Raumzeit, Dimensionen und Branen

Sternengeschichten Folge 693: Das ekpyrotische Universum

Wie hat alles angefangen? Das ist eine große Frage; vielleicht sogar die größte Frage, die wir uns als Menschen stellen können. Seit es uns Menschen gibt, haben wir nach einer Antwort gesucht. Die Religionen der Welt haben versucht, den Anfang von Allem zu erklären, wenn auch ohne wissenschaftlich akzeptable Belege für ihre Vorstellungen zu haben. Die hat dafür aber die Kosmologie, die sich mittlerweile auch schon seit einiger Zeit damit beschäftigt. Wir haben eine recht gute Idee, wie sich die Dinge entwickelt haben; wie das Universum vor knapp 14 Milliarden Jahren aus einem Zustand extremer Dichte zu dem Kosmos geworden ist, den wir heute beobachten und wir können die meisten dieser Ideen durch Beobachtungsdaten belegen. Was wir aber nicht wissen, ist das, was davor war. Wenn wir akzeptieren, dass das Universum vor 14 Milliarden Jahren durch das entstanden ist, was wir als "Urknall" bezeichnen, dann bleibt natürlich immer noch die Frage übrig: Was ist davor passiert und hat den Urknall verursacht?

Eine mögliche Antwort darauf haben vier Astrophysiker im Jahr 2002 gegeben. Die Amerikaner Paul Steinhardt, Burt Ovrut, Justin Khoury und ihr südafrikanischer Kollege Neil Turok haben ein kosmologisches Modell vorgestellt, dass sie das "Ekpyrotische Universum" genannt haben. Dieser etwas komplizierte Begriff kommt vom altgriechischen Wort ekpyrosis, was auf deutsch so viel wie "Verbrennung" bedeutet. In der Philosophie der Antike war damit aber nicht einfach nur irgendein Feuer gemeint, sondern einen "Weltenbrand", also der Untergang der Welt durch eine gigantische Feuerkatastrophe. Warum gerade das ein passender Begriff für eine Modell sein soll, das die Entstehung des Universums beschreibt, ist auf den ersten Blick vielleicht ein wenig unklar - aber Turok, Steinhardt & Co haben das Wort "ekpyrosis" mit Bedacht gewählt.

Es ist allerdings ein wenig schwierig, genau zu erklären, wie ihr Modell aussieht. Einerseits, weil es sich naturgemäß um eine mathematisch extrem komplexe Arbeit handelt und andererseits, weil es sich um ein Thema handelt, dass sich fast schon per Definition unserer Vorstellungskraft entzieht. Wir leben in einem dreidimensionalen Raum, aber die Raumzeit selbst, die - nach dem was wir bis jetzt wissen - die Gesamtheit des Universums ausmacht, ist vierdimensional. Raum und Zeit können nicht getrennt voneinander betrachtet werden, das wissen wir seit der Arbeit von Albert Einstein. Wir sind aber nicht in der Lage, uns etwas vierdimensionales vorzustellen und schon gar nicht können wir uns eine fünf-dimensionale Raumzeit vorstellen. Genau das wäre aber im Fall des ekpyrotischen Universums nötig. Es basiert auf der sogenannten "heterotischen M-Theorie" und ich werde jetzt sicherlich nicht erklären, was DAS genau ist. Das wissen genaugenommen nicht mal die Leute, die sich das ausgedacht haben… Es geht dabei um die Stringtheorie, also die Hypothese, dass die Grundbausteine von Allem winzigste Fäden, die "Strings" sind, die aber nur in einem Universum existieren können, das mehr als die üblichen drei Raumdimensionen hat. Diese Stringtheorie kann man in Form der M-Theorie erweitern, so dass sie nicht nur die eindimensionalen Strings beschreibt, sondern auch höherdimensionalen Branen. Und das Wort "Brane" ist von "Membran" abgeleitet. Eine Membran ist in unserem Alltagsverständnis eine dünne Fläche, die schwingen kann, so wie zum Beispiel das Trommelfell in unseren Ohren. In der M-Theorie ist eine Membran einfach nur ein abstraktes, zweidimensionales schwingendes Ding; es gibt aber auch dreidimensionale Membrane, vierdimensionalen Membrane, und so weiter und damit das nicht so enorm kompliziert wird, nennt man die alle einfach "Branen" und setzt eine Zahl davor für die Dimension. Unser normaler Raum wäre also eine 3-Brane. Für das ekpyrotische Universum brauchen wir drei davon und außerdem noch eine extra Dimension.

