Es gibt derzeit zwei Theorien, die sowohl die Homo­genität des Universums wie auch die Temperatur­schwankungen in der kosmi­schen Hinter­grund­strahlung zu erklären versu­chen. Das ist zum einen die Infla­tions­theorie und zum anderen die des zyklischen Universums. Man könnte im zweiten Fall auch von einem pulsie­renden Universum sprechen. Die detail­lierten Vorher­sagen beider Modelle sind jedoch zum Teil sehr unter­schiedlich.

Laut String-Theorie koexis­tieren beide Arten dieser Universen. Es erhebt sich aller­dings die Frage, ob man bereits rein theore­tisch vorher­sagen kann, in welchem Universum wir uns befinden müssten.

Die wichtigste kosmo­logische Erkenntnis des letzten Jahrhun­derts war zweifellos die Entdeckung der Ausdehnung des Weltalls durch Edwin Hubble im Jahr 1929. Kein anderer Durch­bruch hat unser Welt­bild so gravierend verändert. Zuvor waren die meisten Wissen­schaftler davon über­zeugt, das Universum bleibe im Wesent­lichen unver­ändert und statisch. Selbst Albert Einstein konnte sich ein statisches Universum vorstellen.

Die Ausdehnung des Universums hat jedoch ungeahnte Konse­quenzen. Würde man nämlich das Universum in der Zeit zurück­verfolgen, so zeigt sich, dass das Universum immer kleiner gewesen sein muss und deshalb auch dichter und heißer. Georges Lemaître war der erste, der die Hypothese eines Urknalls vorgeschlagen hatte. Dementspre­chend soll das Universum an einem Punkt mit einer gewaltigen Explosion aus einer „Singulari­tät” hervor­gegangen sein. Seither habe sich dieses anfangs kleine, und sehr heiße Universum stetig ausgedehnt und abgekühlt.

Kurz nach dem Urknall war die Energie­dichte so groß, dass es nicht einmal Atome gab, sondern nur Elementar­teilchen, die ständig auf­einander prallten. Auch die Photonen (Lichtteilchen) konnten nur über kurze Strecken geradeaus fliegen, da sie immer wieder mit Elektronen kollidierten. Demzufolge muss das Universum zu dieser Zeit völlig licht­undurch­lässig gewesen sein.

Etwa 380 000 Jahre nach dem Urknall war es dann kalt genug, so dass sich die ersten Atome bilden konnten. Da Photonen mit Atomen viel schwächer wechsel­wirken, als zum Beispiel mit frei flie­genden Elektronen, wurde das Universum mit der Zeit licht­durch­lässig. Zu diesem Zeit­punkt entstand eine Strahlung, die sich bis heute erhalten hat. Diese „kosmische Hinter­grund­strahlung” im Mikro­wellen­bereich wurde zum ersten Mal 1965 gemessen. Ihre Existenz beweist zudem, dass unser Universum überall fast die gleiche Temperatur hatte.

Abb.: Die kosmische Hintergrundstrahlung, aufgenommen vom NASA-Satelliten WMAP © ©WMAP Science Team, NASA

Leichte Temperatur­schwankungen haben später die Verteilung der Galaxien bestimmt. In kälteren Regionen war die Materie etwas dichter, und durch den Einfluss der Schwer­kraft „verklumpte” in diesen Gegenden die Materie nach und nach und bildete Galaxien und Sterne.

Im Gegensatz dazu waren die etwas wärmeren Gegenden auch etwas leerer und haben sich mit der Zeit weiter ausgedünnt, weil nahe gelegene dichtere Regionen die Materie weiter absorbiert haben. Auf diese Weise sind vermut­lich die großen Leer­räume unseres Welt­alls entstanden. Die kosmische Hinter­grund­strahlung scheint uns daher einen über­zeugenden Beweis zu liefern, dass das Universum vor geschätzten 13,8 Milliarden Jahren dicht und heiß war.

Die Entdeckung der Hinter­grund­strahlung führte zu einer breiten Akzeptanz der Urknall­hypothese. Aller­dings lässt die Urknall­theorie eine ganze Reihe von Fragen offen. Eine wichtige Frage ist bekannt unter dem Namen „Horizont­problem”. Wir werden im nächsten Kapitel näher auf dieses Problem eingehen. Es ist nämlich immer noch unklar, wie groß unser Universum wirklich ist, zumal es sich über den gesamten Zeit­raum hinweg scheibar in jede Richtung ausdehnt. Legt man jedoch diese Ausdeh­nung zugrunde und verfolgt sie mithilfe der Glei­chungen der Relativitäts­theorie in die Zeit bis kurz nach dem Urknall zurück, kommt es zu einem bemerkens­werten Umstand.

