Das Matrjoschka-Multiversum

Außerdem löst die Idee im Prinzip zwei schwerwiegende Probleme. Zum einen versagt die Allgemeine Relativitätstheorie bei der Beschreibung der Verhältnisse im Zentrum Schwarzer Löcher, wenn dort die Krümmung, Masse, Dichte und Temperatur unendlich werden – also in eine unphysikalische Singularität münden. Zum anderen ist unklar, was mit den physikalischen Informationen der eingestürzten Materie geschieht: Würden sie vernichtet, wären die bekannten Naturgesetze obsolet, etwa der Satz von der Erhaltung der Energie (bild der wissenschaft 9/2002, „Finales Fiasko“).

Urknall aus dem Schwarzen Loch?

Darüber hinaus lässt sich die strukturelle Betrachtung dynamisieren. So postulieren diverse spekulative Szenarien, dass der Gravitationskollaps zu einem Schwarzen Loch nicht in eine ausweglose quasi-unendliche Verdichtung führt, sondern zur Bildung eines neuen Universums.

Überlegungen dazu veröffentlichte Igor D. Novikov bereits 1966. Valeri P. Frolov, Moissei A. Markov und Viatcheslav F. Mukhanov – ebenfalls aus Russland stammend und später emigiert – untersuchten dies 1989 noch genauer. In den 1990er-Jahren folgten weitere wichtige theoretische Arbeiten von Frolov, Mukhanov sowie Claude Barrabès, Robert H. Brandenberger, Damien A. Easson, Stephen Hawking, Gabriele Veneziano und anderen. Nikodem Popławski von der University of New Haven in Connecticut schrieb seit 2011 mehrere Artikel über Raumzeiten mit Torsion (wirbelartigen Verdrehungen), in denen Schwarze Löcher zu neuen Urknall-Universen führen sollten, sogar zu ganzen Serien davon.

Im März 2022 publizierte Berechnungen des Physikers Zacharias Roupas von der Universität Kreta in Heraklion kommen sogar zum Ergebnis, dass subtile Schwingungsmuster in den Gravitationswellen von kollidierenden Schwarzen Löchern verraten könnten, ob sich hinter ihren Ereignishorizonten ein Universum befindet oder nicht. Mit den LIGO-Detektoren lassen sich diese Frequenzen zwar nicht messen, vielleicht aber mit dem für die 2030er-Jahre geplanten Satellitentrio LISA (Laser Interferometry Space Antenna).

Falls sich bei der Entstehung eines Schwarzen Lochs eine winzige Raumzeit-Blase bildet, ein sogenanntes Baby-Universum, muss es gewissermaßen noch groß und stark werden. Es könnte sich sofort rasant ausdehnen – wie es unser Universum im ersten Sekundenbruchteil des Urknalls nach dem hypothetischen, aber mit Messungen gut vereinbaren Szenario der Kosmischen Inflation getan hat (bild der wissenschaft 11/2005, „Inflation der Universen“). Dazu gibt es bereits Modelle. So kommt es im Modell des Recycling-Universums von Jaume Garriga und Alex Vilenkin in jedem Schwarzen Loch zu einer Inflationsphase, sodass sich das Multiversum – wie in anderen Modellen der Ewigen Inflation ohne Schwarze Löcher – unaufhörlich selbst reproduziert und vergrößert (bild der wissenschaft 9/2001, „Ewiges Leben im Universum?“). Auch unser Universum wäre dann wohl so entstanden – eine multiversale Erklärung des Urknalls.

Andererseits könnte ein kollabierendes Universum, wie Schwarze Löcher generell, einen dichten, aber aufgrund von Quantengravitationseffekten nicht unendlich dichten Zustand durchlaufen und wieder zu expandieren beginnen. Einen solchen Big Bounce (Großer Rückprall oder Urschwung) legen verschiedene konkurrierende Modelle mit recht unterschiedlichen Voraussetzungen nahe. Dann wäre der Urknall als Weißes Loch quasi das Gegenstück eines Schwarzen Lochs. (Mit einem großen Wert der Kosmologischen Konstanten ist dies sogar im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie ohne Singularität möglich). In diesen Modellen sind die Annahmen eines Multiversums oder einer Kosmischen Inflation nicht zwingend.

Das Universum könnte in einer endlosen Abfolge von Expansion, Kontraktion und Bounce ewig währen. Jeder Endknall ist dann ein neuer Urknall. Die Grundidee eines solchen Phönix-Universums, das aus seiner Asche neu entsteht wie der mythologische Vogel, wurde bereits 1933 von Georges Lemaître veröffentlicht, einem der Väter der Urknall-Kosmologie. Inzwischen gibt es zahlreiche Modelle für ein solches oszillierendes, pulsierendes oder zyklisches Universum. Allerdings lassen sich viele nicht mit dem Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vereinbaren: Wenn die Gesamtentropie nach jedem Bounce aufgrund eines größeren Anteils an Strahlung (Photonen) zunimmt, dann verlängern sich die Zyklen. Darauf hat Richard C. Tolman schon 1934 hingewiesen.