Ich probiere mal, das so einfach wie möglich zu erklären. Gehen wir davon aus, es existieren 4 Raumdimensionen und eine Zeitdimension, also eine fünfdimensionalen Raumzeit. In dieser 5D-Welt gibt es zwei sehr, sehr große 3-Branes, die quasi den Rand der 5D-Welt darstellen. Wie gesagt, man kann sich das nicht vorstellen, aber mathematisch zumindest beschreiben. Ein Würfel zum Beispiel ist ein dreidimensionales Objekt; der Rand des Würfels ist aber eine zweidimensionale Fläche - der Rand muss immer eine Dimension weniger haben als das, was er begrenzt. Unsere 5D-Welt hat vier räumliche Dimensionen (die Zeit ignorieren wir jetzt einfach); ihre Rand muss also dreidimensional sein. Das was wir normalerweise als "unser Universum" bezeichnen ist in diesem Modell nichts anderes als eine dieser beiden 3-Branes. Auf der "anderen" Seite gibt es dann aber noch die andere 3-Brane, quasi ein Paralleluniversum, von dem wir aber nichts mitkriegen. Wenn man will, kann man sich das wie zwei Blatt Papier vorstellen, die übereinander liegen, aber mit einem kleinem Zwischenraum. Das eine Blatt ist unser Universum, das andere ist die Parallelwelt und dazwischen ist "zusätzlicher" Raum. Der Raum zwischen den Papierblättern ist dreidimensional und das Blatt selbst hat aber nur zwei Dimensionen. Genau so sind unser Universum und die Parallelwelt dreidimensional und das, was dazwischen liegt, hat eine Dimension mehr, also vier Raumdimensionen plus eine für die Zeit. Diesen 5D-Raum zwischen den beiden Universen auf den 3-Branes nennt man "Bulk". Von unserer 3-Brane aus können wir nicht in den Bulk kommen; auch nicht zu der anderen 3-Brane auf der anderen Seite. Es kann eigentlich nichts so eine 3-Brane verlassen; mit Ausnahme der Gravitationskraft. Die kann sich in diesem Modell durch den gesamten Bulk ausbreiten. Und jetzt kommt der wichtige Punkt: Im Bulk gibt es mindestens noch eine weitere 3-Brane, die aber jetzt keine Randbrane ist. Unser Universum und das auf der anderen Seite sind quasi fix; wir sind ja der Rand. Aber die zusätzliche Brane im Bulk kann sich bewegen und das ist der Punkt, um den es geht. Das ist auch der Punkt, an dem es wirklich heftig wird, was die Mathematik angeht. Ich müsste jetzt von Dingen erzählen wie der Bogomolny-Prasad-Sommerfield-Grenze, den Yang-Mills-Higgs-Gleichungen aus der nichtlinearen Differentialgeometrie, von Calabi-Yau-Mannigfaltigkeiten, Eichtheorien, und so weiter. Aber das mache ich natürlich jetzt nicht.

