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Geheimnisvolle Signale aus einer fernen quantenkosmologischen Vergangenheit

Was passierte bei der Geburt des Weltalls? Wie konnten sich Sterne, Planeten und ganze Galaxien überhaupt bilden? Das sind die Fragen, die Viatcheslav Mukhanov mit seinen Berechnungen zu beantworten versucht. Mukhanov ist Physik-Ordinarius an der LMU und Experte für Theoretische Quantenkosmologie. Und es ist seine Idee der Quantenfluktuationen, die ein entscheidendes Moment in der Startphase des Universums beschreibt: Ohne die Dichteschwankungen, die aus den minimalen Fluktuationen entstehen, lässt sich die spätere Verteilung der Materie und die Bildung von Sternen, Planeten und Galaxien schwerlich erklären.

Jetzt hat das Planck-Konsortium neue Auswertungen von Messergebnissen veröffentlicht. Das Weltraumteleskop hat die kosmische Hintergrundstrahlung vermessen und damit ein Abbild des frühen Universums geliefert. Diese neuen Planck-Daten decken sich exakt mit den Berechnungen des LMU-Kosmologen, etwa für die entscheidende Größe des sogenannten Spektralindexes. „Die Planck-Daten haben die grundlegende Voraussage bestätigt, dass Quantenfluktuationen am Anfang aller Strukturen im Universum stehen“, bekräftigt Jean-Loup Puget, der leitende Wissenschaftler des HFI-Instruments der Planck-Mission. „Besser könnte meine Theorie nicht bestätigt werden“, sagt Mukhanov. Schon 1981 hatte der Wissenschaftler, seit 1997 an der LMU, seinen Ansatz erstmals publiziert.

Spuren aus ferner Vergangenheit

Dass auch die Quanten im frühen Universum gewissen Fluktuationen unterlegen haben müssen, ergibt sich für Mukhanov aus der Heisenbergschen Unschärferelation. Sie besagt, dass sich Ort und Impuls eines Teilchens nicht exakt angeben lassen. Aus den submikroskopisch winzigen Fluktuationen entstanden makroskopische Dichteschwankungen. Ohne diesen Mechanismus, dessen genaue Ausprägung und Größenordnung Mukhanov berechnet, ließe sich die Verteilung von Materie im heutigen Universum nicht vorhersagen.

Die neuen Planck-Datensätze sind noch detaillierter und aussagekräftiger als die ersten Auswertungen, die vor knapp zwei Jahren veröffentlicht wurden. Mit niemals zuvor erreichter Präzision zeigen sie die Muster, mit denen sich die Fluktuationen in die Strahlung des jungen Universums eingebrannt haben. Als eine Botschaft aus ferner Vergangenheit können Teleskope wie Planck sie heute – 13,8 Milliarden Jahre später – als Mikrowellenstrahlung einfangen. So geben die Planck-Messungen Aufschluss über die Geburt des Weltalls.

Gravitationswellen nicht beglaubigt

Die Existenz von sogenannten primordialen Gravitationswellen konnten die Planck-Daten indes nicht zeigen. Diese weiteren lange gesuchten Signale des fernen Urknalls meinte das BICEP2-Team aus seinen Daten herauslesen zu können, das Teleskop vermisst von der Antarktis aus die kosmische Hintergrundstrahlung. Im März 2014 meldete das Team seine sensationelle Entdeckung – vorschnell, wie sich bald herausstellte. Und soeben veröffentlichten Planck- und BICEP2-Forscher gemeinsam einen Abgleich ihrer Daten, der keinen Nachweis der Gravitationswellen erbrachte. LMU-Forscher Mukhanov hatte schon im Frühjahr 2014 erklärt, dass die Ergebnisse von BICEP2 und Planck nicht gleichzeitig stimmen können. „Gravitationswellen mag es trotzdem geben“, sagt der LMU-Wissenschaftler. „Aber unsere Messgeräte sind offenbar noch nicht genau genug.“ Doch unabhängig davon, ob ein tatsächlicher Nachweis der Gravitationswellen gelingt: Ohne den Mechanismus der Quantenfluktuation, ergänzt Mukhanov, kommt kein Modell aus, das erklären soll, was unmittelbar nach dem Urknall geschah. (Quelle: idw)

