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Die Zeit vor dem Urknall

Alles aus fast nichts – zwei Physiker erforschen, wie unser Universum in einem seltsamen Vakuum aus einem Schwarzen Loch entstanden sein könnte.

Was haben Picasso, ein Weinglas und der Urknall gemeinsam? Mehr als die scheinbar skurrile Frage vermuten lässt! Immer wieder deutet Gabriele Veneziano auf das geschwungene Glas vor sich, ohne dabei freilich den vorzüglichen Sancerre darin zu vernachlässigen. „Dieses Glas gleicht einem Entwicklungsmodell unseres Universums“, sagt der italienische Physik-Professor nachdenklich. Die Geräusche im Café Le Dôme scheinen plötzlich zu verstummen. Hier, mitten im Pariser Stadtviertel Montparnasse, saß einst der spanische Maler Pablo Picasso und dachte – manchmal – über seine kubistischen Gemälde nach, auf denen er die Welt in seltsame geometrische Konstellationen zersplitterte, krümmte und auffächerte. Auch Venezianos Kosmos liegen eigenartige Geometrien zugrunde, die zudem je nach Perspektive wechseln – ähnlich einem Vexierbild. Und wie Picassos Kunst ist Venezianos Theorie vom Ursprung des Universums gewöhnungsbedürftig.

„Der Urknall war nur einer der vielen Phasenübergänge im Universum, wenn auch der drastischste. Er wurde langsam vorbereitet in einer langen Vorgeschichte – ganz ähnlich wie eine stetige Entwicklung dazu führt, dass ein Stern kollabiert oder explodiert“, sagt der am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf arbeitende Physiker, während er genüsslich den gegrillten Wolfsbarsch auf seinem Teller zerlegt. Diese Zeit vor dem Urknall nennt er die Phase des Prä-Big-Bang (PBB). „Beginnend aus einem nahezu trivialen Zustand hat sich das Universum hin zu einer immer stärkeren Krümmung entwickelt. Das ist eine Art Kopernikanische Revolution – allerdings in der Zeit, nicht im Raum –, denn der Urknall verliert damit seine historische Bedeutung als Anfangszeitpunkt. Er wird ein gemäßigter, freilich immer noch wichtiger Wendepunkt in der Geschichte des Alls: der Moment der maximalen – wenn auch endlichen – Dichte, Temperatur und Krümmung.“

Begonnen hatte alles schon Weihnachten 1990. „Ich verbrachte die Ferien im französischen Megève, um mit meiner Familie Ski zu fahren“, erinnert sich Veneziano. „Aber damals lag kein Schnee. Um mir die Zeit zu vertreiben, versuchte ich mich an einem Problem der Stringkosmologie. Und fand heraus, dass es sehr natürlich war, eine Phase der Inflation in der Stringtheorie zu haben.“ Unter Inflation verstehen Kosmologen eine kurzfristige überlichtschnelle Raumausdehnung in der Frühzeit des Universums. Diese Annahme erklärt zahlreiche sonst unverständliche Eigenschaften, etwa die extreme Gleichförmigkeit des Alls (bild der wissenschaft 12/2001, „Modell Klassik“). Veneziano fand einen Weg, die Inflation aus der Stringtheorie abzuleiten – mit einem neuen Feld namens Dilaton in der Schlüsselrolle (siehe Kasten „ Eleganz und Extradimensionen“). Aber im PBB-Szenario fand die Inflation vor dem Urknall statt, nicht danach.

Bald nachdem Veneziano die revolu-tionäre Idee gekommen war, hatte er einen neuen Mitarbeiter, mit dem ihn inzwischen nicht nur eine beeindruckende Zahl gemeinsamer Forschungsartikel verbindet, sondern auch eine herzliche Freundschaft: Maurizio Gasperini, ein Spezialist auf dem Gebiet der Relativitätstheorie. Der heutige Physik-Professor an der italienischen Universität von Bari ist ein unermüdlicher Arbeiter. Mit Veneziano hat er Anfang des Jahres in der Zeitschrift „Physics Reports“ einen der längsten Überblicksartikel aller Zeiten veröffentlicht. Das Mammutwerk von mehr als 200 Seiten und mit fast 650 Literaturangaben beweist, dass das PBB-Szenario längst den Kinderschuhen entwachsen ist.