So anschaulich wie es in diesem Fall geht, können wir uns den Anfangszustand im Modell des ekyprotischen Universum so vorstellen: Das ganze 5D-Dingens ist kalt und leer. Die beiden Randbranen sind parallel zueinander ausgerichtet; alles ist so symmetrisch wie möglich. Da ist quasi keine Energie irgendwo drin, es gibt keine Materie und keine Strahlung. Aber die Branen wechselwirken dennoch miteinander und zu erklären, wie sie das genau tun, würde den Rahmen dieser Podcastfolge definitiv sprengen. Sagen wir einfach, sie ziehen einander an, auch wenn das eine viel zu stark vereinfachte Erklärung ist. Auf jeden Fall beginnt nun die Bulk-Brane, also das Ding, das sich frei durch die 5D-Welt bewegen kann, sich zu bewegen. Sehr langsam. Also wirklich langsam. Es würde keinen Sinn machen, hier eine Geschwindigkeit anzugeben, also lassen wir es bei "sehr, sehr langsam". Aber irgendwann kommt das, worum es eigentlich geht: Die Bulk-Brane kollidiert mit unserer Rand-Brane. Und man kann sich eh nichts von dem vorstellen, was ich die ganze Zeit erzähle - aber es ist extrem schade, dass wir uns das nicht vorstellen können. Da kollidieren quasi zwei komplette Universen! Und auch wenn die komplett leer sind, hat es doch ordentlich Wumms, wenn die Bewegungsenergie zweier solcher Branen bei einem Zusammenstoß plötzlich freigesetzt wird. Die Energie landet in unserer Brane; von einem Moment auf den anderen ist extrem heiß; die Energie wandelt sich in Materie um und ab da läuft - im Prinzip - alles so weiter, wie wir es auch bisher mit der Urknalltheorie beschreiben. Nur dass jetzt der Urknall nicht der Anfang von allem ist, sondern einfach "nur" das, was in einem 5D-Universum passiert, wenn zwei Branen miteinander zusammenstoßen. Und jetzt versteht man auch, wieso das Wort "ekpyrosis" durchaus passend ist. Was kann es für eine größere Katastrophe geben, als die Kollision zweier Universen? Der "Weltenbrand" der dabei ausgelöst wird, ist aber in diesem Fall gleichzeitig der Beginn unserer eigenen Welt.

Das ist, vorsichtig gesagt, eine wilde Theorie. Aber sie könnte einige Sachen erklären, die in der Kosmologie erklärt werden müssen. Zum Beispiel, warum das Universum so homogen ist. Auch darüber habe ich in früheren Folgen schon gesprochen: Auf ganz großen Maßstäben betrachtet ist die Temperatur im Universum überall quasi gleich und erscheint die Materie im Universum sehr gleichmäßig verteilt zu sein. Nur dass das eigentlich nicht so sein sollte. Denn Licht - und alles andere auch - braucht Zeit, um sich von einem Ort zum anderen zu bewegen. Weit voneinander entfernte Regionen brauchen also sehr viel Zeit um sich quasi "absprechen" und angleichen zu können. Wenn da jetzt zum Beispiel ein sehr heißer Bereich im Universum ist und anderswo ein sehr kalter, dann muss die Wärme von einem Ort zum anderen gelangen, bis sich alles ausgeglichen hat und das dauert. Es dauert vor allem länger, als das Universum alt ist. Es hilft auch nichts, dass das Universum expandiert und früher kleiner war. Ich will nicht zu sehr ins Detail gehen, weil das eigentlich ein ganz anderes Thema ist, aber wir sehen das selbe Problem auch, wenn wir die kosmische Hintergrundstrahlung beobachten, also die Strahlung, die aus einer Zeit knapp 400.000 Jahre nach dem Urknall stammt. Sie ist zu homogen; es gab auch damals nicht genug Zeit, so dass sich alles angleichen hätte können. In unserem aktuellen Urknallmodell haben wir als Lösung die Phase der Inflation vorgeschlagen. Vereinfacht gesagt: Als das Universum wirklich klein war, hat sich alles ausreichend gut vermischen und angleichen können. Dann aber gab es eine sehr kurz Phase, in der sich das Universum absurd weit ausgedehnt hat; es ist quasi schlagartig unvorstellbar viel größer geworden und danach hat erst die normale Expansion eingesetzt. Diese Inflationsphase hat das gut durchmischte frühe Universum so enorm aufgeblasen, dass es heute für uns so aussieht, als hätten die weit voneinander entfernten Regionen keinen Kontakt miteinander haben können.

