Was war vor dem Urknall?
Zu dieser Frage gibt es unterschiedliche Theorien. Nach der klassischen Urknall-Theorie (Big Bang) begann unser Universum mit dem Urknall vor ca. 13,82 Milliarden Jahren. In dem Moment entstanden auch Raum und Zeit. Nach dieser Theorie macht deshalb die Frage nach dem „Davor“ keinen Sinn. Neuere Theorien, die die Quantentheorie in die Überlegungen einbeziehen, gehen davon aus, dass es den Urknall im herkömmlichen Verständnis gar nicht gab und dass es vor unserem Universum bereits ein oder auch mehrere andere Universen gegeben hat.
Unser heutiges Universum expandiert, d.h. die Galaxien bewegen sich voneinander weg. Spult man nun die Geschichte des Weltalls gedanklich zurück, kommt man zu einem Punkt, in dem alle Masse und die Raumzeit in einem ausdehnungslosen Punkt vereinigt waren. Diesen Punkt nennen Physiker Singularität. Dichte und Raumkrümmung sind in diesem Punkt unendlich groß. Auch die Zeit endet an dieser Urknall-Singularität. Ein „Davor“ kann es folglich nicht geben. Dieses Szenario ist eine Konsequenz der Relativitätstheorie.
Die Einsteinsche Theorie reicht an dieser Stelle jedoch nicht mehr aus, die physikalischen Vorgänge zu beschreiben, denn sie berücksichtig nur die Gravitation, nicht aber die Quanteneffekte, die in der Nähe der Singularität eine Rolle gespielt haben. Vor einem ähnlichen Problem standen die Forscher als es darum ging, zu erklären, warum Atome stabil sind. Nach der klassischen Mechanik hätten die Elektronen ständig Energie verlieren und schließlich in den Kern stürzen müssen. Erst die Quantenmechanik, nach der Energie nicht in beliebigen sondern nur in diskreten Beträgen abgegeben wird, konnte die Stabilität erklären.
Um nun die physikalischen Prozesse am Beginn des Universums zu beschreiben, bemühen sich heute Physiker in aller Welt darum, die Quantentheorie mit der Relativitätstheorie zu vereinigen zu einer Theorie der Quantengravitation. Dafür gibt es unterschiedliche Modelle, von denen die so genannte Stringtheorie und die Schleifen-Quantengravitation zu den derzeit favorisierten gehören. Allen diesen Theorien gemeinsam ist, dass sie durch Berücksichtigung von Quanteneffekten ausschließen, dass eine Singularität entsteht. Masse und Raumzeit waren auf ein winziges Volumen zusammengedrängt, aber nicht in einem ausdehnungslosen Punkt. Damit ist der Weg frei für die Hypothese, dass es vor unserem Universum bereits etwas gab.
In der Stringtheorie gibt es subatomare Fäden bzw. Saiten (englisch Strings), deren unterschiedliche Schwingungen unterschiedliche Materieteilchen repräsentieren. Ein Szenario vom Anfang der Welt, das auf der Stringtheorie basiert, geht davon aus, dass unser vierdimensionales Universum eine von vielen Branen (abgeleitet von Membran) und damit Teil eines höherdimensionalen Universums ist. Stoßen zwei solcher Branen zusammen, kommt es zum Urknall. Die Bewegungsenergie der Branen verwandelt sich in Materie und Strahlung. Der Zusammenstoß wäre damit der Beginn unseres vierdimensionalen Universums, nicht jedoch des höherdimensionalen Universums, dessen Teil es ist. Wie das höherdimensionale Universum entstanden ist bzw. ob es schon immer bestanden hat, darüber kann auch diese Theorie keine Aussage treffen.
Nach der Schleifen-Quantengravitation sind Raum und Zeit nicht kontinuierlich sondern bestehen aus diskreten Stückchen. Vor unserem Universum, so vermuten die Anhänger dieser Theorie, gab es bereits ein Universum mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften, das sich immer weiter zusammenzog bis zu einer winzig kleinen Ausdehnung. Anschließend expandierte es wieder. Demnach begann unser Universum mit einem Big Bounce – dem Großen Aufprall. Man kann sich diesen Prozess anhand eines Luftballons veranschaulichen, aus dem die Luft entweicht und somit das Volumen abnimmt, bis die Teile der Hülle aufeinanderstoßen. Die Wände des Luftballons können sich durchdringen. Der Prozess des Zusammenziehens geht dann sozusagen mit umgekehrten Vorzeichen weiter. Aus Kontraktion wird Expansion, nur dass jetzt das, was vorher innen war, nun außen ist und umgekehrt. Das führte dazu, dass sich das Vorgängeruniversum in einigen Eigenschaften von unserem Universum unterscheidet. Erst kürzlich gelang es amerikanischen Forschern, die Existenz und die Eigenschaften dieses Vorgängeruniversums zu berechnen.
Noch basieren all diese Szenarien auf theoretischen Überlegungen, aber die Physiker hoffen, schon bald u.a. mit Hilfe von Gravitationswellendetektoren messbare Indizien für das eine oder andere Modell zu finden.
Die Frage wurde beantwortet von Prof. Thomas Thiemann vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Potsdam.