So viel Anfang war nie

Es gibt Tausende Universen, und der Urknall war nur einer von vielen. Mit neuen Erkenntnissen stürzen Physiker und Astronomen unser vertrautes Weltbild.

Noch vor fünf Jahrhunderten war die Menschheit fest davon überzeugt, in der Mitte des Universums zu leben. Dann kam Nikolaus Kopernikus: Er verstieß den Planeten Erde auf eine Kreisbahn um die Sonne. Die Verbannung aus dem Zentrum des Weltalls traf das Selbstbewusstsein der Menschheit zutiefst.

Heute läuten die Nachfolger des berühmten Astronomen die nächste Wende ein und erschüttern das bestehende Weltbild noch radikaler. Sie verbannen die Erde an die äußerste Peripherie eines Universums, das wiederum nur eines von unzähligen Universen ist, die wie Seifenblasen ständig neu entstehen und wieder zerplatzen. Im Blick auf das Ganze wird der Mensch mehr und mehr zur Randerscheinung.

Auch die Materie, wie wir sie kennen – bestehend aus Atomen, ihren Bausteinen Quarks und Elektronen sowie deren Verwandten –, wird von den Theoretikern entmachtet. Was über Jahrhunderte als Grundstoff der Welt galt, entpuppt sich als Randphänomen. Nur zu ein paar Prozent besteht unser Universum aus sichtbarer Materie. Für schätzungsweise 95 Prozent des kosmischen Inventars haben Forscher bislang wenig mehr als Namen, und schon die sind mysteriös genug: Dunkle Materie und Dunkle Energie. Das All ist erfüllt von etwas, was wir nicht sehen, und wird getrieben von einer Kraft, die wir nicht verstehen. Die Kosmologen glauben heute, dass unser Universum nur eine Blase in einem gewaltigen Weltenschaum ist. Galt der Urknall lange als Anfang von allem – auch der Zeit –, ist der Big Bang in den aktuellen Theorien nur ein kleiner Blub in einem ewigen Blubbern.

Noch aber können die Grundlagenphysiker nicht mehr bieten als vage und brüchige Vorstellungen davon, wie ihr neues Weltbild aussehen könnte. Sie driften dabei zusehends weg von der Naturwissenschaft, hin zur reinen Mathematik. Sie denken in vieldimensionalen Räumen, die von abstrakten Symmetriegesetzen beherrscht werden und von unanschaulichen Gebilden namens Strings und Branen bevölkert sind. »Wir wissen selbst nicht, worüber wir reden«, sagt der amerikanische Nobelpreisträger David Gross. »Es ist eine Phase äußerster Verwirrung.« Immer kühner türmen die Theoretiker ihre Gedankengebäude. Immer weiter entfernen sie sich von den Möglichkeiten der Experimentalphysik.

Noch in diesem Sommer aber nehmen Teilchenphysiker am Forschungszentrum Cern in der Nähe von Genf eine Anlage in Betrieb, die verspricht, erstmals Belege für die bizarren Theorien über die Beschaffenheit des Universums zu liefern . Der Teilchenbeschleuniger LHC ist die größte Maschine, die je gebaut worden ist. Die Wissenschaftler jagen damit kleinste Teilchen mit unvorstellbarer Wucht aufeinander und hoffen, so die rätselhafte Dunkle Materie herstellen zu können, vielleicht gar die Triebkraft des kosmischen Geblubbers dingfest zu machen.

»Heute ist das meiste, was Theoretiker über die Grundlagen der Physik publizieren, nicht überprüfbar«, sagt Lee Smolin von der University of Waterloo. »Das würde ich eine Krise nennen.« Es wird dauern, sie zu überwinden. Nach der kopernikanischen Revolution blieb die Physik für 150 Jahre zerrissen, bis Isaac Newton sie wieder einte. »Heute ist sie wieder völlig zerrissen«, sagt Carlo Rovelli von der Universität Marseille.