Wie sich zeigt, zieht sich das Universum nicht auf einen Punkt zusammen, sondern auf eine immens große Fläche. Der Urknall fand also nicht an einem „Punkt”, sondern auf einer ausge­dehnten Fläche statt! Doch diese Fläche besteht aus zahl­losen Regionen, die bis zu diesem Zeit­punkt keinen Kontakt mit­einander haben konnten, da es ja vor dem Urknall nichts gegeben haben soll. Trotz­dem soll der Urknall zur gleichen Zeit an all diesen Orten statt­gefunden haben!

Diese Hypothese einer Singulari­tät ist daher auf Dauer nicht haltbar. Anderer­seits spricht vieles für einen gigan­tischen Knall zu Beginn der Entstehung der Elementar­teilchen. Oder waren es gar mehrere synchron ablaufende Prozesse, wie sie in einem zyklischen bzw. pulsierenden Universum ablaufen würden? Einige Wissen­schaftler halten es durchaus für sinn­voller anzunehmen, dass der Urknall nicht der Anfang war, sondern ein Ereignis in der Geschichte unseres Universums. Aller­dings erhebt sich zu Recht die Frage, was war davor? Was konnte den Urknall auslösen?

Es gibt zurzeit nur zwei nennens­werte Theorien über eine Zeit „vor dem Urknall”. Die bekann­teste ist die Inflations­theorie, nach der es vor dem Urknall eine kurze Phase von äußerst schneller Expansion gab. Solch eine Phase bewirkt, dass auch winzige Regionen extrem auseinander­gezogen werden und binnen kurzer Zeit über große Gebiete homogen und isotro­pisch sind. Wenn diese Phase zu Ende geht, wird die Energie der Ausdeh­nung teil­weise in Strah­lung und Materie umge­wandelt. Dies entspräche dann dem Urknall. Ein Vorteil dieser Theorie ist, dass dies gleich­zeitig und über große Distanzen hinweg passiert, da überall die gleichen Bedingungen herrschen.

Eine zweite Theorie ist die eines zyklischen Universums. Dieser Theorie zufolge gab es vor dem Urknall eine Phase der Kontrak­tion. Es stellt sich nämlich heraus, dass eine der­artige Phase von lang­samer Kontrak­tion eben­falls bewirken kann, dass das Universum homogen und isotro­pisch wird. Das wäre ein Grund dafür, warum der Urknall nach dieser Theorie auch über große Gebiete synchron ablief.

Genauer gesagt handelt es sich bei diesem Urknall­modell um einen Umschwung von der Kontrak­tions­phase zur Expansions­phase, bei der eben­falls Strah­lung und Materie erzeugt werden. Aller­dings wurde diesem Aspekt der Theorie bisher noch zu wenig Aufmerk­samkeit geschenkt. Eine der­artige Über­legung weiter­zuverfolgen lohnt sich jedoch, denn zyklische Prozesse stehen durchaus mit physika­lischen Gesetzen im Einklang.

Die Phasen von Kontrak­tion und Expansion können sich beliebig oft abwechseln, so dass sich das Universum über große Zeit­räume hinweg zyklisch verhält. Ein derart pulsie­rendes Universum hätte dann eine durch­aus definierte Größe. „Pulsieren” bedeutet nicht zwangs­läufig eine Verän­derung der Dimensionen des Universums ins Unermessliche. Es besagt vielmehr, dass innerhalb des Systems Prozesse von Kontraktion und Expansion stattfinden.

Kann man davon ausgehen, dass eine dieser beiden Theorien auf unser Universum zutrifft? Eines steht zumin­dest fest: Beide Theorien können die Entstehung der Tempe­ratur­schwankungen im Anfang unseres Universums gleich gut erklären. Schaut man jedoch genauer hin, kann die Inflations­theorie derzeit nicht erklären, weshalb die Tempe­ratur­schwankungen die gemessene Stärke haben. In der Theorie eines zyklischen Universums hingegen gibt es Argumente die zeigen, dass die Schwan­kungen genauso stark sind wie sie es maximal sein können.^[1]

Darüber hinaus gibt es noch einen weitaus größeren Unter­schied in den Vorher­sagen der beiden Theorien. Hierbei geht es um die Vertei­lung der Schwan­kungen in der kosmi­schen Hinter­grund­strahlung. Die Phase eines Inflations­modells wird von hypothe­tischen Teilchen ange­trieben, die „Inflatone” genannt werden. Diese Teilchen haben aller­dings nur eine sehr geringe Wechsel­wirkung unter­einander. Insofern würde es sich bei den Temperatur­schwankungen um eine statis­tische Verteilung handeln, die durch eine Gauß'sche Kurve beschrieben werden kann.

