Seit Jahrzehnten gilt der Urknall als Eckpfeiler der modernen Kosmologie: ein Moment, in dem das Universum aus einem unendlich dichten Punkt in die Existenz explodierte. Aber was, wenn überhaupt, geschah vor diesem Moment? Die Frage erschien einst bedeutungslos, doch jüngste Durchbrüche in der numerischen Relativitätstheorie – einem rechnerischen Ansatz zur Lösung von Einsteins notorisch komplexen Gleichungen – enthüllen, dass die früheste Geschichte des Universums möglicherweise weitaus seltsamer ist als bisher angenommen. Wissenschaftler erkennen jetzt das Potenzial für bereits existierende Universen, kollidierende Realitäten und sogar die Möglichkeit, dass der Urknall kein Anfang, sondern ein Übergang war.
Den Kosmos zurückspulen: Der Durchbruch der numerischen Relativitätstheorie
Die zentrale Herausforderung liegt darin, dass die Gleichungen zur Beschreibung der Schwerkraft bei extremen Dichten zusammenbrechen. Physiker versuchen seit langem, dieses Problem zu umgehen, indem sie Näherungen verwenden, Bedingungen in Supercomputer einbinden und diese Simulationen durchführen lassen. Dabei geht es nicht darum, exakte Lösungen zu finden; Es geht darum, aus groben Schätzungen aussagekräftige Erkenntnisse zu gewinnen. Wie Eugene Lim vom King’s College London erklärt, werden in diesem Bereich nun Antworten auf Fragen gefunden, die einst als unbeantwortbar galten.
Die Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes ergab sich aus der Gravitationswellenastronomie. Nach jahrzehntelanger Theoriearbeit beobachteten Wissenschaftler 2016 endlich Wellen in der Raumzeit. Dieser Erfolg ermutigte die Forscher, dieselben Techniken auf das weitaus schwierigere Problem des frühen Universums anzuwenden und Modelle auf „Todesstern“-Niveau zu erstellen, um Bedingungen in der Nähe des Urknalls zu simulieren.
Das Inflationsrätsel und die Argumente für springende Universen
Eine der führenden Theorien darüber, was vor der heißen, dichten Phase des frühen Universums geschah, ist die Inflation : eine Periode exponentieller Expansion, die anfängliche Unregelmäßigkeiten glättete. Allerdings beruht die Inflation auf einem hypothetischen Feld – dem „Inflaton“ – mit kaum verstandenen Eigenschaften. Simulationen zeigen nun, dass bestimmte Konfigurationen dieses Feldes eher zu Inflation führen als andere, was zu Spannungen mit Beobachtungen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) führt.
Diese Unsicherheit hat die Tür für alternative Modelle geöffnet, einschließlich der Hypothese des springenden Universums. Anstatt aus einer Singularität zu explodieren, könnte sich das Universum aus einem früheren Zustand zusammengezogen haben, bevor es wieder zurückprallte. Die numerische Relativitätstheorie unterstützt diese Idee und zeigt, dass Kontraktion Unregelmäßigkeiten genauso effektiv glätten kann wie Inflation und möglicherweise die problematische Singularität ganz vermeiden kann. Jüngste Daten deuten sogar darauf hin, dass sich die Expansion des Universums verlangsamt, was eine zukünftige Kontraktion plausibler macht.
Hinweise auf kollidierende Universen?
Die vielleicht radikalste Implikation dieser Simulationen ist die Möglichkeit, dass unser Universum nicht allein ist. Wenn die Inflation „Blasen“ aus langsamer expandierendem Raum erzeugt hätte, hätten sich diese Blasen so nah bilden können, dass sie kollidierten. Modelle deuten darauf hin, dass solche Kollisionen erkennbare Narben im CMB hinterlassen würden. Während die erste Suche nach diesen Abdrücken keine schlüssigen Ergebnisse lieferte, verfeinern Forscher ihre Methoden und erforschen realistischere Szenarien.
In Laboren werden sogar Experimente durchgeführt, um kollidierende Universen mithilfe exotischer Flüssigkeiten zu simulieren und so die theoretischen Vorhersagen zu validieren.
Die Zukunft der kosmologischen Forschung
Die numerische Relativitätstheorie prüft nicht nur bestehende Theorien; Es erforscht auch die Grundlagen der theoretischen Physik. Die Formen des Inflatonfeldes, die beispielsweise zur Erzeugung von Inflation erforderlich sind, stehen im Widerspruch zu vielen Modellen der Stringtheorie, stimmen jedoch mit bestimmten Variationen überein. Dies deutet darauf hin, dass einige Ansätze zur Vereinigung der Schwerkraft mit der Quantenmechanik vielversprechender sein könnten als andere.
Mit schnellerer Rechenleistung und ausgefeilteren Simulationen sind Wissenschaftler bereit, die Grenzen des kosmologischen Wissens noch weiter zu verschieben. Die Ära, in der man den Urknall blind als absoluten Anfang akzeptierte, neigt sich möglicherweise dem Ende zu. Wir treten in eine Phase ein, in der die Ursprünge des Universums auf der Grundlage des unermüdlichen Strebens nach rechnerischer Wahrheit getestet, in Frage gestellt und möglicherweise neu geschrieben werden können.
Die Simulationen sind schöne Arbeiten, aber noch unvollständig. Die Modelle können das Universum, wie wir es heute sehen, noch nicht vollständig erklären, aber sie kommen der Antwort auf die größte Frage der Kosmologie näher: Was war vor allem?
