Urknall - der Anfang auch der Zeit? © NASA/CXC / Spitzer Space Telescope

Was war vor dem Urknall? Gab es da schon Zeit und Raum, wie wir sie verstehen? Tickte die kosmische Uhr da bereits? Oder herrschte auch in diesen fundamentalen Größen unseres Weltverständnisses Chaos? Noch sind diese Fragen nicht endgültig beantwortet – aber erste Ideen und Forschungen dazu gibt es bereits.

Einfache Fragen erfordern oft komplexe Antworten. Das gilt auch für die Frage, was eigentlich vor dem Urknall war. Vieles, was Forscher dazu sagen können, ist Spekulation, anderes steht auf scheinbar gesicherten Füßen. Zweifelsfrei ist nur eines: Wer sich der Frage wissenschaftlich nähern will, muss eingefahrene Denkweisen radikal überwinden. Christoph Wetterich und seine Kollegen vom Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg gehören zu denjenigen, die den Urknall und seine Begleiterscheinungen genauer erforschen.

Christoph Wetterich, Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola
Stand: 07.06.2013

Was war vor dem Urknall? Diese Frage wird oft gestellt, nach Vorträgen über das frühe Universum oder die dunkle Energie beispielsweise. So einfach sie zu stellen ist, so schwer ist sie zu beantworten. Gesicherte Erkenntnisse über die Phase vor dem Urknall gibt es keine, und wer nach Antworten sucht, kann schnell auf den schmalen Grat zwischen Physik und Metaphysik geraten.

Urknall, Weltall und drumherum das "Nichts"? © NASA

Besonders hartnäckig hält sich die Vorstellung, dass unser Weltall irgendwie räumlich oder zeitlich im „Nichts“ eingebettet ist. Das zeigt sich an Formulierungen wie: „Hier ist das Weltall, draußen ist nichts“ oder „Ab dem Urknall gibt es das Weltall, vorher war nichts“. Diese Vorstellung hat ihre Wurzeln in einem früheren Weltbild der Physik, welches das Vakuum mit dem Nichts gleichsetzte. In diesem Vakuum bewegen sich Körper wie Sterne oder Atome – oder eben das Weltall.

Vakuum: Eher „Äther“ als Leere

Die moderne Physik hat eine diametral entgegengesetzte Vorstellung vom Vakuum. Heute gehen die Physiker davon aus, dass das Vakuum komplex und ebenso materiell ist wie die Körper, die sich in ihm bewegen. Mehr noch: Die Eigenschaften des Vakuums bestimmen die Gesetze, nach denen sich Elementarteilchen, Atome oder Galaxien bewegen. Diese Eigenschaften können sich mit der Zeit ändern, denn das Universum ist nicht statisch.

Was liegt zwischen Galaxien, Sternen und anderer Materie? © NASA/WMAP

Von der Festkörperphysik ist bekannt: Die Gesetze für Anregungen hängen vom Zustand des Systems ab. In vielen Materialien sind die Gesetze für Elektrizität und Magnetismus bei tiefen Temperaturen völlig verschieden von den gewohnten Maxwell-Gleichungen. So können solche Materialien zu Supraleitern werden. Einzuwenden wäre, dass in der Festkörperphysik der thermodynamische Gleichgewichtszustand oder auch der Grundzustand nicht das Vakuum sind, weil diese Zustände durch viele miteinander wechselwirkende Atome entstehen.

Die Elementarteilchenphysik konnte jedoch zeigen, dass die gleichen Vorstellungen auch für das Vakuum gelten. Für viele theoretische Elementarteilchenphysiker ist ein wichtiges Anliegen, die Eigenschaften des Vakuums zu berechnen. Kürzlich wurden diese Vorstellungen durch die Entdeckung des sogenannten Higgs- Elementarteilchens glänzend bestätigt. In mancher Hinsicht ähnelt das Vakuum damit dem „Äther“ alter Zeiten, einer Substanz, die „überall und immer“ vorhanden ist.

Christoph Wetterich, Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola
Stand: 07.06.2013

In der Kosmologie wird der Begriff Vakuum heute durch „den räumlich gemittelten Zustand des Universums zu einer bestimmten Zeit“ ersetzt. Dies gilt mit etwas zeitlichem Abstand auch für den Urknall. Das Universum dehnt sich aus und kühlt ab – sein Zustand ändert sich also mit der Zeit.

