Wir haben alle gehört, dass das Universum mit dem Urknall begann — einer kolossalen Explosion, die es ins Dasein führte.
Aber was wäre, wenn der Urknall nicht der Anfang wäre? Könnte es eine frühere Version des Universums mit eigenen Sternen und Galaxien gegeben haben? Ein Universum bevölkert, vielleicht, von seinen eigenen Kreaturen, sich fragen, was vor ihrem Universum kam?
Oder könnte es eine unendliche Anzahl von Universen geben, die sich endlos verzweigen, um immer mehr Universen zu erschaffen? Wenn ja, macht es überhaupt Sinn zu fragen, wie diese ganze Reihe von Universen entstanden ist?
Bei dem Versuch, solche Fragen zu beantworten, stoßen Wissenschaftler an die Grenzen der Gesetze der Physik. Bestehende Theorien können die Entwicklung des Universums von seinen frühesten Augenblicken an erklären — ab einem Bruchteil einer Sekunde nach dem Urknall —, aber die Frage, was vorher kam, gehörte zu den ärgerlichsten in der gesamten Wissenschaft.
„Ich war auf Seminaren, wo wir stundenlang darüber streiten“, sagt Renée Hložek, Physikerin und Kosmologin an der Universität von Toronto.
Big Bang – oder Big Bounce?
Physiker sind sehr zuversichtlich, wenn sie über Dinge sprechen, die sie sehen können — und das älteste Zeug, das mit unseren Teleskopen sichtbar ist, ist der kosmische Mikrowellenhintergrund. Das CMB ist eine Art „Echo“ des Urknalls und ein Leuchten des gesamten Himmels, das mit Radioteleskopen gemessen und kartiert werden kann. Es entstand 380.000 Jahre nach dem Urknall. Davor können wir nicht sehen, wie das Universum war; Es war einfach zu voll von Materie, als dass Licht frei fließen könnte.
“ Ich kann nur so weit zurückblicken, wie ich sehen kann „, sagt Hložek. „Und vor dem CMB ist das Universum undurchsichtig.“
Aber wenn es Grenzen für das gibt, was Astronomen sehen können, gibt es keine Grenzen für das, was Theoretiker sich vorstellen können. Einer der größten theoretischen Physiker, Roger Penrose von der Universität Oxford, hat die Idee einer Abfolge von Universen vorgeschlagen, die sich im Laufe der Zeit entwickeln. Unser Urknall, so argumentiert er, könnte nur ein „Bounce“ gewesen sein — ein Übergang von einem früheren, kollabierenden Universum zu dem expandierenden, in dem wir uns heute befinden.
Penrose sorgte im vergangenen Herbst für Furore, als er seine Argumentation noch weiter fortsetzte und argumentierte, dass Beweise für diese früheren Universen existieren könnten — in Form eines verräterischen Abdrucks auf dem CMB, der durch sorgfältige Analyse von Radioteleskopdaten aufgedeckt werden könnte.
Andere Physiker reagierten skeptisch (wie 2010, als Penrose eine ähnliche Behauptung aufstellte). „Wenn jemand zeigen könnte, dass ein bestimmtes Muster am Mikrowellenhimmel ein Beweis dafür ist, dass das Universum eine Reihe von Zyklen durchlaufen hat, wäre das natürlich spektakulär aufregend“, sagte der Physiker Douglas Scott von der University of British Columbia gegenüber Physics World. „Aber Papier fällt sehr kurz, das zu tun.“
Penrose ist nicht der erste, der argumentiert, dass der Urknall nicht der ultimative Beginn der Zeit war — oder dass es im Universum mehr gibt, als wir um uns herum sehen. Im Jahr 2001 stellten Paul Steinhardt von der Princeton University und Neil Turok vom Perimeter Institute in Waterloo, Ontario, ein „zyklisches Modell“ des Kosmos vor. Das Modell leitet sich von der sogenannten M-Theorie ab, einer Version der Stringtheorie, die besagt, dass Materie eher aus winzigen vibrierenden Strings als aus winzigen Partikeln besteht. Im zyklischen Modell, Unser Universum ist nur eines von vielen Universen, die nebeneinander in einem höherdimensionalen Bereich existieren, der als „Masse“ bekannt ist.“ (Mach dir keine Sorgen, wenn du dir nicht vorstellen kannst, dass etwas mehr als drei Dimensionen hat — niemand sonst kann es auch.)
In dem Modell, das Steinhardt und Turok beschreiben, kollidieren Universen periodisch miteinander, wobei jede Kollision wie ein neuer Urknall wirkt. Während das Standard-Urknallmodell einen einzigen Moment der Schöpfung aufweist, legt ihr Modell — wie bei Penrose — nahe, dass wir in „einem Universum leben, das für immer gemacht und neu gemacht wird“, wie Steinhardt es ausdrückt.
