Kosmologie "Der Urknall war nicht der Anfang"

Der Physiker Martin Bojowald hat in die Zeit vor dem Urknall geblickt - mit Hilfe der Mathematik.

Interview: C. Schrader, D. Schöneberg

Der Deutsche Martin Bojowald gilt trotz seines Alters von nur 36 Jahren als einer der wichtigsten Theoretischen Physiker. Mit seiner Theorie der Quantenschleifen-Gravitation versucht er die Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie von Albert Einstein zu verknüpfen. Bojowald hat als Erster mit mathematischen Methoden die Anfangsphase des heutigen Universums durchleuchtet und gezeigt, dass es schon vor dem Urknall ein Universum gegeben haben muss. Bojowald arbeitet an der Pennsylvania State University.

SZ: Sie haben in die Zeit vor dem Urknall geblickt. Was haben Sie gesehen?

Bojowald: Wir können jetzt zum ersten Mal mathematische Gleichungen befragen, um zu erfahren, was vor dem Urknall gewesen sein könnte. Wir sehen zumindest, dass es auch vorher ein Universum gab und dass es schrumpfte. Es zog sich auf engsten Raum zusammen, kam dann in eine heiße und dichte Phase, bis die Raumzeit wieder anfing zu wachsen. Das Entscheidende ist, dass man überhaupt Gleichungen benutzen kann, um etwas vor dem Urknall auszurechnen. In der Allgemeinen Relativitätstheorie funktionierte das bislang überhaupt nicht. Wenn wir dort rückwärts durch die Zeit blickten, schrumpfte das Universum am Zeitpunkt Null zu einem einzelnen Punkt. Mathematisch gesprochen nennt man das eine Singularität. Hier brachen die Gleichungen zusammen, und die Physik ergab keinen Sinn mehr.

SZ: Es gab also gar keinen Urknall?

Bojowald: Der Urknall war zumindest nicht der Anfang des Universums, es existierte davor schon etwas. Im Übergang vom "Davor" zum "Jetzt" gab es eine Phase, in der die Materie stark konzentriert war. Die Eigenschaften dieser Phase kann man noch am Aufbau des Universums, an der Hintergrundstrahlung, den Sternen und Galaxien ablesen. Das Universum war aber nie in einem Punkt mit - physikalisch sinnloser - unendlich hoher Dichte konzentriert, wie die konventionelle Vorstellung vom Urknall besagt.

SZ: Das heißt, wer vom Urknall spricht, hat eine mathematische Fiktion als physikalische Realität fehlgedeutet?

Bojowald: Wenn man den Urknall als den Anfang des Universums ansieht, dann ist es eine Fehldeutung.

SZ: Was setzen Sie an die Stelle des schönen Bildes vom Urknall?

Bojowald: Die Theorie der Quantenschleifen-Gravitation, die wir schon seit einiger Zeit entwickeln, versucht die Allgemeine Relativitätstheorie mit Eigenschaften der Quantentheorie zu kombinieren. Dabei ist die Raumzeit nicht mehr eine gleichmäßige, lückenlose Folie, sondern sie ist quantisiert, sie hat auf sehr kleinen Längenskalen eine gestückelte Struktur. Raum und Zeit bestehen also aus winzigen Bausteinen, sozusagen aus Raumzeit-Atomen. Deren Größe ist weit geringer als alles, was mit modernen Teilchenbeschleunigern untersucht werden kann. Diese Gitterstruktur spielte in der Phase eine entscheidende Rolle, als das gesamte Universum selbst extrem klein und dicht war, wie es während des Urknalls gewesen sein muss. Die Gitterstruktur bewirkt, dass die Raumzeit nicht beliebig schrumpfen kann. Wenn es eng wird, wirkt die Gravitation nicht mehr nur anziehend, sondern kann auch abstoßend wirken. So können wir die mathematische Schwierigkeit eines unendlich dichten Universums vermeiden.

SZ: Inwieweit kann man Ihre mathematische Lösung als physikalische Realität betrachten?

Bojowald: Das neue Bild aus der Quantenschleifen-Gravitation ist auf jeden Fall besser als die Singularität des Urknalls, weil alle Größen, die man ausrechnen kann, endlich sind und physikalisch sinnvoll. Trotzdem ist Ihre Frage berechtigt. Es ist alles nur Mathematik, und wir versuchen das zu interpretieren und auf das Universum anzuwenden. Ob das wirkliche Universum und die Natur dem entsprechen, ist eine andere Frage. Theorien können immer falsch sein.

SZ: Wie könnte man Ihre Theorie experimentell beweisen?

Bojowald: Wir möchten in Aufnahmen vom frühen Universum indirekte Hinweise auf die Quantelung der Raumzeit suchen. Wir versuchen darum schon seit einiger Zeit auszurechnen, was sich in den Satelliten-Bildern zeigen müsste, wenn es dieses feine Raster im Universum gibt. Im Alltag würden wir davon wenig merken, es hat ja auch sehr lange gedauert, bis Physiker nachgewiesen haben, dass die Materie aus Atomen besteht.