) bestimmt, die kurz nach der Explosion stattfand. Darüber hinaus sagt das Urknallmodell nicht voraus, wie lange das Universum existieren wird, und im Steinhardt-Modell beträgt die Dauer jedes Zyklus etwa eine Billion Jahre.

Das Gute am zyklischen Modell des Universums ist, dass es im Gegensatz zum Urknallmodell die sogenannte kosmologische Konstante erklären kann. Die Größe dieser Konstanten hängt direkt mit der beschleunigten Expansion des Universums zusammen: Sie erklärt, warum sich der Weltraum so schnell ausdehnt. Beobachtungen zufolge ist der Wert der kosmologischen Konstante sehr klein. Bis vor kurzem wurde angenommen, dass sein Wert 120 Größenordnungen geringer ist als von der Standard-Urknalltheorie vorhergesagt. Dieser Unterschied zwischen Beobachtung und Theorie ist seit langem eines der größten Probleme der modernen Kosmologie. Vor nicht allzu langer Zeit wurden jedoch neue Daten zur Expansion des Universums gewonnen, wonach es sich schneller ausdehnt als bisher angenommen. Es bleibt auf neue Beobachtungen und die Bestätigung (oder Widerlegung) der bereits erhaltenen Daten zu warten.

Steven Weinberg, Nobelpreisträger von 1979, versucht den Unterschied zwischen Beobachtung und Vorhersage eines Modells mit dem sogenannten anthropischen Prinzip zu erklären. Ihm zufolge ist der Wert der kosmologischen Konstante zufällig und unterscheidet sich in verschiedenen Teilen des Universums. Wir sollten uns nicht wundern, dass wir in einem so seltenen Gebiet leben, in dem wir einen kleinen Wert dieser Konstanten beobachten, denn nur mit diesem Wert können sich Sterne, Planeten und Leben entwickeln. Einige Physiker sind jedoch mit dieser Erklärung nicht zufrieden, da keine Beweise dafür vorliegen, dass dieser Wert in anderen Regionen des beobachtbaren Universums anders ist.

Ein ähnliches Modell wurde in den 1980er Jahren von dem amerikanischen Physiker Larry Abbott entwickelt. In seinem Modell war die Abnahme der kosmologischen Konstanten auf niedrige Werte jedoch so lang, dass die gesamte Materie im Universum über einen solchen Zeitraum im Raum zerstreut und tatsächlich leer bleibt. Nach Steinhardts und Turoks zyklischem Modell des Universums ist der Wert der kosmologischen Konstante so klein, weil sie anfangs sehr groß war, aber im Laufe der Zeit mit jedem neuen Zyklus abnahm. Mit anderen Worten, bei jeder großen Explosion wird die Menge an Materie und Strahlung im Universum "auf Null gesetzt", aber nicht die kosmologische Konstante. Über viele Zyklen ist sein Wert gesunken, und heute beobachten wir genau diesen Wert (5, 98 x 10-10 J / m3).

In einem Interview sprach Neil Turok über sein und Steinhardts Modell des zyklischen Universums wie folgt:

„Wir haben einen Mechanismus vorgeschlagen, bei dem die Superstring-Theorie und die M-Theorie (unsere beste kombinierte Theorie der Quantengravitation) dem Universum erlauben, den Urknall zu durchlaufen. Aber um zu verstehen, ob unsere Annahme vollständig konsistent ist, sind weitere theoretische Arbeiten erforderlich.“

Wissenschaftler hoffen, dass es mit der Entwicklung der Technologie die Möglichkeit geben wird, diese Theorie zusammen mit anderen zu testen. Nach dem kosmologischen Standardmodell (ΛCDM) folgte also kurz nach dem Urknall eine als Inflation bezeichnete Periode, die das Universum mit Gravitationswellen füllte. Im Jahr 2015 wurde ein Gravitationswellensignal aufgezeichnet, dessen Form mit der Vorhersage der Allgemeinen Relativitätstheorie für die Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher (GW150914) übereinstimmte. 2017 erhielten die Physiker Kip Thorne, Rainer Weiss und Barry Barish für diese Entdeckung den Nobelpreis. Auch später wurden Gravitationswellen aufgezeichnet, die von der Verschmelzung zweier Neutronensterne ausgingen (GW170817). Gravitationswellen der kosmischen Inflation wurden jedoch noch nicht aufgezeichnet. Darüber hinaus stellen Steinhardt und Turok fest, dass solche Gravitationswellen zu klein sein werden, um "nachgewiesen" zu werden, wenn ihr Modell korrekt ist.