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Wie ein expandierendes Universum erzeugt werden kann

Wenn man Raum und Zeit erhitzt, kann ein expandierendes Universum entstehen – ganz ohne Urknall. Diesen Phasenübergang zwischen einem leeren Raum und einem expandierenden Universum, das Masse enthält, konnte ein Forschungsteam nun berechnen. Dahinter liegt ein bemerkenswerter Zusammenhang zwischen Quantenfeldtheorie und Einsteins Relativitätstheorie.

Kochen mit Raum und Zeit

Aus dem Alltag kennen wir Phasenübergänge nur von Stoffen, die zwischen festem, flüssigem und gasförmigem Zustand wechseln. Allerdings können auch Raum und Zeit selbst solche Übergänge durchmachen, wie die Physiker Steven Hawking und Don Page schon 1983 zeigten. Sie berechneten, dass aus leerem Raum bei einer bestimmten Temperatur plötzlich ein Schwarzes Loch werden kann.

Lässt sich bei einem ähnlichen Prozess aber auch ein ganzes Universum erzeugen, das sich kontinuierlich ausdehnt, so wie unseres? Diese Frage stellte sich Daniel Grumiller vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien gemeinsam mit Kollegen aus Harvard, dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Universität Edinburgh. Das Ergebnis: Tatsächlich scheint es eine kritische Temperatur zu geben, bei der aus einem völlig leeren, flachen Raum ein expandierendes Universum mit Masse wird. „Die leere Raumzeit beginnt gewissermaßen zu kochen, es bilden sich Blasen, eine von ihnen expandiert und nimmt schließlich die gesamte Raumzeit ein“, erklärt Daniel Grumiller.

 Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit - zumindest am Papier. Foto: TU Wien
Daniel Grumiller erhitzt die Raumzeit – zumindest am Papier. Foto: TU Wien

Das Universum muss dabei rotieren – das Kochrezept für ein expandierendes Universum lautet also: Erhitzen und umrühren. Diese Rotation kann allerdings beliebig gering sein. Bei den Berechnungen wurden vorerst nur zwei Raumdimensionen berücksichtigt. „Es gibt aber nichts, was dagegen spricht, dass es in drei Raumdimensionen genauso ist“, meint Grumiller.

Das Phasenübergangs-Modell ist nicht als Konkurrenz zur Urknalltheorie gedacht. „In der Kosmologie weiß man heute sehr viel über das frühe Universum – das zweifeln wir nicht an”, sagt Grumiller. “Aber für uns ist die Frage entscheidend, welche Phasenübergänge in Raum und Zeit möglich sind und wie die mathematische Struktur der Raumzeit beschrieben werden kann“.

Auf der Suche nach der Struktur des Universums

Die Theorie ist die logische Fortsetzung  einer 1997 aufgestellten Vermutung, der sogenannten „AdS-CFT-Korrespondenz“, die seither die Forschung an den fundamentalen Fragen der Physik stark beeinflusst hat: Sie beschreibt einen merkwürdigen Zusammenhang zwischen Gravitationstheorien und Quantenfeldthorien – zwei Bereiche, die auf den ersten Blick gar nichts miteinander zu tun haben. In bestimmten Grenzfällen lassen sich Aussagen der Quantenfeldtheorie in Aussagen von Gravitationstheorien überführen und umgekehrt.  Zwei ganz unterschiedliche physikalische Gebiete werden so in Verbindung gebracht, aber es mangelte bisher an konkreten Modellen, die diesen Zusammenhang belegten.

Letztes Jahr wurde von Daniel Grumiller und Kollegen erstmals so ein Modell aufgestellt (der Einfachheit halber in bloß zwei Raumdimensionen). Das führte schließlich zur aktuellen Fragestellung: Dass es in den Quantenfeldtheorien einen Phasenübergang gibt, wusste man. Doch das bedeutete, dass es aus Konsistenzgründen auch auf der Gravitatations-Seite einen Phasenübergang geben muss.

„Das war zunächst ein Rätsel für uns“, sagt Daniel Grumiller. „Das würde einen Phasenübergang zwischen einer leeren Raumzeit und einem expandierenden Universum bedeuten, und das erschien uns zunächst äußerst unwahrscheinlich.“ Die Rechenergebnisse zeigten dann aber, dass genau diesen Übergang tatsächlich gibt. “Wir beginnen erst, diese Zusammenhänge zu verstehen“, meint Daniel Grumiller. Welche Erkenntnisse über unser eigenes Universum wir dadurch ableiten können, ist heute noch gar nicht absehbar. (Quelle: idw)

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Gibt es eine letzte Ursache?

Video: Magnetische Dipole im Wasser sortieren sich selbst.

Wissenschaft und Religion möchten uns glauben machen, dass Dinge aus guten Gründen so sind, wie sie sind. Doch die letzte Ursache kann nicht mehr begründet werden. In der Religion wird sie zur Glaubenssache. Gilt das auch für die Naturwissenschaft?

Dinge, die nicht gehalten werden, fallen herunter. Ein Wasserglas fällt dann nicht zu Boden, wenn ein Tisch das Glas hält. Der Tisch wird vom Fußboden gehalten. Das Haus hält den Fußboden und die Erde hält schließlich das Haus. Allerdings akzeptieren weder Wissenschaft noch Religion die Erde als letzte Ursache dafür, dass das Wasserglas auf dem Tisch gehalten wird. Was ist aber dann die letzte Ursache? Gibt es eine letzte Ursache? weiterlesen

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.