Der Urknall wird oft als Anfang von allem gesehen, was unser Universum ausmacht.
Alle Materie, alle Energie, alles, was wir kennen, entstand erst mit dem Urknall.
Doch war der Urknall wirklich der Beginn des Universums? Theorien zur Quantengravitation sagen etwas anderes!

Der Urknall bzw. die Urknallsingularität, ein Punkt unendlich hoher Dichte, Temperatur und Raumzeitkrümmung ergibt sich aus der Allgemeinen Relativitätstheorie, andererseits bricht aber die Allgemeine Relativitätstheorie bei Unendlichkeiten zusammen, sie stößt dort an ihre Grenzen.
Wenn eine Theorie Singularitäten vorhersagt, ist dies gleichzeitig ein Zeichen dafür, dass die Theorie modifiziert werden muss.
Die Allgemeine Relativitätstheorie ist demnach eine nur unvollständige Theorie, die alleine den Beginn unserer Welt nicht erklären kann.

Wenn es um mikroskopische Größenskalen geht und extrem große Massen oder Energien, machen sich Quanteneffekte bemerkbar, die die Allgemeine Relativitätstheorie jedoch völlig unberücksichtigt lässt.

Ewiges Universum

Aus den beiden wichtigsten Ansätzen für eine Theorie der Quantengravitation, der Stringtheorie sowie der Schleifenquantengravitation, ergibt sich, dass der Urknall nicht mehr der Anfang des Universums ist, sondern nur ein Übergang von einer Welt in eine andere in einem quasi ewig existierenden Universum.

In der Stringtheorie und der Schleifenquantengravitation besitzt der Raum keinen kontinuierlichen Charakter mehr wie in der Allgemeinen Relativitätstheorie, sondern einen diskreten wie in der Quantentheorie. D. h., der Raum ist nicht beliebig oft unterteilbar. Stattdessen existiert ein kleinstmögliches Raum- und Volumenelement. Die Existenz einer Singularität, eines unendlich kleinen Punkts, wäre somit unmöglich.

Ein von der Schleifenquantengravitation vorgeschlagenes Szenario geht davon aus, dass der anfängliche Zustand hoher Dichte, den wir als Urknall und Beginn dieser Welt begreifen, entstand, als ein zuvor bereits existierendes Universum zunächst unter der Anziehungskraft der Gravitation kollabierte.
Im kontinuierlichen Raum der Allgemeinen Relativitätstheorie kann beliebig viel Energie gespeichert werden, in einem Raum gemäß Schleifenquantengravitation lässt sich wegen seiner diskreten Struktur aber nur eine endliche Menge Energie unterbringen, was dazu führt, dass niemals ein Zustand unendlicher Dichte, also eine Singularität, entstehen kann.
Die diskrete Struktur der Raumzeit führt hier vielmehr dazu, dass bei sehr großen Energiedichten Abstoßungskräfte ins Spiel kommen. Die Gravitationskraft, die wir nur als anziehende Kraft kennen, wird abstoßend. Als Folge expandiert dann das Universum wieder.
Dieser Vorgang wird auch Rückprall, von dem englischen Begriff “bounce”, genannt. Die Singularität des Urknalls wird also durch einen “großen Rückprall” oder Sprung ersetzt, wie es der Physiker Martin Bojowald, einer der Verfechter dieser Theorie, formuliert hat.
In diesem Szenario existiert das Universum ewig. Es implodierte, erreichte die maximal zulässige Dichte beim Rückprall und explodierte wieder.

Der Urknall wäre demnach nicht mehr der Beginn unserer Welt im eigentlichen Sinne, der Beginn des Universums, sondern nur ein Übergang aus einem vorhergehenden Zustand des Universums in einen anderen.

Ein ewiges Universum, in dem der Urknall nur einen Übergang in der Entwicklung des Kosmos darstellt, kann ein durchaus beruhigendes Gefühl vermitteln, sind doch Fragen wie etwa “Was war vor dem Urknall?” nur sehr unbefriedigend zu beantworten und eher im Philosophischen angesiedelt.
Ebenso konnte bisher in der Physik nicht erklärt werden, wie denn der Übergang von dem NICHTS vor dem Urknall, wo es weder Zeit noch Raum noch Materie oder Energie gab, zu ETWAS stattgefunden haben könnte.