Buchtipp:
Der Widerhall des Urknalls: Spuren einer allumfassenden transzendenten Realität jenseits von Raum und Zeit

Wie die letzte große Lücke der Physik geschlossen werden kann

Sie ist die letzte große Lücke im Gebäude der Physik: eine Theorie, die Quantenphysik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vereint. Claus Kiefer von der Universität Köln zeigt in der April-Ausgabe von Spektrum der Wisenschaft, wie Forscher das Problem lösen wollen, die Mikrowelt mit der Schwerkraft zu verschmelzen.

Im Januar 1957 trafen sich Forscher an der University of North Carolina in Chapel Hill zu einer aufregenden Konferenz. Fast alle bedeutenden Gravitationsphysiker jener Zeit hatten sich versammelt. Die eine Hälfte der Tagung befasste sich mit Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, der modernen Theorie der Gravitation, die darin als Geometrie von Raum und Zeit gedeutet wird. Sie beschreibt das Große und Ganze: von unserer direkten Umgebung über Sonnensystem, Sterne und Galaxien bis hin zum Universum.

Die zweite Hälfte der Tagung befasste sich mit Verallgemeinerungen von Einsteins Theoriegebäude unter Einbezug der Quantentheorie. Eine solche erweiterte Theorie nennen Fachleute Quantengravitation. Sie vereinigt Mikro- und Makrokosmos, da die Quantentheorie hauptsächlich für die Beschreibung von Molekülen, Atomen und Elementarteilchen zuständig ist. Wie der Kölner Physikprofessor Claus Kiefer in der April-Ausgabe von Spektrum der Wissenschaft berichtet, konnte bisher trotz jahrzehntelanger Bemühungen noch keine allgemein anerkannte Theorie der Quantengravitation entwickelt worden. Allerdings existiert dafür eine Reihe mehr oder weniger aussichtsreicher Kandidaten. Wie die letzte große Lücke der Physik geschlossen werden kann weiterlesen

Warum es von Paralleluniversen nur so wimmelt.

Video: Paralleluniversen

Viele Kosmologen fasziniert die Idee, es gebe unzählige Paralleluniversen mit jeweils eigenen Naturgesetzen.

Seit einigen Jahren debattieren Theoretiker über eine kühne These: Außer dem Universum, das wir wahrnehmen, sollen noch ungezählte weitere Universen existieren. Es gäbe demnach nicht nur einen Kosmos, sondern ein Multiversum. Der amerikanische Physiker Brian Greene bezeichnet diese Vorstellung als “super-kopernikanische Revolution”, da ihr zufolge nicht nur unser Planet einer unter vielen ist, sondern sogar unser gesamtes Universum in kosmischem Maßstab nur eine unbedeutende Spielart möglicher Welten darstellt.

Theoretiker wie Greene oder der russisch-amerikanische Physiker Alexander Vilenkin postulieren völlig unterschiedliche Universen mit einer jeweils anderen Physik, mit einer eigenen Geschichte oder gar mit unterschiedlich vielen Raumdimensionen. Die meisten dieser hypothetischen Welten sind lebensfeindlich, doch einige wimmeln von Organismen. Vilenkin entwirft das dramatische Bild einer unendlichen Menge von Universen, in der unendlich viele Personen Ihren Namen tragen und gerade diese Zeilen lesen.

Wie kommen Kosmologen neuerdings allen Ernstes auf eine Idee, die zunächst wie pure Sciencefiction anmutet? Warum es von Paralleluniversen nur so wimmelt. weiterlesen

Dunkle Energie: Welches Schicksal erwartet unser Universum?