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Veneziano und Gasperini entdeckten in den überaus komplizierten und noch keineswegs ganz ausgeloteten Gleichungen der Stringtheorie, wie sich der Urknall erklären lässt. Dem PBB-Szenario zufolge führte ein Gravitationskollaps zur Entstehung eines Schwarzen Lochs, das die Geburt unseres Universums war.

Albert Einstein hatte einst gemutmaßt: „Nach unserer bisherigen Erfahrung sind wir zum Vertrauen berechtigt, dass die Natur die Realisierung des mathematisch denkbar Einfachsten ist.“ Das PBB-Szenario steht in dieser Tradition. „Man beginne mit so wenig wie möglich und erhalte so viel wie möglich“, formuliert Veneziano das Rezept und spricht von einem „großen Zufall aus einer winzigen Region der Raumzeit“. „Die Idee ist: vom Chaos zur Ordnung.“ Und weiter: „Es erscheint physikalisch und philosophisch befriedigend, den Anfang mit Einfachheit zu identifizieren. Aber man darf es nicht übertreiben: Ein vollkommen leeres Universum ist – abgesehen davon, dass es uninteressant ist – auch sehr speziell und kann nichts hervorbringen.“

Veneziano und Gasperini gehen von der Annahme einer „ Asymptotischen Vergangenheits-Trivialität“ aus. Sie beschreibt einen ungekrümmten, nahezu leeren und kalten, unendlich großen Raum, der streng genommen nur in der unendlichen Vergangenheit existiert. Dieses Stringvakuum ist zwar materielos, aber nicht völlig leer, sondern von Feldern mit allen möglichen Wellenlängen durchsetzt: gemäß der Stringtheorie mindestens von Gravitations-, Dilaton- und Axionfeldern. In diesem finsteren Meer überlagern die Felder sich chaotisch wie Wellen, die ineinander laufen und sich hochschaukeln können. Diese Superposition führt an bestimmten Stellen der Raumzeit zu kurzfristigen Verdichtungen der Energie. Übersteigt die Konzentration eine kritische Schwelle, kommt es zum Kollaps – und damit zum Beginn eines lokalen Zeitpfeils im Ozean globaler Zeitrichtungslosigkeit. Ähnlich wie ein massereicher, ausgebrannter Stern zu einem Schwarzen Loch zusammenstürzt, nabelt sich ein winziger Teil des Stringvakuums von seiner Umgebung ab und fällt in sich zusammen. Im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie würde dieser Gravitationskollaps zu einer so genannten Singularität führen, wo alle Naturgesetze versagen, Raum und Zeit zu existieren aufhören und Druck, Dichte und Temperatur unendlich wären. Die Stringtheorie zeigt jedoch einen Ausweg aus dieser unphysikalischen Situation.

„Meiner Meinung nach gibt es keine Singularität im Inneren eines Schwarzen Lochs“, sagt Veneziano. Denn die Quantenstrings lassen sich nicht beliebig zusammenquetschen. „Sie weigern sich, ein Objekt mit unendlicher Krümmung zu bilden. Das ist ein Beispiel für die Magie der Stringtheorie.“ So auch beim lokalen Kollaps im Stringvakuum: Die abgeschnürte Raumzeitblase erreicht einen Zustand maximaler Krümmung, Temperatur und Energiedichte. Und dann beginnt sie sich auszudehnen. Das entspricht dem Urknall in der Standardkosmologie. Von jetzt an geschieht alles nach dem bekannten Muster (bild der wissenschaft 5/2002, „Urknall für Einsteiger“). „Unser Szenario ist also keine Alternative zur Urknalltheorie, sondern eine Ergänzung“, betont Gasperini. Man könnte es auch etwas weniger bescheiden formulieren: Wenn das PBB-Szenario richtig ist, dann erklärt es den Urknall. Unser Universum wäre gleichsam aus einem Schwarzen Loch entstanden, das sich in einer Zeit vor unserer Zeit gebildet hat – aus einem Gravitationskollaps im Stringvakuum.

„Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde. Und die Erde war wüst und leer, und es war finster auf der Tiefe; und der Geist Gottes schwebte über dem Wasser“, übersetzte Martin Luther den Beginn der biblischen Schöpfungsgeschichte. Gasperini hat eine stringtheoretische Aktualisierung vorgeschlagen: „Am Anfang erschuf Gott die Hintergrundfelder und die Materiequellen. Und die Quellen waren ohne Druck und eingebettet in den flachen Raum; und diese Dunkle Materie hatte vernachlässigbare Wechselwirkungen. Und das Dilaton fluktuierte im Stringvakuum.“ Und er ergänzt augenzwinkernd: „An der Erklärung des nächsten Schritts ‚Und Gott sagte: Es werde Licht‘ arbeiten wir noch. Im Hinblick auf die Erfahrung von Galileo Galilei, der aufgrund seiner der Bibel widersprechenden Worte juristische Schwierigkeiten bekam, ziehen wir es vor, uns eng an die kosmologischen Anleitungen der Genesis zu halten. Es ist überraschend genug, dass sie ausgezeichnet mit dem Gesamtbild des PBB-Szenarios übereinzustimmen scheinen.“

Das Stringvakuum geht freilich viel verschwenderischer mit der Erschaffung neuer Welten um. „Jede kollabierende Region führt zu einem Urknall und zur Geburt eines Universums“, sagt Veneziano. Die meisten Universen sind aber ganz anders beschaffen als unseres – kleiner, inhomogener, wesentlich turbulenter oder mit gewaltigen Krümmungen – und vermutlich tot geboren: Sie haben lebensfeindliche Bedingungen und existieren oft nur kurz. Lediglich Regionen im Stringvakuum, die ursprünglich wenigstens 1019 Stringlängen – das Mindestmaß der Stringtheorie – oder umgerechnet etwa 10-13 Zentimeter groß waren, können ein großes, langlebiges und homogenes Universum wie unseres hervorbringen.

Wie bei einem kubistischen Picasso-Gemälde stellt das Kollapsbild des PBB-Szenarios aber nur eine bestimmte Perspektive dar. Kosmologen sprechen vom Einstein-Rahmen, weil sie das Bild mit dem Koordinatensystem der Relativitätstheorie beschreiben. Dazu äquivalent ist ein anderes Raumzeit-Koordinatensystem: der String-Rahmen. Darin zeigt sich ein in mancher Hinsicht geradezu entgegengesetztes Bild: Dem Kollaps im Einstein-Rahmen entspricht hier eine exponentielle Expansion. Diese rasante Raumausdehnung ist mit der klassischen Inflation vergleichbar, nur findet sie vor, nicht nach dem Urknall statt, und sie dauert auch länger. Außerdem muss nicht die Existenz eines unbekannten und etwas ominösen Inflatonfelds postuliert werden, das die Inflation antreibt. „Die Stringtheorie serviert uns eine Version der Inflation auf einem silbernen Tablett“, meint Veneziano – vielleicht noch unter dem Eindruck des Wolfsbarschs, den der Kellner auf einer glänzenden Servierplatte präsentiert hatte, bevor der Fisch auf den Grill kam. Es ist das Dilatonfeld, das zur Stringinflation führt. Aber auch andere Felder könnten eine Rolle spielen.

Die genauen Vorgänge hängen vom jeweiligen theoretischen Modell ab. So könnten sich während der PBB-Phase einige der Raumdimensionen vergrößert und andere verkleinert haben. „Es ist durchaus möglich, dass unsere drei heutigen Dimensionen damals winzig waren und sich erst allmählich entfaltet haben“, meint Gasperini. Vielleicht sind anderswo sogar Universen mit mehr oder weniger großen Raumdimensionen entstanden.

Wie der Kollaps im Einstein-Rahmen, so dauert auch die vom Dilaton angetriebene Inflation im String-Rahmen nicht ewig. Die Raumkrümmung und die Kopplungseffekte – die Wechselwirkungen zwischen den Dilatonen und anderen virtuellen Partikeln – werden so groß, dass die überlichtschnelle Expansion aufhört. Wie der Übergang – Veneziano und Gasperini sprechen „theatralisch“ vom „ eleganten Abtreten“ – sich genau vollzog, ist noch unklar. „Das ist das Hauptproblem des PBB-Szenarios“, räumt Gasperini ein. „ Wir können noch keine exakte Beschreibung geben. Aber wir haben vielversprechende Ergebnisse, insbesondere bei verschiedenen numerischen Simulationen. Es sind realistische mathematische Lösungen, doch es gibt zu viele modellabhängige Annahmen, um schon eine eindeutige, zwingende Beschreibung zu erhalten.“ Jedenfalls sind die Forscher überzeugt, dass das Szenario die Singularität vermeiden kann, und arbeiten daran, dies auch in einem anderen theoretischen Rahmen zu formulieren (siehe Kasten „ Ko(s)mische Zauberei“).