[Blogbeitrag von A. Ewers]

Als ein Kandidat für eine solche vereinheitlichte Theorie wird die Theorie der Quantengravitation angesehen, die Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantentheorie zu einer Theorie vereinigen will.

Bis heute existiert noch keine vollständige Theorie der Quantengravitation. Aber es gibt eine Reihe von vielversprechenden Ansätzen, wie eine solche Theorie aussehen könnte. Die bekanntesten Ansätze sind die Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation.

Diese beiden Theorien unterscheiden sich vor allem darin, wo ihre Ausgangspunkte liegen. Die Stringtheorie geht von der Quantentheorie bzw. der Elementarteilchenphysik und dem Standard-Modell aus, während die Schleifen- oder Loop-Quantengravitation ihren Ausgangspunkt in der Allgemeinen Relativitätstheorie sieht.

Edward Witten, einer der
führenden Stringtheoretiker.
[Quelle:
http://www.crafoordprize.se]

Abgesehen von der Stringtheorie und der Schleifenquanten- gravitation existiert noch ein dritter Weg bzw. existieren weitere Ansätze. Dieser Weg wird von Forschern verfolgt, die weder von der Quantentheorie noch der Allgemeinen Relativitätstheorie als Ausgangspunkt ausgehen, die vielmehr beide Theorien verwerfen, weil sie ihrer Meinung nach mangelhaft und unvollständig sind, um vernünftige Ausgangspunkte zu sein. Dieser dritte Weg wird im Gegensatz zu den anderen beiden Theorien nur von einigen wenigen Wissenschaftlern, wie z. B. David Finkelstein, Christopher Isham oder Roger Penrose, verfolgt, die jeweils ihre ganz eigene Vision verfolgen und von fundamentalen Prinzipien ausgehend versuchen, eine neue Theorie zu entwickeln einschließlich neuer mathematischer Formalismen.

Sämtliche Ansätze zu einer Theorie der Quantengravitation haben allerdings eins gemeinsam: Sie gehen alle davon aus, dass Raum und Zeit, wenn sie auf sehr kleinen Maßstäben betrachtet werden, nämlich der sog. Planck-Skala der Größenordnung 10^-35 m, nicht mehr kontinuierlich sind, sondern aus fundamentalen diskreten Einheiten zusammengesetzt sind. Laut Quantengravitationstheorie muss es eine kleinste Raum- und Zeiteinheit geben, nämlich die Planck-Länge 10^-35 m und Planck-Zeit von 10^-43 s.

Stringtheorie

Den Ansatz zu einer Theorie der Quantengravitation, an dem derzeit am intensivsten geforscht wird, z. B. in Princeton (Edward Witten) und Stanford, bzw. der von der größten Zahl an Physikern verfolgt wird, stellt die sog. Stringtheorie dar, die einige theoretische Physiker seit den 1970er Jahren begonnen haben zu entwickeln.

Die Stringtheorie ist als Weiterentwicklung der herkömmlichen Modelle der Elementarteilchenphysik zu verstehen. Allerdings sind die fundamentalen Bestandteile der Materie in dieser Theorie keine punktförmigen Teilchen mehr, sondern sie stellen eindimensionale Objekte, Fäden, engl. strings, dar, die in sich schwingen können.
Es existiert nur eine Art von String. Die verschiedenen Arten von Elementarteilchen werden als verschiedene Schwingungsmoden oder Schwingungszustände dieses Strings interpretiert. Aus der Vielfalt der möglichen Schwingungszustände ergibt sich dann entsprechend die Vielfalt der Elementarteilchen und Austauschteilchen der Kräfte. Photonen und Elektronen sind also nichts anderes als verschiedene Arten, wie der String schwingt.