Geheimnisse des Universums: Dunkle Energie

Umstrittene Dunkle Energie

Gibt es eine Alternative, die beschleunigte Expansion des Weltalls zu erklären?
Das Universum scheint sich beschleunigt auszudehnen. Ursache dafür soll eine seltsame neue Energieform sein, Fachleute nennen sie die Dunkle Energie. Das Problem: Niemand weiß wirklich, was diese Dunkle Energie wirklich ist. Bisher suchen sie jedenfalls vergeblich nach Erklärungen für das rätselhafte Verhalten des Kosmos.

Kein Wunder, dass immer wieder alternative Modelle entwickelt werden, um vielleicht ohne exotischen Energieformen auszukommen. Wie zwei Kosmologen von der Oxford University im aktuellen August-Heft von “Spektrum der Wissenschaft” in der Titelgeschichte beschreiben, könnte ein solches Alternativmodell so aussehen: Falls wir kosmisch gesehen inmitten einer Region leben, in der weniger Sterne und andere Materie zu finden sind als anderswo, dann würde sich der astronomische Befund vom gleichmäßig beschleunigten Universum anders darstellen. Dann variiert nämlich die kosmische Expansionsrate mit dem Ort – und das würde den Astronomen eine kosmische Beschleunigung nur vorspiegeln, ohne es wirklich zu sein.

Könnte es also sein, dass wir im Universum nicht in einer gleich verteilten Ansammlung von Sternen und Galaxien leben, wie das kosmische Standardmodell annimmt? Eine riesige Leere um die Erde und ihr Milchstraßensystem herum kommt den meisten Kosmologen deshalb auch sehr unwahrscheinlich vor, doch einige Forscher ziehen sie der mysteriösen Dunklen Energie vor. Was spricht dafür? Was spricht dagegen?

Die Entdeckung des beschleunigten Universums kündigte sich vor vor elf Jahren an. Aus einer winzigen Abweichung in der Helligkeit explodierender Sterne folgerten die Astronomen, sie hätten keine Ahnung, woraus über 70 Prozent des Kosmos bestehen. Sie konnten nur feststellen, dass der Raum anscheinend von einer ganz unvergleichlichen Substanz erfüllt wird, welche die Expansion des Universums nicht bremst, sondern vorantreibt. Diese Substanz erhielt damals den Namen Dunkle Energie.

Inzwischen ist ein Jahrzehnt vergangen, und die Dunkle Energie gibt noch immer so viele Rätsel auf, dass einige Kosmologen die grundlegenden Postulate, aus denen ihre Existenz gefolgert wurde, in Zweifel ziehen. Eines dieser Postulate ist das kopernikanische Prinzip. Ihm zufolge nimmt die Erde keinen zentralen oder sonst wie ausgezeichneten Platz im All ein. Wenn wir dieses Grundprinzip preisgeben, bietet sich eine überraschend einfache Erklärung für die neuen Beobachtungen an.

Wir haben uns längst an die Idee gewöhnt, dass unser Planet nur ein winziger Fleck ist, der irgendwo am Rand einer durchschnittlichen Galaxie einen typischen Stern umkreist. Nichts scheint unseren Ort inmitten von Milliarden Galaxien, die sich bis an unseren kosmischen Horizont erstrecken, besonders auszuzeichnen. Doch woher nehmen wir diese Bescheidenheit? Und wie könnten wir herausfinden, ob wir nicht doch einen speziellen Platz einnehmen? Meist drücken sich die Astronomen um diese Fragen und nehmen an, unsere Durchschnittlichkeit sei offensichtlich genug. Die Idee, wir könnten tatsächlich einen besonderen Ort im Universum bewohnen, ist für viele undenkbar. Dennoch ziehen einige Physiker dies seit Kurzem in Betracht.