Weil die vom Dilaton angetriebene Inflation nicht gleichsam reibungslos verlief, sondern unvermeidliche quantenphysikalische Störungen mit sich brachte, sind heute noch Spuren davon erhalten. Die kurzwelligen Störungen führten zur Materieentstehung nach dem Urknall. Die langwelligen Störungen legten die Keime für die Entwicklung der großräumigen Strukturen in unserem All, also die Bildung der Galaxienhaufen aus dem fast gleichförmig verteilten Urgas. Ein Abbild dieser Dichteschwankungen können wir heute noch in den Temperaturschwankungen der Kosmischen Hintergrundstrahlung sehen, die in fulminanter Genauigkeit von dem Satelliten WMAP gemessen wurden und seit wenigen Wochen veröffentlicht sind (siehe „ Babybilder vom Universum“ auf Seite 15). Wenn das PBB-Szenario richtig ist, stammen sie aus der Zeit vor dem Urknall.

„Die PBB-Signaturen sind wie ein im Eis konserviertes prähistorisches Tier“, sagt Veneziano. „Noch heute erkennen wir, wie es einst aussah und können daher Rückschlüsse auf die Vergangenheit ziehen.“ Die Anfangsbedingungen unseres Universums stammen im PBB-Szenario nicht vom Urknall, sondern reichen zurück in die Epoche der vom Dilatonfeld angetriebenen Inflation davor. Das ist ein großer Vorteil des PBB-Szenarios: Der Moment des Urknalls selbst wäre damit der Forschung zugänglich, während in den klassischen Inflationsmodellen alle Spuren davon unauffindbar verwischt worden sind. „Weil das Dilaton eine zwingende Konsequenz der Stringtheorie ist, sind alle Tests des PBB-Szenarios auch Überprüfungen der Stringtheorie und der Physik der Urknallzeit“, sagt Gasperini. Er hat mehrere Voraussagen errechnet, denn das Dilatonfeld könnte bis heute messbare Effekte haben:

• Erstens in Form eines massiven Teilchens, das zur ominösen Dunklen Materie beitragen würde, die die Gesamtmasse der gewöhnlichen Materie weit übersteigt.

• Zweitens als Erklärung der Dunklen Energie oder Quintessenz, die heute die Ausdehnung des Weltraums wieder messbar beschleunigt (bild der wissenschaft 7/2001, „Die mysteriöse Dunkle Energie“).

• Und drittens als Ursache für eine Variation fundamentaler Naturkonstanten, für die sich zur Zeit erste Hinweise im Licht weit entfernter Urgalaxien abzeichnen. So haben die Forscher nun den Gravitationswellen-Hintergrund im Visier, der laut PBB-Szenario 100 Millionen Mal stärker ist als in der Standard-Inflation und daher schon von den heutigen Gravitationswellen-Detektoren gemessen werden könnte (bild der wissenschaft 10/1999, „Die Schwingungen der Raumzeit“). Auch zwei Forschungssatelliten werden bald Näheres verraten: Die nächstes Jahr startende MICROSCOPE-Mission (MICRO Satellite à traînée Compensée pour l’Observation du Principe d’Equivalence) des französischen Centre National d’Etudes Spatiales und die für 2006 vorgesehene europäisch-amerikanische STEP-Mission (Satellite Test of the Equivalence Principle) werden die von der Allgemeinen Relativitätstheorie postulierte Äquivalenz von träger und schwerer Masse mit einer Präzision von 1 zu 10-15 beziehungsweise 1 zu 10-18 testen. Existiert das Dilaton, ist mit charakteristischen Abweichungen von der Äquivalenz zu rechnen. „ Denn es wechselwirkt nicht mit jeder Materie gleich stark – zum Beispiel mit Wasser anders als mit Wein“, sagt Veneziano schmunzelnd mit Blick auf die Gläser vor sich.

