Was ist vor dem Urknall passiert?

Am Anfang war ein unendlich dichter, winziger Materieball. Dann ging alles schief und es entstanden die Atome, Moleküle, Sterne und Galaxien, die wir heute sehen.

Zumindest haben uns das die Physiker in den letzten Jahrzehnten gesagt. 

Neue theoretische physikalische Forschungen haben jedoch kürzlich ein mögliches Fenster in das sehr frühe Universum offenbart, das zeigt, dass es möglicherweise doch nicht "sehr früh" ist. Stattdessen ist es möglicherweise nur die neueste Iteration eines Bang-Bounce-Zyklus, der seit ... nun, mindestens einmal und möglicherweise für immer andauert. 

Bevor sich die Physiker dazu entschließen, den Urknall zugunsten eines Bang-Bounce-Zyklus auszuschalten, müssen diese theoretischen Vorhersagen natürlich einen Ansturm von Beobachtungstests überstehen.

Hüpfende Kosmologien

Wissenschaftler haben ein wirklich gutes Bild des sehr frühen Universums, etwas, das wir als Urknalltheorie kennen und lieben. In diesem Modell war das Universum vor langer Zeit viel kleiner, viel heißer und viel dichter als heute. In diesem frühen Inferno vor 13,8 Milliarden Jahren wurden alle Elemente, die uns zu dem machen, was wir sind, innerhalb von etwa einem Dutzend Minuten gebildet.

Noch früher, so heißt es, hatte unser gesamtes Universum - alle Sterne, alle Galaxien, alles - die Größe eines Pfirsichs und eine Temperatur von über einer Billiarde Grad.

Erstaunlicherweise hält diese fantastische Geschichte allen aktuellen Beobachtungen stand. Astronomen haben alles getan, von der Beobachtung der übrig gebliebenen elektromagnetischen Strahlung des jungen Universums bis zur Messung der Häufigkeit der leichtesten Elemente, und festgestellt, dass sie alle mit den Vorhersagen des Urknalls übereinstimmen. Soweit wir das beurteilen können, ist dies ein genaues Porträt unseres frühen Universums.

Aber so gut es auch ist, wir wissen, dass das Urknallbild nicht vollständig ist - es fehlt ein Puzzleteil, und dieses Teil ist der früheste Moment des Universums selbst.

Das ist ein ziemlich großes Stück.

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Der Brand

Das Problem ist, dass die Physik, mit der wir das frühe Universum verstehen (ein wunderbar komplizierter Mischmasch aus allgemeiner Relativitätstheorie und hochenergetischer Teilchenphysik), uns nur so weit bringen kann, bevor wir zusammenbrechen. Während wir versuchen, tiefer und tiefer in die ersten Momente unseres Kosmos vorzudringen, wird es immer schwieriger, die Mathematik zu lösen, bis zu dem Punkt, an dem sie gerade… aufhört.

Das Hauptzeichen dafür, dass wir noch Terrain erforschen müssen, ist das Vorhandensein einer "Singularität" oder eines Punktes unendlicher Dichte zu Beginn des Urknalls. Auf den ersten Blick zeigt dies, dass das Universum an einem Punkt zu einem unendlich kleinen, unendlich dichten Punkt zusammengepfercht war. Das ist offensichtlich absurd, und es sagt uns wirklich, dass wir neue Physik brauchen, um dieses Problem zu lösen - unser aktuelles Toolkit ist einfach nicht gut genug.

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Um den Tag zu retten, brauchen wir eine neue Physik, die in der Lage ist, die Schwerkraft und die anderen Kräfte zusammen mit ultrahohen Energien zu handhaben. Und genau das behauptet die Stringtheorie: ein Modell der Physik, das in der Lage ist, die Schwerkraft und die anderen Kräfte zusammen mit ultrahohen Energien zu handhaben. Was bedeutet, dass die Stringtheorie behauptet, sie könne die frühesten Momente des Universums erklären.

Einer der frühesten Begriffe der Stringtheorie ist das "ekpyrotische" Universum, das vom griechischen Wort für "Feuersbrunst" oder Feuer stammt. In diesem Szenario wurde das, was wir als Urknall kennen, durch etwas anderes ausgelöst, das vorher geschah - der Urknall war kein Anfang, sondern ein Teil eines größeren Prozesses.

Die Erweiterung des ekpyrotischen Konzepts hat zu einer Theorie geführt, die wiederum durch die Stringtheorie motiviert ist und als zyklische Kosmologie bezeichnet wird. Ich nehme an, dass die Idee, dass sich das Universum ständig wiederholt, Jahrtausende alt ist und älter als die Physik ist, aber die Stringtheorie gab der Idee eine feste mathematische Grundlage. Das zyklische Universum bewegt sich genau so, wie Sie es sich vorstellen können, und bewegt sich ständig zwischen Urknallen und großen Knirschen, möglicherweise für die Ewigkeit in der Zeit und für die Ewigkeit in der Zukunft.

Vor dem Anfang

So cool das auch klingen mag, frühe Versionen des zyklischen Modells hatten Schwierigkeiten, Beobachtungen abzugleichen - was eine große Sache ist, wenn Sie versuchen, Wissenschaft zu betreiben und nicht nur am Lagerfeuer Geschichten zu erzählen. 

Die Haupthürde bestand darin, unseren Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds zuzustimmen, dem fossilen Licht, das übrig blieb, als das Universum erst 380.000 Jahre alt war. Während wir nicht direkt hinter dieser Lichtwand sehen können, beeinflussen Sie dieses Nachleuchtlichtmuster, wenn Sie theoretisch anfangen, an der Physik des Säuglingskosmos zu basteln.

Und so schien es, dass ein zyklisches Universum eine ordentliche, aber falsche Idee war.

Aber die ekpyrotische Fackel wurde im Laufe der Jahre immer wieder angezündet, und ein im Januar in der arXiv-Datenbank veröffentlichtes Papier hat die Falten in der Mathematik untersucht und einige zuvor verpasste Möglichkeiten aufgedeckt. Die Physiker Robert Brandenberger und Ziwei Wang von der McGill University in Kanada stellten fest, dass es im Moment des "Sprunges", wenn unser Universum auf einen unglaublich kleinen Punkt schrumpft und in einen Urknallzustand zurückkehrt, möglich ist, alles in einer Reihe aufzustellen, um zu erhalten das richtige beobachtungsgeprüfte Ergebnis.

Mit anderen Worten, die komplizierte (und zugegebenermaßen schlecht verstandene) Physik dieser kritischen Epoche kann tatsächlich eine radikal überarbeitete Sicht auf unsere Zeit und unseren Ort im Kosmos ermöglichen.

Um dieses Modell vollständig zu testen, müssen wir auf eine neue Generation von kosmologischen Experimenten warten. Warten wir also, bis der ekpyrotische Champagner ausgebrochen ist.

Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei sonnig Stony Brook und das Flatiron Institute, Gastgeber von Fragen Sie einen Raumfahrer und Weltraumradio, und Autor von Dein Platz im Universum.

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Ursprünglich veröffentlicht am .

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