Zugegeben: Die Annahme, wir seien kosmologisch unbedeutend, erklärt viel. Mit ihrer Hilfe können wir von unserer kosmischen Nachbarschaft auf das Universum im Großen und Ganzen schließen. Alle gängigen Modelle des Universums beruhen auf dem kosmologischen Prinzip. Die beschleunigte Expansion war also die große Überraschung, mit der die aktuelle Revolution in der Kosmologie begann.

Angenommen, die Expansion verlangsamt sich überall, weil die Materie an der Raumzeit zieht und sie bremst. Nehmen wir ferner an, dass wir in einer gigantischen kosmischen Leere leben – in einem Gebiet, das zwar nicht völlig leer gefegt ist, wo aber die mittlere Materiedichte nur etwa halb so groß ist wie anderswo. Je leerer eine Raumregion ist, desto weniger Materie bremst dort die räumliche Expansion, und entsprechend höher ist die Expansionsgeschwindigkeit innerhalb des Leerraums. Am höchsten ist sie in der Mitte; zum Rand hin, wo sich die höhere Dichte des Außenraums bemerkbar macht, nimmt sie ab. Zu jedem Zeitpunkt expandieren verschiedene Raumpartien unterschiedlich schnell – wie der ungleichmäßig aufgeblasene Luftballon.

Wie ausgefallen ist diese Idee einer monströsen Abnormität? Auf den ersten Blick sehr. Sie scheint in eklatantem Widerspruch zur kosmischen Hintergrundstrahlung zu stehen, die bis auf Hunderttausendstel genau gleichförmig ist, ganz zu schweigen von der im Großen und Ganzen ebenmäßigen Verteilung der Galaxien. Doch bei näherer Betrachtung muten diese Indizien weniger zwingend an. Die Gleichförmigkeit der Reststrahlung erfordert nur, dass das Universum in jeder Richtung nahezu gleich aussieht. Wenn eine Leere ungefähr kugelförmig ist und wir einigermaßen nahe ihrem Zentrum sitzen, muss sie nicht unbedingt den Beobachtungen widersprechen.

In kommenden Jahren werden Himmelsbeobachtungen zwischen beiden Erklärungen entscheiden.
Quelle: Spektrum der Wissenschaft, August 2009

Superloch im All: Paralleluniversum entdeckt?

»WMAP Cold Spot« auf der Temperaturkarte der kosmischen Hintergrundstrahlung, die der WMAP-Satellit erstellt hat

Der Kosmologe Lawrence Rudnick von der University of Minnesota traute seinen Augen nicht, als er die vom WMAP-Satelliten aufgenommene Hintergrundstrahlung genauer untersuchte. Er entdeckte etwas, was es eigentlich gar nicht geben darf: ein Superloch in der südlichen Himmelssphäre. Es könnte durch den Einfluss eines Paralleluniversums gebildet worden sein mutmaßt Rudnicks Kollegin, die Professorin Laura Mersini-Houghton von der University of North Carolina.

Die elektromagnetische Strahlung aus dem All, die von keinen bestimmten Himmelsobjekten stammt und die in allen Richtungen auftritt, bezeichnet man als kosmische Hintergrundstrahlung. Die Eigenschaften des Mikrowellenhintergrunds gelten als empirischen Beweis für die Entstehung unseres Universums in einem Urknall, weil die Vorhersagen der Urknalltheorie sehr gut mit den gefundenen Messwerten übereinstimmen. Die Hintergrundstrahlung hat eine Temperatur von ca. drei Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) und ist außerordentlich gleichförmig, in welche Richtung man auch schaut. Die Temperaturschwankungen in kleinen Bereichen betragen nur etwa 0,001 % und sind das Abbild der Dichteschwankungen der Materie aus der Frühzeit des Universums. Aus solchen Dichteschwankungen hat dann die Schwerkraft im Laufe von Milliarden Jahren die Sterne und Galaxien geformt.