Immer waren es experimentelle Befunde, die bei historischen Erkenntnisfortschritten der Physik den Theoretikern die Richtung wiesen. Heute ist es genau umgekehrt: Noch fehlen die Denkanstöße aus den Labors. »Die Experimentatoren müssen nachlegen«, fordert der Theoretiker Hermann Nicolai vom Albert-Einstein-Institut in Potsdam.

Mit dem Beschleuniger am Cern legen sie endlich nach. Auch andernorts begeben sich Forscher auf die Jagd nach Belegen für das neue Weltenbild. Astronomen richten eine ganze Batterie neuer Großteleskope gen Himmel – auf der Erde, im Orbit, in einigen Jahren vielleicht auf der Rückseite des Monds. Sie werden weiter hinausblicken können als je zuvor und weiter zurück. Das Licht aus den Tiefen des Alls braucht Jahrmilliarden zu uns, in ihm sind Bilder der Frühzeit des Universums gefroren.

In der argentinischen Pampa entsteht das Pierre-Auger-Observatorium, das die hochenergetische Strahlung von Sternexplosionen und Schwarzen Löchern einfangen soll. Im Eis der Antarktis wird der IceCube-Detektor für die geisterhaften Neutrino-Teilchen aufgebaut, die beim Aufprall kosmischer Strahlen auf die Lufthülle der Erde entstehen. Eine neue Generation von Riesengeräten ist am Start, Suchmaschinen für die Weltformel, stark genug, um die luftigen Gedankenkonstrukte der Theoretiker auf eine erste Probe zu stellen – aus Strings und anderen Spekulationen empirische Wissenschaft zu machen.

Schon jetzt zeichnet sich eine neue Einheit der Physik ab. »Es gibt keine Trennung mehr zwischen Kosmologie und Teilchenphysik«, sagt Jon Bagger, Teilchentheoretiker an der Johns Hopkins University. »Beide Gebiete sprechen dieselbe Sprache und stellen die gleichen Fragen.« Der Kosmos selbst ist ein riesiges Labor. In kollidierenden Galaxien und explodierenden Sternen wird Materie auf Energien beschleunigt, die mit menschlicher Technik unerreichbar sind. Andererseits reproduzieren irdische Teilchenbeschleuniger die Bedingungen in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall, als unser Universum noch klein, dicht und immens heiß war. Ein neuer Forschungszweig formiert sich aus den alten: die Astroteilchenphysik.

Das grandiose Finale dieser großen physikalischen Vereinigung wäre eine schlüssige Erklärung des Ursprungs und der Grundstruktur der Welt: die von den Forschern lang ersehnte Theorie für alles, eine Theorie, die die Entstehung allen Seins widerspruchslos erklären kann. »Mein Traum ist, dass wir eine ganz einfache Weltformel finden«, sagt Hermann Nicolai, »eine, die man nur hinschreiben muss, und jeder versteht sie.«

Blick in Gottes letzten Schlupfwinkel

Von Markus Becker

Was war vor dem Urknall? Viele Forscher halten schon die Frage für Unfug, da es keine Zeit vor dem Beginn der Zeit selbst geben könne. Doch Physiker suchen immer intensiver nach einem Weltall vor dem unseren - und wollen es jetzt erstmals mathematisch gefunden haben.

M. Hauser/NASA

Infrarot-Rundumbild des Himmels, aufgenommen vom Nasa-Satelliten "Cobe": Noch heute ist das Nachglühen des Urknalls messbar

Doch das könnte sich bald ändern: Forscher haben nach eigenen Angaben eine physikalische Theorie über die Natur von Raum und Zeit so weit verfeinert, dass sie auch dort noch funktioniert, wo alle anderen Modelle wie Einsteins Relativitätstheorie und die Quantenmechanik versagen: In unmittelbarer zeitlicher Nähe des Urknalls und sogar darüber hinaus. Man habe "Fäden gefunden, die in eine frühere Zeit führen" - in die Zeit vor der Entstehung unseres heutigen Universums.