Das ekpyrotische Universum löst dieses sogenannte "Horizontproblem" einfach dadurch, dass hier quasi beliebig viel Zeit zur Verfügung steht. Und wenn zwei Branen kollidieren, dann ist das mehr oder weniger ein gleichzeitiges Ereignis, das im ganzen Universum stattfindet und damit startet alles mit den selben Bedingungen. Wie gesagt, das ist eine enorm vereinfachte Darstellung, aber mit dem ekpyrotischen Universum kann man nicht nur dieses Horizontproblem lösen, sondern auch noch ein paar andere kosmologische Probleme. Und wir haben als Zusatz eine Antwort auf die Frage, was vor dem Urknall war.

Aber leider ist es halt dann doch nicht so einfach. Abgesehen davon, dass es keinen Beleg dafür gibt, dass wir eine 3-Brane am Rand eines 5D-Bulk sind, hat man im Lauf der Zeit noch andere Probleme mit dem ekpyrotischen Universum gefunden. Nicht alles, was man sich damals ausgedacht hat, hat bei genauerer Betrachtung so gut funktioniert, wie man dachte. Natürlich hat man die Fehler korrigiert; hat neue Versionen entwickelt; man kann die Grundidee des Ekpyrotischen Universums mittlerweile sogar ohne den Rückgriff auf die Stringtheorie und die Branen beschreiben. Aber eine richtig überzeugende Alternative zum Urknallmodell ist daraus leider nicht geworden. Es gibt wenig Möglichkeiten, durch Beobachtungen zu überprüfen, ob das ekpyrotische Universum die richtige Idee ist. Aber immerhin gibt es eine Möglichkeit, es zu widerlegen. Wenn wir irgendwann mal primordiale Gravitationswellen messen sollten, also quasi das Wackeln der Raumzeit selbst, das durch die Inflationsphase nach dem Urknall ausgelöst worden ist (oder eben durch die Kollision der Branen), dann können wir - je nach Stärke dieser Wellen unterscheiden, ob wir in einem ekpyrotischen Universum leben oder nicht.

Und werden dann vermutlich immer noch unzufrieden sein. Denn selbst wenn wir die Frage "Was war vor dem Urknall?" mit "Eine Kollision zwischen zwei Branen" beantworten können, stellt sich ja gleich die nächste Frage, nämlich: "Was war vor der Kollision der Branen?". Neil Turok und Paul Steinhardt haben das in einer modifzierten Version des Modells probiert zu beantworten, nämlich mit "Noch eine Kollision!". In ihrem "zyklischen Universum" kollidieren die Branen quasi regelmäßig. Sie prallen voneinander ab, nähern sich wieder für eine neue Kollision, entfernen sich, und so weiter. Aber auch da bleibt die Frage: Wo kommt dieser ganze 5D-Bulk mit seinen Branen eigentlich her?

Am Ende muss die Frage nach dem Anfang vermutlich immer offen bleiben. Egal was wir uns am Beginn der Existenz von allem vorstellen: Wir werden immer fragen, was denn DAVOR war. Egal ob wir alles mit einem Urknall, einer Kollision von Branen, irgendwas anderem oder sogar einem Gott beginnen lassen: Auch das muss alles einen Ursprung haben. Die Alternative zu einem Anfang ist die Ewigkeit und die ist für uns genau so unvorstellbar und unbefriedigend. Ein Kosmos; ein Gott, der immer schon existiert hat ist genau so wenig eine Antwort wie ein Universum ohne Anfang oder einem Beginn, vor dem Nichts war. Egal wie man es formuliert oder zu denken versucht: Es scheint unmöglich, eine zufriedenstellende Antwort zu finden. Also kann ich diese Folge auch einfach mit dem beenden, was der griechische Philosoph Heraklit vor fast 2500 Jahren gesagt hat: "Diese Welt, dieselbe von allem, hat weder ein Gott noch ein Mensch geschaffen, sondern sie war immer, ist immer und wird sein ewig lebendes Feuer, sich entzündend nach Maßen und erlöschend nach Maßen."