Forscher haben ein Modell eines schrumpfenden Universums entwickelt, das vor dem Urknall existierte. klicken um zu vergrößern
Der Urknall beschreibt, wie das Universum vor 13,7 Milliarden Jahren als ein einziger Punkt begann und sich seitdem erweitert hat, aber es erklärt nicht, was vorher passiert ist. Forscher der Penn State University glauben, dass es in unserem gegenwärtigen Universum Spuren von Beweisen geben sollte, die vor dem Urknall zurückblicken könnten. Ihren Forschungen zufolge gab es ein kontrahierendes Universum mit einer ähnlichen Raum-Zeit-Geometrie wie unser expandierendes Universum. Das Universum brach zusammen und "prallte" dann als Urknall ab.
Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie repräsentiert der Urknall den Anfang, das große Ereignis, bei dem nicht nur Materie, sondern auch Raumzeit selbst geboren wurde. Während klassische Theorien vor diesem Moment keine Hinweise auf die Existenz geben, hat ein Forscherteam am Penn State Quantengravitationsberechnungen verwendet, um Fäden zu finden, die zu einer früheren Zeit führen. "Die allgemeine Relativitätstheorie kann verwendet werden, um das Universum bis zu einem Punkt zu beschreiben, an dem die Materie so dicht wird, dass ihre Gleichungen nicht mehr gelten", sagt Abhay Ashtekar, Inhaber des Eberly Family Chair für Physik und Direktor des Instituts für Gravitationsphysik und Geometrie bei Penn State. "Darüber hinaus mussten wir Quantenwerkzeuge anwenden, die Einstein nicht zur Verfügung standen." Durch die Kombination von Quantenphysik mit allgemeiner Relativitätstheorie konnten Ashtekar und zwei seiner Postdoktoranden, Tomasz Pawlowski und Parmpreet Singh, ein Modell entwickeln, das durch den Urknall zu einem schrumpfenden Universum führt, das eine ähnliche Physik wie wir aufweist.
In Untersuchungen, die in der aktuellen Ausgabe der Physical Review Letters veröffentlicht wurden, zeigt das Team, dass es vor dem Urknall ein kontrahierendes Universum mit Raum-Zeit-Geometrie gab, das ansonsten dem unseres derzeit expandierenden Universums ähnlich ist. Als die Gravitationskräfte dieses vorherige Universum nach innen zogen, erreichte es einen Punkt, an dem die Quanteneigenschaften der Raumzeit dazu führen, dass die Schwerkraft eher abstoßend als attraktiv wird. "Mit Quantenmodifikationen von Einsteins kosmologischen Gleichungen haben wir gezeigt, dass es anstelle eines klassischen Urknalls tatsächlich einen Quantensprung gibt", sagt Ashtekar. "Wir waren so überrascht von der Feststellung, dass es ein anderes klassisches Universum vor dem Urknall gibt, dass wir die Simulationen mit verschiedenen Parameterwerten über mehrere Monate wiederholt haben, aber wir fanden, dass das Big Bounce-Szenario robust ist."
Während die allgemeine Idee eines anderen Universums, das vor dem Urknall existierte, bereits vorgeschlagen wurde, ist dies die erste mathematische Beschreibung, die systematisch seine Existenz feststellt und Eigenschaften der Raum-Zeit-Geometrie in diesem Universum herleitet.
Das Forscherteam verwendete die Schleifenquantengravitation, einen führenden Ansatz für das Problem der Vereinheitlichung der allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenphysik, das auch am Penn State Institute für Gravitationsphysik und -geometrie entwickelt wurde. In dieser Theorie hat die Raum-Zeit-Geometrie selbst eine diskrete „atomare“ Struktur und das bekannte Kontinuum ist nur eine Annäherung. Das Gewebe des Raumes wird buchstäblich von eindimensionalen Quantenfäden gewebt. In der Nähe des Urknalls wird dieser Stoff heftig zerrissen und die Quantennatur der Geometrie wird wichtig. Es macht die Schwerkraft stark abstoßend und führt zum Big Bounce.
„Unsere erste Arbeit geht von einem homogenen Modell unseres Universums aus“, sagt Ashtekar. „Es hat uns jedoch Vertrauen in die zugrunde liegenden Ideen der Schleifenquantengravitation gegeben. Wir werden das Modell weiter verfeinern, um das Universum, wie wir es kennen, besser darzustellen und die Merkmale der Quantengravitation besser zu verstehen. “
Die Forschung wurde von der National Science Foundation, der Alexander von Humboldt-Stiftung und dem Penn State Eberly College of Science gefördert.
Originalquelle: PSU-Pressemitteilung