Im Teilchenbeschleuniger erzeugt: Quark-Gluon-Plasma, wie es Sekunden nach dem Urknall existierte. In diesem Stadium waren die Grundbausteine der Protonen und Neutronen noch voneinander getrennt. © Brookhaven National Laboratory

Physiker können nun aufgrund der im Labor beobachtbaren Gesetze darauf schließen, in welchem Zustand das Universum bei den hohen Temperaturen war, die einige Sekunden oder Minuten nach dem Urknall geherrscht haben. Daraus lässt sich errechnen, wie die ersten Atomkerne im Universum gebildet wurden. Diese Berechnungen wurden zwischenzeitlich durch verschiedene Beobachtungen eindrucksvoll bestätigt.

Die Kosmologen vertrauen deshalb darauf, die grundlegenden Aspekte der Naturgesetze gut genug zu kennen, um sich an Aussagen über den Zustand des Universums in der Nähe des Urknalls heranzuwagen. Sie haben beispielsweise den sogenannten Higgs-Mechanismus verstanden, eine wichtige Eigenschaft des Vakuums, die die Gesetze der schwachen Wechselwirkung und der Masse der Elektronen oder Quarks bestimmt.

Naturgesetze waren nicht immer gleich

Das macht es möglich, folgende Aussage mit recht großer Sicherheit zu treffen: Die Gesetze für Elektromagnetismus und schwache Wechselwirkung waren in der Zeitspanne vom Urknall bis zum „elektroschwachen Phasenübergang“ – ungefähr ein Millionstel einer Millionstel Sekunde nach dem Urknall – recht verschieden von den späteren Gesetzen. In der Frühphase des Universums war die schwache Wechselwirkung ebenso stark wie die elektromagnetische, und keines der heute bekannten Elementarteilchen hatte eine Masse.

Aus Sicht der modernen Kosmologie hängen nicht nur die Naturgesetze von den veränderlichen Eigenschaften des Vakuums ab. Auch die Übertragung von Energie aus dem Vakuum auf die Elementarteilchen oder das Erzeugen von Energie aus dem Vakuum spielen eine wichtige Rolle.

Die heutige Sicht lässt sich so zusammenfassen: Zwischen Vakuum und Materie besteht kein grundlegender Unterschied. Es lässt sich daher ein verallgemeinerter Materiebegriff verwenden, der das Vakuum mit einschließt. Diese einheitliche Sicht auf Vakuum und Elementarteilchen ist für die Frage nach dem Anfang des Universums von großer Bedeutung.

Christoph Wetterich, Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola
Stand: 07.06.2013

Raum und Zeit beschreiben Beziehungen zwischen verschiedenen Teilen der Materie. Sie sind keine vorgegebenen Strukturen, in die Materie „hineingesetzt“ wird. Weder Raum noch Zeit existieren unabhängig von Materie. In einem gewissen Sinn sind Raum und Zeit Eigenschaften des Vakuums – und diese Eigenschaften können durch die Anwesenheit von Atomen, Planeten oder Sternen beeinflusst werden.

Von der Erde zum Mond - Raum erschließt sich uns durch Entfernungen © NASA

Woran misst man Raum?

Dass Raum und Zeit nicht ohne Materie existieren, scheint unserer alltäglichen Erfahrung zu widersprechen – aber nur auf den ersten Blick. Intuitiv gibt es „mehr Raum“ zwischen der Erde und dem Mond als zwischen Heidelberg und Mannheim. Aber woher wissen wir das? Wir könnten Laserstrahlen von Spiegeln auf dem Mond reflektieren lassen und ihre Laufzeit zurück zur Erde mit derjenigen zwischen Heidelberg und Mannheim vergleichen. Aus der längeren Laufzeit schließen wir dann auf den größeren Abstand: So wird das für Präzisionsmessungen des Abstands vom Mond tatsächlich gemacht.

Wenn wir uns aber die Erde allein im Universum vorstellen, ohne Mond oder andere Materie, dann macht der Begriff eines Raumes außerhalb der Erde nicht mehr viel Sinn. Dann gibt es keine Möglichkeit mehr, diesen Raum in irgendeiner Weise zu erfahren. Auch Zeitmessungen sind immer nur Verknüpfungen materieller Ereignisse.

Nicht leer: Der Weltraum ist von Feldern erfüllt - hier eine Simulation von Gravitationswellen, die bei der Verschmelzung zweier Schwarzer Löcher entstehen. Auch diesem Phänomen liegen Einsteins theoretische Überlegungen zugrunde. © NASA/ Henze

Metrik als entscheidende Beschreibungshilfe

Einstein beschreibt in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Eigenschaften von Raum und Zeit durch ein metrisches Feld, kurz durch eine „Metrik“. Metrische Felder sind Größen, die für jede Raum-Zeit-Koordinate einen festen Wert haben. Sie haben überall ihre Feldwerte – nicht nur dort, wo es gerade einen Körper gibt. Es sind wichtige Größen, um den Zustand des Universums oder des Vakuums zu beschreiben.