Vor allem aber muss die Kosmische Hintergrundstrahlung die Fossilspuren der PBB-Phasen in sich tragen. Venezianos Aufmerksamkeit richtet sich kurz auf den edlen Tropfen von der Loire, den er in die kosmischen Weingläser nachschenkt, um sich dann rasch wieder den Tiefen von Raum und Zeit zuzuwenden. Vor dem Abendessen im Le Dôme hat er im UNESCO-Gebäude einen „ TH-2002-Vortrag“ gehalten. „TH“ steht für „Theoretische Physik“ – diese hochkarätige internationale Konferenz letztes Jahr hatte das hochgesteckte Ziel, einen Überblick über die wichtigsten gegenwärtigen Forschungszweige zu geben. Das PBB-Szenario gehörte dazu. Venezianos Vortrag zielte vor allem auf die Signaturen in der Hintergrundstrahlung. „Vor drei Jahren dachte ich, wir seien stecken geblieben“, erinnert er sich. „Unsere Voraussagen passten nicht zu den Daten. Ich wollte schon aufgeben, aber Maurizio hielt mich davon ab. Jetzt bin ich wieder optimistisch.“ Der Grund: Damals hatten die Forscher das Axionfeld nicht berücksichtigt, das auch von der Stringtheorie gefordert wird. Zusammen mit dem Dilatonfeld könnte es der Hintergrundstrahlung genau das passende Temperaturmuster aufgeprägt haben.

Kritiker wie Paul Steinhardt sehen in solchen nachträglichen Zutaten freilich eine Schwachstelle des PBB-Szenarios. Der Physik-Professor an der amerikanischen Princeton University sorgte letztes Jahr mit der Möglichkeit eines Zyklischen Universums im Rahmen der Stringtheorie für Furore (bild der wissenschaft 5/2002, „Die ewige Wiederkehr“). „Es ist schwierig, den einfachen Anfangszustand und den Übergang zwischen Prä- und Post-Big-Bang zu erklären“, bemängelt er außerdem. „Andererseits basiert das PBB-Szenario genau wie das Zyklische Modell auf der Idee, dass der Urknall nicht der Beginn der Zeit war, sondern ein Übergangsereignis. Und ich verdanke Gabriele und seinen Kollegen viel durch ihre tapfere Pioniertat.“

„Ich denke, das PBB-Szenario ist eleganter als andere Modelle der Stringkosmologie, und ein sehr positives Merkmal ist, dass es überprüfbare Voraussagen macht“, kommentiert Alexander Vilenkin von der amerikanischen Tufts University. „Aber der Anfangszustand wird einfach von Hand in die Gleichungen eingesetzt – eigentlich ist er erklärungsbedürftig.“ Und Andrei Linde von der Stanford University in Kalifornien hat mit seinen Kollegen auf zahlreiche unwahrscheinliche „Feinabstimmungen“ des PBB-Szenarios hingewiesen – was Veneziano und Gasperini jedoch bereits widerlegt haben wollen.

Thibault Damour vom Institut des Hautes Etudes Scientifiques in Bures-sur-Yvette schließlich machte auf ein wichtiges Problem aufmerksam: Spielen nicht nur Dilaton- und Gravitationsfelder eine Rolle, sondern auch andere Felder wie das Axion, die die Stringtheorie postuliert, so könnten sich diese zu einem gewaltigen Chaos hochschaukeln. „Das ist schlecht für das PBB-Szenario, weil es die Inflation stört und den Gravitationskollaps verhindern könnte“, sagt der französische Kosmologe. Andererseits hält er viel vom PBB-Szenario, denn immerhin hat er mit Veneziano gemeinsam darüber geforscht. Die kontroversen methodologischen Dispute sind wie die Testmöglichkeiten ein gutes Zeichen. Denn sie belegen, dass das PBB-Szenario nicht rein spekulative Metaphysik ist, sondern den wissenschaftlichen Qualitätskriterien genügt. „Es gibt immer noch viele schwierige Probleme. Vielleicht bin ich mathematisch nicht genug begabt, um sie zu lösen. Aber wir haben viele brillante Studenten, die einspringen und den entscheidenden Schritt vorwärts machen könnten“, sagt Veneziano und genießt den letzten Tropfen Sancerre.

KOMPAKT

• Die Stringtheorie der Elementarteilchen ermöglicht es, die ominöse Anfangssingularität des Weltalls mit ihrer physikalisch unrealistischen – nämlich unendlichen – Krümmung, Temperatur und Energiedichte zu vermeiden. Das wäre die lang gesuchte Erklärung des Urknalls.

• Dem Prä-Big-Bang-Szenario (PBB) von Gabriele Veneziano und Maurizio Gasperini zufolge führte ein Gravitationskollaps in einem kalten leeren Raum zur heißen Geburt unseres Universums. Dann ließen sich Spuren dieser Vorzeit heute noch beobachten.

Rüdiger Vaas

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