"Big Bounce" statt "Big Bang"

Verfolgt man die Entwicklung des Universums bis an dessen Anfänge zurück, bekommt die klassische Physik ein Problem: Die Krümmung der Raumzeit wird irgendwann unendlich und nähert sich der sogenannten Singularität, dem Nullpunkt des Universums. Sowohl Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie, die Raum und Zeit im Großen beschreibt, als auch die Quantenmechanik für die Welt im Kleinsten brechen zusammen.

"Mit der allgemeinen Relativität kann man das Universum nur bis zu dem Punkt beschreiben, an dem die Materie so dicht wird, dass die Gleichungen nicht mehr funktionieren", sagt Abhay Ashtekar, Direktor des Institute for Gravitational Physics and Geometry an der Pennsylvania State University in den USA. "Jenseits dieses Punktes müssen wir Quanten-Werkzeuge einsetzen, die Einstein noch nicht zur Verfügung standen."

Der Physiker gehört mit der Erfindung der nach ihm benannten Ashtekar-Variablen zu den Begründern der sogenannten Schleifen-Quantengravitation, auch bekannt als "Loop Quantum Gravity". Mit Hilfe dieser Theorie, so glauben Ashtekar und seine Kollegen Tomasz Pawlowski und Parampreet Singh, ist ihnen Erstaunliches gelungen: Sie haben ein Modell entwickelt, das Aussagen über ein Universum vor dem Urknall ermöglicht.

Erst zerknüllt, dann aufgebläht

Für diese Zeit habe der Computer ein Universum errechnet, das sich zu einem "Big Crunch" zusammenzieht, ansonsten aber in seiner Raumzeit-Geometrie unserem All verblüffend ähnelt. Deshalb sei unser Universum auch nicht in einem Knall aus dem Nichts entstanden. Vielmehr habe es eine Art Abpraller gegeben - einen "Big Bounce" statt eines "Big Bang". Gab es also gar keinen Anfang aller Dinge namens Urknall, sondern wurde ein früheres Universum auf kleinste Maße zerknüllt, nur um sich prompt wieder zu einem neuen All aufzublähen? Das Universum, eine titanische Ziehharmonika?

Genau das ist der Fall, glaubt man der Theorie von Ashtekar und seinen Kollegen, die in der aktuellen Ausgabe der "Physical Review Letters" erschienen ist. Die Gravitation habe das frühere Universum so weit zusammengezogen, dass die Quanteneigenschaften die Schwerkraft schließlich umgekehrt und in eine abstoßende Kraft verwandelt hätten. Durch das Kombinieren von Quantenphysik und allgemeiner Relativität habe sein Team zeigen können, "dass es tatsächlich einen Quanten-Rückstoß gibt", erklärt Ashtekar.

Dass die Gleichungen am Ende ein weiteres "klassisches Universum vor einem Urknall" ergeben hätten, sei so überraschend gewesen, dass man die Rechnungen monatelang mit verschiedenen Parametern geprüft habe. "Aber wir haben herausgefunden, dass das Big-Bounce-Szenario robust ist", so Ashtekar.

Besteht das Universum aus winzigen Schleifen?

Die Vorstellung, dass vor unserem jetzigen Universum bereits ein weiteres existierte, ist zwar nicht neu, räumen die Forscher ein. Doch sie seien die Ersten, denen es gelungen sei, die Existenz eines solchen Vor-Universums systematisch zu begründen und Rückschlüsse über dessen Raumzeit-Geometrie zu ziehen.

Der Einsatz der Schleifen-Quantengravitation habe das ermöglicht, erklären die Wissenschaftler. Das Rechenwerk ist neben der String-Theorie einer der meistversprechenden Ansätze, die bisher unvereinbaren Gegensätze zwischen Einsteins Relativitätstheorie und der Quantenmechanik zu überbrücken.