Bei dem zyklischen Modell spielen ähn­liche Teil­chen eine Rolle. Jedoch beruht die Dynamik in diesem Fall auf Teilchen, die vielmehr eine starke Wechsel­wirkung unter­einander haben. Dies führt verständlicher­weise zu erheb­lichen Abweichungen von einer Gauß'schen Kurve, was die Verteilung der Temperatur­unterschiede angeht.

Beide Theorien lassen jedoch immer noch viele Fragen offen, die vermeint­lich nur mithilfe einer Quanten­gravitation geklärt werden können.

Wie wir alle wissen, deutet vieles darauf hin, dass sich unser Universum ausdehnt. Wie kann man sich eine solche Expan­sion vorstellen? Oft wird dazu ein Luft­ballon als Veranschau­lichung heran­gezogen. Stellen wir uns zunächst einen schlaffen Ballon vor, auf dessen Ober­fläche wir unzählige Punkte mit einem Stift markieren. Anschlie­ßend blasen wir diesen Ballon auf. Als Folge davon wird sich dieser in alle Raum­dimensionen ausdehnen, also expan­dieren. Jeder Punkt auf der Ober­fläche entfernt sich von seinem Nachbarn unaufhörlich.

Nehmen wir an, der Luft­einlass würde dem geogra­fischen Süden ent­sprechen und die Äquator­linie entspräche dem Durch­messer des Ballons. Wir als Beobachter befänden uns genau auf dieser gedachten Linie. In diesem Fall wäre es so, dass sich die nör­dliche und die süd­liche Hemisphäre von uns weg bewegen würden.

Aller­dings hinkt dieses Beispiel, denn wir müssten uns das Volumen des Ballons eben­falls mit Punkten gefüllt vorstellen. Zweitens würde sich der Ballon in einem 4-dimensionalen Raum in Bewegung befinden und er würde gleich­zeitig um seine Nord-Süd-Achse rotieren. Der gravie­rendste Aspekt ist aller­dings, dass sich der Ballon nicht in alle Raum­richtungen gleich schnell ausdehnen dürfte.

Aus diesem Grund wollen wir eine zweite Veranschau­lichung heranziehen, die das Problem verdeut­lichen soll. Hierzu stellen wir uns eine drei­spurige Auto­bahn vor, auf dessen Mittel­spur drei Fahr­zeuge in einem gewissen Abstand hinter­einander fahren. Wir befinden uns in dem mittleren Fahr­zeug und haben durch die Front­scheibe einen Blick auf das vor uns fahrende Fahr­zeug und sehen durch den Rück­spiegel das Fahr­zeug hinter uns. Das Ganze findet im Dunkeln und mit eingeschalteten Scheinwerfern statt.

Jetzt bekommen beide anderen Fahr­zeuge ein Signal. Das vordere Fahr­zeug soll beschleu­nigen und das hintere verzögern. Dagegen fährt das mittlere Fahr­zeug mit konstanter Geschwindig­keit weiter. Als wenn das noch nicht genug ist, wechseln die beiden anderen Fahr­zeuge die Spur, das eine auf die Überhol­spur, das andere auf die rechte Fahr­bahn. Beschleu­nigung und Verzögerung finden zudem mit unter­schied­lichen Geschwindig­keiten statt.

Was können wir aus Sicht des mittleren Fahrzeugs beobachten?

Es wirkt so, als würden sich die beiden anderen Fahrzeuge von uns weg­bewegen, obwohl alle drei weiter­hin in die gleiche Richtung fahren. Durch die Dunkel­heit und die einge­schalteten Scheinwerfer ist dieser Effekt noch deut­licher zu verspüren. Wir könnten nur sehr schwer einschätzen, wer sich wie schnell bewegt. Es gelänge uns nur, wenn wir weitere Bezugs­punkte hätten und uns ein­deutig im Raum verorten könnten. Aber nehmen wir an, dass sich selbst die Land­schaft ständig wie eine amorphe Struktur „bewegen” würde. So ähnlich verhält es sich zum Beispiel mit unserer Galaxie. Alles ist in ständiger Bewegung und dazu noch in einem 4-dimensionalen gekrümmten Raum.

Viele mögen einwenden, die Entfer­nungen lassen sich doch auf Grund­lage der Licht­geschwindig­keit ermitteln. Das würde in der Tat zutreffen, wenn diese Geschwindig­keit im gesamten Kosmos tatsäch­lich konstant ist. Was wäre aber, wenn diese Konstanz der Licht­geschwindig­keit nur auf das jeweilige Potential zutrifft? Schließ­lich finden unsere Messungen von der Erde aus statt, die sich in einem bestimmten Poten­tial befindet. Außer­halb unseres Sonnen­systems gibt es unzählige weitere Potential­felder, welche die Licht­geschwindig­keit verstärken oder abschwächen.