Das metrische Feld ist dabei konzeptionell nicht unterschieden vom elektrischen Feld oder vom Magnetfeld: Ebenso wie wir ein elektrisches oder magnetisches Feld messen können, können wir auch das metrische Feld, das „Gravitationsfeld“, präzise messen – dies machen wir uns auch für praktische Zwecke wie die Erderkundung oder GPS zunutze.

Christoph Wetterich, Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola
Stand: 07.06.2013

Für Raum und Zeit spielt die Metrik eine besondere Rolle. Räumliche Abstände zwischen zwei Körpern oder zeitliche Abstände zwischen zwei Ereignissen sind durch Werte des metrischen Felds bestimmt. Ohne Metrik gibt es daher weder Raum noch Zeit. Man könnte zwei Körpern zwar noch willkürliche Koordinaten zuteilen; sie hätten aber keine physikalische Bedeutung mehr.

Erst durch die prinzipielle Messbarkeit von räumlichen und zeitlichen Abständen werden Konzepte wie Raum und Zeit, die Bahnen von Planeten oder die Frequenzen von Atomschwingungen zu einer wirkungsvollen Beschreibung der Realität. Erst dadurch wird es möglich, dass sich verschiedene Beobachter auf die gleiche Geometrie für die Raum-Zeit einigen können.

Albert Einstein sah keine Null in seiner Metrik vor © Library of Congress/ Oren Jack Turner

Auch bei Einstein gab es keine „Null“

In der Allgemeinen Relativitätstheorie gibt es räumliche und zeitliche Abstände nur, wenn die Metrik nicht Null ist. Einstein ging wohl von einer Vorstellung der Existenz von Raum und Zeit aus, bei der nur deren Eigenschaften durch die Metrik bestimmt werden. Er hat deshalb von Null verschiedene Werte der Metrik postuliert. Ein elektromagnetisches Feld hingegen kann beliebige positive oder negative Werte annehmen – und auch Null sein.

Dieser Vergleich lässt fragen, ob auch die Metrik unter gewissen Umständen den Wert Null annehmen kann. Doch dann gäbe es weder Raum noch Zeit. Schon diese einfache Frage zeigt, dass wir bei Konzepten wie Zeit und Raum eine gewisse Vorsicht walten lassen sollten, wenn wir uns extremen Bedingungen wie denen am Urknall zuwenden.

Außerhalb der Skala: die Singularität

Kann man die Begriffe Zeit und Raum also beliebig nahe am Urknall verwenden? Diese Frage ist eng mit der Frage verknüpft, ob es das Universum „schon immer“ gegeben hat. Aber was heißt „schon immer“? Auf den ersten Blick scheint eine Antwort auf diese Frage einfach: Wir können ein Jahr in die Vergangenheit zurückschauen oder zwei Jahre oder beliebig viele Jahre. Auf dieser Zeitskala ereignete sich der Urknall vor 13,7 Milliarden Jahren. Was aber war vor 20 Milliarden Jahren?

Außerhalb unserer Zeit-Vorstellung: die Singularität des Urknalls © NASA

Das Jahr ist eine Zeitskala unserer menschlichen Erfahrungswelt. Sie ist durchaus brauchbar für die Geschichte von Zivilisationen, unseres Planeten oder auch der Milchstraße. Aber für den Urknall? In der Phase kurz nach dem Urknall, in der die ersten Atomkerne entstanden sind, haben sich wichtige Eigenschaften des Universums innerhalb von Minuten grundlegend geändert – das Jahr ist hierfür keine nützliche Zeitspanne mehr.

Wie sieht es ersatzweise mit der Sekunde als Zeiteinheit aus? Noch näher am Urknall, während des elektroschwachen Phasenübergangs, war die charakteristische Zeitspanne für grundlegende Änderungen der Eigenschaften des Vakuums nur ein Millionstel einer Millionstel Sekunde. Diese Verkürzung der Zeitspanne setzt sich immer weiter fort: Der Urknall ist nicht irgendein beliebiger Zeitpunkt auf der Zeitachse; er ist ein Punkt, in dessen Nähe die Eigenschaften von Raum und Zeit extrem werden – er ist eine „Singularität“.