Was Rudnick stutzig machte, ist ein kalter Fleck (»WMAP Cold Spot«) auf der Temperaturkarte der kosmischen Hintergrundstrahlung, die der WMAP-Satellit erstellt hat. Der kalte Fleck befindet sich mitten im Sternbild Eridanus und umfasst einen Winkel von 10 Grad am Himmel. Das entspricht der unvorstellbaren Größe von 900 Millionen Lichtjahren Durchmesser in 8 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Die Temperatur des Flecks ist um Größenklassen geringer, als nach der durchschnittlichen Temperaturschwankung sein dürfte. Die Wahrscheinlichkeit für eine Schwankung solchen Ausmaßes beträgt höchstens eins zu einer Milliarde und ist damit rund hundert Mal geringer, als sechs Richtige im Lotto zu erzielen.

Es gibt verschiedene exotische Erklärungen für das Phänomen, das es eigentlich nicht geben darf. Der kalte Fleck könnte beispielsweise eine Art Knoten in der Raumzeit sein. Die einfachste Erklärung jedoch, die in der Wissenschaft im Regelfall vorzuziehen ist, geht von einem gigantischen Leerraum aus, dessen Volumen das 1000-fache eines typischen Leerraums zwischen den Galaxien beträgt. Die der seriösen Wissenschaft angehörende Kosmologin Mersini-Houghton vermutet, das Superloch sei durch den Einfluss eines parallelen Universums entstanden. Sie hat die Existenz eines solchen Lochs bereits vor seiner Entdeckung, nämlich im Jahr 2006 vorausgesagt.

Mersini-Houghton geht wie der Großteil ihrer Kosmologen-Kollegen davon aus, dass der Urknall kein einzigartiges Ereignis war, sondern nur der Anfang eines Universums unter vielen, das sich ähnlich einer Blase im Schaumbad bildet. Und es gibt nahezu unendlich viele Blasen. Jede Einzelne enthält ein Universum mit eigenen Eigenschaften, eigenen Naturgesetzen und eigenen Naturkonstanten.

Es waren aber nicht die Kosmologen, sondern die Quantenphysiker, die als Erste beim Versuch die quantenphysikalischen Formeln zu interpretieren auf die Idee vieler Welten kamen. Nach der Viele-Welten-Interpretation der Quantenphysik, die ursprünglich von Hugh Everetts stammt, verzweigen sich die bereits existierenden Universen jedes Mal, wenn Messungen durchgeführt werden oder Entscheidungen fallen. Dadurch werden alle Alternativen, die laut Wellenfunktion der Quantenmechanik eine positive Wahrscheinlichkeit besitzen, in irgendwelchen parallelen Universen realisiert.

Von dem europäischen PLANCK-Satelliten, der in wenigen Monaten startet und dem Teilchenbeschleuniger LHC in Genf erhofft man sich weitere Erkenntnisse, welche die Existenz eines Paralleluniversums beim »WMAP Cold Spot« widerlegt oder bekräftigt. Die tatsächliche Entdeckung eines Paralleluniversums wäre die Bestätigung für zahlreiche bisher kontrovers diskutierte Hypothesen. Der Mathematiker Klaus-Dieter Sedlacek sieht beispielsweise in seinem kürzlich erschienenen Buch mit dem Titel »Unsterbliches Bewusstsein« einen Zusammenhang zwischen der Viele-Welten-Interpretation der Quantenphysik und dem freien Willen des Menschen. Freier Wille setzt nach seiner Meinung voraus, dass es parallele Welten gibt. Denn wenn man davon ausgeht, dass die vierdimensionale Raumzeit der Einsteinschen Relativitätstheorie etwas Statisches, aber das Leben des Menschen nicht uhrwerkartig determiniert ist, müssen parallele Raumzeit-Universen existieren, damit es für den freien Willen eine freie Wahl unter Alternativen gibt, in die aufgrund von Entscheidungen verzweigt werden kann. Rudnicks Entdeckung des Superlochs im All kann auch für diese Hypothese eine Bestätigung sein.

Ist das Universum endlich?

