Das Universum hat keinen Anfang: Physiker widerlegen die Urknalltheorie

Am Anfang war … nun ja, vielleicht gab es keinen Anfang. Vielleicht hat unser Universum schon immer existiert – und die neue Theorie der Quantengravitation zeigt, wie das funktionieren könnte.

„Es gibt so viele Dinge in der Realität, die die meisten Menschen mit Science-Fiction oder sogar Fantasy assoziieren“, sagte Bruno Bento, ein Physiker, der die Natur der Zeit an der University of Liverpool in Großbritannien studiert, gegenüber WordsSideKick.com.

In seiner Arbeit verwendete er eine neue Theorie der Quantengravitation, die sogenannte Theorie der kausalen Mengen, in der Raum und Zeit in diskrete Teile der Raumzeit unterteilt sind. Nach dieser Theorie gibt es auf einer bestimmten Ebene eine grundlegende Einheit der Raumzeit.

Bento und seine Mitarbeiter nutzten diesen kausalen Ansatz, um den Beginn des Universums zu erforschen. Sie fanden heraus, dass es durchaus möglich ist, dass das Universum keinen Anfang hatte – es existierte immer in der unendlichen Vergangenheit und wurde erst kürzlich zu dem, was wir den Urknall nennen.

Quantenschwerkraft.

Die Quantengravitation ist vielleicht das ärgerlichste Problem der modernen Physik. Wir haben zwei äußerst effektive Theorien des Universums: die Quantenphysik und die allgemeine Relativitätstheorie. Die Quantenphysik hat erfolgreich drei der vier fundamentalen Kräfte der Natur (Elektromagnetismus, schwache Wechselwirkung und starke Wechselwirkung) bis auf mikroskopische Skalen beschrieben. Andererseits ist die allgemeine Relativitätstheorie die mächtigste und vollständigste Beschreibung der Schwerkraft, die je erfunden wurde.

Aber trotz all ihrer Stärken ist die Allgemeine Relativitätstheorie unvollständig. An mindestens zwei bestimmten Orten im Universum funktioniert die Mathematik der Allgemeinen Relativitätstheorie einfach nicht, ohne zuverlässige Ergebnisse zu liefern: in den Zentren von Schwarzen Löchern und am Anfang des Universums. Diese Bereiche werden „Singularitäten“ genannt, dh Punkte in der Raumzeit, an denen unsere derzeitigen Gesetze der Physik zusammenbrechen, und sie sind mathematische Warnzeichen dafür, dass die allgemeine Relativitätstheorie über sich selbst stolpert. Innerhalb dieser beiden Singularitäten wird die Schwerkraft auf sehr kleinen Längenskalen unglaublich stark.

Um die Geheimnisse der Singularitäten zu lüften, benötigen Physiker daher eine mikroskopische Beschreibung der starken Gravitation, auch Quantentheorie der Gravitation genannt. Es gibt viele Konkurrenten, darunter die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation.

Und es gibt noch einen weiteren Ansatz, der unser Verständnis von Raum und Zeit komplett verändert.

Kausale Mengenlehre

In allen modernen Theorien der Physik sind Raum und Zeit kontinuierlich. Sie bilden den glatten Stoff, der aller Realität zugrunde liegt. In einer solchen kontinuierlichen Raumzeit können zwei Punkte räumlich möglichst nahe beieinander liegen und zwei Ereignisse können zeitlich möglichst nahe beieinander liegen.

Aber ein anderer Ansatz, der als kausale Mengentheorie bezeichnet wird, stellt sich die Raumzeit als eine Reihe diskreter Fragmente oder Raumzeit-„Atome“ vor. Diese Theorie würde der räumlichen und zeitlichen Nähe von Ereignissen strenge Grenzen auferlegen, da sie nicht näher als die Größe eines „Atoms“ sein können.

Wenn Sie zum Beispiel auf Ihren Bildschirm schauen und dies lesen, scheint alles glatt und kontinuierlich zu sein. Aber wenn Sie denselben Bildschirm durch ein Vergrößerungsglas betrachten, können Sie Pixel sehen, die den Raum teilen, und Sie werden feststellen, dass es unmöglich ist, zwei Bilder auf dem Bildschirm näher als ein Pixel zu bringen.

Diese Theorie der Physik begeisterte Bento. „Ich war begeistert, diese Theorie zu finden, die nicht nur versucht, so grundlegend wie möglich zu werden – indem sie sich der Quantengravitation annähert und den Begriff der Raumzeit tatsächlich neu definiert –, sondern auch die Zeit und ihre physikalische Bedeutung zentralisiert. Diese Zeit wird vergehen, wie physisch Ihre Vergangenheit wirklich ist und ob die Zukunft bereits existiert “, sagte Bento gegenüber WordsSideKick.com.

Der Anfang der Zeit

Die kausale Mengenlehre ist wesentlich für die Natur der Zeit.

„Ein großer Teil der Philosophie der kausalen Mengen besteht darin, dass das Vergehen der Zeit etwas Physisches ist und nicht einer aufkommenden Illusion oder etwas in unserem Gehirn zugeschrieben werden kann, das uns glauben lässt, dass die Zeit vergeht; Diese exemplarische Vorgehensweise ist selbst eine Manifestation der physikalischen Theorie “, sagte Bento. „In der Kausalmengentheorie wächst die Kausalmenge also um ein Atom nach dem anderen und wird immer größer.“

Der kausale Mengenansatz beseitigt das Problem der Urknall-Singularität sauber, da Singularitäten theoretisch nicht existieren können. Materie kann nicht auf unendlich kleine Punkte komprimiert werden – sie können nicht kleiner als die Größe eines Atoms in der Raumzeit sein.

Wie sieht also der Anfang unseres Universums ohne die Urknall-Singularität aus? Hier nahmen Bento und sein Mitarbeiter Stav Zalel, ein Doktorand am Imperial College London, den Faden auf, indem sie untersuchten, was die kausale Mengenlehre über die Anfänge des Universums aussagt. Ihre Arbeit wurde am 24. September in der Preprint-Datenbank arXiv veröffentlicht. (Der Artikel wurde noch nicht in einer von Experten begutachteten wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht.)

Der Artikel untersuchte, „ob es in einem kausalen Ansatz hätte existieren sollen“, sagte Bento. „In der ursprünglichen Formulierung und Dynamik der Kausalmenge wächst die Kausalmenge klassisch gesprochen aus dem Nichts in das Universum, das wir heute sehen. Stattdessen gäbe es keinen Urknall als Anfang in unserer Arbeit, da die Kausalmenge bis in die Vergangenheit unendlich wäre und daher immer etwas Davor ist. „

Ihre Arbeit impliziert, dass das Universum möglicherweise keinen Anfang hatte – dass es einfach immer existiert hat. Was wir als Urknall wahrnehmen, könnte nur ein besonderer Moment in der Evolution dieses immer existierenden kausalen Aggregats sein, und nicht der wahre Anfang.

Es bleibt jedoch noch viel zu tun. Es ist noch nicht klar, ob dieser unbegründete kausale Ansatz physikalische Theorien ermöglichen kann, mit denen wir arbeiten können, um die komplexe Entwicklung des Universums während des Urknalls zu beschreiben.

„Man kann immer noch fragen, ob dieser [kausale Ansatz] auf ‚kluge‘ Weise interpretiert werden kann oder was eine solche Dynamik physikalisch im weiteren Sinne bedeutet, aber wir haben gezeigt, dass Struktur tatsächlich möglich ist“, sagte Bento. „Also ist es zumindest mathematisch machbar.“