Ashtekar und seine Kollegen haben diese Theorie, die eigentlich die Wechselwirkungen zwischen Elementarteilchen beschreiben soll, auf das gesamte Universum angewandt. Auf dem Weg in die immer fernere Vergangenheit hätten die Formeln zunächst zu ähnlichen Ergebnissen geführt wie die klassische Kosmologie. An dem Punkt aber, wo alle anderen Gleichungen versagten, habe die Schleifentheorie gehalten.

Geteiltes Echo auf Ashtekar-Studie

Das hat zwar schon vor zwei Jahren der deutsche Physiker Martin Bojowald ausgerechnet, der damals am Potsdamer Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik gearbeitet hat und jetzt wie Ashtekar an der Pennsylvania State University tätig ist. Doch Ashtekar und seine Kollegen glauben, die Theorie noch einen Schritt weitergebracht zu haben - über den Urknall hinaus.

Wenn sich die Raumzeit auflöst, so ihr Ergebnis, widersetzen sich die winzigen Schleifen einer weiteren Verdichtung. Der Stoff, aus dem die Raumzeit gemacht ist, werde "brutal zerrissen" - und die Gravitation verwandle sich durch die Quanteneffekte in eine stark abstoßende Kraft, die den Zusammensturz des Universums stoppe. Unmittelbar danach sortieren sich die Schleifen der Theorie zufolge wieder in ein glattes Raumzeit-Gefüge und sorgen für eine explosive Ausdehnung des Alls.

Andere Wissenschaftler lobten die Arbeit von Ashtekars Team. Die Ähnlichkeiten zwischen String-Theorie und Schleifen-Quantengravitation bei der Beschreibung des Universums nach dem Urknall seien ermutigend, sagte Joe Lykken vom Fermilab in Batavia, Illinois dem Magazin "New Scientist": "Endlich sprechen wir die gleiche Sprache."

Suche nach messbaren Spuren des Vor-Universums

Andere Forscher reagieren jedoch skeptischer auf Ashtekars Studie. "Zu simplistisch", meint Hermann Nicolai, Direktor am Potsdamer Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE. "Das Modell besteht aus einer drastischen Vereinfachung der Gleichungen."

Das Universum beruhe auf zahlreichen, möglicherweise gar unendlich vielen Variablen. Ashtekar aber reduziere alles auf zwei Größen. Sein Modell basiere unter anderem auf der Annahme eines Universums, "das vollkommen leer ist und in alle Richtungen gleich aussieht". "Ich persönlich habe starke Zweifel, dass man damit dem Problem wirklich zu Leibe rücken kann", sagte Nicolai, der den Artikel von Ashtekar und seinen Kollegen vor der Veröffentlichung in den "Physical Review Letters" als unabhängiger Experte begutachtet hat.

Zudem heize sich das Universum auf, je näher man dem Urknall komme, erklärt Nicolai. Das kompliziere die Dinge noch: Durch physikalische Prozesse kämen immer mehr Variablen ins Spiel, die Elementarteilchen lösten sich auf, neue kämen hinzu. Das Ergebnis sei "eine brodelnde Suppe von ungeheurer Komplexität".

Die neue Leistung von Ashtekar und seinen Kollegen sei, dass ihr Modell wesentlich näher an den Moment des Urknalls heranreiche als bisherige Versuche - so nahe, dass mit dem Auftreten von Quantengravitations-Effekten zu rechnen sei. "Doch die wahre Natur des Urknalls", meint Nicolai, "bleibt das große Rätsel."

Ashtekar aber will noch weiter gehen - und nicht nur theoretische, sondern auch messbare Hinweise für ein Universum vor dem unseren entdecken. "Der 'Big Crunch'", glaubt er, "löscht nicht alle Spuren dessen aus, was unser Universum früher einmal war."