In allen Fällen stellen sich schwerwiegende, bislang ungelöste Probleme:

Das Matrjoschka-Modell

Falls unser Universum ein Schwarzes Loch ist oder im Endknall in ein solches mündet, dann könnten seine Schwarzen Löcher ebenfalls ganze Universen sein. Umgekehrt wäre unser Universum mit vielen anderen vielleicht in ein übergeordnetes eingebettet und so weiter. Womöglich existiert also ein wachsendes Multiversum aus unendlich vielen ineinander geschachtelten Universen – ähnlich den hölzernen, bunt bemalten russischen Puppen, aber dynamisch und nicht nur in einer einzelnen Serie, sondern eventuell verzweigt und teilweise unendlich. Ein solches kosmologisches Matrjoschka-Modell ist eine äußerst kühne Hypothese. Freilich lässt sie sich wohl niemals direkt überprüfen. Trotzdem könnte sie indirekt plausibel gemacht werden – etwa durch eine künftige Theorie der Quantengravitation oder bei Gravitationswellen-Indizien für Innenwelten in Schwarzen Löchern.

Falls sich aus einem Schwarzen Loch ein neues Universum bildet, dann ändern sich dabei vielleicht dessen Naturkonstanten oder -gesetze. Darüber spekulierte John Wheeler schon in den 1970er-Jahren, der auch die Begriffe „Wurmloch“ und „Schwarzes Loch“ in der Kosmologie etabliert hat. Noch weiter entwickelte Lee Smolin den Gedanken einer Evolution der Naturgesetze über viele Universen hinweg. Er schloss aus unterschiedlichen Entstehungsraten Schwarzer Löcher auf einen kosmischen Darwinismus (bild der wissenschaft 2/1998, „Der Bursche mit den verrückten Ideen“). Gemäß seiner „cosmological natural selection“ genannten Hypothese sind die reproduktionsfähigsten Universen besonders häufig und somit typisch. Wäre unser Universum ebenfalls typisch, könnte dies sogar erklären, warum die Werte seiner Naturkonstanten so „lebensfreundlich“ sind – eine bessere Hypothese mit mehr Vorhersagekraft als die ominöse Annahme eines Starken Anthropischen Prinzips (bild der wissenschaft 8/2006, „Ist uns das All auf den Leib geschneidert?“).

Ergänzend oder alternativ ist auch die zufällige oder gezielte Erzeugung neuer Universen mithilfe artifizieller Schwarzer Löcher denkbar (bis hin zu einer „cosmological artificial selection“). Solche Designer-Raumzeiten muten vielleicht nach einem durchgeknallten Szientismus oder technokratischen Religionsersatz an, wurden aber von renommierten Physikern und Philosophen wie Alan Guth, Edward Farhi, Andrei Linde, Edward Harrison, Louis Crane, Eduardo Guendelman, Stefano Ansoldi und Clemént Vidal ernsthaft diskutiert und begründet.

Kosmologisches Prinzip der Fülle

All diesen Szenarien gemeinsam ist die starke, nicht belegte und möglicherweise niemals belegbare Prämisse, dass Schwarze Löcher keine raumzeitlichen Sackgassen sind. Stimmt diese theoretische Voraussetzung nicht, dann muss es für den Urknall eine andere Erklärung geben. Ein Bounce ist vielleicht die plausibelste. Zwar lässt sich das Vorläuferuniversum hier ebenfalls als eine Art Schwarzes Loch interpretieren, aber es kam dann nur zu einem singulären Durchschwung.

Stülpen sich Schwarze Löcher in einem Universum hingegen zu neuen Universen aus und können diese groß werden – eine weitere, begründungsbedürftige Prämisse –, dann gibt es quasi kein Halten mehr. Dann verzweigt sich mindestens unser Universum. Und warum sollte es in diesem Fall das erste mit Schwarzen Löchern sein? Warum sollte es nicht in einer Reihe mit vielen anderen entstanden sein? Warum sollte der Urknall unseres Universums nicht eine Zweigstelle unter Myriaden markieren?

Womöglich ist dieses gigantisch verzweigte Netzwerk, geknüpft mit Schwarzen Löchern wie Perlen in unfasslicher Konnektivität, als Ganzes sogar ohne Anfang und Ende. Freilich wären einzelne Zweige unfruchtbar – obschon weiterhin ewig bestehend –, in denen ein Sackgassen-Universum weder kollabiert noch Schwarze Löcher hervorbringt. Doch wenn die quasi-darwinistische Hypothese oder Konsequenz zutrifft, werden niemals alle Zweige in Sackgassen münden, sondern der Verzweigungsgrad wird exponentiell wachsen und die Fülle des Seins unaufhörlich steigern.