Inflation, das Multiversum und die Rückwärtszeit
Wenn Steinhardt und Turok Recht haben, erstreckt sich der Kosmos zeitlich weit über das hinaus, was wir uns als unser gegenwärtiges Universum vorstellen. Andere Theoretiker haben vorgeschlagen, dass es sich ähnlich im Raum erstreckt — dass wir in einem „Multiversum“ leben, einer Reihe von Universen, in denen unser nur ein kleiner Teil einer viel größeren Realität ist (obwohl Steinhardt diese Idee kritisiert). In beiden Fällen war der Urknall mit ziemlicher Sicherheit nicht der ultimative Anfang.
Ein ähnliches Argument stammt aus einer Theorie, die einfach als „Inflation“ bekannt ist und aus den frühen 1980er Jahren stammt. Seine zentrale Idee, die heute von Physikern weithin akzeptiert wird, ist, dass das Universum im ersten winzigen Bruchteil einer Sekunde dramatisch wuchs — von kleiner als einem Proton auf vielleicht die Größe einer Grapefruit.
Niemand weiß, was die Inflation verursacht haben könnte. Aber einige Physiker, darunter Andrei Linde von der Stanford University, glauben, dass alles, was es ausgelöst hat, nicht nur einmal, sondern viele Male geschehen sein könnte — was zu einer Vielzahl von Universen geführt hat. Wenn diese Theorie der „ewigen Inflation“ richtig ist, sprießt der Kosmos ständig neue Universen wie Blasen in einem Topf mit kochendem Wasser.
Eine ebenso verblüffende Theorie wurde 2013 vom englischen Physiker Julian Barbour, Tim Koslowski von der University of New Brunswick und Flavio Mercati vom Perimeter Institute vorgeschlagen. Die drei Wissenschaftler führten Computersimulationen einfacher Partikelsammlungen durch und untersuchten, wie sie sich als Reaktion auf die Schwerkraft über lange Zeiträume bewegten (stellen Sie sich ein Universum vor, das tausend Murmeln und nichts anderes enthält, wobei jeder Marmor von jedem anderen Marmor angezogen wird). Ihr Computermodell beschrieb korrekt so etwas wie das expandierende Universum, das wir um uns herum sehen — aber auch eine Art Spiegeluniversum, in dem die Zeit in die entgegengesetzte Richtung fließt. (Sie nennen die Trennlinie den „Januspunkt“, nach dem zweigesichtigen römischen Gott.)
„Wenn die Theorie stimmt, gibt es auf der anderen Seite des Urknalls ein anderes Universum, in dem die Richtung der Erfahrung der Zeit unserer entgegengesetzt ist“, sagte Barbour 2016 gegenüber Quartz.
Macht die Frage überhaupt Sinn?
Eine andere Möglichkeit – vielleicht eine banalere als die, die die verschiedenen Theorien des springenden Universums oder des Multiversums bieten – ist, dass die Zeit selbst im Moment des Urknalls begann. Wenn das der Fall ist, gibt es überhaupt kein „Vorher“.
Stephen Hawking, der 2018 starb, machte ein solches Argument in seinem Bestseller A Brief History of Time von 1988 (und machte es in einem Videointerview mit Neil deGrasse Tyson nicht lange vor Hawkings Tod erneut). Hawking vergleicht die Idee, dass etwas „vor dem Urknall“ existiert haben könnte, mit der Idee „südlich des Südpols“.“ Es gibt nichts südlich von diesem Punkt — die Oberfläche des Globus endet gerade. So schwer es auch vorstellbar ist, vielleicht gab es einfach keine Zeit vor dem Urknall.
Vorhersehbar streiten sich Physiker weiterhin darüber, welche dieser Ideen es verdienen, ernst genommen zu werden. Unser Universum als Produkt eines früheren Universums zu erklären, klingt ansprechend – aber was hat dieses Universum dazu gebracht zu existieren?
„Wenn Sie eine hüpfende Kosmologie haben – nun, hüpft sie schon immer? Und wenn ja, wie begann das Prellen?“ Fragt Hložek. Diese Vorschläge sind zwar mutig, aber „nicht unbedingt befriedigender … als Hawking, der sagt, dass man die Frage nicht stellen kann.“
Am Ende hat der Kosmos im Urknall eine glaubwürdige Ursprungsgeschichte — aber kein überzeugendes Drehbuch für das, was vor „time Zero „kam.“ Stattdessen haben wir ein Sammelsurium konkurrierender Theorien, die alle hochspekulativ sind.
„Manchmal denke ich, wir sollten einfach ehrlich sein“, sagt Hložek, „und einfach sagen: „Es ist mein Lebenswerk, diese Frage zu beantworten — aber ich weiß es nicht.'“
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