Das Standardmodell des Urknalls basiert auf Einsteins Relativitätstheorie, die einen Anfangszustand unendlicher Dichte vorhersagt – eine Singularität, bei der die bekannte Physik zusammenbricht. Neue Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass die Geburt des Universums möglicherweise anders verlaufen ist und dieser katastrophale Zusammenbruch möglicherweise durch eine Erweiterung von Einsteins Gravitation, bekannt als Quadratische Quantengravitation (QQG), vermieden werden konnte.
Die Grenzen von Einsteins Theorie
Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft auf großen Skalen genau – von der Planetenbewegung bis hin zu Schwarzen Löchern. Aber es scheitert, wenn es auf die extremen Bedingungen des frühen Universums oder des Quantenbereichs angewendet wird. Die von der Allgemeinen Relativitätstheorie vorhergesagte Singularität ist ein klares Zeichen dafür, dass die Theorie unvollständig ist; Unendliche Dichte macht einfach keinen Sinn.
„Das Hauptproblem besteht darin, dass Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie ihr eigenes Scheitern unter extremen Bedingungen vorhersagt, am bekanntesten bei der Urknall-Singularität“, erklärt der Physiker Niayesh Afshordi. Dies hat die jahrzehntelange Suche nach einem robusteren Rahmen für die Schwerkraft unter diesen Bedingungen vorangetrieben.
QQG: Eine mögliche Lösung
QQG baut auf Einsteins Theorie auf, indem es zusätzliche Terme einbezieht, die bei extrem hohen Energien von Bedeutung sind. Dies ermöglicht, dass die Theorie auch unter den extremen Bedingungen des Urknalls konsistent bleibt und die Singularität möglicherweise ganz vermieden wird.
Eine kürzlich in Physical Review Letters veröffentlichte Studie legt nahe, dass das frühe Universum unter QQG möglicherweise eine Hochenergiephase durchlaufen hat, ohne einen abrupten, unendlich dichten Anfang. Stattdessen hätte das Universum aus einem glatteren, stabileren Zustand mit endlicher Dichte und Temperatur hervorgehen können. Dadurch wird ein grundlegender Fehler in der Standardkosmologie vermieden.
Inflation ohne Inflaton
QQG bietet auch eine neue Perspektive auf die kosmische Inflation – die Zeit der schnellen Expansion unmittelbar nach dem Urknall. Standardmodelle erfordern ein hypothetisches Feld, das „Inflaton“, um diese Expansion voranzutreiben. QQG erzeugt jedoch auf natürliche Weise Inflation als Folge der Schwerkraft selbst.
„Mit anderen Worten, einige der Schlüsselbestandteile, die wir normalerweise separat zur Kosmologie hinzufügen, könnten direkt aus der Gravitationstheorie selbst stammen“, fügt Afshordi hinzu. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines unbeobachteten Feldes.
Asymptotische Freiheits- und Beobachtungstests
Ein wesentliches Merkmal von QQG ist sein Verhalten auf verschiedenen Energieskalen. Es vereinfacht sich bei extrem hohen Energien – eine Eigenschaft, die als „asymptotische Freiheit“ bezeichnet wird – bevor es sich zur Schwerkraft entwickelt, die wir heute beobachten. Dadurch entsteht ein kontinuierlicher Übergang von einem exotischen frühen Universum zur bewährten Physik späterer Zeiten.
Die Theorie ist nicht unüberprüfbar. Subtile Unterschiede in den ursprünglichen Gravitationswellen und dem kosmischen Mikrowellenhintergrund könnten die Prägung von QQG im frühen Universum offenbaren. Zukünftige Beobachtungen, insbesondere in der Gravitationswellenastronomie, könnten dieses Modell möglicherweise von Standard-Inflationsszenarien unterscheiden.
„Da sich die Beobachtungsempfindlichkeit in den kommenden Jahren und Jahrzehnten verbessert, könnten zukünftige Messungen ursprünglicher Gravitationswellen beginnen, diese Art von Modell von konventionelleren Inflationsszenarien zu unterscheiden.“
Zusammenfassend stellt QQG eine überzeugende Alternative zum singularitätsbasierten Urknall dar. Es bietet einen mathematisch konsistenten Rahmen, der langjährige Inkonsistenzen in unserem Verständnis der kosmischen Ursprünge beseitigen kann. Sollte sich dies bestätigen, könnte dies unsere Sicht auf den Anfang des Universums verändern und einen katastrophalen Zusammenbruch durch eine kontinuierliche Quantenbeschreibung der Schwerkraft ersetzen.