Selbst namhafte Physiker, wie Albert Einstein und Hermann Minkowski, haben eine variable Licht­geschwindig­keit für möglich gehalten. Deren Abhand­lungen zu diesem Thema sind in weiten Kreisen der Öffentlich­keit nur nicht so bekannt und werden an Universitäten nicht gelehrt. Wir werden später noch darauf eingehen.

Also nochmal zurück zu obiger Veranschaulichung. Wie genau werden wir wohl die Differenz­geschwindig­keiten ermitteln können?

Um die Problematik auf die Spitze zu treiben, wollen wir noch eine letzte Veranschau­lichung heran­ziehen.

Hierzu begeben wir uns auf ein Fahr­geschäft, genau gesagt auf eine Achter­bahn, dessen Sitz­reihen jeweils aus drei Sitzplätzen bestehen. Wir denken uns aller­dings einen größeren Abstand zwischen den beiden äußeren zum mittleren Sitz, welcher sich genau über der Fahrspur befindet. Welche Beschleuni­gung werden die Fahr­gäste verspüren, wenn sie sich in unter­schied­lichen Bereichen der Achter­bahn befinden?

Auf dem geraden Strecken­verlauf wirken auf alle drei Personen die gleichen Kräfte. Alles um sie herum wird gleich schnell wahr­genommen. In den Kurven dagegen verspüren die außen sitzenden Personen unter­schiedliche Kräfte. Der eine erfährt eine Beschleu­nigung, während der andere eine Verzö­gerung wahrnimmt. Würde die Sitz­position der im Kurven­verlauf jeweils innen sitzenden Person mit dem Radius der Kurve identisch sein, würde sich die Person sogar nur um die eigene Achse drehen, bis die Spur wieder geradeaus führt, um in der nächsten Kurve seiner­seits enorm beschleunigt zu werden.

Wenn wir die Konstruk­tion der Achter­bahn näher betrachten, beschreibt die Spur eine in die Länge gezogene Schrauben­linie, wobei sich die Radien der Kurven ständig ändern und nur im Start-Ziel-Bereich in eine gerade Strecke über­geht. Es kommt somit immer wieder zu einem Wechsel von Beschleu­nigung und Verzö­gerung, obwohl die Achter­bahn am Ende immer wieder zum Ausgangs­punkt zurück­kehrt. Der Start-Zielpunkt ist ein und derselbe. Es handelt sich quasi um ein geschlossenes System.

Nun haben wir eine kleine Vorstellung von den dynamischen Prozessen auf einer Achter­bahn. Ähnlich verhält es sich mit unserem Universum, nur auf gigan­tischen Skalen, wie wir später noch sehen werden. Und dass wir uns bei der kosmischen Achter­bahn in völliger Dunkel­heit befinden. Viele dieser dynamischen Prozesse laufen in einem für unser mensch­liches Auge unsicht­baren Strahlungs­spektrum ab.

Außerdem bewegen sich die einzelnen Bezugs­punkte, wie Galaxien und Sterne alle­samt fortwährend auf ihren eigenen Bahnen. Und letzt­lich würden sich sogar, um bei unserem Beispiel mit der Achterbahn zu bleiben, alle Sitze zusätzlich noch wie ein Kreisel frei bewegen lassen. Denken wir hierbei nur an unser Sonnen­system, welches in unserer Milch­straße in einem der Spiral­arme nach ausge­klügelten Gesetzen der Wirbel­dynamik um ein Zentrum in Sonnen­nähe rotiert, welches seiner­seits um ein Schwarzes Loch im Zentrum unserer Galaxie spiralt.

Es sei allerdings bereits an dieser Stelle nochmals erwähnt, dass der Zweck dieser Website nicht nur darin besteht, informativ zu sein, sondern wir möchten im weiteren Verlauf Schluss­folgerungen liefern, dass es fundierte Gründe für ein pulsierendes Universum gibt. In den Kapiteln, die sich schwer­punkt­mäßig mit den „Wirbel­strukturen” beschäftigen, werden wir alle bisherigen und nach­folgenden Betrachtungen zu einem neuen vereini­genden Modell zusammen­führen.

Ist die „String-Theorie” nicht ein solch vereinheit­lichendes Modell?

Obwohl die String-Theorie noch nicht voll­ständig entwickelt ist, werden wir uns im über­nächsten Kapitel noch kurz mit ihr beschäftigen. Sie stellt einen guten Ansatz zu einer vereinheit­lichten Theorie dar. Denn nach der String-Theorie kann es sowohl inflationäre als auch zyklische Universen geben.

Doch zuvor werden wir uns kurz noch mit einem anderen nicht zu vernach­lässigenden Problem befassen.

Quellen

[1] Lehners, J.-L.; Steinhardt, P. J., Dynamical Selection of the Primordial Density Fluctuation Amplitude, Physical Review Letters 106, 081301 (2011).

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