Werner Heisenberg und
Niels Bohr

Damit die Physik als Ganzes logisch konsistent ist, muss eine Theorie her, die die Quantentheorie und die Allgemeine Relativitätstheorie zusammenbringt, und darüber hinaus möglichst noch die verschiedenen Teilchen und Kräfte, die wir kennen, beinhaltet.
Aus diesem Grund sind Physiker auf der ganzen Welt schon seit geraumer Zeit fieberhaft dabei, eine Theorie zu entwickeln, die die Erkenntnisse aus beiden Theorien unter einen Hut zu bringen versucht und beide Theorien zu einer einzigen vereinigt, einer sog. Theorie der Quantengravitation.

Wie kann dies indes bewerkstelligt werden?

Quantentheorie versus Allgemeine Relativitätstheorie

Die beiden Theorien unterscheiden sich nicht nur enorm, sie bilden auch in vielerlei Hinsicht Gegensätze und lassen sich in vielen Gesichtspunkten nicht ohne Weiteres zusammenbringen, beschreiben sie doch ganz unterschiedliche Bereiche der Natur.

Die Quantentheorie sagt die Eigenschaften und das Verhalten von Teilchen auf atomarer und subatomarer Ebene voraus, sowie der Kräfte, die diese zusammenhalten, die elektromagnetische, die starke und die schwache Kraft. Sie beinhaltet jedoch nicht die Gravitationskraft, die in der Welt der Atome, Moleküle und Elementarteilchen keine Rolle spielt.
Im Gegensatz zur Quantentheorie ist die Allgemeine Relativitätstheorie eine klassische (nicht quantenphysikalische) Theorie. Sie ist eine Theorie der Gravitation, eine Theorie des Raums, der Zeit und der Kosmologie. Sie beschreibt die Dynamik der Planeten, Sterne und Galaxien sowie die Evolution des gesamten Universums.

Die Allgemeine Relativitätstheorie besitzt einen kontinuierlichen Charakter. In jedem Raumbereich lassen sich Teilbereiche beliebig kleinen Volumens definieren, und jeder Raumbereich lässt sich beliebig oft weiter unterteilen. Es sind auch beliebig kleine Energien möglich. Ganz anders sieht es in der Quantentheorie aus.
So können Energien im atomaren und subatomaren Bereich nur portionsweise, in diskreten Einheiten der Naturkonstante ħ, vorkommen. Man sagt: sie sind gequantelt.
Während die Allgemeine Relativitätstheorie zumindest im Prinzip vollständig deterministisch ist – Objekte besitzen bestimmte Orte und Geschwindigkeiten -, kann die Quantentheorie prinzipiell nur Wahrscheinlichkeiten vorhersagen.

Niels Bohr und Albert Einstein

In der Allgemeinen Relativitätstheorie erhält die Gravitation außerdem eine neue Interpretation. Sie wird nicht mehr als Kraft im herkömmlichen Sinne gemäß Newton verstanden, sondern sie ist als ein Ausdruck der Struktur der Raumzeit – in Einsteins Relativitätstheorie sind Raum und Zeit zu einer Einheit, der vierdimensionalen Raumzeit, verschmolzen – zu verstehen, als eine geometrische Eigenschaft der Raumzeit, eine Krümmung der Raumzeit.
In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist jeder Körper eine Quelle von Raumzeitkrümmung. Große Massen oder Konzentrationen von Masse oder Energie, die Quellen der Gravitation darstellen, krümmen die Raumzeit.

Einer der wichtigsten Aspekte der Allgemeinen Relativitätstheorie ist gerade, dass die Geometrie des Raums oder der Raumzeit nicht fest ist, sondern sich dynamisch entwickelt und sich durch die Bewegung der Materie mit der Zeit verändert. Bis zu Einstein schienen die Gesetze der Euklidischen Geometrie unabänderlich zu sein.
Es schien unmöglich, dass etwa die Winkel eines Dreiecks sich nicht zu 180 Grad aufaddieren. Doch in der Allgemeinen Relativitätstheorie können die Winkel eines Dreiecks plötzlich alle möglichen Summen ergeben, da die Geometrie des Raums sich krümmen kann.