Video: Die schönsten Bilder aus dem Kosmos vom Hubble Teleskop aufgenommen.

Ist das Universum ein Donut? Forscher stellen wieder die uralte Frage, ob der Kosmos endlich oder unendlich groß ist – und entdecken neue Wege zu einer Antwort.

Ist der Weltraum unendlich groß, wie es seit Jahren die Kosmologen behaupten? Oder gibt es vielleicht Alternativen zu diesem Weltmodell? Es ist die präzise Vermessung der kosmischen Hintergrundstrahlung – ein Relikt vom Anfang des Universums, dem Urknall -, die den Forschern jetzt neue Wege eröffnet, um zwischen endlichen und unendlichen Modellen des Kosmos zu unterscheiden.

Wie Frank Steiner und sein Team von der Universität Ulm zeigen konnten, ist derzeit auch ein endliches Universum von der Form eines Torus mit den Beobachtungsdaten verträglich.

Torus

Vielleicht nähern wir uns damit allmählich der Antwort auf die über zwei Jahrtausende alte Frage, ob das Universum endlich oder unendlich groß ist. Und wenn der Ulmer Forscher Steiner Recht hat, dann könnte es eine Lösung geben, an die bisher nur wenige gedacht haben. In der Januarausgabe von “Spektrum der Wissenschaft” wird über die Arbeiten von Frank Steiner ausführlich berichtet.

Kosmologische Räume werden gewöhnlich nach ihrer so genannten Krümmung unterschieden. Sind sie positiv gekrümmt, wie etwa die zweidimensionale Oberfläche einer Kugel, haben sie stets ein endliches Volumen. Räume mit negativer Krümmung – wie etwa eine zweidimensionale Satteloberfläche – heißen „hyperbolisch” und können endlich oder unendlich sein. Entsprechendes gilt für flache Gebilde wie etwa die euklidische Ebene. Was diese drei Raumtypen unterscheidet, ist ihre Krümmung: positiv für die Kugeloberfläche, negativ für den hyperbolischen Raum, null für den euklidischen Raum. Solche Räume ohne jede Krümmung nennen die Fachleute gerne „flach”.

Da die globale Geometrie eines Raumes (fachlich: seine Topologie, die Lehre von den Orten) durch seine Krümmung nicht vollständig festgelegt wird, ist diese Dreitypenlehre jedoch nur die halbe Geschichte. So kann auch ein flacher Raum endlich sein. Ein Beispiel für einen flachen, aber endlichen Raum bildet die Oberfläche eines Torus. Ringe beziehungsweise Donuts sind Torusbeispiele in zwei Dimensionen, fachlich ein „Zwei-Torus”.

Den möglichen Hinweisen auf ein endliches Universum sind inzwischen mehrere Forscher nachgegangen, zuletzt Frank Steiners Gruppe von der Universität Ulm. Sie hat seit 1999 mehrere Geometrien untersucht, zuletzt einen so genannten Drei-Torus, die dreidimensionale Version des uns vertrauten zweidimensionalen Rings oder Zwei-Torus. Als Modell unseres Kosmos wäre ein Drei-Torus die einfachste nichttriviale Geometrie eines endlichen flachen Raums.

Die Analyse der Ulmer Forscher setzt in Übereinstimmung mit Himmelsbeobachtungen einen endlichen flachen Raum voraus und vergleicht dann das Drei-Torus-Universum detailliert mit den Daten. Erstaunlicherweise stimmt das Drei-Torus-Modell eines endlichen flachen Raums exzellent mit den Beobachtungsdaten überein, in manchen Bereichen der Messkurven passt es sogar besser als das Standardmodell mit unendlichem flachen Raum.

Wie also wird der Wettstreit zwischen der Standardkosmologie und dem etwas ketzerischen Torus-Gegenmodell ausgehen? Frank Steiner sieht die Dinge pragmatisch: „Die Beobachtungen müssen es entscheiden!” (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, Januar 2009)

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