Christoph Wetterich, Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola
Stand: 07.06.2013

Gibt es auch beliebig nahe am Urknall noch Zeit und Raum? Gibt es also dann noch eine Metrik? Und vor allem: Ist eine solche Metrik eindeutig bestimmt? Oder lösen sich Zeit und Raum in der Nähe des Urknalls ins Unbestimmte auf, verschwinden sozusagen im Nebel?

Wann begann die kosmische Uhr zu ticken? © Maros / CC-by-sa 3.0

An diesen Fragen setzen unsere Forschungsarbeiten im Institut für Theoretische Physik der Heidelberger Universität an. Dazu nutzen wir beispielsweise mathematische Modelle, mit denen sich Fragen nach dem Urknall angehen lassen. Bei der Untersuchung solcher Modelle stellte sich heraus, dass die Metrik kein „fundamentales“ Feld sein muss.

Es gibt Modelle, die nur mit sogenannten Fermionen formuliert werden können –Teilchen wie die Elektronen, aus denen Materie besteht. Ein metrisches Feld wird dann als eine Eigenschaft des Fermionen-Systems erhalten, genauer gesagt als „Korrelationsfunktion“. Je nach den Parametern, die man für das Modell wählt, kann die Metrik Null sein – dann gibt es keinen Raum und keine Zeit – oder sie kann positive Werte annehmen, sodass die Abstände eine Bedeutung bekommen.

Pfannkuchen statt Kugel

Mit diesen Modellen der Quantengravitation lässt sich gut veranschaulichen, dass Zeit, Raum und Geometrie Eigenschaften der Materie sind. Sie ermöglichen es uns, Fragen nach der Bedeutung von Zeit und Raum bei extrem kleinen Abständen mathematisch konsistent zu behandeln.

Abstände, die mit verschiedenen möglichen Metriken gemessen werden, sind trotzdem proportional zueinander - so besagen es Modelle der Quantengravitation. © NASA/gemeinfrei

Das vielleicht wichtigste Resultat dieser Untersuchungen ist: Es gibt nicht nur eine mögliche Metrik, sondern beliebig viele. Verschiedenen Beobachtern steht es prinzipiell frei, eine jeweils eigene Metrik zu wählen, um Abstände zu messen. Mit anderen Worten: Jeder kann seine eigene Geometrie zur Beschreibung des Universums wählen – was für den einen eine Kugel ist, ist für den anderen ein Pfannkuchen.

Ganz so extrem ist es dann doch nicht: Bei Abständen, die verglichen mit einer winzigen fundamentalen Längenskala wie der Planck-Länge groß sind, stellt sich Folgendes heraus: Abstände, die mit verschiedenen möglichen Metriken gemessen werden, sind proportional zueinander, zumindest bis auf winzige Korrekturen. Damit unterscheiden sich nur die Einheiten, in denen Abstände ausgedrückt werden. Es ist zwar nicht immer praktisch, wenn der eine Wissenschaftler Längen in Zentimetern misst, der zweite in Inches und der Dritte in Ellen. Aber man kann sich auf eine Umrechnung einigen – und jeder Beobachter erhält die gleiche Geometrie. Intelligente Wesen auf einem fernen Planeten finden daher dieselbe Geometrie des Universums heraus wie wir.

Christoph Wetterich, Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola
Stand: 07.06.2013

Kein universelles Maß mehr - Zeit und Raum gelten in der Nähe des Urknalls nicht mehr © NASA/WMAP

Zurück in die Nähe des Urknalls. Wenn man in die Nähe der fundamentalen Zeit- und Längen-Skala kommt, gilt die Proportionalität der Abstände nicht mehr. Nun unterscheiden sich die Geometrien verschiedener möglicher Metriken stark voneinander. Es gibt kein universelles Maß für Abstände mehr. Zwar könnte jeder Beobachter Zeit und Raum noch nach seinem Belieben definieren; deren Bedeutung aber versinkt im Unbestimmten.

Was also war vor dem Urknall? Meine Antwort auf diese Frage ist: Es gibt kein „davor“, weil es keine Zeit gibt. Genauer gesagt: Es gibt kein universelles Konzept von Zeit, das in der unmittelbaren Nähe des Urknalls gültig bleibt.

Und damit kann die Frage „Was war vor dem Urknall?“ nicht mehr vernünftig gestellt werden. Auch im übertragenen Sinn gibt es am Urknall keine regelmäßig tickende Uhr und keinen Meterstab mehr, mit denen Zeit und Raum Bedeutung gegeben werden kann. Zeit und Raum versinken im Chaos der Fluktuationen und der Unbestimmtheit

Christoph Wetterich, Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg / Ruperto Carola
Stand: 07.06.2013